不同冷却气体压力对4340M低合金超高强度钢力学性能和变形量的影响

李彦峰， 陈 波， 郝江华， 张丹丹

（中航飞机股份有限公司， 陕西 西安 710089）

试（实）验研究

不同冷却气体压力对4340M低合金超高强度钢力学性能和变形量的影响

李彦峰， 陈 波， 郝江华， 张丹丹

（中航飞机股份有限公司， 陕西 西安 710089）

通过对4340M钢力学性能和变形量的测定，研究了不同冷却气体压力对4340M低合金超高强度钢力学性能和变形量的影响。结果表明，零件在871℃加热气淬并经302℃两次回火条件下，气淬时的冷却气体压力选择3×105Pa或4×105Pa为最佳，其热处理后屈服强度和抗拉强度分别高于1 590MPa和1 910MPa，延伸率大于13.7%，断面收缩率大于41.5%，零件变形量小于0.5mm。

不同冷却气体压力 4340M低合金超高强度钢 力学性能 变形量

低合金超高强度钢与一般结构钢相比，具有较高强度和一定韧性，且其合金元素含量低，热加工工艺简单，成本较低，从而受到航空航天和常规武器领域青睐[1-2]。因此本文主要研究4340M低合金超高强度钢真空高压气淬热处理工艺中不同冷却气体压力对抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率等力学性能和零件变形量的影响，并对工艺参数进行优化。

1 试验材料及方法

1.1 试验条件

图1为试验零件，图2为拉伸试样，用来做力学性能测试。

图1 试验零件

图2 拉伸试样（单位：mm）

试验材料为40CrNi2Si2MoVA（4340M）钢，其化学成分见表1。

表1 实验材料的化学成分 %

1.2 试验方法

本文研究的技术关键是如何确定其冷却气体压力大小，参考BAC5617《合金钢的热处理》[3]，其给出最小压力为1.8×105Pa，因此本文选择1×105Pa、2×105Pa、3×105Pa、4×105Pa、5×105Pa作为冷却压力进行试验，具体4340M钢真空高压气淬热处理工艺方案为：在690℃下进行预热并保温120min，真空度为3～4；在871℃下进行奥实体化，保温时间30min，真空度为3～4；在302℃下进行两次回火加热并保温180min，冷却方式为空冷。

2 试验结果与分析

2.1 不同冷却气体压力对力学性能的影响

2.1.1 原材料力学性能测试

对4340M钢原材料进行拉伸试验后得到抗拉强度790MPa，屈服强度480MPa，延伸率53.5%，断面收缩率16.8%，故其力学性能值不高，便于零件机械加工，但未达到使用状态，需通热处理满足工程技术要求。本文通过真空高压气淬热处理技术实现零件的工程技术要求。

2.1.2 真空高压气淬热处理后力学性能测试

4340M钢真空高压气淬热处理后力学性能见下页表2，采用第一组方案时，其抗拉强度和屈服强度低于实验零件工程技术要求，但延伸率和断面收缩率满足实验零件工程技术要求。

第二组热处理方案中，其抗拉强度、延伸率和断面收缩率满足实验零件工程技术要求，但是短横向（ST）屈服强度低于实验零件工程技术要求。

第三组、第四组和第五组真空高压气淬热处理工艺方案后，其力学性能中的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率均满足实验零件工程技术要求。

表2 4340M钢真空高压气淬热处理后力学性能

改变冷却气体压力时，4340M钢在真空高压气淬热处理工艺方案中的变化趋势如图3，图4，图5，图6。

图3和图4分别表示不同冷却气体压力与抗拉强度和屈服强度间的关系，随着冷却气体压力从1×105Pa增加到5×105Pa，抗拉强度和屈服强度均呈上升趋势。当使用1×105Pa到2×105Pa气体压力时，其抗拉强度和屈服强度均变化较大，这是由于回火马氏体由大小不同的混合马氏体向晶粒均匀的混合马氏体转变，冷却气体压力的增加，马氏体组织趋于均匀并且晶粒细小，一方面细晶强化作用很大，另一方面冷却气体压力越大，形成的马氏体产生的畸变应力场与位错形成强烈的交互作用越大，从而使强度升高。当使用3×105Pa、4×105Pa到5×105Pa时，则变化较为平缓，这是由于形成的组织主要是板条状回火马氏体，同时冷却气体压力的增加使得组织中析出的碳化物也缓慢增多，导致强度变化不大。

图3 不同冷却气体压力与抗拉强度间关系

图4 不同冷却气体压力与屈服强度间关系

图6 不同冷却气体压力与断面收缩率之间关系

图5和图6分别表示不同冷却气体压力与延伸率和断面收缩率间的关系，随着冷却气体压力从1×105Pa增加到5×105Pa，延伸率和断面收缩率均缓慢下降，主要原因是随冷却气体压力的增大，产生了高密度的位错，使滑移困难，塑性下降。

