钢的热处理工艺设计经验公式

钢的热处理工艺设计经验公式
1钢的热处置
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值的阅历数据见表1。

表1 K值的阅历数据
1.2 正火加热温度
依据钢的相变临界点选择正火加热温度
低碳钢：T=Ac3+〔100～150℃〕〔2〕
中碳钢：T=Ac3+〔50～100℃〕〔3〕
高碳钢：T=A Cm+〔30～50℃〕〔4〕
亚共析钢：T=Ac3+〔30～80℃〕〔5〕
共析钢及过共析钢：T=A Cm+〔30～50℃〕〔6〕
1.3 淬火加热时间
为了预算方便起见，计算淬火加热时间多采用以下阅历公式：
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—抵达淬火温度的加热系数〔min/mm〕；
b—抵达预热温度的加热系数〔min/mm〕；
c—抵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〕。

在普通的加热条件下，采用箱式炉停止加热时，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〕，假定在箱式炉中停止快速加热时，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。

假定用盐浴加热，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的阅历值如表2：
表2 工件装炉修正系数K
1.4 淬火加热温度
按惯例工艺,
亚共析钢的淬火加热温度为Ac3＋〔30～50℃〕；〔10〕
共析和过共析钢为Ac1＋〔30～50℃〕；〔11〕
合金钢的淬火加热温度常选用Ac1〔或Ac3〕＋〔50～100℃〕〔12〕
1.5回火加热时间
关于中温或高温回火的工件，回火时间是指平均透烧所用的时间，可按以下阅历公式计算：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，普通为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讨，其阅历公式为：
钢的回火温度的预算,
T=200+k(60-x) 〔14〕式中: x —回火后硬度值,HRC；
k—待定系数,关于45钢,x>30,k =11；x≤30,k=12。

少量实验说明，当钢的回火参数P一定时，回火所到达的工艺效果——硬度值或力学功用相反。

因此，按传统阅历式确定回火参数仅在规范态(回火1h)时方可运用，实践消费运用遭到限制.
为了处置上述效果，将有关要素均定量表达，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 〔16〕
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要素是T和t能较好,较真实地反映出实践工艺参数的影响，定量地表达了不同温度区间回火硬度的变化特征。

2钢的热处置相变点及再结晶温度的计算
2.1 A C1和A C3温度的阅历公式
A C1和A C3区分表示在加热进程中组织末尾转变为奥氏体和全部转变为奥氏体时的温度，它们对钢的热处置工艺的制定以及新资料和新工艺的设计都具有重要意义。

因此，对A C1和A C3的预测具有较大的实际和运用价值。

Andrews搜集了英，德，法，美等国度的资料经过对少量实验数据停止回归剖析，取得了依据钢的化学成分计算A C1和A C3温度的阅历公式：
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) ，适用钢的成分范围为：
≤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，其优点是方式简明、直观，便于运用。

2.2钢奥氏体化后冷却时,奥氏体末尾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%。

留意 ,上述 Ms点的计算公式主要用于亚共析钢;关于过共析钢,由于淬火加热温度对奥氏体的成分影响较大,故依据钢的成分来计算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点依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贝氏体组织末尾转变的温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(思索节能)的计算
3.1按工件外形确定加热时间t(min)
t = kiw (29) 式中:ki—外形系数,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—外形特征尺寸,直径、板厚或壁厚,mm。

3.2按实践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失掉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失掉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失掉珠光体-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失掉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—淬火工件风险截面厚度,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 钢终端淬火实验时,距试样顶端4～40 mm范围内各点硬度H4～40 (HRC)
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 (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,即淬火钢取得90%马氏体时的硬度Hh(HRC)
Hh=30+50C (38) 6.3钢的临界淬火硬度,即淬火钢取得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钢的回火温度的预算(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,关于45钢,x>30,k=11;x≤30,k=12。

9钢的力学功用的换算
9.1切削功用
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。

b(9.8×MPa)与布氏硬度HB
9.2 抗拉强度
(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) 退火形状结构钢
σs=〔0.55～0.65〕σb (55) (1.2) 调质形状结构钢
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对称改动疲劳极限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σRH(MPa) 与布氏硬度〔HB〕(应力循环基数为107)
(1.1) σRH=280(HB-25),HB>400 (67)
(1.2) σRH=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 由钢的化学成分预算力学功用
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〔﹪〕适用范围：
Si≤1.8﹪，Mn≤1.1﹪，Cr≤1.8﹪，Mo≤0.5﹪，Ni≤5﹪，V≤0.25﹪。

资料适用直径在Ф
150～200mmm。

(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
σb=20+100C M (76)
(3)热轧钢
σb=27+56C M (77)
(4)锻钢
σb=27+50C M (78)
(5)铸铁
σb=27+48C M (79)
式中，C M---钢的碳当量。

C M =[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 (80)
(6)压延形状及正火高张力钢
σb=3.5±(61C M +24.3) (81) C M =C+1/5Mn+1/7Si+1/7Cu+1/2Mo+1/9Cr+1/2V+1/20Ni (82)
11 由钢的显微组织预算力学功用 11.1 空冷a-Fe 的力学功用 (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〔退火形状〕的力学功用 (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 ﹪---区分表示亚共析钢中的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)的力学功用 (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 为实践的分散系数：△T 为过冷度系数，它是由实践的分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。

关于马氏体：
⎰
-ƥ=
--X X X q
G X X dX
T D T X 0
3
/23/)1(22/)1()1(21
),(βτ
〔1.3.2〕 关于铁素体：
〔1.3.3〕
式中： 〔1.3.4〕
〔1.3.5〕
关于珠光体：
〔1.3.6〕
〔1.3.7〕
关于贝氏体：
〔1.3.8〕
〔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----=⎩⎨
⎧>+--≤+-=)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 1218145516820267231---++++-=I RT T Mo Cr Ni Mn G F •-∆•+++=-)/23500exp()(2
4.247.6645
.16.5932/)1(βτI RT T Mo Cr C G B '•-∆••+++=--)
/27500exp()(210)198.31.1034.2(22/)1(4βτMo Cr Mn C Ms 211733474561----=Mo Cr Mn C Ms 211733474561----=][
⎰-•-++++='-X
X X X X Mo Cr Ni Mn C X I 03/23/)1(22)1()6.247.19.05.29.1(exp ⎰
-=-X
X X X X dX
I 0
3
/23/)1(2)1(。