浅析热处理工艺对45钢组织和性能的影响

赵浩然 林宗德

摘  要：为了明确热处理工艺对45钢的影响，本文研究了退火，正火，淬火，低温回火、中温回火和高温热处理等对45钢显微组织及布氏硬度的影响规律，结果表明：碳含量是受热处理影响最显著 45钢的硬度和强度随碳含量的增加而增加，但塑性和韧性降低。

关键词：热处理工艺;金相组织;硬度;45钢

中图分类号：TG161   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）04-0000-00

1 绪论

随着工业化进程的加速和基础设施数量的增加，对不同类型钢的需求及其结构性能要求也越来越高。目前45钢是结构用钢中使用最广泛的一种钢。中碳优质钢由于其淬透性差，因此在正常条件下需对其进行淬火和回火以此提高其機械性能。但其冷塑性适中，退火和正火类型优于淬火和回火。其适用于生产高强度零件，例如齿轮、轴、活塞销以及机加工零件、锻造零件和冲压零件等不受大应力作用的零件。

45钢是一种主要用于机械零件生产的优质碳素钢，故又称机械零件用钢。45钢的横温通常高于AC3，热处理后具有良好的力学性能。由于其重复性较低，断面较大，因此不适用于对工件要求较高机械 。为了研究热处理对45钢组织和布氏硬度的影响，对45钢进行了组织检测和布氏硬度测试，测定了热处理过程中的退火，正火，淬火，低温回火，中温回火和高温回火热处理工艺。对获得的数据进分析，得出热处理过程对45钢结构和性能的影响规律。

2 热处理工艺

2.1热处理工艺概念

热处理是将固体金属加热到一定温度以保证所需的绝缘效果，并以适当的速度冷却到室温以改变内部结构从而获得所需性能的过程。钢的特性不同于材料的微观结构，在高温下由于分子运动强烈，钢的分子分布相对均匀。在奥氏体化温度下热处理一定时间。首先将材料成分均质化，然后根据相应的热处理获得所需的结构。经过各种热处理工艺后，当温度缓慢降低时，钢铁材料中铁和碳的分布受到影响，材料的成分分布不均匀，产生了不同的显微组织。从均匀分布到不均匀分布，需要时间和扩散速率，但是通常温度越高，扩散速率越高。然后，通过调整时间和温度，可以有选择地控制元素的不均匀分布以获得不同的组合。实际上，热处理主要就是调节时间和温度。

2.2热处理工艺特点

热处理主要包括退火，正火，淬火和回火。

（1）退火：退火主要分为全退火，等温退火，球形退火，扩散退火，重结晶退火以及应力消除退火。当材料处于完全退火期间，要钢件或钢球从AC的温度再加热20到30摄氏度。一段时间后，钢结构变成完全奥氏体，然后缓慢冷却（在炉中冷却）或埋在沙子和石灰中。温度低于500-600度，并通过空气冷却，通过相变获得珠光体和铁素体结构。

（2）正火：正火原理与退火原理相似，唯一的区别是经过一定时间的空气冷却后，珠光体更细。退火钢的冷却速率要低于正火钢。与普通钢相比，它具有更好的组织结构，更多的珠光体分散性和更少的铁素体，因此强度和硬度比退火钢高。

（3）淬火：淬火在完全奥氏体化后淬火以获得马氏体或壳，以适当的方式快速冷却，以防止所有奥氏体分解，并在一定时间内超过Ac3或Ac1。通过利用马氏体的热处理工艺，可以将钢到加热到特定温度。淬火有利于提高钢的强度和硬度，同时还可以增加刚才的耐磨性。

（4）回火：回火时间已经冷却的钢材加热到比Ac1低的温度，并持续一段时间，随后再把钢材冷却到室温。

根据回火的温度，可将回火分为高温回火，中温回火和低温回火。淬火和高温回火（例如此处为600°C）也称为淬火和回火。此时，固溶体已经回收并重结晶，同时渗碳颗粒继续生长，这将有助于大量铁素体和球形渗碳体混合结构的生成，因此可以获得强度、可塑性和韧性的综合机械性能。

3 实验过程

3.1实验方案

对45钢的6个样品进行了热处理，在热处理前取了1个样品，以观察其原始硬度和显微组织。随后，对45钢样品进行退火，正火，淬火，低回火，中回火和高温回火。加热温度、加热速率、加热时间以及冷却时间在热处理过程中严格把控。热处理后，使用布氏硬度分别测试试块的每个部分，以观察每个热处理样品的金相结构，得出相应的结论。

3.2实验材料与设备

本实验中使用的材料是45钢，一种高质量的碳素结构钢，其化学结构示于下表1：

3.3 实验步骤

热处理前，首先确定45钢的两个重要临界值。 Ac1为724°C，Ac3为780°C。实验步骤如下：实验前，准备65种45钢（相同尺寸）。采集样品，用砂纸研磨氧化皮革和脱碳层表面。粗磨一会后，用抛光机抛光，在抛光的试块表面滴几滴4%的硝酸溶液，待停留3-5秒后，用清水冲洗并用吸收纸干燥，然后用金相显微镜观察。保存3-5张金属结构照片，并进行两次25 g布氏硬度测试。

样品干净整洁，涂有防裂漆，开始对每个样品进行热处理。45钢的温度为840摄氏度，保温时间为30分钟，但是退火，正火和淬火加热温度和保温时间是固定的，因此可以将其同时放入加热炉中。保温后，将退火炉冷却，正火冷却，然后将淬火放入冷水中。研磨、抛光观察金属结构。退火，正火，淬火后测量试块的硬度。

