热处理工艺对45 钢显微组织及力学性能的影响

徐雪

（江苏省句容中等专业学校，句容 212400）

45 钢作为重要的工程钢和工具钢，广泛应用于发动机零部件、液压支架、汽车传动轴、模具等的制造，对其力学性能进行优化和研究具有重要意义。热处理是改善钢材组织结构、性能的经济且有效的手段，不同的热处理工艺对钢的综合力学性能影响显著。目前，在金属热处理的研究中，淬火工艺的优化是研究重难点。

1 实验材料

本研究选用45 钢作为主要实验材料，依据《合金结构钢》（GB/T 3077—2015）的要求，使用X 射线荧光光谱仪确定其化学成分。45 钢中C 质量分数为0.45%，Mn 质量分数为0.65%，符合标准规定。为减少杂质影响，选择优质钢锭制备直径10 mm、长100 mm的圆杆试样，分为A、B、C 三组，每组各20 根。

通过金相组织分析和表面质量检验，确保原材料组织均匀，属于典型锻造态，无明显缺陷，表面质量良好，满足后续热处理工艺要求。所用的45 钢材质可靠，可作为优化研究的基准材料，每种处理状态均有足够的试样，保证结果的可重复性。

2 热处理

2.1 标准化处理

本实验采用标准化退火，目的是消除试样的内应力和缺陷，获得细小、均匀的奥氏体组织[1]。将试样放在860 ℃电阻炉中保温1.5 h，确保其完全熔解，然后进行空冷，冷却速率为300 ℃·h-1。金相结果显示，组织均匀度明显提高，晶粒度细化，无明显缺陷。对试样进行标准化处理，通过精确控制参数，有效调控了微观结构，为淬火试验奠定了基础。

2.2 淬火处理

2.2.1 油淬火

完成标准化退火后，对A 组20 根试样进行油淬火处理。精确控制奥氏体化退火温度为860 ℃±10 ℃，保温1.5 h，迅速取出试样并置入黏度指数为40 的矿物油中进行强制空冷。

根据预先测定的冷却曲线，控制淬火起始温度为780 ℃，初期冷却速率达到60 ℃·s-1[2]。X 射线检测结果显示，试样表层形成了完全马氏体组织，淬透深度不小于9.5 mm，确保充分淬化。将试样冷却至220 ℃后取出，除去表面油污。

选取2 根试样进行金相组织检验，可见典型的针状马氏体，与计算值吻合。测定淬火层区段的洛氏硬度值为50～52，表面峰值达到53，满足要求。A 组冷却速率适中，马氏体体积分数约为82%，马氏体平均尺寸为5～8 μm，分布较致密，验证了油淬火可在保证强度的前提下使45 钢获得一定韧性。

2.2.2 NaNO3盐浴淬火

采用NaNO3熔盐对B 组试样进行淬火。淬火起始温度控制在720 ℃左右，淬火初期冷却速率达到100 ℃·s-1，中后期保持在50～80 ℃·s-1，终淬温度为100 ℃。X 射线检测结果显示，所有试样淬透性良好，深度不小于9.8 mm。

金相组织呈典型马氏体结构，体积分数约为88%。淬火层的洛氏硬度为52～56，完全满足要求。NaNO3淬火冷却速率居中，所得的马氏体片层尺寸细小均匀，为2～5 μm，分布致密，验证了盐浴淬火能兼顾45 钢的强度与韧性。

2.2.3 水淬火

采用工业自来水作为冷却介质，在标准化处理的基础上，对C 组试样进行快速水淬火。根据淬火曲线，起始温度控制在740 ℃，初期冷却速率高达260 ℃·s-1，中后期保持在120 ℃·s-1左右[3]。X 射线结果证明，试样的淬透性良好，中心完全马氏体化。

金相组织呈细腻针状分布，体积分数在95%以上。表面洛氏硬度可达58，淬火层洛氏硬度为54～56，充分硬化，但冷却过快，残余应力较大，韧性差，需回火调质，验证了水淬火能使45 钢获得足够的强度和硬度。

表1 为不同淬火处理状态下的45 钢试样的微观组织参数。由表1 可以看出，随着冷却速率的加快，试样马氏体体积分数及分布密度逐渐提高，马氏体平均尺寸则逐渐减小。C 组经过水淬火处理的试样获得了细小、均匀的针状马氏体，而B 组经过盐浴淬火处理的试样的淬透性更好。

