热处理温度对高强度螺栓用45钢力学性能的影响

王文达　韩霄　曹颖川　虎琼　杨美欧

【摘 要】本论文以高强度螺栓用45钢为研究对象，采用洛氏硬度测试、压缩强度、三点抗弯和断裂韧性等检测手段，研究了热处理温度对45钢性能的影响，从而确定高强度螺栓用45钢的最佳热处理温度。

【关键词】高强度螺栓；45钢；力学性能

中图分类号： TG335.43 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0037-002

Effect of Heat Treatment Temperature on Mechanical Properties of 45 Steel for High Strength Bolt

WANG Wen-da1 HAN Xiao2 CAO Ying-chuan2 HU Qiong2 YANG Mei-ou2

（1.Ningxia Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Yinchuan Ningxia 750001；

2.College of Materials Science and Engineering，Northern University for Nationalities，Yinchuan Ningxia 750021，China）

【Abstract】In this paper，45 steel of high strength bolts was used as the object of study.The influence of heat treatment temperature on the properties of 45 steel was studied by Rockwell hardness test，compressive strength，three-point bending resistance and fracture toughness.Strength of bolts with 45 steel of the best heat treatment temperature.

【Key words】High strength bolts；45 steel；Mechanical properties

0 引言

高強度螺栓具有易于拆换、施工简便、承载能力强、耐疲劳和安全性好的优点，是继铆接和焊接之后迅速发展起来的一种钢结构连接类型[1-2]。45钢是含碳量为0.45%的优质碳素结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，是生产中最常见的材料之一，在齿轮、连接杆、蜗杆、叶轮、泵、活塞、曲轴等零件制造中被广泛应用。然而45钢淬透性较低，水淬时有开裂倾向，因此改善和提高45钢的性能，对提高高强度螺栓质量和安全稳定性有重要的意义[3-5]。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验材料

本课题采用的高强度螺栓用45钢的基本化学成分如表1所示。

1.2 实验方法

淬火加热在箱式电阻炉中进行，原始试样（0#）达到淬火温度740℃、840℃和940℃后，保温20min后进行水冷处理（1#，2#，3#），如图1所示。另取三组试样分别回火，回火温度分别为360℃，460℃、560℃，均保温20min后进行空冷处理（4#，5#，6#），如图2所示。

针对不同处理态试样分别进行洛氏硬度、显微硬度和压缩强度测试。将不同淬火介质下淬火的试样，经预磨、粗磨、细磨、抛光和腐蚀后在光学显微镜（OLYMPUS-BX51）和扫描电镜（SHIMADZU-SSX550）下进行拍照观察。

2 实验结果与分析

2.1 硬度实验

45钢在740℃至940℃淬火时，硬度先增加后减小，在840℃时出现峰值，回火温度对45钢表面硬度的影响规律与淬火工艺基本相同，硬度值总体上随着回火温度的增加而降低，如图3所示。

45钢淬火加热温度若过低，则此时钢尚未完全奥氏体化，存在有部分未转变的铁素体，淬火后铁素体仍保留在淬火组织中。铁素体的硬度较低，从而使淬火后的硬度达不到要求，同时也会影响其他力学性能。若将45钢淬火加热温度过高，则奥氏体晶粒会显著粗大，从而破坏淬火后的材料性能。所以45钢淬火加热温度选用Ac3+（30～50℃），这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小[6]。

在45钢的回火温度加热到300-400℃时淬火马氏体快速分解，碳从过饱和的固溶体中析出使其转变为铁素体，同时碳化物也转变为稳定的细粒状的渗碳体，该组织为铁素体和渗碳体组成的混合物，此时内应力大部分消除，钢的硬度、强度下降、韧性上升。这种组织也就是回火屈氏体，即在回火加热温度为300-500℃时钢内形成了细粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的两相混合物。随着回火温度的升高，渗碳体颗粒不断聚集而长大，回火屈氏体中的α固溶体恢复为平衡浓度的铁素体，完成了回复和再结晶的过程，变为多边体。此时固溶体的强化作用消失，钢的强度和硬度进一步下降，塑性和韧性进一步上升，内应力基本消除。此组织就是在回火温度为500-600℃形成的回火索氏体。

