45鋼亞溫淬火強(qiáng)韌化處理組織及力學(xué)性能的研究

中國(guó)有色（沈陽）冶金機(jī)械有限公司 （遼寧 110141） 梁 軍 盧蘭英

45鋼是我國(guó)目前用量較大的普通優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于受力零件，如軸、齒輪以及螺栓、螺柱等聯(lián)接件。聯(lián)接件在起聯(lián)接作用的同時(shí)，承載著較大的動(dòng)載荷，因而要求45鋼有較高的強(qiáng)韌性。45鋼的調(diào)質(zhì)熱處理一般采用傳統(tǒng)工藝，即840℃淬火和高溫回火。但由于45鋼的淬透性較低，水淬時(shí)有變形和開裂傾向，對(duì)提高零件質(zhì)量和使用安全非常不利，而且傳統(tǒng)工藝并沒有將45鋼的性能充分挖掘出來。

本文通過選取常規(guī)熱處理、調(diào)質(zhì)+亞溫處理兩種熱處理工藝，對(duì)45鋼進(jìn)行強(qiáng)韌化處理，并研究了兩種工藝處理后45鋼的組織與力學(xué)性能，通過分析和比較，得到了最佳的強(qiáng)韌化熱處理工藝參數(shù)，以期指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1. 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用45鋼試樣均取自φ30mm圓鋼，其熱處理工藝見表1。對(duì)熱處理后的樣品進(jìn)行研磨、拋光、腐刻，采用光學(xué)金相顯微鏡對(duì)其組織進(jìn)行觀察。室溫拉伸和沖擊試驗(yàn)分別依GB/T 228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，用掃描電鏡（SEM）對(duì)拉伸、沖擊后的斷口進(jìn)行觀察。采用布氏硬度計(jì)對(duì)硬度進(jìn)行測(cè)定。

表1 45鋼熱處理工藝

2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）力學(xué)性能 45鋼經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能如表2所示。可以看出，只進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的試樣強(qiáng)度較高，具有較高的硬度，然而其塑性較低，其中840℃淬火+570℃回火的試樣伸長(zhǎng)率只有9%。經(jīng)770℃亞溫淬火強(qiáng)韌化處理后，強(qiáng)度和韌塑性有所提高，其中經(jīng)2#工藝的試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到855MPa，硬度值為302HBW，伸長(zhǎng)率達(dá)到20%，具有較好的綜合力學(xué)性能。而經(jīng)760℃亞溫淬火強(qiáng)韌化處理后，45鋼的強(qiáng)度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，而韌塑性卻保持較高的水平，沖擊吸收能量達(dá)74/J·cm－2。綜合以上分析得出，最佳的熱處理工藝為2#。

表2 45鋼熱處理后力學(xué)性能

（2）金相組織 圖1為45鋼進(jìn)行不同熱處理后的金相組織形貌。由圖1可以看出，45鋼熱處理后的組織均為回火索氏體+少量鐵素體的混合組織。只進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的組織中的鐵素體量較多（見圖1a、e），這可能是導(dǎo)致其塑性較低的原因。圖1e中鐵素體呈塊狀聚集存在，圖1a中除塊狀鐵素體外，部分鐵素體呈網(wǎng)狀分布于晶界處，調(diào)質(zhì)處理+亞溫淬火的金相組織中的鐵素體量明顯少于只進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的鐵素體量（見圖1b、c、d）。從圖1c可以看出，幾乎全部為均勻細(xì)小的保持馬氏體位向的回火索氏體，這可能是導(dǎo)致其韌塑性較高的原因。從圖1d可以看出，鐵素體趨向于呈網(wǎng)狀分布。

（3）拉伸沖擊斷口分析 由圖2可知，幾種熱處理工藝對(duì)45鋼的拉伸斷口形貌影響不大，沿晶斷裂并不明顯，為伴隨有大量塑性形變的韌窩斷裂。在拉應(yīng)力的作用下，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度后，材料開始產(chǎn)生塑性形變，在夾雜物存在的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而在夾雜物與鋼基體的交界面產(chǎn)生微孔，隨著應(yīng)變的增加，微孔不斷增大，最后通過韌窩互相聯(lián)合導(dǎo)致斷裂。

圖3可以看出，其斷裂方式均為準(zhǔn)解理斷裂。其河流條紋自準(zhǔn)解理面的中心向四周發(fā)散，流至晶界處停止，準(zhǔn)解理面周圍有韌窩存在。由其準(zhǔn)解理?xiàng)l紋走向可知，準(zhǔn)解理?xiàng)l紋終止于撕裂棱處，各相鄰準(zhǔn)解理?xiàng)l紋在撕裂棱處存在高度差。由于準(zhǔn)解理組織的大小與試驗(yàn)鋼的韌性有關(guān)，尺寸越小表示韌性越好。而3#熱處理工藝準(zhǔn)解理區(qū)組織尺寸相對(duì)較小，因此其韌性較好。

3. 結(jié)語

（1）45鋼經(jīng)合適的調(diào)質(zhì)處理+亞溫淬火的強(qiáng)韌化處理后的綜合力學(xué)性能比僅進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理有明顯提高，這樣可保證材料的熱處理質(zhì)量。

（2）45鋼經(jīng)幾種熱處理后的組織均為回火索氏體+少量鐵素體的混合組織，熱處理工藝對(duì)45鋼的拉伸斷口形貌影響不大，沿晶斷裂并不明顯，沖擊斷口形貌均為河流花樣的準(zhǔn)解理形貌。

（3）在保證45鋼強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，提高韌性最理想的為2#熱處理工藝。