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经验公式确定钢的热处理温度


钢的热处理工艺设计经验公式
------------根据经验公式确定热处理的保温温度------------

1
1.1

钢的热处理
正火加热时间 加热时间 t=KD (1)

式中 t 为加热时间(s); D 使工件有效厚度(mm) ; K 是加热时间系数(s/mm) 。 K 值的经验数据见表 1。 表 1 K 值的经验数据 加热设备 箱式炉 盐浴炉 1.2 正火加热温度 根据钢的相变临界点选择正火加热温度 低碳钢: T=Ac3+ (100~150℃) 中碳钢: T=Ac3+ (50~100℃) 高碳钢: Cm+ 30~50℃) T=A ( 亚共析钢: T=Ac3+ (30~80℃) 共析钢及过共析钢: Cm+ 30~50℃) T=A ( 1.3 淬火加热时间 为了估算方便起见,计算淬火加热时间多采用下列经验公式: t=a· K · ︱ (不经预热) D t=(a+b)· K · (经一次预热) D t=(a+b+c)· K · ︱(经二次预热) D 式中 t—加热时间(min); a—到达淬火温度的加热系数(min/mm); b—到达预热温度的加热系数(min/mm); c— 到达二次预热温度的加热系数(min/mm); K—装炉修正系数; D︱--工件的有效厚度(mm)。 在一般的加热条件下, 采用箱式炉进行加热时, 碳素钢及合金钢 a 多采用 1~ 1.5min/mm; 为 1.5~2min/mm b (高速钢及合金钢一次预热 a=0.5~0.3; b=2.5~


加热温度 800~950 800~950

(碳素钢)K/(s/mm) 50~60 15~25

(合金钢)K/(s/mm) 60~70 20~30

(2) (3) (4) (5) (6)

(7) (8) (9)

3.6;二次预热 a=0.5~0.3;b=1.5~2.5;c=0.8~1.1),若在箱式炉中进行快 速加热时,当炉温较淬火加热温度高出 100~150℃时,系数 a 约为 1.5~20 秒 /毫米,系数 b 不用另加。若用盐浴加热,则所需时间,应较箱式炉中加热时间 少五分之一(经预热)至三分之一(不经预热)左右。工件装炉修正系数 K 的经 验值如表 2: 表 2 工件装炉修正系数 K 工件装炉方式 t030111.1 t030111.3 t030111.5 t030111.7 1.4 淬火加热温度 按常规工艺, 亚共析钢的淬火加热温度为 Ac3+ (30~50℃) ; 共析和过共析钢为 Ac1+ (30~50℃) ; 合金钢的淬火加热温度常选用 Ac1 (或 Ac3) (50~100℃) + 1.5 回火加热时间 对于中温或高温回火的工件,回火时间是指均匀透烧所用的时间,可按下列 经验公式计算: t=aD+b 式中 t—回火保温时间(min); D—工件有效尺寸;(mm); a—加热系数(min/mm); b—附加时间,一般为 10~20 分钟。 盐浴的加热系数为 0.5~0.8min/mm;铅浴的加热系数为 0.3~0.5min/mm; 井式回火电炉(RJJ 系列回火电炉)加热系数为 1.0~1.5min/mm;箱式电炉加热 系数为 2~2.5mim/mm。 1.6 回火加热温度 钢的回火定量关系式很早就有人研究,其经验公式为: 钢的回火温度的估算, T=200+k(60-x) 式中: x —回火后硬度值,HRC; k—待定系数,对于 45 钢,x>30,k =11;x≤30,k=12。 (14) (13) (10) (11) (12) 修正系数 1.0 2.0 1.3 1.0

大量试验表明, 当钢的回火参数 P 一定时, 回火所达到的工艺效果——硬 度值或力学性能相同。因此, 按传统经验式确定回火参数仅在标准态(回火 1h) 时方可使用,实际生产应用受到限制. 为了解决上述问题, 将有关因素均定量表达,文献中导出如下回火公式: (1)在 200~40O℃范围: HV=640-(T-20)×1.05+(lgt-1.28)×366+( T-200)(lgt-1.28)×0.036 (15) (2)在 400~600℃范围: HV=17.2×103/T-(1gt 一 1.28)×29.4-(T-400)(Igt-1.28)×0.023 式中 T--回火温度 ℃ t--回火时间,min 对比可以看出影响回火效果的主要因素是 T 和 t 能较好,较真实地反映出实际工 艺参数的影响,定量地表达了不同温度区间回火硬度的变化特征。 (16)

