按照本文圖2擬定的思路，不難得看出：可以有兩種辦法使工件的冷卻速度帶完全落在它的第II區內。辦法之一是，通過移動或者縮短冷卻速度帶，使其完全落入第II區之內。辦法之二是，通過移動第II區的邊界，來把冷卻速度帶框進第II區內。圖12是這兩種方法的示意圖。從第一種方法的作用途徑可以推知，能縮短工件冷卻速度帶，以及能定向移動冷卻速度帶的方法都可能成為減小工件淬火變形趨勢的措施。從第2種方法的作用途徑又可以推知，能擴大工件第II區的方法，都可能成為減小工件淬火變形趨勢的措施。，前面已經介紹了第一種方法及其相關的事項。下面接著對第2種方法進行討論。

 

1 工件形狀大小對第II區的影響

我們將在鋼材和冷卻條件相同的前提下，討論工件形狀大小對第II區的影響。一般說，同樣的冷卻速度差，在形狀復雜的工件上引起的內應力總是比在形狀簡單工件上的要大。因此，工件的形狀越簡單，厚薄相差越小，它承受冷卻速度快慢的能力就越強。它的第II區也就越寬。相反，形狀復雜工件的第II區也就更窄，如圖13（a）所示。在形狀相似而尺寸較小的工件上，相同大小的冷卻速度差引起的內應力，總是比尺寸更大的工件的要小。因此，大尺寸的工件的第II區要比小尺寸的工件的第II區更窄。如圖13（b）所示。

 

a) 工件形狀越復雜，它的第II區就越窄      b) 工件越厚大，它的第II區就越窄

圖13 工件的形狀大小與其第II區寬窄的關系

 

圖14 形狀復雜工件的第II區與其構成件的第II區的關系

形狀復雜且壁厚相差較大的工件，通常都可以分劃成幾個形狀簡單的部分。今有一個形狀復雜的工件，可以分割成3個形狀簡單的工件。把后者稱為復雜件的構成件。每個構成件都有自己的第II區。那么，復雜件的第II區與其構成件的第II區有什么樣的關系呢？。容易推知，要能同時滿足3個構成部分的要求，復雜件的第II區必然是這3個構成件的第II區的共同部分，如圖14所示。

如果用T1，T2和T3分別表示3個構成件的第II區，它們組成的復雜件的第II區記為T，則它們的關系就可以用集合代數表示成式（2）的形式。

T = T1 • T2 • T3 …… （2）

需要說明的是，式（2）中的相乘符號不是算術上的相乘關系，而是集合代數上的相交關系。圖14中，構成件3的第II區的左邊界成為復雜件的第II區的左邊界，而構成件2的第II區的右邊界則成為復雜件的第II區的右邊界。因此復雜件的第II區總是小于（等于）任何構成件的第II區。由此可以得出這樣的推論：工件的形狀越復雜，厚薄相差越大，它的第II區就越窄。為了簡化討論內容，在此沒有把各組成部分在復雜件中的結合部的影響考慮進去。

工件上的應力集中特性也值得關注。特定部位的應力集中系數大小會影響工件的第II區的左右邊界的位置。應力集中系數越大，第II區的左邊界就靠右，相應地，工件的第II區就越窄。相反，應力集中系數越小，第II區的右邊界就越靠左。相應地，工件的第II區也就越寬。

歸納起來，從零件設計角度談，零件形狀越復雜、厚薄相差越大、對稱性越差以及它上面的應力集中系數越大，工件的第II區就越窄。它的淬火變形就越難控制。相反，零件形狀簡單、厚薄相差小、對稱性好，上面的應力集中系數越小，工件的第II區就越寬。它的淬火變形越容易控制。

2 鋼材的淬透性高低

鋼材的淬透性高低是影響工件第II區寬度和位置的重要因素。在形狀大小一定的前提下，淬透性好的鋼，可以用不太快的淬火冷卻速度獲得要求的淬硬效果；而淬透性差的鋼，必須用更高的淬火冷卻速度，才有可能把它淬硬。因此，可以說，淬透性好的鋼制的工件，其第II區的右邊界偏右；而淬透性差的鋼制的工件，其第II區的右邊界這偏左。如以獲得一定馬氏體比例的冷卻速度為第II區的右邊界，從鋼材的端淬曲線上比較，可以作成圖15。圖中，a）是淬透性好的鋼的冷卻速度分區圖，b）是淬透性差的鋼的這種分區圖。容易看出，淬透性好的鋼，其第II區較寬，而淬透性差的鋼，其第II區則較窄。同時，由于淬透性好的鋼容易淬裂，其第II區的左邊界偏右，而淬透性差的鋼的左邊界則偏左。

 

