熱處理工藝對低合金鑄鋼力學(xué)性能的影響

鄭宏升 鄭巖

摘 要：本文研究了初始淬火溫度、淬火溫度、回火溫度對低合金鑄鋼拉伸強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著初始淬火溫度的升高，低合金鑄鋼的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，伸長率先升高后降低，并在260 ℃時出現(xiàn)拐點(diǎn)，伸長率達(dá)最大值14.53%。當(dāng)初始淬火溫度為260 ℃時，低合金鑄鋼的力學(xué)性能最優(yōu)。低合金鑄鋼的拉伸強(qiáng)度、硬度沖擊韌性、斷裂韌性隨著淬火溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)淬火溫度為（960±10） ℃時，低合金鑄鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。低合金鑄鋼的硬度隨回火溫度的上升逐漸下降，沖擊韌性隨回火溫度的上升先上升后下降。綜合考慮，回火溫度的最佳溫度為（200±10） ℃。低合金鑄鋼經(jīng)960 ℃淬火后，其微觀組織結(jié)構(gòu)為單一馬氏體結(jié)構(gòu)，且大量納米級奧氏體薄膜夾雜在馬氏體板條間。這種微觀組織結(jié)構(gòu)使低合金鑄鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、韌性及塑性。

關(guān)鍵詞：低合金鑄鋼;初始淬火溫度;淬火溫度;回火溫度;力學(xué)性能

中圖分類號：TG142.1;TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： The effects of initial quenching temperature， quenching temperature and tempering temperature on the tensile strength， hardness and toughness of low alloy cast steel were studied. The results show that with the increase of initial quenching temperature， the tensile strength of low alloy cast steel gradually decreases， the elongation first increases and then decreases， and there is an inflection point at 260 ℃， and the elongation reaches the maximum value of 14.53%. When the initial quenching temperature is 260 ℃， the mechanical properties of low alloy cast steel are the best. The tensile strength， hardness， impact toughness and fracture toughness of low alloy cast steel first increase and then decrease with the increase of quenching temperature. When the quenching temperature is （960 ± 10） ℃， low alloy cast steel shows excellent comprehensive mechanical properties. The hardness of low alloy cast steel decreases gradually with the increase of tempering temperature. The impact toughness increases first and then decreases with the increase of tempering temperature. The optimum tempering temperature is （200 ± 10） ℃. After quenching at?960 ℃， the microstructure of low alloy cast steel is a single martensite structure， and a large number of nano austenitic films are mixed between martensite laths. This microstructure makes low alloy cast steel have high strength， hardness， toughness and plasticity.

Keywords： low alloy cast steel initial quenching temperature;quenching temperature;tempering temperature;mechanical property

鑄鋼具有優(yōu)良的力學(xué)和物理化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、礦山、石油、冶金、船舶等力學(xué)制造業(yè)中[1]。惡劣的使用環(huán)境對鑄鋼的性能提出了更高要求：在保證較高強(qiáng)度的同時，還要求鑄鋼具備良好的低溫沖擊韌性和焊接性[2-4]。在鑄鋼件生產(chǎn)中，提高鑄鋼件質(zhì)量，關(guān)鍵在于金屬材料的冶煉，尤其是熱處理工藝。熱處理工藝是能在一定的溫度下對低合金鑄鋼進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，從而使鑄鋼獲得不同的微觀結(jié)構(gòu)組織，達(dá)到改善鑄鋼力學(xué)性能的目的，滿足現(xiàn)實所需要的性能。鑄鋼的力學(xué)性能受淬火回火熱處理影響較大。因此，筆者考察了淬火回火熱處理工藝對低合金鑄鋼力學(xué)性能的影響，擬改善低合金鑄鋼的使用性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗鑄鋼

試驗所用鑄鋼為棒形形狀，尺寸為350 mm×50 mm×40 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 鑄鋼熱處理

試驗所用鑄鋼在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行熱處理。初始淬火溫度選擇200 ℃、220 ℃、240 ℃、260 ℃ 、280 ℃，保溫時間5 min，淬火溫度選擇820～1 080 ℃，回火溫度選擇150～600 ℃，考察不同初始淬火溫度、淬火溫度、回火溫度對試驗鑄鋼力學(xué)性能的影響。

1.3 力學(xué)性能試驗

利用HBE-3000型布氏硬度計測試貝氏體鑄鋼的硬度，硬度值取5點(diǎn)的平均值。試樣在初始淬火、淬火、回火后分別取樣進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 初始淬火溫度對低合金鑄鋼力學(xué)性能的影響

低合金鑄鋼的力學(xué)性能與殘余奧氏體的含量有關(guān)，初始淬火溫度的高低直接影響殘余奧氏體的含量，進(jìn)而影響低合金鑄鋼的力學(xué)性能。因此，初始淬火溫度的選擇至關(guān)重要。試驗選取200 ℃、220 ℃、240 ℃、260 ℃、280 ℃為初始淬火溫度，考察低合金鑄鋼力學(xué)性能與初始淬火溫度的關(guān)系。圖1反映了初始淬火溫度對試驗鑄鋼力學(xué)性能的影響。

