45钢控时水浴淬火的强韧化

李莎

摘要：采用不同淬火方式对45钢淬火，之后进行不同温度的回火处理，研究其组织和力学性能的变化。结果表明，随回火温度的升高，马氏体不断分解，经450℃回火组织为回火托氏体，550℃回火获得回火索氏体组织;820℃水浴淬火由于冷速较慢，组织中存在少量的铁素体。450℃回火状态下，虽然820℃控时水浴淬火的强硬度比820℃完全淬火稍低，但韧性高，综合强韧性考虑，45钢经820℃控时水浴淬火+450℃回火后的综合力学性能最优。

Abstract： Study on the change of microstructure and properties by tempering 45 steels quenched in different ways. The results show that the martensite continues to decompose with the temperature increases， the microstructure is tempered tortoise after tempering at 450℃ and tempered sorbite after tempering at 550℃; Due to the slower cooling rate， a small amount of ferrite in the microstructure with bath- water quenching at 820℃. At the state of tempered at 450℃， the hardness and the strength of time-controlled quenching at 820℃ is small lower than quenching at 820℃， but the toughness of time-controlled quenching at 820℃ is higher. Considering， it has the best comprehensive mechanical properties for 45 steel by time-controlled quenching at 820℃ and tempered at 450℃.

关键词：强韧化;水浴淬火;回火;组织;力学性能

Key words： strengthening;quenching in water;tempering;microstructure;mechanical properties

中图分类号：TG156.5;TG161                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0156-03

0  引言

45钢是目前我国工业中使用较多的普通优质碳素结构钢之一，属中碳范畴，完全淬火后组织为板条马氏体和片状马氏体的混合组织，使其强度较高，但塑性韧性不足，经回火后获得回火索氏体组织，能在一定程度上改善45钢的塑韧性[1]，刘向东、姜魁经等采用水浴对Q235钢进行水浴淬火，有效的改善了钢的塑韧性[2-3]。

本文采用资源丰富、价格低廉、节能环保的水域作为淬火介质，对45钢在不同热处理状态下的组织和性能进行了研究，分析各状态下的显微组织特征与45钢力学性能之间的关系，从而得到最佳的热处理工艺过程，旨在为工业生产提供有使用价值的理论依据。

1  实验材料与方法

1.1 试样制备

本实验中有三中试样：Φ10×100mm的标准拉伸试样;Φ10×15mm的金相试样和10×10×55mm的标准V型夏比冲击试样，均由45钢制作。将三种试样分为A和B两组，每组中每类试样各3个。

1.2 实验设备

采用SX2-8-10NP型箱式電阻炉对工件进行淬火和回火;通过PIT4528-4摆锤冲击试验机测量试样冲击韧性，强度通过CMT5205型微机控制电子万能试验机进行测量;试样金相组织通过Axio Vert.A1型金相显微镜进行观察并对金相采集照片;控时水浴淬火在HH-42恒温数显水箱中进行。

1.3 实验过程

本实验以水为冷却介质，设置了两组试验，分别为25℃水浴完全淬火（A组）和恒温控时水浴完全淬火（B组），即加热温度为Ac3以上（30～50）℃进行淬火。依据45钢Ac1和Ac3温度，确定淬火温度为820℃。依据公式t=αKD[3]来确定钢的保温时间，碳钢无预热时α=1.0～1.6;K为装炉修正系数，试样放置一排时K=1.3～1.4;D为工件的有效厚度，本实验中试样的有效厚度为10mm，故保温时间为13～22min。选择45钢的淬火温度为200℃，依据水在不同温度下的冷却曲线特征值[4-5]可知，在60℃的恒温水浴中，将工件保留12～14s试样的温度可以降低到200℃。因此B组实验选择在60℃恒温水浴中停留14s，然后出炉空冷。再将淬火试样分别放在370℃、450℃、550℃下进行回火，保温30min出炉空冷。

