感应加热零件截面上的温度分布和硬化层的金相组织

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感应加热表面淬火零件的常用材料是45 钢，现在就以圆柱形零件为例，研究零件截面上温度分布和表面淬火后硬化层及过渡层中的金相组织。
图2-10 是45 钢圆柱零件感应加热至淬火温度时，截面上温度分布曲线（t ) ，以及淬火后截面硬度分布曲线（HRC）。该图是利用透入式加热和快速冷却（喷射冷却）的条件制作的。按温度分布特点，由表至里分为三个区域：
第1 区，温度高于Ac3，为850-880℃ 之间，热态组织为均匀的奥氏体，冷却淬火后得到完全的马氏体组织，硬度在HRC58 以上。
第2 区的加热温度在Ac1 至Ac3之间，约为727-850 ℃ ，热态组织为奥氏体加铁素体，淬火后该处的组织为马氏体加铁素体，在铁素体的边沿时常有黑色的屈氏体网。这一区域的硬度值变化很大，一般为HRC58-30 左右。
在第2 区里有一条重要的界线，即硬化层边界线。用金相法测量硬化层时，在100 倍的金相显微镜下，边界线处（图2-l0xk线）的金相组织由50％马氏体、20％铁素体、余者为屈氏体组成。用硬度法测量硬化层时，该处的硬度值为HRC43-45 （相当于HV430-461）。两种方法测量出硬化层的边界线基本相同或相近。
国家标准（GB5617-85）规定，硬化层用Ds表示。图2-10 中的Ds是指从0至xk的距离。
第2 区中还有一个重要的概念，即过渡层，用b 表示，它是指xk至x0的距离。在这一区间，马氏体在xk处占各种组织总量的50％左右，在x0处马氏体组织基本没有了。
第3 区加热温度低于Ac1，没有发生组织转变，淬火冷却后，仍为原始组织，即珠光体加铁素体。

图2-10 45 钢零件感应加热表面淬火时截面上温度、硬度及金相组织分布t-温度；HRC-硬度；M-马氏体；F-铁素体；P-珠光体
现在用表2-4 简单总结一下感应加热表面淬火的零件截面上温度、硬度及金相组织分布情况。

硬化层与过渡层保持上述比例的意义，能使零件表面具有较大的压应力值，而过渡层中的拉应力峰值距表面较远，从而大大提高零件的扭转和弯曲的疲劳性能。然而感应加热规范能明显地影响这一比例。如果频率选择过高、比功率选择过小，将使总加热层（图2-10 中0到x0的距离）加深，过渡层加厚，使有利的表面残余压应力下降，残余压应力峰值向心部方向移动。
图2-12 是加热规范影响硬化层和过渡层的分配比例，从而影响残余应力分布的一个例证。加热规范的特性用总加热层深度x0（加热和冷却时发生相变的总深度）、半马氏体层深度xk、过渡层厚度b 及它们之间比例来表征。试样材料为45 钢、直径为65mm ，电流频率为2 000 Hz 、通过加热时间的变化，使总加热深度为7-10 mm 之间变化。由于钢材淬透性的限制，硬化层Ds深度（至半马氏体xk处）恒为5.3 mm 。总加热深度的增加，只改变了过渡层b 的大小，从而改变了残余应力的分布状态。从图可知，随着b 的增大，零件表面残余压应力峰值降低了，残余拉应力的峰值向心部推移，当过渡层b 很宽时，将在硬化层附近出现轴向拉应力的另一个峰值，显然它对零件的机械性能是有害的。