经验公式确定钢的热处理温度

钢的热处理工艺设计经历公式
------------根据经历公式确定热处理的保温温度------------ 1钢的热处理
1.1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值的经历数据见表1。

表1 K值的经历数据
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
+〔100～150℃〕〔2〕
低碳钢：T=Ac
3
中碳钢：T=Ac
+〔50～100℃〕〔3〕
3
+〔30～50℃〕〔4〕
高碳钢：T=A
Cm
+〔30～80℃〕〔5〕
亚共析钢：T=Ac
3
共析钢及过共析钢：T=A
+〔30～50℃〕〔6〕
Cm
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以下经历公式：
t=a·K ·D︱(不经预热) 〔7〕
t=(a+b)·K ·D︱(经一次预热) 〔8〕
t=(a+b+c)·K ·D︱(经二次预热) 〔9〕
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，采用箱式炉进展加热时，碳素钢及合金钢a多采用1～1.5min/mm；b为1.5～2min/mm〔高速钢及合金钢一次预热a=0.5～0.3；b=2.5～3.6；二次预热a=0.5～0.3；b=1.5～2.5；c=0.8～1.1〕，假设在箱式炉中进展快速加热时，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。

假设用盐浴加热，那么所需时间，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的经历值如表2：
表2 工件装炉修正系数K
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Ac
3
＋〔30～50℃〕；〔10〕
共析和过共析钢为Ac
1
＋〔30～50℃〕；〔11〕
合金钢的淬火加热温度常选用Ac
1〔或Ac
3
〕＋〔50～100℃〕〔12〕
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，可按以下经历公式计算：
t=aD+b 〔13〕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，其经历公式为：
钢的回火温度的估算,
T=200+k(60-x) 〔14〕
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。

大量试验说明，当钢的回火参数P一定时，回火所到达的工艺效果——硬度值或力学性能一样。

因此，按传统经历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℃X围：
HV=640-(T-20)×1.05+(lgt-1.28)×366+( T-200)(lgt-1.28)×0.036 〔15〕
(2)在400～600℃X围:
HV=17.2×103/T-(1gt一1.28)×29.4-(T-400)(Igt-1.28)×0.023 〔16〕
式中T--回火温度℃
t--回火时间，min
比照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。

2 钢的热处理相变点及再结晶温度的计算
2.1A
C1和A
C3
温度的经历公式
A
C1
和A
C3
分别表示在加热过程中组织开场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A
C1和A
C3
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展回归分析，获得了根据钢
的化学成分计算A
C1和A
C3
温度的经历公式：
A
C3
(℃)=910 - 203C1/ 2- 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31.5Mo +13.1W (17)
A
C1
(℃)=723– 10.7Mn – 13.9Ni + 29Si + 16.9Cr + 290As + 6.38W (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X围为：
≤0.6C, ≤4.9Mn, ≤5Cr , ≤5Ni , ≤5.4Mo。

公式(1)～(2)表达了钢的A
C1和A
C3
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,奥氏体开场转变为马氏体的温度Ms〔℃〕
Ms=550-350C-40Mn-35V-20Cr-17Ni-Cu-10Mo-5W+15Co+30Al+0Si〔19)
Ms=561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo(20)
式(19),(20)适用于中低碳钢。

Ms=539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo(21)
式(21)适用于0.11%≤C≤0.60%,0.04%≤Mn ≤4.8%,0.11%≤Si ≤1.89% ,
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)
+1677(0.068-C-Ni)-17.8 (22)
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) (23) Mf=(90%M)=Ms-(103±12) (24) Mf=(50%M)=Ms-(47±9) (25) Mf=(10%M)=Ms-(10±3) (26)
2.4贝氏体组织开场转变的温Bs(℃)
Bs=830-270C-90Mn-37Ni-70Cr-83Mo(27)
2.5 钢的再结晶温度TR(K)
TR=0.4Tm (28)
式中: Tm—钢的熔点温度,K。

3 钢在空气炉中加热时间(考虑节能)的计算
3.1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 (30)
式中:∑Gw—装炉工件总重量,kg。

