熱處理溫度對(duì)高強(qiáng)度螺栓用45鋼力學(xué)性能的影響

王文達(dá)　韓霄　曹穎川　虎瓊　楊美歐

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

【關(guān)鍵詞】高強(qiáng)度螺栓；45鋼；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TG335.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(qiáng)度螺栓具有易于拆換、施工簡便、承載能力強(qiáng)、耐疲勞和安全性好的優(yōu)點(diǎn)，是繼鉚接和焊接之后迅速發(fā)展起來的一種鋼結(jié)構(gòu)連接類型[1-2]。45鋼是含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，且價(jià)格低、來源廣，是生產(chǎn)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(yīng)用。然而45鋼淬透性較低，水淬時(shí)有開裂傾向，因此改善和提高45鋼的性能，對(duì)提高高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量和安全穩(wěn)定性有重要的意義[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本課題采用的高強(qiáng)度螺栓用45鋼的基本化學(xué)成分如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

淬火加熱在箱式電阻爐中進(jìn)行，原始試樣（0#）達(dá)到淬火溫度740℃、840℃和940℃后，保溫20min后進(jìn)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(jìn)行空冷處理（4#，5#，6#），如圖2所示。

針對(duì)不同處理態(tài)試樣分別進(jìn)行洛氏硬度、顯微硬度和壓縮強(qiáng)度測試。將不同淬火介質(zhì)下淬火的試樣，經(jīng)預(yù)磨、粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕后在光學(xué)顯微鏡（OLYMPUS-BX51）和掃描電鏡（SHIMADZU-SSX550）下進(jìn)行拍照觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度實(shí)驗(yàn)

45鋼在740℃至940℃淬火時(shí)，硬度先增加后減小，在840℃時(shí)出現(xiàn)峰值，回火溫度對(duì)45鋼表面硬度的影響規(guī)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(shí)鋼尚未完全奧氏體化，存在有部分未轉(zhuǎn)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(dá)不到要求，同時(shí)也會(huì)影響其他力學(xué)性能。若將45鋼淬火加熱溫度過高，則奧氏體晶粒會(huì)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(xì)小[6]。

在45鋼的回火溫度加熱到300-400℃時(shí)淬火馬氏體快速分解，碳從過飽和的固溶體中析出使其轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，同時(shí)碳化物也轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細(xì)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(shí)內(nèi)應(yīng)力大部分消除，鋼的硬度、強(qiáng)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(shí)鋼內(nèi)形成了細(xì)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(fù)為平衡濃度的鐵素體，完成了回復(fù)和再結(jié)晶的過程，變?yōu)槎噙咉w。此時(shí)固溶體的強(qiáng)化作用消失，鋼的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步下降，塑性和韌性進(jìn)一步上升，內(nèi)應(yīng)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(qiáng)度

總的來說，淬火后45鋼的屈服強(qiáng)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(qiáng)度及耐磨性，其中840℃淬火加熱溫度下屈服強(qiáng)度最大。經(jīng)過回火處理后雖然提高了45鋼的韌性與塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，但硬度與強(qiáng)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(qiáng)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(diào)質(zhì)處理”，經(jīng)過此回火過程能夠獲得較好的綜合機(jī)械性能。不同淬火及回火溫度下的屈服強(qiáng)度的變化如圖4所示。endprint

2.3 三點(diǎn)抗彎

由圖5可觀察到，經(jīng)過淬火熱處理的試樣再被壓至固定角度的時(shí)候，所受的最大力均比原始試樣有所增大，說明經(jīng)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(shí)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(qiáng)度的同時(shí)，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(qiáng)，繼而也說明回火處理可以改善淬火后的45鋼的機(jī)械性能，獲得不同硬度，強(qiáng)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(jīng)過淬火處理后的1#、2#、3#試樣的沖擊功相對(duì)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?yàn)榇慊鸷蟮鸟R氏體組織使α-Fe的體心立方晶格發(fā)生較嚴(yán)重的畸變，這種畸變強(qiáng)化了45鋼的強(qiáng)度與硬度的同時(shí)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(jīng)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?yàn)樵谥袦鼗鼗鹨约案邷鼗鼗鸬臒崽幚碜饔孟率乖嚇又械膬?nèi)應(yīng)力基本消除，α固溶體恢復(fù)為平衡濃度的鐵素體，完成了回復(fù)和再結(jié)晶的過程，固溶體的強(qiáng)化作用消失，45鋼的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步下降，塑性和韌性進(jìn)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(qiáng)，也說明回火工藝對(duì)45鋼的韌性和塑性有明顯的改善。

3 結(jié)論

（1）在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨淬火溫度的升高，45鋼的強(qiáng)度、硬度先升后降，在840℃時(shí)力學(xué)性能最好，超過840℃后，強(qiáng)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(zhuǎn)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(dá)不到要求，同時(shí)也會(huì)影響其他力學(xué)性能。若將45鋼淬火加熱溫度過高，則奧氏體晶粒會(huì)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(xì)小。

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

【參考文獻(xiàn)】

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