發布時間：2021-05-14所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：棒材在線淬回火熱處理不僅可顯著降低成本，而且有利于改善材料性能。通過實驗室試驗、組織性能檢測、有限元模擬等就典型45#鋼和40Cr鋼進行研究，結果表明：45#鋼和40Cr鋼淬硬層深度分別約為4.8，18mm，臨界冷速約72，16℃/s;600℃高溫回火保溫20min后
摘要：棒材在線淬回火熱處理不僅可顯著降低成本，而且有利于改善材料性能。通過實驗室試驗、組織性能檢測、有限元模擬等就典型45#鋼和40Cr鋼進行研究，結果表明：45#鋼和40Cr鋼淬硬層深度分別約為4.8，18mm，臨界冷速約72，16℃/s;600℃高溫回火保溫20min后，鋼中碳化物分布彌散均勻，強塑性和沿橫截面均勻性得到顯著改善;有限元仿真表明淬火中熱應力變化表層先拉后壓，芯部與此相反。
關鍵詞：棒材淬火;45#鋼;40Cr鋼
0前言
相較傳統離線熱處理，合金鋼棒材(Φ40mm～150mm)在線淬火-回火工藝后，直接省去淬火再加熱，可縮短生產流程，節約能源，提高生產效率，降低生產成本[1]。材料學方面，軋后直接淬火時加熱溫度較高，合金元素均勻固溶，淬透性高，能更好的挖掘材料潛能。有研究指出[2,3]，與普通熱處理相比，進行淬回火熱處理后的材料硬度增幅約10%，抗拉強度增幅約3%~10%，伸長率增幅約10%~40%，沖擊韌性增幅約20%~30%，回火抗力好，強化效果可達600℃以上。
棒材在線熱處理主要包括熱軋、在線淬火和回火[4,5]。軋前加熱制度，開軋溫度，軋制工藝，冷卻參數，冷卻水溫度，終冷溫度等工藝參數對棒材表面回火索氏體，芯部鐵素體+珠光體組織，軋材最終韌性、塑性和焊接性，淬硬層深度有顯著影響。軋材熱應力情況及淬火裂紋傾向，是在線淬回火工藝主要關注缺陷。
為研究淬回火熱處理工藝，對低合金鋼棒材溫度演變、相類別及組織、力學性能影響的機理，本文選用用途廣泛的典型低合金鋼鋼種45#鋼和40Cr鋼，采用熱處理試驗、組織性能檢測、有限元模擬等，進行了合金(優質)鋼棒材(Φ40mm～150mm)在線淬火-回火處理研究。
1試驗材料及方法
試驗材料選取具有代表性的中碳鋼45#鋼、低合金鋼40Cr鋼為對象，化學成分如表1和表2所示。
試驗合金鋼棒材規格取Φ50mm×100mm，淬火介質取濃度10%NaCl溶液。為獲得試樣表面到芯部冷卻曲線，沿試樣徑向方向鉆出若干個不等間距、直徑為2.5mm小孔，深度為試樣長度一半，熱電偶分別埋在小孔內，記錄溫度變化曲線。試驗裝置如圖1所示。
淬回火試驗中，試樣在如圖1(b)中的加熱和保溫爐中，以5℃/s加熱到900℃保溫60min全奧氏體化，在設計的水冷裝置下以一定壓力和流量在不同淬火介質中冷卻(圖1(c))，取出試樣進行一段時間回復后，再快冷到室溫。對試樣進行硬度和金相組織檢測，分析時間-溫度曲線，對得到的淬回火試驗鋼，制成直徑80mm試樣，按GB/T228.1-2010，用QX-W5502萬能拉伸試驗機進行力學性能測試。
2試驗結果與分析
2.1試驗鋼淬火金相組織和臨界冷速
根據Φ50mm45鋼和40Cr鋼在10%NaCl溶液中淬火試驗，得到了表-芯不
同位置處冷卻速度，及硬度分布，結果如圖2所示。
由圖2(a)和圖2(b)可見，隨著距淬火層表面厚度的增加，45鋼和40Cr鋼的冷卻速度逐漸降低，高碳含量的45鋼冷卻速度曲線整體更大，曲線更為陡峭，兩種試驗鋼硬度在表-芯不同位置的變化與冷卻速度變化曲線類似。
對應的45#鋼淬火后轉變產物由表面到芯部分布的金相組織，如圖3所示。
由圖2(a)知，隨試樣表面到中心距離增加，硬度減小，結合圖3試驗鋼淬火后金相組織可見，隨著距表面深度增加，由于冷卻速度開始顯著降低，馬氏體含量減少，珠光體和鐵素體等增多，距試樣表面4.8mm處馬氏體組織體積分數約50%。一般45鋼淬硬層硬度標準為42.5HRC，通過區域硬度標定，繪制曲線，得出距淬火表面4.8mm處硬度值約為42.5HRC，由此φ50mm45鋼10%NaCl溶液中淬火淬硬層深度為4.8mm，對應的淬火臨界冷速約為72℃/s。
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對應的40#鋼淬火后轉變產物由表面到芯部分布的金相組織，如圖4所示。
由圖2(b)和圖4知，40Cr鋼淬火后硬度的表層到中心分布情況，以及金相組織變化與45#相似。圖4可見，隨距表面深度增加，冷卻速度開始顯著降低，導致馬氏體含量減少，珠光體和鐵素體等增多，距表面18mm處馬氏體組織體積分數約50%。取40Cr鋼淬硬層硬度標準為42HRC(對應試驗中淬火表面18mm處)，結合實測溫度變化曲線，得出淬火樣冷卻速度(臨界冷速)約16℃/s。
