45钢力学性能规律的探讨

陈 方，王小东，史永刚，张泽宇，王仲凯

（陕钢集团产业创新研究院有限公司，陕西 汉中 723000）

45钢广泛用于汽车、机械等行业的杆类、轴类、螺栓等零件的加工，加工工艺复杂多样，一般包括车削、热锻、冷镦、热处理等工艺，对圆钢的表面质量及力学性能要求均较高。国标要求在对45钢的力学性能进行检测时，需先对样品进行850℃的正火处理后，再进行拉伸试验。下游加工企业一般先进行一系列变形加工后，再对工件进行热处理，以满足使用要求。因此，45钢热轧状态下力学性能的稳定性是保证其后续加工生产顺行的主要影响因素，摸索出45钢力学性能稳定的最佳时段，可为下游加工生产提供科学的参考。

1 试验材料及方法

试验采用的45钢化学成分如表1所示，生产工艺为：混铁炉→120 t转炉→吹氩站→LF炉→方坯连铸机→加热炉→粗轧→中轧→精轧→冷却。按国标GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》中对拉伸试样尺寸的要求来进行拉伸试样的制备。对同一批圆棒取心部试样，利用机械加工的方式将其加工成为标准的室温拉伸试样，其规格为5 mm×25 mm，然后在万能材料试验机上进行室温拉伸试验。通过拉伸试验,可得到几种不同试验圆棒的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率等力学性能参数。试验中采用的仪器为微机控制电液伺服万能试验机，型号为WAW-300，精度等级为0.5。

表1 45钢成分控制表

为保证取样稳定性，取当日生产完成的同一批次Φ25 mm、Φ32 mm规格的45钢试样各65支，并将两种规格的样品各分为13组，每组5支。将每组样品按照试样1至试样13分成13个部分，并进行标识。试样1需在生产当日进行试验，以作为初检，记录试验数据。其他试样按照标号顺序，每天对一组试样进行试验，并记录试验数据。

2 试验结果分析

45钢试验数据为每组5支试样试验数据的平均值，试验结果如表2所示，力学性能变化趋势如图1所示。

图1 45钢力学性能变化趋势图

表2 45钢力学性能试验结果

1-1 45钢屈服强度和抗拉强度变化图

通过对试验数据进行对比，得出45钢Φ25 mm、Φ32 mm规格的圆钢在热轧状态下的平均屈服强度、抗拉强度、断后伸长率均满足国标对热处理状态下45钢的三项性能指标要求，且有较高的富余量。断面收缩率随时间的推移呈现上升趋势，热轧状态下，45钢断面收缩率初检均低于国标对热处理状态下的性能指标要求，自第9天后，始热轧状态的断面收缩率整体趋于稳定，满足国标热处理状态要求。

45钢金相组织如图2所示，图2-1和图2-2分别为第1天和第13天试样的金相组织，组织无明显变化，均为铁素体+珠光体。金相组织评级如表3所示，无带状组织，晶粒度为9.5~10.0级，魏氏组织级别为1级，对45钢力学性能不会产生明显影响，反而对冲击韧性有积极作用[1]。

表3 45钢显微组织分析结果

图2 45钢金相组织图

45钢拉伸断口的宏观形貌如图3所示，从图3可以看出，45钢拉伸断口宏观形貌呈现杯锥状，断口分为三个区域，中心部分为灰色纤维区，纤维区四周为辐射状裂纹扩展区，边缘为剪切唇区，断口类型为韧性断口。因没有灰白色斑点[2]，可排除由氢脆导致的断面收缩率降低的可能性。

图3 45钢拉伸断口的宏观形貌

热轧状态下45钢的断面收缩率随时间推移明显增高，因钢材在轧制冷却过程中，各相转变不平衡，微量原子分布不稳定，导致晶格畸变的产生；在轧制冷却后，钢材会产生一定的残余应力，残余应力也会牵引晶格发生畸变。拉伸过程使得试样中的位错没有充分滑移而过早断裂，但是随着时间的推移，各微量原子也通过扩散到达稳定位置，晶格畸变逐渐消除，残余应力也逐渐被释放，并最终达到稳定状态，这时原子间距也基本达到平衡位置。因此，在拉伸过程中，试样中的位错可以充分滑移，产生较大的塑性变形量，从而推迟钢材在拉伸过程中的断裂，在宏观上则表现为断面收缩率增加。

3 结论

1）热轧状态下的45钢屈服强度、抗拉强度以及断后伸长率均满足国标对45钢热处理状态下三项性能指标要求，且在室温下，随时间的推移，三项性能较为稳定，未发生明显变化。

2）在室温下，热轧状态下的45钢随着时间的推移，断面收缩率不断增长，并在第8天后，各项指标满足国标对45钢热处理状态的性能要求，且趋于稳定。

3）建议45钢在生产后放置10 d，待性能稳定后，再进行加工使用。