2
2.1

钢的热处理相变点及再结晶温度的计算
AC1 和 AC3 温度的经验公式 AC1 和 AC3 分别表示在加热过程中组织开始转变为奥氏体和全部转变为奥氏

体时的温度, 它们对钢的热处理工艺的制定以及新材料和新工艺的设计都具有重 要意义。因此,对 AC1 和 AC3 的预测具有较大的理论和应用价值。Andrews 搜集了 英,德,法,美等国家的资料通过对大量试验数据进行回归分析,获得了根据钢 的化学成分计算 AC1 和 AC3 温度的经验公式: AC3(℃)=910 - 203C1/ 2- 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31.5Mo +13.1W AC1(℃)=723– 10.7Mn – 13.9Ni + 29Si + 16.9Cr + 290As + 6.38W (17) (18)

式中的元素符号代表其含量 (质量分数,wt%,下同) ,适用钢的成分范围为: ≤0.6C, ≤4.9Mn, ≤5Cr , ≤5Ni , ≤5.4Mo。公式(1)~(2)表达了钢的 AC1 和 AC3 与化学成分之间的关系,其优点是形式简明、直观,便于应用。 2.2 钢奥氏体化后冷却时,奥氏体开始转变为马氏体的温度 Ms(℃) Ms=550-350C-40Mn-35V-20Cr-17Ni-Cu-10Mo-5W+15Co+30Al+0Si Ms=561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo 式(19),(20)适用于中低碳钢。 Ms=539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo 0≤Ni≤5.04%,0≤Cr≤4.61% ,0≤Mo≤5.4%。 注意 ,上述 Ms 点的计算公式主要用于亚共析钢;对于过共析钢,由于淬火加 热温度对奥氏体的成分影响较大,故根据钢的成分来计算 Ms 点是没有意义的。 Ms=41.7(14.6-Cr)+0.6(6.9-Ni)+33(1.33-Mn)+28(0.47-S) (21) 式(21)适用于 0.11%≤C≤0.60%,0.04%≤Mn ≤4.8%,0.11%≤Si ≤1.89% , (19) (20)

+1677(0.068-C-Ni)-17.8 式(22)适用于 SUS 类不锈钢(日本)。 2.3 奥氏体转变为马氏体(M)的终了温度 Mf(℃) Mf 点根据不同的马氏体转变量的计算公式: Mf=(100%M)=Ms-(215±15) Mf=(90%M)=Ms-(103±12) Mf=(50%M)=Ms-(47±9) Mf=(10%M)=Ms-(10±3) 2.4 贝氏体组织开始转变的温 Bs(℃) Bs=830-270C-90Mn-37Ni-70Cr-83Mo 2.5 钢的再结晶温度 TR(K) TR=0.4Tm 式中: Tm—钢的熔点温度,K。

(22)

(23) (24) (25) (26) (27) (28)

3
3.1

钢在空气炉中加热时间(考虑节能)的计算
按工件形状确定加热时间 t(min) t = kiw (29)

式中:ki—形状系数,k 圆柱=1/6~1/9,k 板=1/3~1/6, k 薄壁管=(δ /D<1/4)=1/4~1/5,k 厚壁管(δ /D>1/ 4) = 1/2~1/4 ; w—形状特征尺寸,直径、板厚或壁厚,mm。 3.2 按实际装炉量确定加热时间 t(min) t=(0.6~0.8)∑Gw 式中:∑Gw—装炉工件总重量,kg。 式(30)适用于 45kW 箱式电炉加热。 (30)

4
4.1

钢的临界冷却速度的计算
钢在油中淬火时心部得到马氏体的临界冷却速度ν M(℃/h) logν M=9.81-4.62C+1.10Mn+0.54Ni+0.50Cr+0.60Mo+0.00183PA (31) 式中: PA—奥氏体化参数(加热时间×加热温度,此处加热时间为 1h)。

