溫度對45鋼材料性能影響的試驗研究

中圖分類號：TH142.1 文獻標志碼：A文章編號：1006-0316（2025）08-0023-06

doi ：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.08.004

Experimental Study on the Effect of Temperature on the Properties of 45 Steel

PENG Zhaobo，KONG Jinxing，LIU Silai，JIAQi （Instituteof Mechanical Manufacturing Technology，China Academyof EngineeringPhysics， Mianyang 621900， China ）

Abstract ∵ Temperature is an important factor affecting the mechanical and thermal properties of 45 steel. In this paper，the efect of temperature on the properties of 45 steel is studied through a series of mechanical and thermal properties tests of materials such as quasi-static stretching at diferent temperatures.The mechanical properties test results show that the yield platform and hardening section of the tensile stress-strain curve gradually disappear with the increase of temperature in the range of 20?900^°C ，the curve tends to be flat， the tensile strength decreases by 90% at 900^°C ， and the elongation and section shrinkage after fracture increase significantlyindicating that the temperature increase leads to the plastic deformationof 45 steel.Young's modulus and Poisson's ratio of 45 steel are reduced to 60% and 28% of room temperature respectively at 700^°C ，and the stiffess of 45 steel is significantly reduced. The thermal performance test shows that the thermal conductivity basically stays at room temperature in the range of 20-800^°C ，and then decreases with the increase of temperature.The specific heat capacity increases gradually with the increase of temperature，and is more than twice of normal temperature at 700^°C .The linear expansion coefficient exhibits minor fluctuations

and reachesthehighestvalueat 700^°C

Key words ∴45 steel ;mechanical properties ; thermal properties ; tensile strength ; young's modulus ; thermal conductivity

以45鋼構件為代表的鋼材結構件由于材料抗拉強度、彈性模量等力學性能隨溫度的升高快速下降，在高溫環境下表現出不可忽視的溫度軟化效應，極易引發斷裂、開裂等失效[1-4]。因此，探明溫度對其力學性能的影響規律，是合理使用45鋼材料的重要前提。趙麗等[5研究結果表明，45鋼材料拉伸力學性能在 600～ 750^°C 范圍內隨溫度的升高而降低，且45鋼在550^°C 左右材料敏感，力學性能變化較大。花艷俠等在 600～1350^°C 范圍內對45鋼連鑄坯進行了準靜態拉伸試驗，得到45鋼材料在該溫度范圍內高溫抗拉強度隨溫度升高而降低的基本結論和兩個脆性溫度區。李國和等7對淬硬45鋼進行不同溫度和不同應變率下的壓縮力學性能試驗，認為淬硬45鋼表現出不明顯的應變率硬化效應和明顯的溫度軟化效應。魏剛等[8]研究了調制處理的45鋼在不同溫度和不同應變率下的拉伸力學性能，并基于J-C本構模型[9]和C-L斷裂準則[10擬合試驗數據，標定模型參數，驗證了該模型可適用于沖擊載荷下的大變形和斷裂破壞分析。

綜上所述，溫度對材料屈服、抗拉等力學性能以及泊松比、熱導率等材料性能具有顯著影響，而當前研究主要針對高溫（ 600^°C 及以上）和不同應變率下45鋼材料的力學性能演變，缺乏拉伸性能之外如彈塑性性能和熱導率等材料物理性能與溫度變化的聯系研究。因此，本文通過一系列的材料性能測試試驗，給出包括抗拉強度、楊氏模量與熱導率等力學和熱學性能隨溫度的變化規律，為45鋼材料的工程應用提供數據支持。

1試驗方案

1.1試驗用45鋼材料的組織狀態

試驗所用45鋼均取自太鋼生產的 Φ80mm 熱軋態棒料。晶粒度檢測時沿如圖1（a）所示位置，取為 10mm×10mm×10mm 尺寸的樣品，檢測結果如圖（b）所示，三個方向的晶粒度均為9.5級。