式(30)适用于45kW箱式电炉加热。

4 钢的临界冷却速度的计算
4.1钢在油中淬火时心部得到马氏体的临界冷却速度νM(℃/h)
logνM=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钢在油中淬火时心部得到贝氏体的临界冷却速度νB(℃/h)
logνB=10.17-3.80C+1.07Mn+0.70Ni+0.57Cr+1.58Mo+0.0032PA (32)
4.3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
νPF(℃/h)
logνPF=6.36-0.43C+0.49Mn+0.78Ni+0.26Cr+0.38Mo+0.0019PA (33)
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
ν50MB(℃/h)
logν50MB=8.50-4.13C+0.86Mn+0.57Ni+0.41Cr+0.94Mo+0.0012PA(34)
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%。

5钢的淬火冷却时间的计算
5.1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
6.1 钢终端淬火试验时,距试样顶端4～40 mmX围内各点硬度H4～40(HRC)
=88C 1/2-0.0135E2C1/2+19Cr1/2+6.3Ni 1/2+16Mn 1/2+35Mo 1/2
H
4～40
+5Si 1/2-0.82G-20E 1/2+2.11E-2 (37)
式中: E—到顶端距离,mm;
G—奥氏体晶粒度。

6.2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(38)
6.3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)
6.4 钢淬火组织为马氏体时的硬度HVM
HVM=127+949C+27Si+11Mn+8Ni+16Cr+21logνM (40)
6.5钢淬火组织为贝氏体时的硬度HVB
HVB=-323+185C+330Si+153Mn+65Ni+144Cr+191Mo
+logνB(89+54C-55Si-22Mn- 10Ni-20Cr-33Mo) (41)
6.6钢淬火组织为珠光体- 铁素体的硬度HVPF
HVPF=42+223C+53Si+30Mn+13Ni+7Cr+19Mo
+logνPF(10-19Si+4Ni+8Cr+130V)(42)
式(40)～(42)适用条件同式(31)～(33)。

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) (44)
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(45)
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 (46) 7.4 45钢回火后硬度回归方程
HV=640-(T-200)1.05-(logt-1.28)36.6 +(T-200)(logt- 1.28)0.0036(47)
20≤T≤400
HV=17.2×104/T-(logt-1.28)29.4 -(T-400)(logt-1.28)0.014(48)
400≤T≤600
式中: t—回火时间,min。

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
9.1 切削性能
M=0.087HBt0.8D1.8 〔50〕
T=0.195HBt0.8D1.8+0.0022HBD2 〔51〕
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
σb≈1/3HB≈3.2HRC=2.1HS 〔52〕(1.2)铸铁
σb=(.030～0.40)HB (53) (1.3)灰口铸铁
σb=1/6(HB-40) (54) 9.3 屈服极限σs〔MPa〕与抗拉强度σb〔MPa〕
(1.1) 退火状态构造钢
σs=〔0.55～0.65〕σb (55) (1.2) 调质状态构造钢
σs=〔0.75～0.0.85〕σb (56)
9.4 对称弯曲疲劳极限σ
-1
〔MPa〕与抗拉强度σb〔MPa〕
(1.1)碳钢〔奥金格公式〕
σ
-1
=(0.49±0.13)σb，σb<1200MPa (57) (1.2)合金钢〔茹科夫公式〕
σ
-1
=0.35σb+12.2，σb>1200MPa (58) (1.3)铸铁〔莫尔公式〕
σ
-1
=0.35σb+2.0 (59)
9.5 对称拉压疲劳极限σ
-1p 〔MPa〕与对称弯曲疲劳极限σ
-1
〔MPa〕
(1.1)普通钢
σ
-1p =0.85σ
-1
(60)
(1.2)铸铁
σ
-1p =0.65σ
-1
(61)
9.6 剪切强度Γb〔MPa〕与抗拉强度σb〔MPa〕
(1.1)退火钢及碳钢
Γb=〔0.50～0.60〕σb，σb<700MPa (62) (1.2)中高强度钢
Γb=〔0.60～0.65〕σb，σb=800～1200MPa (63) (1.3)生铁
Γb=〔0.80～0.10〕σb (64) 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 (65) (1.2)铸铁
Γ-1=0.80σ-1 (66)
9.8 解除疲劳极限σ
RH
(MPa) 与布氏硬度〔HB〕(应力循环基数为107)
(1.1) σ
RH
=280(HB-25),HB>400 (67)
(1.2) σ
RH
=290(HB-30),HB<400 (68) 9.9 钢的硬度换算
(1.1)HRC≈HS-15 (69)
(1.2)HV≈HB,HB<450 (70)
(1.3)HS≈1/10HB+12 (71)
(1.4)HB≈10HC,HB=200～600 (72)
10由钢的化学成分估算力学性能
10.1求屈服比〔屈服极限σs/抗拉强度σb〕
(1)油夜淬火调质σs/σb(﹪)
σs/σb=55+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V (73) 式中，金属元素重量百分数〔﹪〕适用X围：
Si≤1.8﹪，Mn≤1.1﹪，Cr≤1.8﹪，Mo≤0.5﹪，Ni≤5﹪，V≤0.25﹪。

