熱處理溫度對高強度螺栓用45鋼力學性能的影響

王文達　韓霄　曹穎川　虎瓊　楊美歐

【摘 要】本論文以高強度螺栓用45鋼為研究對象，采用洛氏硬度測試、壓縮強度、三點抗彎和斷裂韌性等檢測手段，研究了熱處理溫度對45鋼性能的影響，從而確定高強度螺栓用45鋼的最佳熱處理溫度。

【關鍵詞】高強度螺栓；45鋼；力學性能

中圖分類號： TG335.43 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0037-002

Effect of Heat Treatment Temperature on Mechanical Properties of 45 Steel for High Strength Bolt

WANG Wen-da1 HAN Xiao2 CAO Ying-chuan2 HU Qiong2 YANG Mei-ou2

（1.Ningxia Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Yinchuan Ningxia 750001；

2.College of Materials Science and Engineering，Northern University for Nationalities，Yinchuan Ningxia 750021，China）

【Abstract】In this paper，45 steel of high strength bolts was used as the object of study.The influence of heat treatment temperature on the properties of 45 steel was studied by Rockwell hardness test，compressive strength，three-point bending resistance and fracture toughness.Strength of bolts with 45 steel of the best heat treatment temperature.

【Key words】High strength bolts；45 steel；Mechanical properties

0 引言

高強度螺栓具有易于拆換、施工簡便、承載能力強、耐疲勞和安全性好的優點，是繼鉚接和焊接之后迅速發展起來的一種鋼結構連接類型[1-2]。45鋼是含碳量為0.45%的優質碳素結構鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，且價格低、來源廣，是生產中最常見的材料之一，在齒輪、連接桿、蝸桿、葉輪、泵、活塞、曲軸等零件制造中被廣泛應用。然而45鋼淬透性較低，水淬時有開裂傾向，因此改善和提高45鋼的性能，對提高高強度螺栓質量和安全穩定性有重要的意義[3-5]。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

本課題采用的高強度螺栓用45鋼的基本化學成分如表1所示。

1.2 實驗方法

淬火加熱在箱式電阻爐中進行，原始試樣（0#）達到淬火溫度740℃、840℃和940℃后，保溫20min后進行水冷處理（1#，2#，3#），如圖1所示。另取三組試樣分別回火，回火溫度分別為360℃，460℃、560℃，均保溫20min后進行空冷處理（4#，5#，6#），如圖2所示。

針對不同處理態試樣分別進行洛氏硬度、顯微硬度和壓縮強度測試。將不同淬火介質下淬火的試樣，經預磨、粗磨、細磨、拋光和腐蝕后在光學顯微鏡（OLYMPUS-BX51）和掃描電鏡（SHIMADZU-SSX550）下進行拍照觀察。

2 實驗結果與分析

2.1 硬度實驗

45鋼在740℃至940℃淬火時，硬度先增加后減小，在840℃時出現峰值，回火溫度對45鋼表面硬度的影響規律與淬火工藝基本相同，硬度值總體上隨著回火溫度的增加而降低，如圖3所示。

45鋼淬火加熱溫度若過低，則此時鋼尚未完全奧氏體化，存在有部分未轉變的鐵素體，淬火后鐵素體仍保留在淬火組織中。鐵素體的硬度較低，從而使淬火后的硬度達不到要求，同時也會影響其他力學性能。若將45鋼淬火加熱溫度過高，則奧氏體晶粒會顯著粗大，從而破壞淬火后的材料性能。所以45鋼淬火加熱溫度選用Ac3+（30～50℃），這樣既保證充分奧氏體化，又保持奧氏體晶粒的細小[6]。

在45鋼的回火溫度加熱到300-400℃時淬火馬氏體快速分解，碳從過飽和的固溶體中析出使其轉變為鐵素體，同時碳化物也轉變為穩定的細粒狀的滲碳體，該組織為鐵素體和滲碳體組成的混合物，此時內應力大部分消除，鋼的硬度、強度下降、韌性上升。這種組織也就是回火屈氏體，即在回火加熱溫度為300-500℃時鋼內形成了細粒狀滲碳體均勻分布在鐵素體基體上的兩相混合物。隨著回火溫度的升高，滲碳體顆粒不斷聚集而長大，回火屈氏體中的α固溶體恢復為平衡濃度的鐵素體，完成了回復和再結晶的過程，變為多邊體。此時固溶體的強化作用消失，鋼的強度和硬度進一步下降，塑性和韌性進一步上升，內應力基本消除。此組織就是在回火溫度為500-600℃形成的回火索氏體。

