万家瑰
（东北石油大学机械科学与工程学院 黑龙江大庆 163318）
45钢被广泛用于制造轴类、齿轮、连杆、螺栓等零件，生产中为使其获得良好的综合力学性能，一般采用的常规热处理为完全淬火+高温回火的调质处理。但45钢淬透性较低，淬火时要求冷却介质的冷却速度较大，完全淬火时工件容易出现韧性较低、硬度不均、变形开裂等问题[1-2]。为解决上述问题，需对45钢热处理工艺进行改进，亚温淬火是淬火温度在Ac1～Ac3之间的一种热处理工艺，在两相区加热，淬火温度较低，可得到马氏体基体上分布少量铁素体的复相组织，淬火组织中残余的铁素体有利于降低组织中的位错塞积、改善韧性、降低零件的开裂倾向，提高产品综合力学性能[3-4]。材料性能及相图计算模拟软件JMatPro基于材料理论性能模型及数据库，计算准确，用于热处理参数计算可快速确定热处理工艺参数范围，提高生产效率[5-7]。本文利用JMatPro对45钢进行了热力学计算及相转变计算[6-10]，对不同淬火温度下的组织及性能进行了模拟，制定出45亚温热处理工艺参数，并与实验值进行比较，为制定45钢亚温淬火工艺提供理论依据。
（一）实验材料。实验材料45钢为热轧退火态，化学成分如表1所示。
表1 45钢化学成分（Wt%）
（二）热力学及相转变计算。将45钢的化学成分输入JMatPro软件可进行材料的平衡相图、TTT曲线、CCT曲线计算，根据计算结果对不同冷却速度和不同淬火温度下的组织及性能进行计算模拟，确定亚温淬火最佳温度。
（三）热处理及性能实验。根据软件模拟结果确定的亚温淬火最佳温度，制定热处理工艺，所有试样全部进行850℃正火作为预先热处理，淬火采用完全淬火及亚温淬火进行对比实验，回火均为高温回火，热处理工艺曲线如图1所示。
图1 45钢热处理工艺曲线
对热处理后的试样进行金相分析、硬度测试、拉伸实验及冲击实验，硬度及金相试样为ф15×15mm,拉伸试样为ф10mm的标准短试样，冲击试样为10mm×10mm×55mm夏比U型缺口试样。
（一）45钢平衡相图分析。将45钢的化学成分输入JMatPro软件进行热力学计算，得如图2所示的45钢随温度变化的平衡相图。
图2 45钢的平衡相组成
由图2可知，45钢的液相线温度为1492℃，随温度降低析出高温铁素体和奥氏体，完全奥氏体化温度为773℃至1409℃，725℃由奥氏体中析出渗碳体，200℃以下相组成为铁素体、渗碳体、微量的MNS和M2P。
（二）TTT图及CCT图。奥氏体化温度为860℃，晶粒尺寸为8.5ASTM，对45钢进行相转变计算，可得45钢的等温冷却转变曲线TTT和连续冷却转变曲线CCT，TTT曲线如图3所示，CCT曲线计算结果如图4所示。
图3 45钢TTT曲线
图4 45钢CCT曲线
由图3可知，铁素体的转变开始温度为773.8℃，珠光体的转变开始温度为725℃，贝氏体的转变开始温度为589.3℃。马氏体的转变开始温度为338.7℃，转变终了温度为222.4℃。C曲线只有一个明显的贝氏体转变“鼻尖”，“鼻尖”的温度为498℃～508℃，此温度下过冷奥氏体最不稳定，发生贝氏体转变的时间只有0.47s。铁素体和珠光体转变没有明显的鼻尖，在578℃～588℃过冷奥氏体发生铁素体转变的时间最短，是1.11s，在578℃过冷奥氏体发生珠光体转变的时间最短，是1.79s。
由图4可知，A1温度为725℃，A3温度为773.8℃，Ms温度为338.7℃。连续冷却的转变组织受冷却速度的影响，冷却速度小于1℃·s-1，转变产物为铁素体和珠光体。冷却速度为10℃·s-1，转变产物为铁素体、珠光体、贝氏体。冷却速度为100℃·s-1，转变产物主要为马氏体及少量的铁素体、珠光体、贝氏体及奥氏体。
不同冷却速度下45钢过冷奥氏体的转变组织及力学性能见表2，随冷却速度的增加，转变产物中，铁素体、珠光体的量减少，冷却速度在10℃·s-1～100℃·s-1转变产物中出现贝氏体，要想获得全部马氏体组织，冷却速度必须大于100℃·s-1。钢的硬度、强度能随过冷奥氏体冷却速度的增加而增加。