對45钢回火热处理和淬火处理主要采用低温回火，中温回火以及高温回火热处理，其分别为200℃、400℃和600℃。回火后在回火试验块上进行表面磨削、研磨、金属组织观察、硬度测量，记录试验数据。

3.4实验结果

通过测量45钢每个热处理过程的硬度，获得以下数据（如表2）：

4 热处理工艺对45钢的组织与性能分析

4.1 45钢在退火后组织与性能分析

从上述表2及图1和2来看，45钢的碳含量从0.0218%到077%属于亚共熔钢。机械性质取决于碳含量。当碳含量极低时，钢结构主要是铁氧体和少数珠光体。初级钢具有良好的强度、低硬度和延展性。减少主体、增加珠光体，体会钢的强度和硬度，降低塑性韧性。

从实验结果可以看出，退火的主要功能和目的是颗粒细化，均匀结构，减小硬度，改进钢切削类型和去除内应力。

4.2 45钢在正火后组织与性能分析

从表2分析得，淬火后淬硬钢的硬度高于退火钢的硬度，因为冷却速度比正火钢快，退火组织较薄。此外，由于铁和铁元素的大量分散，其强度和硬度均高于烧结钢。如图3，45钢经正火处理后，由珠光体和铁素体（白色斑点）组成，呈网状分布，颗粒较厚，分布不均匀。

4.3 45钢在淬火后组织与性能分析

从表2可以看出，回火后钢的硬度大幅度提高。退火可以明显提高钢的强度和硬度。利用马氏体将过冷奥氏体转变为贝氏体组织是退火最重要的目的。如图4所示，马氏体或贝氏体组织是45钢淬火后获得的组织，是马氏体中铁素体网络分布的一部分。

4.4 45钢在回火后组织与性能分析

45钢的低温、中温、高温回火后的金相组织如图5图6图7所示：

从表2可以看出，淬火的低温回火钢的硬度低于纯淬火的钢。这是因为在这个温度下，马氏体分解出与之保持一致的关系，马氏体的过饱和度降低，晶格减小，内部应力显着降低，但是淬火后的高硬度保持不变。

对钢材进行中温度淬火的硬度要低于低温淬火钢材的硬度。在这个阶段，碳析出物和过饱和固溶体变成铁氧体，并且退火的马氏体渗碳体变为粒状渗碳体。淬火的高温回火后硬度低于中间温度。在这个阶段，固溶体恢复并再结晶，硒铁矿颗粒继续生长，最终形成了块状铁氧体和球形硒铁矿的混合结构，这也就是常说的的回火索氏体。

淬火+低温回火的目的是消除或降低淬火时的内部应力和脆性。冷却过程中的内部应力基本上可以通过在中温冷却和回火来消除，并且具有更高的弹性极限和韧性。低温回火获得的优良机械性能，如强结构，高硬度，塑性，韧性等。

4.5 45低硬度和不均匀溶液的钢

将上述实验与45钢的热处理相结合，提出了与45钢低硬度和不均匀硬度有关的预防措施。

4.5.1低硬度的预防措施

根据45钢热处理工艺的技术要求，需要正确理解淬火回火过程的温度，时间和其他参数，并根据锻造品的技术要求选择适当的淬火介质。简而言之，要熟悉熔炉和设备的性能，掌握淬火后工件的误差值和硬度值，使工件的耐疲劳性和综合机械性能满足要求。

4.5.2硬度不均的预防措施

第一是选择合适的锻造和退火工艺，保证工件良好的预热组织。第二彻底清除锈斑和氧化物并在加热过程中注意保护。尽可能使用真空加热或保护性气氛加热。如果在盐浴中加热工件，则脱碳效果良好。第三是适当设计工件的淬火和回火工艺规格。第四必须基于工件本身特点，分析技术要求，例如合理选择冷却介质和冷却方法。

5 结论

（1）回火温度越高，时间越长，可塑性和韧性指数越高。回火温度和材料返回回火温度成正比，回火温度越高，材料返回回火温度的速度越快。当回火温度处于较高的状态下，材料的硬度和强度会降低，但此时塑性和韧性逐渐提高。

（2）碳钢的组织和成分决定其机械性能，热处理工艺决定了碳钢的结构，当碳含量处于较低状态时，铁素体和少量的珠光体是钢的主要结构。因此，钢的强度和硬度低，塑性韧性良好。当碳含量开始增加时，珠光体也会逐渐增加，但钢中的铁素体会减少，因此钢的强度和硬度会增加，但是可塑性和韧性会降低。

（3）减少硬化钢的内部应力和脆性是回火最主要目的，保持高硬度和耐磨耗性，防止使用中的裂纹和损伤。

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收稿日期：2019-07-13

作者简介：赵浩然（1999—），男，福建福州人，本科，研究方向：材料成型。

Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Properties of 45 Steel

ZHAO Haoran ，LIN Zongde

（Minnan University of Science and Technology，Shishi  Fujian  362700）

Abstract：In order to clarify the effect of heat treatment process on the microstructure and Brinell hardness of 45 steel， the effects of annealing， normalizing， quenching， low temperature tempering， medium temperature tempering and high temperature heat treatment on the microstructure and Brinell hardness of 45 steel were studied， the results show that the hardness and strength of 45 steel increase with the increase of carbon content， but the plasticity and toughness decrease.

Key words：heat treatment process;metallographic structure;hardness;45 steel