4.2 4.3

钢在油中淬火时心部得到贝氏体的临界冷却速度ν B(℃/h) logν B=10.17-3.80C+1.07Mn+0.70Ni+0.57Cr+1.58Mo+0.0032PA 钢在油中淬火时心部得到珠光体-铁素体混合物的临界冷却速度 ν PF(℃/h) logν PF=6.36-0.43C+0.49Mn+0.78Ni+0.26Cr+0.38Mo+0.0019PA (33) (32)

4.4

钢在油中淬火时心部得到 50%马氏体+50%贝氏体的临界冷却速度 ν 50MB(℃/h) logν 50MB=8.50-4.13C+0.86Mn+0.57Ni+0.41Cr+0.94Mo+0.0012PA 式(31)~(34)适用条件:C≤0.50%,Mn≤1.75%,Ni≤3.0%,Cr≤2.25% , Mo≤1.0% ,Mn+Ni+Cr+Mo≤5.0%。 (34)

5
5.1

钢的淬火冷却时间的计算
钢预冷淬火时空气预冷时间 ty(s) ty=12+(3~4)D (35)

式中:D—淬火工件危险截面厚度,mm。 5.2 钢Ms 点上分级冷却时间tf(s) tf=30+5D (36)

6

钢的淬火硬度的计算
H4~40=88C 1/2-0.0135E2C1/2+19Cr1/2+6.3Ni 1/2+16Mn 1/2+35Mo 1/2 +5Si 1/2-0.82G-20E 1/2+2.11E-2 式中: E—到顶端距离,mm; G—奥氏体晶粒度。 (37)

6.1 钢终端淬火试验时,距试样顶端4~40 mm范围内各点硬度H4~40 (HRC)

6.2 6.3

钢的最高淬火硬度,即淬火钢获得90%马氏体时的硬度Hh(HRC) Hh=30+50C 钢的临界淬火硬度,即淬火钢获得50%马氏体时的硬度Hl(HRC) Hl=24+40C (39) (40) (38)

6.4 钢淬火组织为马氏体时的硬度HVM HVM=127+949C+27Si+11Mn+8Ni+16Cr+21logν M 6.5 钢淬火组织为贝氏体时的硬度HVB HVB=-323+185C+330Si+153Mn+65Ni+144Cr+191Mo +logν B(89+54C-55Si-22Mn- 10Ni-20Cr-33Mo) 6.6 钢淬火组织为珠光体- 铁素体的硬度HVPF +logν PF(10-19Si+4Ni+8Cr+130V) 式(40)~(42)适用条件同式(31)~(33)。 (42) HVPF=42+223C+53Si+30Mn+13Ni+7Cr+19Mo (41)

7

钢回火后硬度的计算

7.1

钢淬火组织为马氏体时的回火硬度HVM HVM=-74-434C-368Si+15Mn+37Ni+17Cr-335Mo-2235V +(103/PB)(260+616C+321Si-21Mn-35Ni-11Cr+352Mo-2345V) (43)

式中: PB—回火参数(回火温度×回火时间,此处加热时间为1h)。 7.2 钢淬火组织为贝氏体时的回火硬度HVB HVB=262+162C-349Si-64Mn-6Ni-186Cr-485Mo-857+ (103/PB)(-149+43C+336Si+79Mn+16Ni+196Cr+498Mo+1094V) 式(42) , (43) 适用条件:C≤0.83% ,Mn≤2.0%,Si≤1.0%,Cr≤2.0%, Mo≤1.0%,Ni≤3.0%,V≤0.5%,Mn+Ni+Cr+Mo≤5.0%。 7.3 钢回火后硬度回归方程 HRC=75.5-0.094T+0.66CM 式中: T—回火温度, ℃; CM —钢的含碳量或碳当量,%; CM=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+ Ni+Cu) ( /15 7.4 45钢回火后硬度回归方程 (47) (48) HV=640-(T-200)1.05-(logt-1.28)36.6 +(T-200)(logt- 1.28)0.0036 20≤T≤400 HV=17.2×104/T-(logt-1.28)29.4 -(T-400)(logt-1.28)0.014 400≤T≤600 式中: t—回火时间,min。 (46) (45) (44)

8

钢的回火温度的估算(适用于碳素钢)
T=200+k(60-x) (49)