表2 不同冷却速度下45钢的转变组织及力学性能
（三）亚温淬火工艺参数的确定。45钢完全淬火温度应高于A3线30～70℃，根据CCT模拟计算结果可知A3温度是773.8℃，A1温度为725℃，取上线完全淬火温度为840℃，亚温淬火的温度区间在A1～A3之间，取770℃、760℃、750℃进行亚温淬火，将淬火温度输入JMatPro软件可进行淬火性能计算。表3为冷却速度100℃·s-1，不同淬火温度下的转变产物在室温下的组织组成。
表3 不同淬火温度转变产物的组织组成
由表3可知，840℃完全奥氏体化淬火，室温组织中马氏体含量最高，占91.48%，770℃～750℃为亚温淬火，随淬火温度降低，室温组织中马氏体含量降低，铁素体含量增加，珠光体、贝氏体含量变化不大。
不同温度淬火组织的性能计算如图5所示，亚温淬火时,随淬火温度降低力学性能有所下降，840淬火温室下屈服强度是1871.6MPa，抗拉强度是2061.7MPa，硬度是58.1HRC，770℃亚温淬火室温下屈服强度是1795.1MPa，抗拉强度是1993.2MPa，硬度是57.1HRC。屈服强度和抗拉强度低于770℃下降较快，而硬度变化较小，可见亚温淬火的温度取770℃，力学性能接近完全淬火。
图5 45钢不同温度淬火组织的力学性能
通过模拟计算可确定亚温淬火的最佳温度为770℃。
（四）亚温淬火实验。
1.性能分析。对45钢进行840℃完全淬火+570℃回火和不同温度的亚温淬火+570℃回火处理后的力学性能如图6所示。由图6可知，840℃完全淬火+570℃回火的硬度为26HRC，抗拉强度为646MPa，屈服强度为344MPa，不同温度亚温淬火淬火+570℃回火后，硬度、强度随淬火温度的降低而下降，770℃淬火硬度为25.1HRC、抗拉强度为621MPa，屈服强度为336MPa，淬火温度低于770℃，硬度、强度下降较快。840℃完全淬火+570℃回火的冲击吸收功为112J，亚温淬火的冲击吸收功随淬火温度升高而增大，在770℃出现峰值,冲击吸收功为125J，高于完全淬火。由此可见，770℃亚温淬火+570回火可获得良好的综合力学性能，实验与模拟计算的结果相符。
图6 45钢不同淬火温度+570℃回火的力学性能
2.金相组织分析。图7为45钢在不同温度淬火+570℃回火后的组织，完全淬火+570℃的组织为回火索氏体，770～750℃亚温淬火+570℃回火的组织是回火索氏体+铁素体，随亚温淬火温度降低组织中铁素体量含量增加，回火索氏体量增减少。750℃淬火的组织中铁素体含量最多，而且呈大片状，铁素体为软韧相，因而强度、硬度最低。770℃淬火组织中铁素体含量较少，并且呈粒状分布于晶界，由于粒状铁素体的存在，使45钢的韧性较完全淬火有所提高，并且强度、硬度降低较小，能够获得较好的综合力学性能[11]。
图7 45钢不同淬火温度+570℃回火的金相组织
（一）45钢的液相线温度为1492℃，室温下平衡相主要为铁素体、渗碳体，A1线温度为725℃，A3线温度为773.8℃，Ms温度为338.7℃。
（二）45钢连续冷却的转变组织受冷却速度的影响，冷却速度为100℃/s，转变产物主要为马氏体及少量的铁素体、珠光体、贝氏体及奥氏体。随亚温淬火温度降低，室温组织中马氏体含量降低，铁素体含量增加，珠光体、贝氏体含量变化不大。
（三）45钢亚温淬火时随淬火温度降低力学性能有所下降，屈服强度和抗拉强度低于770℃下降较快，而硬度变化较小，亚温淬火的温度取770℃时，力学性能接近完全淬火。
（四）经亚温淬火实验验证，45钢经770℃亚温淬火+570℃回火获得回火索氏体及少量粒状铁素体组织，具有较好的综合力学性能。
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