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45钢退火、正火与组织、性能之间的关系

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Part.1

前言

同种材料可以具有不同的力学性能(强度、硬度、塑性及韧性),不同材料也可以具有相近的力学性能,这些都和钢的热处理有着密切关系。

钢件通过热处理获得一定的组织,以达到要求的使用性能。热处理是手段,获得使用性能是目的,而组织是性能的基础和保证。

现以45钢为例,本期和大家分享45钢退火、正火与组织、性能之间的关系。

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Part.2

案例分析

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案例1

材料名称:45钢

处理状态:原材料(供应状态,热轧)

侵蚀剂:4%硝酸酒精溶液

组织说明:φ13.2mm棒材横截面显微组织如图1所示。图中的白色铁素体呈块状、网状和针状,珠光体呈细片层状,硬度在18HRC左右,和正火后的硬度值相当。

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图1 45钢棒材横截面组织 400X

供应状态的原材料是热轧成形后在空气中冷却的,相当于正火,所以比退火的硬度高。但由于温度较高,个别铁素体呈针状沿晶界析出并向晶内延伸,形成魏氏组织。

魏氏组织的出现使钢的冲击韧性显著降低并变脆,粗晶粒的钢特别容易形成魏氏组织。要消除魏氏组织和粗大晶粒,必须在淬火前进行正火处理,以细化晶粒、改善组织。

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案例2

材料名称:45钢

处理状态:原材料(供应状态,切割)

侵蚀剂:4%硝酸酒精溶液

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图2 45钢原材料切割热影响区组织全貌 100X

组织说明:φ13.2mm的圆棒料在一般切割机上切割试样后,由于未及时通水冷却,形成的热影响区横截面的显微组织如图2所示。图中左半部分为原始组织,右半部分为热影响区组织。热影响区的硬度变化范围比较大,在25-40HRC之间。

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图3 45钢原材料切割热影响区组织 400X

图3所示为各区域的放大组织。其中图3a为图2(1)区的组织,图中左半部分是原材料组织,为白色网状铁素体和细片状珠光体45钢 硬度,右半部分是切割热影响区组织,为白色多角状铁素体、片状珠光体和灰白色马氏体及残留奥氏体。

图3b所示为图2(2)区的组织,为晶界处白色未溶铁素体、灰白色马氏体和残留奥氏体,以及细片状珠光体。晶粒内深色细片状珠光体是在切割冷却过程中新形成的过渡区显微组织。

图3c所示为图2(3)区的组织,和欠热淬火组织相似,晶界处为白色多角状未溶铁素体,还有灰白色马氏体及残留奥氏体,铁素体边界比较清晰。

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图4 切割后试样表面的颜色

切割试样时,由于切割速度不同,进给量不同,加上未及时冷却,在试样表面留下了不同大小区域的宝石蓝色氧化层,如图4所示。

从图中可以看出,热影响区都存在于切割后期,材料越硬,切割越困难,热影响区也越大。图4中上面三个试样是高碳高合金钢,下面五个是45钢。在热处理前,试样表面打磨得不够彻底,在观察原材料显微组织时,发现了不同的显微组织。

切割试样时,如果不及时冷却,当切割速度由慢逐渐加快时,试样和砂轮间的摩擦使试样温度很快升到Ac1-Ac3之间,再通水冷却,就形成了类似欠热淬火的组织。由于试样表面不同区域的温度高低不同,所以不同区域的显微组织也有所不同。

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案例3

材料名称:45钢

处理状态:830℃保温15min后随炉冷却(退火)

侵蚀剂:4%硝酸酒精溶液

组织说明:如图5所示,45钢退火的正常组织;由白色不规则多边形铁素体和深色片层状珠光体组成。珠光体片层清晰可见,硬度在8-11HRC之间。

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图5 45钢退火组织 400X

45钢退火是将钢加热到Ac3以上30-50℃,保温后随炉冷却。由于冷却速度相对较慢,得到接近于平衡状态的显微组织,珠光体约占整个视场面积的55%。

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案例4

材料名称:45钢

处理状态:830℃保温15min后空冷(正火)

侵蚀剂:4%硝酸酒精溶液

组织说明:如图6所示,45钢正火的正常组织;由白色块状和网状铁素体及深色细片状珠光体组成。珠光体约占视场面积的70%,硬度在15-20HRC之间。

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图6 45钢正火组织 400X

45钢正火是将钢加热到Ac3以上30-50℃,保温后在空气中自然冷却,它与完全退火的主要区别在于冷却速度较快,过冷度大,所以珠光体片层明显比退火的细,珠光体量明显增多,晶粒相对较细小,因此正火的硬度比退火的高。

45钢经过正火可以改善铸造或锻造后的组织,细化奥氏体晶粒,形成细而均匀的铁素体和珠光体,从而提高钢的强度、硬度和韧性。

45钢具有较高强度和良好塑性的配合,可用于制造各种重要零件,如压缩机、各种化工用泵和运动部件(曲轴、连杆、活塞杆),也可制造汽轮机的叶轮等。通常大尺寸的零件在正火状态使用,小尺寸的零件可调质成回火索氏体使用。

45钢也是最常用的调质钢,在淬火和高温回火之前必须进行正火处理,以获得均匀而细密的组织,为淬火做好组织准备。

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Part.3

结束语

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本期文章和大家分享了45钢不同状态的金相组织特征。从其中我们也可以感受到热处理的神秘和魅力,通过不同的处理方法,能巧妙地改变材料的组织和性能。

45钢作为常见的调质钢,本文内容从不同状态对该材料进行剖析,也是提供一种思路方法,相信大家也有一定的收获。在日常工作中,我们在针对其他材料的样件开发时,若能达到举一反三的效果就更理想了。

好的,本期文章到此就结束了45钢 硬度,欲知后续精彩内容,且看下期分解。

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