2.2淬火鋼回火過程中的金相組織
對淬火樣進行600℃高溫不同時間回火，經取樣—拋光—腐蝕，得到45#鋼的金相組織如圖5，40Cr鋼的如圖6示。
由圖5和圖6可見，兩種試驗鋼在600℃回火保溫過程中板條、位錯、碳化物析出尺度上發生明顯變化，從宏觀金相組織上可見，5min和10min保溫時間，顯微組織中的碳化物和組織分布都不均勻，到20min后，碳化物彌散度顯著，組織也較均勻。淬火后合金鋼回火過程，宏觀金相的變化，源自微觀組織如板條馬氏體、位錯、碳化物析出尺寸的演變，這對材料力學性能產生顯著影響[6]。研究表明，高溫回火中，滲碳體將逐漸聚集長大，回火溫度越高，滲碳體顆粒也越大，450℃以上，鐵素體回復作用增強，馬氏體板條形態逐漸變成為多邊形。對于40Cr這類添加碳化物形成元素的低合金鋼中，合金元素獲得了足夠擴散能力，以細小碳化物析出，滲碳體需部分回溶為其提供碳元素[3]。隨回復程度的進行，板條內位錯組態也有明顯變化，原來的位錯胞狀亞結構通過胞壁規整發展成鐵素體亞晶，一些紊亂纏繞的位錯也逐漸有序化，排列成網絡狀或半網絡狀態，這種組態使位錯有最低的能量，穩定性高[5]，降低了淬火鋼材料強度，而提高了韌性。
2.3淬火/回火后試驗鋼的性能分析
為得到淬火、淬火—回火后鋼的綜合機械性能，找出熱處理后的硬度與抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率和延伸率之間的關系，對試驗鋼進行了拉伸試驗，結果如圖7所示。
由圖7左圖曲線1(2)和曲線3(4)對比可見，淬火樣強度遠大于回火。棒材淬火后的截面，在沿徑向不同深度處的抗拉及屈服強度波動較大，回火后試樣強度明顯降低，內外強度更加均勻，主要是試驗鋼棒材淬火過程時間短，表面的冷卻條件在紊流沖擊下差別較大，導致沿徑向同截面深度各區冷卻速度不均，而回火過程時間長，相和組織轉變充分所致。塑性指標方面(圖7右圖曲線1(2)和曲線3(4)對比)，回火后斷面收縮率與斷后伸長率顯著增加，均勻性強。
2.4合金鋼淬/回火過程中溫度和熱應力演變的有限元分析
合金鋼棒材淬火中，棒材截面上冷卻和相變過程有不均勻和不同時性，棒材不同部位體積和形狀上變化差異，引起相互束縛，產生不同的應力場，導致的淬火應力，是使得棒材在淬火中產生裂紋的主要原因[7,8]。隨冷速增加，棒材內主要有兩種內應力，一是溫差引起的熱應力，一是組織轉變不均勻、不同時形成的組織應力。這兩種應力在淬火過中相互疊加、消除，最終形成殘余應力。
棒材在線淬火時的內應力，屬熱彈性問題。本文通過Marc建立合金鋼溫度場模型，水冷換熱系數取自試驗中表層溫度變化曲線數據反算得到，得到溫度演變的有限元模型后再耦合應力場，典型的45#鋼淬火熱應力結果如圖8，圖9示。
結合圖8、圖9可知，剛開始淬火時，表面冷速大，芯部冷速由于熱阻作用，遠低于表面。由于熱脹冷縮，表面收縮為拉應力，芯部為壓應力。隨淬火進行，表面溫度急速下降使表層部分溫度差急速擴大[9-12]。圖9表明，沿X軸表面切向應力迅速上升到400MPa，軸向應力迅速上升達到600MPa，處于拉應力;芯部徑向應力迅速下降到100MPa，軸向應力下降到60MPa，使芯部處壓應力。隨著表面溫度接近冷卻水溫度，表層溫差逐漸縮小，靠近表面冷速降低，棒材表面拉應力減小，當棒材淬火時間達到18s時，表面拉應力下降為0，成為由拉應力轉變成壓應力的轉折點[13-16]。隨后由于淬火的繼續，表面壓應力迅速增大，淬火時間到60s時，棒材內外溫度接近冷卻水溫度，冷速趨同，應力變化趨緩。棒材芯部應力變化與表面相反，由淬火開始時的壓應力向拉應力轉變[17-20]。淬火結束后，由于主要受淬火溫差影響，最終棒材表面受壓應力，芯部受拉應力。不同鋼種和規格規律相似[21-24]。
3結語
合金鋼棒材的在線淬火-回火工藝，有縮短生產流程，節約能源，提高生產效率，降低生產成本的顯著優勢。本文針對典型的45#鋼和40Cr鋼棒材，采用熱處理試驗、組織性能檢測、有限元模擬等方法，進行了相關研究，得出的主要結論如下：
1)按42.5HRC標準，45#鋼淬硬層深度約4.8mm，臨界冷速約72℃/s，按42HRC標準，40Cr鋼淬硬層深度約18mm，臨界冷速約16℃/s;
2)淬火鋼高溫回火中，組織變化顯著，600℃高溫回火保溫20min后，鋼中碳化物分布較為彌散，強塑性和沿橫截面均勻性得到顯著改善;
3)不同合金鋼和規格棒材淬火中熱應力變化情況相似，由于表面冷速和材料內部熱阻的共同影響，受力狀態表層先拉后壓，心部與此相反。——論文作者：陳志強1，林銀河2，蒲春雷1，田野1,尹國亮3，趙貴州1
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