圖15 淬透性好的鋼第II區寬且偏右，淬透性差的鋼第II區窄而偏左

由于淬透性差的鋼的第II區較窄，通常就不適于制造形狀較復雜的工件。原因很簡單，復雜工件的冷卻速度帶寬，窄的第II區把“它裝不下”。事實上，相當一部分形狀復雜工件的淬火變形問題，最終是靠改換鋼種，即從淬透性較差的鋼，改換成淬透性更高的鋼，才得到解決的。因為，常用的熱處理手法，實在不可能把工件冷卻速度帶的寬度壓縮到所用鋼種窄小的第II區內！

到此，不難用冷卻速度帶法去解釋零件設計上選擇鋼種的一些原則。比如，淬透性差的鋼，只適合于制造形狀簡單的小工件。又如，在都能保證工件淬硬的鋼種中，形狀復雜的工件，應當選用淬透性偏高的鋼種，只有形狀簡單的工件才適合選用其中淬透性偏低的鋼種。

3 零件設計確定了工件的設計第II區

零件設計確定了工件的形狀尺寸。選定了鋼種，又確定了工件材質和熱處理要求。二者結合在一起，該工件在淬火冷卻種中基本的第II區也就確定了下來。我們把這種由零件設計確定的基本第II區叫做工件的“設計第II區”。

根據本文所述方法的基本思路，工件設計第II區的右邊界值，應當位于所用鋼材端淬曲線上半馬氏體組織對應的冷卻速度值的左邊。參照本文圖2b，也就是設計第II區的右邊界應當在端淬曲線上硬度降低最快部分的左邊。本文提出的方法，只適用于符合這種條件的工件的淬火變形問題。一般的中小型淬火工件，大多符合這一要求。不符合這一要求的工件，不可能用通常的淬火冷卻方法得到通常淬火工件的熱處理要求。遇到不符合這種要求的淬火變形工件，可以試著改善零件設計或者改換鋼種，來解決它們的淬火變形問題。

在所用鋼材的生產過程和工件的冷熱加工過程中，有多種因素可能使實際工件的第II區偏離它的設計第II區，并因此影響工件最終的淬火變形特點和變形大小。下文將對其中的幾個主要影響因素的作用加以討論。

4 鋼材的成分波動

 

圖16 同種鋼材的淬透性波動與不同批次鋼材共同的第II區

由于不可避免的成分波動，鋼廠為每一種鋼提供的淬透性特性都不是一條曲線，而是鋼材的淬透性帶，如圖16所示。所有端淬曲線能夠落入該淬透性帶內的鋼，都算是淬透性合格的產品。因此，在大批量生產同一種工件的熱處理中，要想使所有被淬火的工件都獲得要求的淬火冷卻效果，就必須了解合格鋼材共同的第II區的特點。按照上文所述的道理，淬透性帶的上邊界代表了合格鋼材中淬透性最好的鋼的淬透性曲線；而淬透性帶的下邊界，則代表了合格鋼材中淬透性最差的鋼的淬透性曲線。其它淬透性居于二者之間的鋼，它們的淬透性曲線落在上述上下邊界曲線之間。所有同一鋼種制的工件共同的第II區，自然就是上下邊界所代表的鋼種共同的第II區。容易看出，這個共同的第II區比所有鋼材的第II區都要窄！由此可以得出這樣的推論：鋼材的淬透性帶越寬，該鋼種共同的第II區就越窄，所制工件的淬火變形就越難控制。相反，鋼材的淬透性帶控制得越窄，該鋼種共同的第II區就越寬，所制工件的淬火變形就越容易控制。

實際生產中，大量的事實都可以證明這一規律性。此外，如果把同一鋼件中不可避免的成分偏析也考慮進去，共同的第II區應該再窄一些。從這個道理不難設想，用粉末冶金方法生產的工件，不僅能把鋼材的成分波動控制在更窄小的范圍，還可以基本消除成分偏析的影響，它們的淬火變形趨勢必然更小。

鋼材的淬透性波動的影響只體現在不同爐次的鋼材之間，而不體現在同一個工件上。因此，如果能做好鋼材的分爐次管理，并根據不同爐次鋼材的淬透性和化學成分，調節有關的熱處理參數，控制好工件冷卻速度帶的位置和寬度，也能減少發生超差淬火變形工件的比例。

5 淬火前的預備組織

鑄造質量，鍛造質量，退火、正火，以及最終淬火之前的調質等，都會對后來的淬火變形和開裂趨向產生影響。它們的影響一般都反應在最終熱處理之前的微觀和宏觀組織上，也就是淬火之前的預備組織的好壞上。評價預備組織的好壞，主要看兩個方面的特點：一是預備組織的類型，二是預備組織的均勻程度。

鋼種和用途不同，希望的預備組織也不同。普通中碳結構鋼希望的是細珠光體組織。工具鋼和軸承鋼大多以球化退火組織為預備組織。滲碳淬火的工件，一般以塊狀先共析鐵素體＋均勻分布的片狀珠光體組織為好。