综上所述，冷却气体压力为1×105Pa和2×105Pa的工艺方案不宜采用，为3×105Pa、4×105Pa和5×105Pa的工艺方案可以考虑采用。具体选择哪种工艺方案还得考虑试样热处理后零件的变形情况。

2.2 不同冷却气体压力对零件变形量的影响

零件在热处理过程中，只要温度分布不均匀，同一瞬间就会存在温差，这种温差会导致工件不同部位间胀缩程度不一而产生热应力[4]。随冷却气体压力的增加，气流喷射的阳面和被遮挡而喷射不到的阴面之间因冷却效果不同而使各部位间形成较大温差。冷却气体压力越大，温度分布越不均匀，热应力也越大。上述温差还会导致零件不同部位组织转变的不同期，于是组织转变伴随着的体积胀缩受到制约，由此产生内应力，即相变应力[5]，冷却气体压力越大，表面和心部温差越大，使表面和心部的组织转变不同步，相变应力也越大。

采用真空高压气淬热处理，随冷却气体压力的增加，零件变形测量结果如下页表3所示。

表3 不同热处理工艺方案零件变形量 mm

从表3中发现，其他热处理参数未改变，仅改变冷却气体压力，因而造成工件最大的变形是在冷却过程中形成的，由此形成的热应力和组织应力是造成零件变形的主要原因，冷却气体压力越大，则热应力和组织应力越大，工件变形越大。随着冷却气体压力从1×105Pa到5×105Pa的增加，零件变形量在0.2～0.7mm范围内逐渐增大，选择1×105～4×105Pa的冷却气体压力热处理后，零件变形量为0.2～0.5mm，符合加工变形量不超过0.5mm的要求，而选择5×105Pa时，变形量为0.5～0.7mm，则不符合加工变形量要求。

3 结论

1）4340M钢制零件受不同冷却气体压力作用，力学性能有明显变化。细晶强化和位错强化导致抗拉强度和屈服强度明显升高，塑性略有下降。当冷却气体压力选择1×105Pa和2×105Pa时，其力学性能均不符合试验零件工程技术要求，而选择3×105～5×105Pa时，则符合工程技术要求。

2）随冷却气体压力增加，形成较大温差使热应力增加导致零件变形增大。选择1×105～4×105Pa冷却气体压力热处理后，零件变形量为0.2～0.5 mm，符合加工变形量不超过0.5mm的要求，而5×105Pa的冷却气体压力则不符合要求。

3）在871℃加热气淬并经302℃两次回火条件下，气淬时冷却气体压力选择3×105Pa或4×105Pa为最佳，其热处理后屈服强度和抗拉强度分别高于1 590MPa和1 910MPa，延伸率大于13.7%，断面收缩率大于41.5%，零件变形量小于0.5mm，均符合工程技术要求。

[1] 范长刚，董瀚，雍岐龙，等.低合金超高强度钢的研究进展[J].机械工程材料，2006，30（8）：1-4.

[2] 李云凯，王会珍，许晨旭.热处理工艺对某低合金超高强度钢性能的影响[J].材料科学与工程学报，2010，28（4）：594-596.

[3] 朱一本.BAC5617合金钢的热处理[J].航空标准化（美国军用与航空热处理规范专辑），1979（2）：22-24.

[4] 杨晓清.影响钢件热处理变形因素的讨论[J].包钢科技，2004，30（3）：83-85.

[5] 鲁绪芝，赖惠芬.减小和控制热处理变形的有效措施[J].机床与液压，2006（12）：251-252.

Effect of Different Cooling Gas Pressure on M echanical Properties and Deformation of Ultra-high Strength Low A lloy Steel

Li Yanfeng,Chen Bo,Hao Jianghua,Zhang Dandan
（AVIC Aircraft Co.,Ltd.,Xi'an Shaanxi710089）

Effect of different cooling gas pressure on mechanical properties and deformation of ultra-high strength low alloy steelwas studied bymechanical properties and deformation test.The results showed that the 3×105Pa or 4×105Pa cooling gas pressure is the optimal selection under the condition of quenching by gas at 871℃and then tempering at 302℃for twice.After heat-treatment,yield strength and tensile strength are higher than 1 590 Mpa and 1 910 Mpa,respectively,coefficient of elongation is larger than 13.7%and contraction of area is larger than 41.5%,the deformation amount is less than 0.5mm.

different cooling gas pressures;4340M ultra-high strength low alloy steel;mechanical properties;deformation

TG142.1

A

1672-1152（2017）05-0013-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.05

2017-09-07

李彦峰（1975—），男，现就职于中航飞机股份有限公司热表处理厂，从事热处理研究，高级工程师。

（编辑：苗运平）