1.2力學性能測試方案

準靜態拉伸試驗所用拉伸件從45鋼棒料上沿軸向取料，加工為標準棒狀拉伸試樣。試驗選擇20、60、100、300、500、700、900℃共7組溫度參數， 20^°C 下拉伸試驗按GB/T228.1-2021^[11] 執行，其余按 GB/T 228.2- 2015^[12] 執行，拉伸件直徑為 5mm ，標距為25mm ，屈服前后的應變率均為 5×10^-3s^-1 。每組溫度下均進行3次拉伸試驗，并測試得到抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率等力學性能數據。

楊氏模量、泊松比測試所用的試樣是從45鋼棒料取料后，按表1所示尺寸、溫度和標準進行加工與測試。

表1材料力學和熱學性能測試試驗條件參數

1.3熱學性能測試方案

熱導率、比熱容與線膨脹系數等參數是材料熱學性能的重要內容，測試所用試樣均從45鋼棒料取料，按表1所示尺寸、溫度和標準進行加工與測試。其中線膨脹系數測試初始溫度均從 20^°C 開始，升高至表1所示溫度，得到對應溫度下的45鋼材料線膨脹系數。

2試驗結果與分析

2.1溫度對45鋼材料力學性能的影響

2.1.1拉伸試驗應力一應變曲線

不同溫度下應力一應變實測曲線如圖2所示。可以看出，準靜態拉伸時，溫度對45鋼材料的力學性能影響顯著。不同溫度下的應力一應變曲線大致分為彈性段、硬化段和軟化段，當溫度低于 300^°C 時，應力一應變曲線具有明顯的屈服平臺；當溫度升高至 500^°C 后，硬化段縮短，硬化速率遠遠小于軟化速率，曲線主要表現為彈性段和軟化段；到 900^°C 時，硬化段只占很小一部分。室溫下應力一應變曲線中硬化段較長的原因在于，拉伸過程中材料不斷發生塑性變形，加工硬化不斷累積導致曲線非線性增長；而高溫下應力一應變曲線中硬化段逐漸縮短，是因為拉伸過程中伴隨著材料回復和再結晶的發生，使得塑性硬化積累的應力被不斷釋放，導致力學性能下降[16-18]。

圖2各溫度下拉伸試樣應力一應變實測曲線

2.1.2拉伸力學性能

不同溫度下45鋼材料的抗拉強度和屈服強度如圖3所示。可以看出，隨著溫度的升高，45鋼材料的抗拉強度和屈服強度整體均呈下降趨勢。當溫度低于 300^°C 時，抗拉強度略有降低；當溫度高于300 ^°C 時則顯著降低， 500^°C 時由常溫時的 636MPa 降至 367MPa ， 900^°C 時降至常溫時的1/10，僅為 62MPa_? 。屈服強度則從 100^°C 時以較快的速率降低， 900^°C 時屈服強度僅為常溫時的1/10，約 40MPa。

圖3抗拉強度和屈服強度變化曲線

2.1.3塑性性能

不同溫度下45鋼材料的斷后伸長率和斷面收縮率如圖4所示。可以看出，在 20～300^°C 時，斷后伸長率和斷面收縮率均基本不變，表明這個范圍內45鋼拉伸變形的脆塑性受溫度的影響較小；隨著溫度升高，斷后伸長率和斷面收縮率迅速增大，在 700^°C 時，斷后伸長率達到了常溫時的2.6倍，約 80% ，斷面收縮率則達到了 90% 以上，45鋼拉伸件出現明顯的頸縮現象；在 900^°C 時斷后伸長率有所降低，結合圖5可知，這是由于45鋼在該溫度范圍內的楊氏模量有所增大，導致拉伸變形相對減小。

圖4斷后伸長率和斷面收縮率變化曲線

一般認為，可以根據材料的斷面收縮率是否大于 60% 將變形分為塑性區和脆性區[19]。由圖4可以看出：在 20～500 ^°C 范圍內，45鋼拉伸件的斷面收縮率低于 60% ，即此溫度區間可稱為45鋼材料的脆性溫度區；而在 500～ 900^°C 內，斷面收縮率均大于 60% ，45鋼拉伸件具有良好的塑性，可稱為塑性溫度區。根據花艷俠等的研究，在溫度足夠高時（ 1200～ 1350^°C. ），45鋼的斷面收縮率反而降低至 60% 以下，即為另一個脆性溫度區。