式中: x—回火后硬度值,HRC; k—待定系数,对于45钢,x>30,k=11;x≤30,k=12。

9

钢的力学性能的换算
M=0.087HBt0.8D1.8 T=0.195HBt0.8D1.8+0.0022HBD2 (50) (51)

9.1 切削性能

M 是扭矩,T 是轴向推力,t 是进给量,D 为钻头直径,HB 是布氏硬度。 9.2 抗拉强度 ? b(9.8×MPa)与布氏硬度 HB (1.1)普通碳钢及合金钢 σ b≈1/3HB≈3.2HRC=2.1HS (52)

(1.2)铸铁 σ b=(.030~0.40)HB (1.3)灰口铸铁 σ b=1/6(HB-40) 9.3 屈服极限σ s(MPa)与抗拉强度σ b(MPa) (1.1) 退火状态结构钢 σ s=(0.55~0.65)σ b (1.2) 调质状态结构钢 σ s=(0.75~0.0.85)σ b 9.4 对称弯曲疲劳极限σ -1(MPa)与抗拉强度σ b(MPa) (1.1)碳钢(奥金格公式) σ -1=(0.49±0.13)σ b,σ b<1200MPa (1.2)合金钢(茹科夫公式) σ -1=0.35σ b+12.2,σ b>1200MPa (1.3)铸铁(莫尔公式) σ -1=0.35σ b+2.0 9.5 对称拉压疲劳极限σ (1.1)普通钢 σ σ
-1p -1p

(53) (54)

(55) (56)

(57) (58) (59)

(MPa)与对称弯曲疲劳极限σ -1(MPa) (60) (61)

=0.85σ =0.65σ

-1

(1.2)铸铁
-1p -1

9.6 剪切强度Γ b(MPa)与抗拉强度σ b(MPa) (1.1)退火钢及碳钢 Γ b= 0.50~0.60) b, b<700MPa ( σ σ (1.2)中高强度钢 Γ b= 0.60~0.65) b, b=800~1200MPa ( σ σ (1.3)生铁 Γ b= 0.80~0.10) b ( σ 9.7 对称扭转疲劳极限Γ -1(MPa)与对称弯曲疲劳极限σ -1 (1.1)普通钢 Γ -1=0.55σ -1 (1.2)铸铁 Γ -1=0.80σ -1 9.8 解除疲劳极限σ RH(MPa) 与布氏硬度(HB)(应力循环基数为 10 ) (1.1) σ RH=280(HB-25),HB>400 (67)
7

(62) (63) (64)

(65) (66)

(1.2) σ RH=290(HB-30),HB<400 9.9 钢的硬度换算 (1.1)HRC≈HS-15 (1.2)HV≈HB,HB<450 (1.3)HS≈1/10HB+12 (1.4)HB≈10HC,HB=200~600

(68) (69) (70) (71) (72)

10
10.1

由钢的化学成分估算力学性能
求屈服比(屈服极限σ s/抗拉强度σ b) σ s/σ b=55+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V 式中,金属元素重量百分数(﹪)适用范围: Si≤1.8﹪,Mn≤1.1﹪,Cr≤1.8﹪,Mo≤0.5﹪,Ni≤5﹪,V≤0.25﹪。材 (73)

(1)油夜淬火调质σ s/σ b(﹪)

料适用直径在Ф 150~200mmm。 (2)空气淬火调质钢σ s/σ b(﹪) σ s/σ b=48+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V 10.2 求抗拉强度σ b(9.8×MPa ) σ b=100C-100(C-0.40)/3+100Si/10+100Mo/4+30Mn+6Ni+2W+60V 适用 C≤0.9﹪,Si≤1.8﹪,Mn≤1.1﹪,Cr≤1.8﹪,Ni≤5﹪,V≤2﹪。 (2)普通正火及退火钢 σ b=20+100CM (3)热轧钢 σ b=27+56CM (4)锻钢 σ b=27+50CM (5)铸铁 σ b=27+48CM 式中,CM---钢的碳当量。 CM=[1+0.5(C-0.20)]C+0.15Si+[0.125+0.25(C+0.20)Mn] +[1.25-0.5(C-0.20)]P+0.20Cr+0.10Ni (6)压延状态及正火高张力钢 σ b=3.5±(61CM+24.3) CM=C+1/5Mn+1/7Si+1/7Cu+1/2Mo+1/9Cr+1/2V+1/20Ni (81) (82) (80) (79) (78) (77) (76) (75) (1)调质钢 (74)