2.2 压缩强度

总的来说，淬火后45钢的屈服强度与原样相比得到很大的提高，说明淬火处理能提高45钢的硬度、强度及耐磨性，其中840℃淬火加热温度下屈服强度最大。经过回火处理后虽然提高了45钢的韧性与塑性，消除内应力，但硬度与强度却有所下降。在350-500℃的中温回火温度下得到的组织主要为回火屈氏体，其具有较高的屈服强度、弹性极限和韧性。在高温回火（500-650℃）后得到回火索氏体组织，也就是“调质处理”，经过此回火过程能够获得较好的综合机械性能。不同淬火及回火温度下的屈服强度的变化如图4所示。endprint

2.3 三点抗弯

由图5可观察到，经过淬火热处理的试样再被压至固定角度的时候，所受的最大力均比原始试样有所增大，说明经过淬火处理的试样的韧性都有所降低，其中2#试样，即淬火处理温度为840℃时的弯曲最大力最大，即韧性亦是最低，说明淬火处理在提高硬度与强度的同时，韧性也随即下降。4#、5#、6#试样淬火后做了回火处理，所受最大力均比原始试样与淬火后的试样下降很多，说明3#、4#、5#试样韧性有较大提高，继而证明回火处理45钢后可获得较高的韧性。其中5#试样，即840℃淬火与460℃回火处理后的试样弯曲最大力最低，说明该试样的韧性最强，继而也说明回火处理可以改善淬火后的45钢的机械性能，获得不同硬度，强度和韧性。

2.4 冲击韧性

冲击功表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，其值越大表示材料的冲击韧性越好。从图6可以看出经过淬火处理后的1#、2#、3#试样的冲击功相对原始试样较小，说明这三组试样的抵抗变形和断裂的能力较差，即冲击韧性较低，这是因为淬火后的马氏体组织使α-Fe的体心立方晶格发生较严重的畸变，这种畸变强化了45钢的强度与硬度的同时减小了抵抗变形和断裂能力，所以韧性随即下降。从图6中同样也可以看出经过淬火及回火处理后的4#、5#、6#试样的冲击功较原始试样及淬火后的试样都有较大提高，这是因为在中温回火以及高温回火的热处理作用下使试样中的内应力基本消除，α固溶体恢复为平衡浓度的铁素体，完成了回复和再结晶的过程，固溶体的强化作用消失，45钢的强度和硬度进一步下降，塑性和韧性进一步上升，尤其是5#试样，其冲击功最大，说明在840℃淬火和460℃回火的热处理温度下45钢的韧性最强，也说明回火工艺对45钢的韧性和塑性有明显的改善。

3 结论

（1）在本试验范围内，随淬火温度的升高，45钢的强度、硬度先升后降，在840℃时力学性能最好，超过840℃后，强度、硬度逐渐下降。

（2）淬火加热温度若过低，则45钢未完全奥氏体化，存在部分未转变的铁素体，淬火后铁素体仍保留在淬火组织中，从而使淬火后的硬度达不到要求，同时也会影响其他力学性能。若将45钢淬火加热温度过高，则奥氏体晶粒会显著粗大，从而破坏淬火后的材料性能。所以45钢最佳淬火加热温度为840℃，这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。

（3）在本试验范围内，随回火温度的升高，45鋼回火组织的机械性能变化趋势是：硬度、强度下降，塑性、韧性上升。在460℃时力学性能最好，在此回火温度下产生的回火屈氏体的强度和弹性均较高，拥有较好的综合机械性能。

【参考文献】

[1]周海波，朱晓勇，郑玉春，汪冬梅.45钢螺栓断裂失效分析[J].金属热处理，2009（12）：107-109.

[2]杨志婷，朱玉秀，万恩同，张友登.45#钢螺栓表面线状缺陷分析[J].武汉工程职业技术学院学报，2009（02）：29-31.

[3]董世柱，徐维良.结构钢及其热处理[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2009，3.

[4]杨淑范，陈守介.淬火介质[M].机械工业出版社，1990，8.

[5]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2000.

[6]张克俭.淬火冷却技术及其应用技术漫谈[J].热处理2004，29（3）：52-58.endprint