2.2 壓縮強度

總的來說，淬火后45鋼的屈服強度與原樣相比得到很大的提高，說明淬火處理能提高45鋼的硬度、強度及耐磨性，其中840℃淬火加熱溫度下屈服強度最大。經過回火處理后雖然提高了45鋼的韌性與塑性，消除內應力，但硬度與強度卻有所下降。在350-500℃的中溫回火溫度下得到的組織主要為回火屈氏體，其具有較高的屈服強度、彈性極限和韌性。在高溫回火（500-650℃）后得到回火索氏體組織，也就是“調質處理”，經過此回火過程能夠獲得較好的綜合機械性能。不同淬火及回火溫度下的屈服強度的變化如圖4所示。endprint

2.3 三點抗彎

由圖5可觀察到，經過淬火熱處理的試樣再被壓至固定角度的時候，所受的最大力均比原始試樣有所增大，說明經過淬火處理的試樣的韌性都有所降低，其中2#試樣，即淬火處理溫度為840℃時的彎曲最大力最大，即韌性亦是最低，說明淬火處理在提高硬度與強度的同時，韌性也隨即下降。4#、5#、6#試樣淬火后做了回火處理，所受最大力均比原始試樣與淬火后的試樣下降很多，說明3#、4#、5#試樣韌性有較大提高，繼而證明回火處理45鋼后可獲得較高的韌性。其中5#試樣，即840℃淬火與460℃回火處理后的試樣彎曲最大力最低，說明該試樣的韌性最強，繼而也說明回火處理可以改善淬火后的45鋼的機械性能，獲得不同硬度，強度和韌性。

2.4 沖擊韌性

沖擊功表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力，其值越大表示材料的沖擊韌性越好。從圖6可以看出經過淬火處理后的1#、2#、3#試樣的沖擊功相對原始試樣較小，說明這三組試樣的抵抗變形和斷裂的能力較差，即沖擊韌性較低，這是因為淬火后的馬氏體組織使α-Fe的體心立方晶格發生較嚴重的畸變，這種畸變強化了45鋼的強度與硬度的同時減小了抵抗變形和斷裂能力，所以韌性隨即下降。從圖6中同樣也可以看出經過淬火及回火處理后的4#、5#、6#試樣的沖擊功較原始試樣及淬火后的試樣都有較大提高，這是因為在中溫回火以及高溫回火的熱處理作用下使試樣中的內應力基本消除，α固溶體恢復為平衡濃度的鐵素體，完成了回復和再結晶的過程，固溶體的強化作用消失，45鋼的強度和硬度進一步下降，塑性和韌性進一步上升，尤其是5#試樣，其沖擊功最大，說明在840℃淬火和460℃回火的熱處理溫度下45鋼的韌性最強，也說明回火工藝對45鋼的韌性和塑性有明顯的改善。

3 結論

（1）在本試驗范圍內，隨淬火溫度的升高，45鋼的強度、硬度先升后降，在840℃時力學性能最好，超過840℃后，強度、硬度逐漸下降。

（2）淬火加熱溫度若過低，則45鋼未完全奧氏體化，存在部分未轉變的鐵素體，淬火后鐵素體仍保留在淬火組織中，從而使淬火后的硬度達不到要求，同時也會影響其他力學性能。若將45鋼淬火加熱溫度過高，則奧氏體晶粒會顯著粗大，從而破壞淬火后的材料性能。所以45鋼最佳淬火加熱溫度為840℃，這樣既保證充分奧氏體化，又保持奧氏體晶粒的細小。

（3）在本試驗范圍內，隨回火溫度的升高，45鋼回火組織的機械性能變化趨勢是：硬度、強度下降，塑性、韌性上升。在460℃時力學性能最好，在此回火溫度下產生的回火屈氏體的強度和彈性均較高，擁有較好的綜合機械性能。

【參考文獻】

[1]周海波，朱曉勇，鄭玉春，汪冬梅.45鋼螺栓斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2009（12）：107-109.

[2]楊志婷，朱玉秀，萬恩同，張友登.45#鋼螺栓表面線狀缺陷分析[J].武漢工程職業技術學院學報，2009（02）：29-31.

[3]董世柱，徐維良.結構鋼及其熱處理[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2009，3.

[4]楊淑范，陳守介.淬火介質[M].機械工業出版社，1990，8.

[5]崔忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2000.

[6]張克儉.淬火冷卻技術及其應用技術漫談[J].熱處理2004，29（3）：52-58.endprint