45鋼正常溫度淬火和過(guò)熱、欠熱淬火的組織硬度實(shí)驗(yàn)

陸凌凱　曹歡玲++許小鋒

摘 要 本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是45鋼在正常溫度淬火和過(guò)熱、欠熱淬火時(shí)的金相組織觀察和硬度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)分6組進(jìn)行，將45鋼分別加熱到750€癈、850€癈和950€癈，在水和20號(hào)機(jī)油中冷卻，測(cè)試試樣硬度，制作金相試樣，觀察金相組織，并進(jìn)行比較與分析。

關(guān)鍵詞 45鋼 淬火 金相組織 硬度

中圖分類號(hào)：TG161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.09.023

Microstructure and Hardness Experiment of 45 Steel Normal

Temperature and Over Heat and Under Heat Quenching

LU Lingkai， CAO Huanling， XU Xiaofeng

（Zhejiang Agriculture & Forestry University， Hangzhou， Zhejiang 311300）

Abstract The content of this paper is the microstructure and hardness experiment of 45 steel normal temperature and over heat and under heat quenching. The Experiments were carried out in 6 groups. The samples was heated to 750 degrees and 850 degrees and 950 degrees， the samples were cooled in water and 20 engine oil， test sample hardness， production of metallographic specimen， observe the microstructure， and comparison and analysis the results.

Key words 45 steel； quenching； microstructure； hardness

鋼的熱處理工藝一般分為退火、正火、淬火和回火四種。淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。淬火的目的是使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通過(guò)淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火工藝在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，機(jī)械中重要零件，尤其在汽車、飛機(jī)、火箭中應(yīng)用的鋼件幾乎都經(jīng)過(guò)淬火處理。淬火是鋼鐵材料強(qiáng)化的基本手段之一，本文實(shí)驗(yàn)材料45鋼在淬火前的硬度低于28HRC，淬火后的硬度可達(dá)到甚至超過(guò)55HRC，其硬度值的大小由熱處理工藝決定。

45鋼是中碳結(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(lái)源廣，所以應(yīng)用廣泛。目前45鋼的熱處理工藝有正火、淬火與回火，一般熱處理溫度為：正火850℃、淬火840℃、回火600℃。 隨著熱處理工藝參數(shù)的變化，熱處理后45 鋼組織和性能隨之改變。一定溫度下正火時(shí)得到珠光體和鐵素體組織，而淬火和回火得到的則是馬氏體組織。隨著加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等的改變，熱處理后所得到的組織變化主要是組織粗細(xì)和組織類型二個(gè)方面，組織粗細(xì)和組織類型是使45鋼性能改變的根本原因。通常顯微組織顆粒越細(xì)，材料的綜合性能就越好。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

（1）箱式電阻爐；（2）HR150型洛氏硬度計(jì)；（3）NJF-120A金相顯微鏡；（4）砂輪機(jī)、拋光機(jī)、金相砂紙、玻璃板及吹風(fēng)機(jī)；（5）冷卻劑：水、20號(hào)機(jī)油；（6）試樣尺寸：45鋼，形狀為圓柱體30*30mm。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟

（1）按表1將實(shí)驗(yàn)分成6個(gè)小組進(jìn)行，每組領(lǐng)取樣品；（2）依據(jù)鐵碳合金相圖，按表1給定的加熱溫度和保溫時(shí)間，在箱式電阻爐上設(shè)定加熱溫度與保溫時(shí)間，對(duì)試樣進(jìn)行加熱和保溫；（3）按表1將試樣在水中或油中冷卻；（4）將熱處理試樣表面打磨光滑，測(cè)出洛氏硬度值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1中；（5）金相試樣制備包括取樣、粗磨、細(xì)磨、拋光和浸蝕五個(gè)步驟，浸蝕劑為4%硝酸酒精；（6）在金相顯微鏡下觀察試樣，并拍下金相組織照片，放大倍數(shù)500；（7）比較45鋼在正常溫度淬火和過(guò)熱、欠熱淬火后的金相組織區(qū)別，同時(shí)對(duì)硬度進(jìn)行比較分析。

3 金相組織和硬度

3.1 淬火溫度的選擇

淬火加熱溫度一般在鋼的臨界點(diǎn)以上30～50℃，如圖1所示。對(duì)于亞共析鋼，一般加熱至Ac3以上30～50℃，可使淬火馬氏體細(xì)小均勻。若加熱溫度過(guò)高，會(huì)使奧氏體晶粒粗化，得到粗大馬氏體組織，鋼件容易變形及開裂；若加熱溫度過(guò)低，則淬火組織中會(huì)殘留未完全溶解的鐵素體，導(dǎo)致鋼件淬火硬度不足，出現(xiàn)所謂的淬火軟點(diǎn)。45鋼屬于亞共析鋼，本淬火實(shí)驗(yàn)中，正常淬火溫度選擇850℃，欠熱淬火溫度選擇750℃，過(guò)熱淬火溫度選擇950℃。

3.2 硬度測(cè)試

對(duì)6組熱處理試樣分別進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)量3點(diǎn)，取平均值，測(cè)量結(jié)果見表1。

3.3 金相組織圖

從水淬火處理后的金組織圖中（圖2、圖3、圖4），我們可以看到750℃水淬所得到的組織與另兩幅所得到的組織有明顯差異。45鋼含碳量為0.45%左右，屬于亞共析鋼，750℃的溫度在亞共析鋼的臨界點(diǎn)Ac3以下，所以當(dāng)加熱溫度為750℃時(shí)，其組織內(nèi)含有大量的鐵素體，而馬氏體含量卻較少。850℃水淬和950℃水淬時(shí)其組織幾乎全為馬氏體，但馬氏體的形態(tài)存在差異，850℃水淬得到的馬氏體組織較細(xì)，溫度增加使奧氏體晶粒變粗變大，因此得到的950℃水淬馬氏體比850℃水淬馬氏體粗大。圖5、圖6和圖7為45鋼加熱溫度分別為750℃、850℃和950℃，使用20號(hào)機(jī)油進(jìn)行冷卻，沒有得到完全的馬氏體組織。圖5中可以看到鐵素體組織，圖5和圖6中組織主要為貝氏體和珠光體，圖7中珠光體組織的含量最多。

4 總結(jié)

（1）為滿足機(jī)械零件千差萬(wàn)別的技術(shù)要求，產(chǎn)生了淬火工藝，包括加熱、保溫、冷卻3個(gè)階段。本文探究了45鋼在標(biāo)準(zhǔn)溫度、欠熱和過(guò)熱三種不同溫度下，分別用水和機(jī)械油冷卻后的金相組織變化及硬度差異。

（2）熱處理工藝對(duì)保障機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義，在本實(shí)驗(yàn)中，過(guò)熱淬火和欠熱淬火都是熱處理的失效形式，這些失效形式會(huì)直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的實(shí)際意義。

（3）本實(shí)驗(yàn)涉及知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠?qū)⒄n本理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)，將工程實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)很好地結(jié)合起來(lái)，取得了良好的教學(xué)效果。

*通訊作者：曹歡玲

支持項(xiàng)目：浙江省特色專業(yè)資助

參考文獻(xiàn)

[1] 胡光立，謝希文.鋼的熱處理（原理和工藝）（第4版）[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版，2012.

[2] 陳培里.工程材料及熱加工[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3] 戚正風(fēng).金屬熱處理原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[4] 陳興巖.熱處理工藝對(duì)導(dǎo)軌鋼性能影響的分析[M].天津：天津工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[5] 夏麗芳.金屬熱處理工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1987.