由圖1可知，試驗鑄鋼的抗拉強(qiáng)度隨著初始淬火溫度的升高呈線性下降，這主要跟組織中的馬氏體有關(guān)。一方面，初始淬火溫度升高，馬氏體含量降低，導(dǎo)致鑄鋼強(qiáng)度降低;另一方面，碳分配過程中使部分原始馬氏體出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，兩者的綜合作用導(dǎo)致鑄鋼強(qiáng)度降低。伸長率隨著初始淬火溫度的升高先增加后降低，并在260 ℃時出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)初始淬火溫度為260 ℃時，伸長率達(dá)到最大值，為14.53%。塑性和韌性的變化主要與合金鋼中的殘余奧氏體含量變化有關(guān)，殘余奧氏體隨著初始淬火的溫度升高，先增加后降低，且在260 ℃時含量最高。這表明塑性和韌性的變化主要是殘余奧氏體發(fā)揮著相變誘導(dǎo)塑性（Transformation Induced Plasticity，TRIP）效應(yīng)[5-6]。

2.2 淬火溫度對低合金鑄鋼力學(xué)性能的影響

由圖2、圖3可知，當(dāng)淬火溫度從820 ℃升高到940 ℃，試驗鑄鋼的拉伸強(qiáng)度從1 264 MPa上升至1 623 MPa，硬度從47.12 HRC上升至54.23 HRC，沖擊韌性從64.5 J/cm2上升至94.5 J/cm2，斷裂韌性從66.3 MPa·m1/2上升至84.6 MPa·m1/2，即淬火溫度為820～940 ℃時，試驗鑄鋼的拉伸強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性以及斷裂韌性幾乎都隨著淬火溫度的升高呈線性提高;當(dāng)淬火溫度為940～980 ℃時，試驗鑄鋼的拉伸強(qiáng)度為1 623～1 637 MPa，硬度為54.23～54.12 HRC，即淬火溫度在940～980 ℃時，試驗鑄鋼的拉伸強(qiáng)度和硬度幾乎沒有變化;當(dāng)淬火溫度980～1 080 ℃時，試驗鑄鋼的拉伸強(qiáng)度從1 637 MPa下降到1 168 MPa，硬度從54.12 HRC下降到47.32 HRC，試樣鑄鋼的拉伸強(qiáng)度和硬度幾乎呈線性下降。當(dāng)溫度超過960 ℃時，試驗鑄鋼的斷裂韌性幾乎呈線性下降。徐超等對淬火后鑄鋼的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，認(rèn)為當(dāng)鑄鋼的淬火溫度超過980 ℃時，奧氏體晶粒粗化，且出現(xiàn)殘留奧氏體組織，導(dǎo)致鑄鋼強(qiáng)度和硬度呈下降趨勢[7]。劉騰軾通過研究認(rèn)為，隨著淬火溫度升高，材料組織均勻性增強(qiáng)，韌性增加。當(dāng)淬火溫度過高時，晶粒粗化，導(dǎo)致沖擊韌性明顯下降[8]。由以上分析可見，淬火溫度選擇為（960±10） ℃，試驗所用低合金鑄鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。

2.3 回火溫度對低合金鑄鋼力學(xué)性能的影響

圖4反映了經(jīng)960 ℃淬火后回火溫度對低合金鑄鋼力學(xué)性能的影響。由圖4可知，隨著回火溫度從150 ℃上升至600 ℃，低合金鑄鋼的硬度從55.2 HRC下降到40.3 HRC，幾乎呈線性下降，且在350 ℃左右出現(xiàn)回火脆性區(qū);回火溫度為100～300 ℃時，沖擊韌性從100 J/cm2上升至126.5 J/cm2，幾乎呈線性上升;回火溫度為300～400 ℃時，沖擊韌性從126.5 J/cm2下降到83.7 J/cm2，幾乎呈線性下降;當(dāng)回火溫度為400～600 ℃時，沖擊韌性從83.7 J/cm2上升至201.7 J/cm2，呈上升趨勢。由以上試驗數(shù)據(jù)可知，回火溫度200 ℃時，試驗鑄鋼綜合力學(xué)性能最佳，故回火溫度為（200±10）℃是低合金鑄鋼最佳回火溫度。

2.4 低合金鑄鋼顯微結(jié)構(gòu)

圖5反映了試驗鑄鋼經(jīng)淬火回火后顯微結(jié)構(gòu)形貌。由圖5（a）可知，低合金鑄鋼經(jīng)熱處理后，其顯微組織結(jié)構(gòu)為單一馬氏體結(jié)構(gòu);由圖5（b）可知，在高倍透射電鏡下，大量納米級奧氏體薄膜夾雜在馬氏體板條間。這種微觀組織結(jié)構(gòu)使低合金鑄鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、韌性及塑性，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

①低合金鑄鋼的抗拉強(qiáng)度隨著初始淬火溫度的升高逐漸降低。伸長率隨著初始淬火溫度的升高先升高后降低，并在260 ℃時出現(xiàn)拐點(diǎn)，伸長率達(dá)最大值14.53%。當(dāng)初始淬火溫度為260 ℃時，低合金鑄鋼的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

②低合金鑄鋼的拉伸強(qiáng)度、硬度沖擊韌性、斷裂韌性隨著淬火溫度的升高呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)淬火溫度為（960±10） ℃時，低合金鑄鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

③低合金鑄鋼的硬度隨回火溫度的上升逐漸下降，沖擊韌性隨回火溫度的上升先上升后下降;當(dāng)回火溫度為400 ℃時，沖擊韌性達(dá)最小值，隨著回火溫度的上升，沖擊韌性又繼續(xù)上升。綜合考慮，回火溫度的最佳溫度為（200±10） ℃。

④低合金鑄鋼經(jīng)960 ℃淬火后，其微觀組織結(jié)構(gòu)為單一馬氏體結(jié)構(gòu)，且大量納米級奧氏體薄膜夾雜在馬氏體板條之間，這種微觀組織結(jié)構(gòu)使低合金鑄鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、韌性及塑性，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

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