熱處理工藝對45 鋼顯微組織及力學性能的影響

徐雪

（江蘇省句容中等專業學校，句容 212400）

45 鋼作為重要的工程鋼和工具鋼，廣泛應用于發動機零部件、液壓支架、汽車傳動軸、模具等的制造，對其力學性能進行優化和研究具有重要意義。熱處理是改善鋼材組織結構、性能的經濟且有效的手段，不同的熱處理工藝對鋼的綜合力學性能影響顯著。目前，在金屬熱處理的研究中，淬火工藝的優化是研究重難點。

1 實驗材料

本研究選用45 鋼作為主要實驗材料，依據《合金結構鋼》（GB/T 3077—2015）的要求，使用X 射線熒光光譜儀確定其化學成分。45 鋼中C 質量分數為0.45%，Mn 質量分數為0.65%，符合標準規定。為減少雜質影響，選擇優質鋼錠制備直徑10 mm、長100 mm的圓桿試樣，分為A、B、C 三組，每組各20 根。

通過金相組織分析和表面質量檢驗，確保原材料組織均勻，屬于典型鍛造態，無明顯缺陷，表面質量良好，滿足后續熱處理工藝要求。所用的45 鋼材質可靠，可作為優化研究的基準材料，每種處理狀態均有足夠的試樣，保證結果的可重復性。

2 熱處理

2.1 標準化處理

本實驗采用標準化退火，目的是消除試樣的內應力和缺陷，獲得細小、均勻的奧氏體組織[1]。將試樣放在860 ℃電阻爐中保溫1.5 h，確保其完全熔解，然后進行空冷，冷卻速率為300 ℃·h-1。金相結果顯示，組織均勻度明顯提高，晶粒度細化，無明顯缺陷。對試樣進行標準化處理，通過精確控制參數，有效調控了微觀結構，為淬火試驗奠定了基礎。

2.2 淬火處理

2.2.1 油淬火

完成標準化退火后，對A 組20 根試樣進行油淬火處理。精確控制奧氏體化退火溫度為860 ℃±10 ℃，保溫1.5 h，迅速取出試樣并置入黏度指數為40 的礦物油中進行強制空冷。

根據預先測定的冷卻曲線，控制淬火起始溫度為780 ℃，初期冷卻速率達到60 ℃·s-1[2]。X 射線檢測結果顯示，試樣表層形成了完全馬氏體組織，淬透深度不小于9.5 mm，確保充分淬化。將試樣冷卻至220 ℃后取出，除去表面油污。

選取2 根試樣進行金相組織檢驗，可見典型的針狀馬氏體，與計算值吻合。測定淬火層區段的洛氏硬度值為50～52，表面峰值達到53，滿足要求。A 組冷卻速率適中，馬氏體體積分數約為82%，馬氏體平均尺寸為5～8 μm，分布較致密，驗證了油淬火可在保證強度的前提下使45 鋼獲得一定韌性。

2.2.2 NaNO3鹽浴淬火

采用NaNO3熔鹽對B 組試樣進行淬火。淬火起始溫度控制在720 ℃左右，淬火初期冷卻速率達到100 ℃·s-1，中后期保持在50～80 ℃·s-1，終淬溫度為100 ℃。X 射線檢測結果顯示，所有試樣淬透性良好，深度不小于9.8 mm。

金相組織呈典型馬氏體結構，體積分數約為88%。淬火層的洛氏硬度為52～56，完全滿足要求。NaNO3淬火冷卻速率居中，所得的馬氏體片層尺寸細小均勻，為2～5 μm，分布致密，驗證了鹽浴淬火能兼顧45 鋼的強度與韌性。

2.2.3 水淬火

采用工業自來水作為冷卻介質，在標準化處理的基礎上，對C 組試樣進行快速水淬火。根據淬火曲線，起始溫度控制在740 ℃，初期冷卻速率高達260 ℃·s-1，中后期保持在120 ℃·s-1左右[3]。X 射線結果證明，試樣的淬透性良好，中心完全馬氏體化。

金相組織呈細膩針狀分布，體積分數在95%以上。表面洛氏硬度可達58，淬火層洛氏硬度為54～56，充分硬化，但冷卻過快，殘余應力較大，韌性差，需回火調質，驗證了水淬火能使45 鋼獲得足夠的強度和硬度。

表1 為不同淬火處理狀態下的45 鋼試樣的微觀組織參數。由表1 可以看出，隨著冷卻速率的加快，試樣馬氏體體積分數及分布密度逐漸提高，馬氏體平均尺寸則逐漸減小。C 組經過水淬火處理的試樣獲得了細小、均勻的針狀馬氏體，而B 組經過鹽浴淬火處理的試樣的淬透性更好。