表1 不同淬火处理状态下45 钢微观组织参数

2.3 回火处理

对3 种淬火态试样进行低温回火调质。在精确控温的燃气炉中保温2 h，保温温度设置为150 ℃。空冷至室温后，选取部分试样进行金相和硬度检测。结果显示，淬火层硬度略有下降但仍充分满足要求，残余应力显著减小，为100～120 MPa。马氏体针片细化，部分析出气孔，提高了试样的韧性。低温回火通过自发析出调节组织，有效改善了淬火脆性，为后续性能测试提供了可靠试样。该工序显著提高了试验的可行性。

3 微观组织观察

3.1 组织准备

首先，从A、B、C 淬火热处理组中各选取2 根试样，使用精密切削工具制备规格为10 mm×15 mm×15 mm的小块状标本，并保证表面的质量、精度和平整度。其次，依次使用240 目、400 目、800 目及1 500 目的砂纸，在稀释的酒精中逐级打磨标本，以消除切削痕迹。再次，使用双抛机在微粒磨料抛光液中对标本进行抛光，直至其呈现镜面效果，无明显刮痕。最后，抛光后立即将标本清洗干净，准备电解渗透，选择20%高氯酸+80%乙酸的电解液，在50 V 电压下进行20 s 电解腐蚀，使显微组织特征清晰可见。

3.2 光学显微镜观察

采用OLYMPUS BX51M 光学金相显微镜，在100 倍、500 倍放大下，观测准备好的标本的金相组织形貌[4]。首先，在低倍下全面扫描、观察组织均匀性，无明显偏析及其他缺陷。其次，在高倍下，选择淬火层不同部位，精确测量其组织特征，采集组织形貌变化的典型照片。最后，采用画圈法，选择不同视场、不同方位，绘制并计算各区马氏体针片数量，反映马氏体体积分数，进而获得不同处理下马氏体尺寸及分布规律数据。与直接淬火态相比，回火组织中的马氏体针片明显变细，且部分针片之间析出微细沿晶界包裹相，提高了韧性。

3.3 扫描电子显微镜观察

在金相显微组织分析的基础上，选取A、B、C 三组回火态试样各1 个组织面，使用日立S-3400N 型场发射扫描电子显微镜，在5 000～20 000 倍下进行观察。Acc.V 加速电压设定为20 kV，采用二次电子成像模式。先全面扫描、检验试样表面质量，无明显污染及损伤，再选择典型区域，分析马氏体片层及晶界特征，并采集不同放大倍数下典型组织形貌照片。通过精确测量，获得淬火冷却速率对马氏体片层尺寸、分布的影响数据。

扫描电镜分析结果显示，3 种淬火工艺下的试样微观组织明显不同，其中B 组试样具有细小、均匀的马氏体片层分布，与光镜结果一致。

4 力学性能测试

在微观组织观察的基础上，按照《金属材料拉伸试验标准》（ASTM E8）和《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》（GB/T 229—2020），采用电子万能试验机，测试各处理状态下试样的抗拉强度、屈服强度、断后延性以及冲击韧脆转化温度。

准备直径10 mm、长80 mm 的拉伸试样10 根及冲击试样20 根。每个试样的测试条件保持一致，并控制好试样与夹具的定位，保证所有状态下测试结果具有可比性[5]。获得各淬火工艺对应的力学参数，建立强度-延性数据库。

表2 为不同淬火处理状态下45 钢的力学性能指标。由表2 可知，随着冷却速率的加快，45 钢的强度逐渐提高，而塑性韧性则呈现先增后减的趋势。C 组经过水淬火处理的试样的抗拉强度和屈服强度最高，但延性和冲击韧性最小。B 组经过盐浴淬火处理的试样，其强度与韧性较为平衡。

表2 不同淬火处理状态下45 钢的力学性能指标

与直接淬火组织相比，回火态试样的抗拉强度与屈服强度略有下降，但其延性指数显著提高，充分体现出回火调质的作用。B 组盐浴淬火的试样表现出更好的强韧性平衡。该测试结果为优选热处理工艺条件提供依据。

5 结语

通过控制淬火冷却速率，定量考察了不同热处理工艺对45 钢微观组织和力学性能的影响。结果表明：盐浴淬火能够产生最优质的马氏体分布，可以改善45钢的韧性；水淬火能获得最大的硬度与强度。冷却过程中的相变规律与应力演化，共同决定着热处理的质量。在后续的研究中，将持续优化工艺参数，并与实际工程材料进行配套研究。