材料适用直径在Ф150～200mmm。

(2)空气淬火调质钢σs/σb(﹪)
σs/σb=48+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V (74) 10.2 求抗拉强度σb〔9.8×MPa 〕
(1)调质钢
σb=100C-100(C-0.40)/3+100Si/10+100Mo/4+30Mn+6Ni+2W+60V (75) 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
(76)
σb=20+100C
M
(3)热轧钢
(77)
σb=27+56C
M
(4)锻钢
(78)
σb=27+50C
M
(5)铸铁
(79)
σb=27+48C
M
---钢的碳当量。

式中，C
M
=[1+0.5(C-0.20)]C+0.15Si+[0.125+0.25(C+0.20)Mn]
C
M
+[1.25-0.5(C-0.20)]P+0.20Cr+0.10Ni (80) (6)压延状态及正火高X力钢
+24.3) (81) σb=3.5±(61C
M
=C+1/5Mn+1/7Si+1/7Cu+1/2Mo+1/9Cr+1/2V+1/20Ni (82)
C
M
11由钢的显微组织估算力学性能
11.1空冷a-Fe的力学性能
(1)抗拉强度
σb=300MPa (83) (2)延伸率
δ=40﹪(84) (3)布氏硬度
HB=90 (85) 11.2亚共析钢〔退火状态〕的力学性能
(1)抗拉强度(MPa)
σb=300(a-Fe﹪)+1000(P﹪)
=300(1-C/0.83)+1000(C/0.83) (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。

(2)延伸率(﹪)
δ=40(1-C/0.83)+15(C/0.83) (87) (3)布氏硬度
HB=90(1-C/0.83)+280(C/0.83) (88) 11.3 空冷珠光体(0.83﹪C)的力学性能 (1)抗拉强度
σb=1000MPa (89) (2)延伸率
δ=15﹪ (90) (3)布氏硬度
HB=280 (91)
CCT 、TTT 相图的计算
孕育期公式为：
〔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：τ
是孕育期。

对于马氏体：
〔1.3.2〕
对于铁素体：
⎰
-ƥ=
--X
X X q
G X X dX
T D T X 0
3
/23/)1(22/)1()1(21
),(βτMo
Cr Mn C Ms 211733474561----=
〔1.3.3〕
式中：
〔1.3.4〕
〔1.3.5〕
对于珠光体：
〔1.3.6〕
〔1.3.7〕
对于贝氏体：
〔1
.3.8〕
⎩⎨
⎧>+--≤+-=)
4.0%(0)4.0(150782)4.0%(03209103C A C C A C A Si V Mo W Cr Mn Cu Ni A 18514751012140+++++---=Mo Cr Ni Si Mn C T BS 413415753558656------=I
RT Mo
Cr RT T Ni Mo Mo Cr G P •-++-•∆•••+++=
-))
/37000exp(52.001.0)/27500exp(1()(2)4(42.579.13
2/)1(βτMn Ni Cu V Mo W Cr Si A 12181455
16820267231---++++-=I RT T Mo Cr Ni Mn G F •-∆•+++=-)
/23500ex p()(24.247.6645.16.593
2/)1(βτI RT T Mo Cr C G B '•-∆••+++=--)
/27500ex p()(210
)198.31.1034.2(2
2/)1(4
βτ
〔1.3.9〕
〔1.3.10〕
上述式中：
〔1.3.11〕
〔1.3.13〕
〔1.3.12
〕
合金元素为重量百分比含量。

Mo
Cr Mn C Ms 211733474561----=Mo
Cr Mn C Ms 211733474561----=]
[
⎰
-•-++++='-X
X X X X Mo Cr Ni Mn C X I 0
3
/23/)1(22)1()6.247.19.05.29.1(ex p ⎰
-=-X
X X X X dX
I 0
3
/23/)1(2)1(。