表1 不同淬火處理狀態下45 鋼微觀組織參數

2.3 回火處理

對3 種淬火態試樣進行低溫回火調質。在精確控溫的燃氣爐中保溫2 h，保溫溫度設置為150 ℃。空冷至室溫后，選取部分試樣進行金相和硬度檢測。結果顯示，淬火層硬度略有下降但仍充分滿足要求，殘余應力顯著減小，為100～120 MPa。馬氏體針片細化，部分析出氣孔，提高了試樣的韌性。低溫回火通過自發析出調節組織，有效改善了淬火脆性，為后續性能測試提供了可靠試樣。該工序顯著提高了試驗的可行性。

3 微觀組織觀察

3.1 組織準備

首先，從A、B、C 淬火熱處理組中各選取2 根試樣，使用精密切削工具制備規格為10 mm×15 mm×15 mm的小塊狀標本，并保證表面的質量、精度和平整度。其次，依次使用240 目、400 目、800 目及1 500 目的砂紙，在稀釋的酒精中逐級打磨標本，以消除切削痕跡。再次，使用雙拋機在微粒磨料拋光液中對標本進行拋光，直至其呈現鏡面效果，無明顯刮痕。最后，拋光后立即將標本清洗干凈，準備電解滲透，選擇20%高氯酸+80%乙酸的電解液，在50 V 電壓下進行20 s 電解腐蝕，使顯微組織特征清晰可見。

3.2 光學顯微鏡觀察

采用OLYMPUS BX51M 光學金相顯微鏡，在100 倍、500 倍放大下，觀測準備好的標本的金相組織形貌[4]。首先，在低倍下全面掃描、觀察組織均勻性，無明顯偏析及其他缺陷。其次，在高倍下，選擇淬火層不同部位，精確測量其組織特征，采集組織形貌變化的典型照片。最后，采用畫圈法，選擇不同視場、不同方位，繪制并計算各區馬氏體針片數量，反映馬氏體體積分數，進而獲得不同處理下馬氏體尺寸及分布規律數據。與直接淬火態相比，回火組織中的馬氏體針片明顯變細，且部分針片之間析出微細沿晶界包裹相，提高了韌性。

3.3 掃描電子顯微鏡觀察

在金相顯微組織分析的基礎上，選取A、B、C 三組回火態試樣各1 個組織面，使用日立S-3400N 型場發射掃描電子顯微鏡，在5 000～20 000 倍下進行觀察。Acc.V 加速電壓設定為20 kV，采用二次電子成像模式。先全面掃描、檢驗試樣表面質量，無明顯污染及損傷，再選擇典型區域，分析馬氏體片層及晶界特征，并采集不同放大倍數下典型組織形貌照片。通過精確測量，獲得淬火冷卻速率對馬氏體片層尺寸、分布的影響數據。

掃描電鏡分析結果顯示，3 種淬火工藝下的試樣微觀組織明顯不同，其中B 組試樣具有細小、均勻的馬氏體片層分布，與光鏡結果一致。

4 力學性能測試

在微觀組織觀察的基礎上，按照《金屬材料拉伸試驗標準》（ASTM E8）和《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T 229—2020），采用電子萬能試驗機，測試各處理狀態下試樣的抗拉強度、屈服強度、斷后延性以及沖擊韌脆轉化溫度。

準備直徑10 mm、長80 mm 的拉伸試樣10 根及沖擊試樣20 根。每個試樣的測試條件保持一致，并控制好試樣與夾具的定位，保證所有狀態下測試結果具有可比性[5]。獲得各淬火工藝對應的力學參數，建立強度-延性數據庫。

表2 為不同淬火處理狀態下45 鋼的力學性能指標。由表2 可知，隨著冷卻速率的加快，45 鋼的強度逐漸提高，而塑性韌性則呈現先增后減的趨勢。C 組經過水淬火處理的試樣的抗拉強度和屈服強度最高，但延性和沖擊韌性最小。B 組經過鹽浴淬火處理的試樣，其強度與韌性較為平衡。

表2 不同淬火處理狀態下45 鋼的力學性能指標

與直接淬火組織相比，回火態試樣的抗拉強度與屈服強度略有下降，但其延性指數顯著提高，充分體現出回火調質的作用。B 組鹽浴淬火的試樣表現出更好的強韌性平衡。該測試結果為優選熱處理工藝條件提供依據。

5 結語

通過控制淬火冷卻速率，定量考察了不同熱處理工藝對45 鋼微觀組織和力學性能的影響。結果表明：鹽浴淬火能夠產生最優質的馬氏體分布，可以改善45鋼的韌性；水淬火能獲得最大的硬度與強度。冷卻過程中的相變規律與應力演化，共同決定著熱處理的質量。在后續的研究中，將持續優化工藝參數，并與實際工程材料進行配套研究。