2.1.4彈性性能

楊氏模量和泊松比分別作為表征材料的縱向變形和橫向變形的彈性系數，是衡量材料剛度和抗變形能力的重要參數，不同溫度下45鋼材料的楊氏模量和泊松比如圖5所示。可以看出，楊氏模量整體上隨溫度的增加而減小，700^°C 時降至 124GPa ，約為常溫時的 60% ：泊松比在 20～500 ^°C 范圍內基本保持不變，當溫度升高至 700^°C 后，降至0.09，僅為常溫時的約 28‰ 測試結果表明，溫度升高顯著降低了45鋼材料的剛度和抵抗變形的能力。

圖5楊氏模量和泊松比變化曲線

以上分析表明，溫度對45鋼材料的力學性能影響極大。隨著溫度的升高，抗拉強度和屈服強度降低，斷后伸長率和斷面收縮率升高，促進了塑性變形，降低了彈性性能。在拉伸試驗中形變顯著增大的直接原因是溫度的升高導致楊氏模量和泊松比降低，材料強度下降，更易在應力作用下發生塑性變形；從微觀層面來解釋，則是溫度的升高導致金屬原子熱振動振幅增大，滑移阻力減小，使變形抗力減小，且高溫下材料回復和再結晶降低了硬化程度，減小了變形抗力，表現出抗拉強度降低的特性[20]。

2.2溫度對45鋼材料熱學性能的影響

2.2.1熱導率和比熱容

熱導率是表征材料傳導熱量能力大小的物理量，比熱容則是表征材料吸收或放出熱量能力大小的物理量，兩者均為材料熱力學性能的重要參數。

不同溫度下45鋼材料的熱導率和比熱容如圖6所示。可以看出，溫度較低時，熱導率基本保持在常溫時的水平，約為 60W?m^-1?^°C^-1 溫度升高至 800^°C 時，降至 47.5W?m^-1?^°C^-1 整體來看，熱導率隨溫度的升高而有所降低，但高溫處理對熱導率的影響并不大；溫度較低時，比熱容基本不變，約為 0.6×10³J?kg^-1?^°C^-1 但超過 300^°C 后，比熱容隨著溫度的升高迅速增大， 700^°C 時比熱容提高至常溫時的兩倍以上，約為 1.3×10³J?kg^-1?^°C^-1。

2.2.2線膨脹系數

當溫度升高時，材料的各種線度（如長度、寬度、厚度、直徑等）都要增長的物理現象稱為線膨脹現象，線膨脹系數是表征材料這種線膨脹性質的物理量。45鋼材料不同溫度下的線膨脹系數如圖7所示。可以看出，不同溫度范圍內線膨脹系數有所不同，整體上隨溫度的升高先增大后減小，但各溫度下線膨脹系數相差不大，當溫度從 20^°C 升高至 700^°C 時，線膨脹系數最大，約為 14.5×10^-6°C^-1 ，溫度再升高至 800^°C 時，線膨脹系數反而降低至 11.6× 10^-6°C^-1 。

以上分析表明，溫度對45鋼材料熱學性能有一定影響，隨著溫度的升高，其熱導率呈下降趨勢，線膨脹系數基本在 11.5×10^-6～14.5× 10^-6°C^-1 范圍內波動，而比熱容則呈增大趨勢，700^°C 時最高，約為常溫時的兩倍。

圖6熱導率和比熱容變化曲線

圖7線膨脹系數變化曲線

3結語

對45鋼材料進行了一系列不同溫度下力學性能和熱學性能的測試試驗，并對試驗數據進行理論分析和規律總結，得到如下結論。

（1）力學性能方面：在 20～900^°C 內，隨著溫度的升高，45鋼材料的抗拉強度和屈服強度均呈下降趨勢；斷后伸長率先升高后降低，斷面收縮率在 500^°C 后快速增大至 97% ，頸縮現象顯著。45鋼拉伸試驗的應力一應變曲線可分為三段，即：彈性段、硬化段和軟化段；在300^°C 之前，曲線有明顯的屈服平臺，而 300^°C 及以后屈服平臺消失；在 500^°C 以后，硬化段明顯縮短，曲線基本由彈性段和軟化段組成。在 20～800 （204 ^°C 內，楊氏模量和泊松比隨溫度的升高而降低，最高可降至常溫下的 60% 和 28‰