11
11.1

由钢的显微组织估算力学性能
空冷 a-Fe 的力学性能 σ b=300MPa (83) (84) (85)

(1)抗拉强度 (2)延伸率 δ =40﹪ (3)布氏硬度 HB=90 11.2 亚共析钢(退火状态)的力学性能 σ b=300(a-Fe﹪)+1000(P﹪) =300(1-C/0.83)+1000(C/0.83) (2)延伸率(﹪) δ =40(1-C/0.83)+15(C/0.83) (3)布氏硬度 HB=90(1-C/0.83)+280(C/0.83) 11.3 空冷珠光体(0.83﹪C)的力学性能 (1)抗拉强度 σ b=1000MPa (2)延伸率 δ =15﹪ (3)布氏硬度 HB=280 (91) (90) (89) (88) (87) (86) 式中,a-Fe﹪,P﹪---分别表示亚共析钢中的 a-Fe,P 组织体积百分数。 (1)抗拉强度(MPa)

CCT、TTT 相图的计算
孕育期公式为:

? ( X ,T ) ?

1

? ?2

( G ?1 ) / 2

D?T

q

?

X

dX X
2 (1 ? X ) / 3

0

(1 ? X )

2 X /3

(1.3.1)

式中:G 为 ASME 晶粒度:β 为修正系数:D 为实际的扩散系数:△T 为过冷度 系数,它是由实际的扩散机制所确定的实验指数:X 是转变量:T 是转变温度:

?

是孕育期。

对于马氏体:

Ms ? 561 ? 474 C ? 33 Mn ? 17 Cr ? 21 Mo (1.3.2)
对于铁素体:

910 ? 320 C ? A 0 ( C % ? 0 . 4 ) ? A3 ? ? (1.3.3) ? 782 ? 150 ( C ? 0 . 4 ) ? A 0 ( C % ? 0 . 4 )
式中:

A 0 ? ? 14 Ni ? 12 Cu ? 10 Mn ? 5 Cr ? 7W ? 14 Mo ? 5V ? 18 Si (1.3.4)

?F ?

59 . 6 Mn ? 1 . 45 Ni ? 66 . 7 Cr ? 24 . 4 Mo

? ?2

( G ?1 ) / 2

( ? T ) exp( ? 23500 / RT )
3

?I
(1.3.5)

对于珠光体:

A 1 ? 723 ? 26 Si ? 20 Cr ? 8W ? 16 Mo ? 55 V ? 14 Cu ? 18 Ni ? 12 Mn (1
.3.6)

?P ?
?(

1 . 79 ? 5 . 42 ( Cr ? Mo ? 4 Mo ? Ni )

? ?2
1

( G ?1 ) / 2

? (?T )

3

exp( ? 27500 / RT )

?

0 . 01 Cr ? 0 . 52 Mo exp( ? 37000 / RT )

(1.3.

) ? I 7)

对于贝氏体:

T BS ? 656 ? 58 C ? 35 Mn ? 75 Si ? 15 Ni ? 34 Cr ? 41 Mo (1
.3.8

?B ?

( 2 . 34 ? 10 . 1C ? 3 . 8 Cr ? 19 Mo ) ? 10

?4

? ?2

( G ?1 ) / 2

( ? T ) exp( ? 27500 / RT )
2

? I?



(1.3.9)

Ms ? 561 ? 474 C ? 33 Mn ? 17 Cr ? 21 Mo (1.3.10)
上述式中:
X

I ?

?

dX X
2 (1 ? X ) / 3

(1.3.11)
2 X /3

0

(1 ? X )

I? ?

?

X

exp X (1 . 9 C ? 2 . 5 Mn ? 0 . 9 Ni ? 1 . 7 Cr ? 4 Mo ? 2 . 6 ) ?
2

?

0

X

2 (1 ? X ) / 3

? (1 ? X )

2 X /3

(1.3.13) (1.3.12 )

Ms ? 561 ? 474 C ? 33 Mn ? 17 Cr ? 21 Mo

合金元素为重量百分比含量。


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