钢材的的尺寸效应

从钢材的“尺寸效应”看学科交流对热处理而言，钢材的“尺寸效应”就是工件尺寸越大，通过热处理改进和提高机械性能的效果也越差的现象。如常用的中碳低合金钢40Cr，经调质后的抗断强度σb是：当直径为30mm时，σb≥900Mpa；当直径为120mm时，σb≥750Mpa。还有中碳低合金钢40Cr，在直径小于30mm时整体淬火，表面硬度能达到洛氏硬度HRC47左右。而当直径大于50 mm时，表面硬度只能达到HRC37左右。另外，对淬透性较低的45碳钢，如直径为Φ100mm时，调质后的抗断强度σb＝610Mpa，而正火后σb＝600Mpa。即正火和调质效果相当。诸如此类的现象都是钢材的“尺寸效应”所致。为什么会产生钢材的“尺寸效应”呢？

我们知道，材质的化学成分决定了材质的热处理淬火能力（淬透性）。工件在热处理冷却时，尺寸越大，首先引起表面和心部的冷却速度的差异也越大，金相组织和性能的差异也随之变大，最终使工件的整体机械性能降低。特别是屈服强度和冲击韧性将显著下降。其次，工件尺寸越大，热容量也越大，内部热量传至表面所需的时间也越长，即工件的冷却速度变慢。如果冷却速度过慢，不能满足材质热处理淬火能力（淬透性）所需的最小冷却速度（临界冷却速度），则工件就不能通过热处理淬火实现表面硬度和机械性能提高之目的。“尺寸效应”在材质合金元素含量较低、淬透性较差的场合尤为明显。淬透性较差的钢材，只有在工件尺寸较小时整个截面才可以淬透。然而“尺寸效应”对于合金含量较高、淬透性强的材质影响却不太明显。如我公司常用的18Cr2Ni4WA就属此类情况，20 Cr2Ni4也如此。

那么，钢材的“尺寸效应”与其他学科又有什么关系呢？首先，钢材的“尺寸效应”与零件的设计有关。我们知道，零部件在设计时，结构的设置、几何尺寸的大小、材质的合理选定、提出既能满足工作要求，又能节约成本的机械性能要求均与钢材的“尺寸效应”有关。例如，机械零件的服役条件差，综合机械性能要求高，而几何尺寸受空间限无法加大时，就要选用合金元素较高的低碳中合金钢或高合金钢。必要时还可采用氮化、渗碳淬火等表面硬化处理。另外，有些轴类零件在工作状态下，其表面处应力最大，中心处应力趋于零，如果所承受的扭矩不大，也无冲击载荷，就无需全部淬透，一般淬硬厚度≥1/4R（R半径)即可满足工作要求。此类零件可选用合金元素含量较低的合金钢。既降低了材料成本，又缩短了工艺周期。选材如同吃饭一样，该吃细粮的就别给它吃粗粮，不然就扛不住饥饿。该吃粗粮的别给它吃细粮，否则就是浪费。

还有，对几何尺寸较大，而淬透性较低的碳钢零件，采用正火和调质效果相当。与调质相比，图纸设计如果选用正火既能满足机械性能要求，又省时省电。

其次，钢材的“尺寸效应”与制机械加工路线的合理制定也有关系。例如，对于直径较大且加工余量较多的零件，应先粗车，后调质。若不粗车直接调质，由于直径大，表面淬硬层浅，粗车将会把表面很浅的有效调质层车掉，使工件调质的效果甚微，几乎与正火的效果相近。如我公司某内花键联接套，材料为40Cr，外径尺寸为Φ40mm，原加工路线为：下料－调质－机加工，结果内花键因齿面硬度偏低，导致矿方在使用过程中，内花键被磨损滚掉。后将加工路线调整为：下料－粗加工－调质－精加工后，再没有出现过此类问题。

另外，钢材的“尺寸效应”与冷热加工前后加工余量多少的预留也有关系，还与热处理工艺、工装的正确设计密切相关

总之，钢材热处理时的“尺寸效应”涉及到机械设计和加工制造的多个环节，设计和工艺人员必须对此问题引起足够的重视，才能确保机械零件的设计和加工质量。

王贤良

2009.1