（2）熱學性能方面：在 20～800^°C ，隨著溫度的升高，45鋼材料的熱導率有所減小，但總體來說熱導率保持較好；比熱容在高溫范圍內相較于常溫時有顯著增大，在 700～800^°C 已達常溫時的2倍；線膨脹系數隨溫度的升高先增大后減小，但整體在 11.5×10^-6～14.5× 10^-6°C^-1 小范圍波動。

參考文獻：

[1]宋玉，廖永浩，于鑫，等.鍋爐高溫再熱器長時服役TP310HCbN鋼管失效分析[J].發電設備，2024，38（3）：172-176.

[2]鄭建軍，樊子銘，程旭，等.中壓主汽門用20Cr1Mo1VTiB鋼緊固螺栓斷裂分析[J].金屬熱處理，2023，48（11）：293-299.

[3]戴明華，胡平，盈亮，等.考慮損傷的熱成形淬硬硼鋼失效行為建模研究[J].機械工程學報，2024，60（6）：216-226]

[4]李建，石憲，黃城榮，等，局部火災下多層鋼框架結構抗火抗倒塌性能研究[J].中國安全生產科學技術，2023，19（S1）214-218

[5]趙麗，李晉峰.45鋼高溫拉伸性能試驗研究[J].大型鑄鍛件，2013（5）：31-34.

[6]花艷俠，駱春民.45鋼連鑄壞的高溫拉伸性能[J].理化檢驗-物理分冊，2023，59（6）：33-35.

[7]李國和，王敏杰、淬硬45鋼在高溫、高應變率下的動態力學性能及本構關系[J].爆炸與沖擊，2010，30（4）：433-438.

[8]魏剛，張偉，鄧云飛.基于J-C模型的45鋼本構參數識別及驗證[J].振動與沖擊，2019，38（5）：173-178.

[9]JOHNsONGR，COOKWH.A constitutivemodel and data formetalssubjectedto large strains，high strain ratesand hightemperatures：ProceedingsoftheSeventh International SymposiumonBallistics[C].Hague，The Netherland ∵ Seventh InternationalSymposium on Ballistics，1983.

[10]JOHNSONGR，COOK WH.Fracture characteristics of threemetalssubjected to variousstrains，strain rates，temperatures andpressures[J].EngineeringFractureMechanics，1985，21（1）：31-48.

[11]國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會．金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法：GB/T228.1一2021[S].北京：中國標準出版社，2021.

[12]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.金屬材料拉伸試驗第2部分：高溫試驗方法：GB/T228.2一2015[S].北京：中國標準出版社，2016.

[13]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.金屬材料彈性模量和泊松比試驗方法：GB/T22315－2008[S].北京：中國標準出版社，2009.

[14]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.閃光法測量熱擴散系數或導熱系數：GB/T22588一2008[S].北京：中國標準出版社，2009.

[15]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.金屬材料熱膨脹特征參數的測定：GB/T4339一2008[S]．北京：中國標準出版社，2009.

[16]汪甜甜，蒲春雷，方實年，等.基于45鋼熱變形中動態再結晶行為的本構模型[J].安徽工業大學學報：自然科學版，2017，34 （3） ： 221-228.

[17]劉未欽，劉禹堯，劉鵬，等.橋梁耐候鋼Q345qDNH高溫力學性能試驗研究[J].鐵道學報，2022，44（11）：136-143.

[18]劉星海，武鳳娟，武會賓，等.GCr15鋼的高溫力學性能研究[J].熱加工工藝，2013，42（14）：60-63.

[19]HORI S.Effect of carbonon the low temperaturebrittleness ofiron[J].Journal ofJapanInstituteofMetal，1980，44 （2）：138-143.

[20]孫惠，朱佳音．高溫處理建筑用6063鋁合金的拉伸性能研究[J].兵器材料科學與工程，2023，46（4）：76-80.