本文以A组为正常工艺组，与B组进行比较，以获得45钢强韧化的最佳工艺。各工艺的具体过程如表1所示。

2  实验结果与分析

2.1 显微组织分析

2.1.1 淬火回火对显微组织的影响

45钢经820℃淬火，不同温度回火后的显微组织如图1所示，从图中可以看出，随回火温度的升高，马氏体的饱和度不断下降，370℃回火后，只有少量的马氏体保留原来的板条状，析出的碳化物转变为较稳定的Fe3C相。450℃回火时，碳化物析出更充分[6]，质点愈大，组织为典型的回火托氏体组织;550℃回火时，α相再结晶，此时的组织是由多边形晶粒铁素体和粒状渗碳体组成，是典型的回火索氏体组织[7]。

2.1.2 控时水浴淬火回火对显微组织的影响

45钢经820℃恒温水浴淬火，不同温度回火显微组织如图2所示，370℃回火组织依然可以看出板条马氏体形态，随回火温度的升高，板条宽度变宽，直到550℃时已完全看无板条的形态，且此时的回火索氏体晶粒是具有多边形的晶粒。

2.2 淬火回火对45钢性能影响

2.2.1 对钢硬度的影响

45钢淬火回火后的硬度变化曲线如图3所示，结果显示，虽然随回火温度的升高使得马氏体饱和度下降[8]，两组的硬度都逐下降，但B组的硬度整体要稍微低于A组的硬度，这可能是受淬火方式影响的结果。首先，马氏体的硬度取决于马氏体的过饱和度产生的固溶强化[9]，60℃水浴的冷却速度比25℃水的冷却速度慢，使得先形成的马氏体在后续过程中会产生自回火现象，使得碳化物的析出量增多，马氏体的饱和度下降;其次，由于水浴冷速慢，增加了组织中残余奥氏体的量;最后，200℃出炉空冷的冷却速度更慢，加速了碳原子的析出[10]，这些都是B组硬度高于A组的原因。

2.2.2 火对钢强度的影响

45钢淬火不同温度回火的强度如图4所示，从图中可以看出，随回火温度的升高，A组和B组的强度逐渐下降，主要原因是马氏体过饱和度下降;此外，B组中存在少量铁素体割裂了马氏体的连续性[11]，也会使强度降低。两者相比，B组强度下降较慢，在550℃回火时比A组强度高，一方面，B组冷速慢，残余奥氏体增多[12]，虽然较多的残余奥氏体分布于板条马氏体之间，割裂了马氏体的连续性，使其强度下降;但残余奥氏体量增加，能缓解应力集中和裂纹源的扩展，一定程度上能提高钢的强度和韧性;另一方面，B组中残余奥氏随回火温度的升高一直在发生着转变[6]，且回火温度越高，转变的百分比越高，有效的阻碍位错的移动。三者综合使得B组在450-550℃之间回火时，强度逐渐比A组高。

2.2.3 对钢韧性的影响

45钢淬火不同温度回火的韧性变化曲线如图5所示，从图中可以看出，韧性随回火温度的升高而上升，主要是马氏体饱和度下降致使铁原子接力增强，从而使得韧性增加[14]。同样的回火温度下，B组中较多的残余奥氏体能有效的缓解裂纹的扩展，同时B组的自回火使马氏体的饱和度下降程度高于A组，这些都是致使B组的韧性高于A组的原因，且两组的冲击韧性在370℃～450℃增加较快，在450℃～550℃缓慢增加，尤其是B组更缓慢，可能是高温时马氏体饱和度降低形成的铁素体和不断长大渗碳体及持续在转变的残余奥氏体三者综合的结果。

3  总结

①45鋼经回火后的组织变化基本一致，都是随回火温度的升高，渗碳体的饱和度不断下降，450℃为典型的回火托氏体组织，550℃时α相再结晶，组织为典型的回火索氏体组织。不同的是820℃控时水浴淬火（B组）由于冷速较慢，组织中存在少量的铁素体。

②45钢820℃控时水浴淬火（B组）在450℃回火的强硬度比820℃完全淬火（A组）稍低，但韧性比A组高，综合强韧性考虑，45钢经820℃控时水浴淬火+450℃回火后的综合力学性能最优。

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