最近幾年，在國內汽車齒輪行業，為減小滲碳齒輪的淬火變形，齒輪毛坯鍛件的等溫正火得到越來越廣泛的應用。大量生產實踐表明，齒輪毛坯經過等溫正火后，滲碳淬火后工件的變形量會明顯減小。而且，等溫正火后不同工件硬度差異越小，滲碳淬火后工件群體的變形程度也越低。其原因是，傳統的散亂空冷正火法獲得的正火組織中，既有形態不一的珠光體和鐵素體，也有粗大奧氏體空冷形成的魏氏組織，還有快冷部分形成的貝式體甚至馬氏體。和珠光體相比，魏氏體、貝式體和馬氏體屬于非平衡組織。具有這類預備組織的工件，在隨后的滲碳加熱中，由于非平衡組織的遺傳性，所獲得的奧氏體常常是奧氏體晶粒大小很不均勻的混晶組織。因不同的組織組有不同的承受冷卻速度快慢的能力。也就有不同的變形趨勢，其結果，具有混晶組織的工件，其第II區就會比均勻的單一組織的窄，變形趨勢也就更大。在等溫正火生產線上做等溫正火，可以切斷上述組織遺傳性，獲得均勻的鐵素體＋珠光體的平衡組織。這就擴大了工件的第II區，減小了它的淬火變形趨勢。經驗告訴我們，預備組織的均勻性越好，工件的淬火變形量的分散度就越小。或者說淬火變形有比較好的規律性。有規律性的淬火變形，往往容易通過預留適當的加工余量來加以抵消。組織均勻性既表現在同一工件上，也表現在不同工件之間。也就是說，工件的組織均勻性既是工件個體的問題，也是不同工件組成的群體的問題。

淬火加熱前，工件上的內應力過大，有可能引起工件超差的淬火變形。因此，不少人把淬火加熱之前工件上的內應力大小，看成是預備組織好壞的一個評價指標。我們認為，在淬火工序的加熱過程中，工件上原來的內應力，總能通過工件上的塑性變形而得到釋放。因此，原來的內應力不會影響工件淬火冷卻中的變形情況。它之所以引起工件超差的淬火變形，是后來的淬火變形疊加到工件加熱中釋放內應力產生的變形上，使某些部位的變形程度超差的結果。在機加工之前，做一次消除應力處理，問題就能得到解決。所以，本文沒有把淬火加熱之前的內應力看成引起冷卻中的淬火變形的因素。

6 液態淬火介質的特性溫度問題

在本文的第五部分，我們把液態介質的特性溫度問題引起的冷卻速度突變，更直觀地看成是引起了短時厚度差異。無疑，這種短時厚度差會使工件第II區的右邊界向左移，從而使第II區變窄。并因此使工件的淬火變形趨勢增大。值得一提的是，在我們最新的試驗研究中，已經發現，任何形狀大小的工件，在油性和水性介質中做淬火冷卻時，上述短時厚度差的存在時間都比原來估計的要長得多。因此，液態淬火介質特性溫度問題的危害性應當比原來估計的更大些。短時厚度差不僅會增大工件的冷卻速度帶，同時也會縮短工件的第II區。兩方面都不利于我們控制工件的淬火變形。此外，一般的液態淬火介質的特性溫度問題多出現在工件溫度比較高、塑性比較好的時候。大的厚度差會引起大的內應力，加上鋼材塑性好，而且作用時間也不太短，引起塑性變形的可能性就不會小。

7 工件裝掛方式與介質攪拌情況的影響

多個工件同時淬火時，工件的裝掛方式和工件的間距，會影響工件周圍的介質流動和散熱情況，并因此造成不同工件的第II區在位置和寬度上的差異。裝掛工件時容易出現的問題是，不考慮工件的厚薄差異，只求多裝，或者只圖好裝、好放。這就可能使某些工件的薄小部分冷得更快，而增大工件的有效厚度差異，從而使部分工件的第II區變窄。合理的裝掛方式，應當使工件上較厚大的部分和散熱困難的部分冷得快一些，薄小部分冷得慢一些。這樣做了，工件的實際第II區將會比它的設計第II區更寬。

淬火冷卻中，介質的攪拌會影響工件的冷卻情況。攪拌方式不同，裝放在不同部位的工件獲得的第II區會不一樣。能使厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些，和不同部位的工件能獲得盡可能相同的冷卻效果的攪拌方式，可以增大工件的第II區，并因此減小工件的淬火變形趨勢。相反，則會減小工件的第II區，從而增大工件的淬火變形趨勢。

工件的裝掛方式會影響介質的流動情況。而介質的攪拌也會影響工件冷卻的均勻性。把二者結合起來考慮，才能使不同部位的工件得到盡可能一致的冷卻效果。