预处理对40Cr钢亚温淬火后组织性能的影响

　　40Cr钢是低合金中碳结构钢，常用于制造轴类和重要的螺栓等受力的机械零件，要求具有高的强度，良好的塑性和韧性，好的低温冲击韧度。常规的淬火工艺是860℃保温后油冷。通过改善淬火工艺提高其强韧性，成为提高 40Cr钢使用性能的有效手段[1-3]。亚温淬火是指将钢加热至Ac1～Ac3保温后淬火冷却的热处理工艺，淬火后得到马氏体和少量铁素体的双相组织，可在不降低或稍微降低强度、硬度的前提下显著提高工件的韧性，故在生产中得到广泛的应用[4-6]。本文分别以淬火和正火为预处理工艺，测试了原始组织为马氏体和索氏体的40Cr钢试样亚温淬火后的力学性能，研究了预处理工艺对该钢亚温淬火后组织性能的影响。

　　1 实验方法

　　1.1 实验材料

　　实验用40Cr钢的化学成分(质量分数，%)为0.41C，0.21Si，0.64Mn，0.88Cr，0.20Ni，0.021S，0.027P，余为Fe。

　　1.2 试样的制备

　　拉伸试样为准10mm×100mm的长试样，硬度试块的尺寸为准20mm×20mm。

　　1.3 热处理工艺

　　试样在箱式电炉中加热，工件分别经过正火和常规淬火的预处理，即860℃保温20min后进行油冷或空冷，分别得到马氏体或索氏体组织。试样的最终热处理工艺是亚温淬火，淬火保温时间30min，回火保温时间40min，各试样的热处理工艺见表1。

　　2 实验结果

　　在每个温度点分别处理拉伸试样和硬度试样各3个，测试性能后取其平均值作为实验结果。抗拉强度和硬度检测结果的平均值见表1。

　　3 分析与讨论

　　3.1 淬火温度与铁素体含量

　　金相分析显示，正火预处理的试样在780～820℃时随淬火温度升高，淬火组织中铁素体含量逐步减少，马氏体量增加，且铁素体的分布形态也相应发生变化。780℃淬火组织中铁素体含量较多，部分铁素体以块状独立存在，见图1(a)。810℃淬火可得到马氏体和少量铁素体的双相组织， 铁素体分布于马氏体板条之间。820～840℃淬火得到全部马氏体组织，见图1(b)。

　　淬火预处理的试样780～800℃淬火可得到马氏体+少量铁素体的双相组织，其铁素体含量明显少于正火预处理试样。810～840℃淬火可得到全部马氏体组织(图2)，840℃淬火的组织较810℃淬火粗大。

　　3.2 预处理对淬火相变的影响

　　利用SDTQ600 型差式扫描量热仪进行差热分析显示，淬火态40Cr钢奥氏体相变温度低于正火态。其原因是马氏体是亚稳组织，存在大量的位错等晶体缺陷，体积自由能高于平衡组织。固体相变新相形核功(n为形状系数;Es为晶粒中每个原子的应变能;Δfv为新旧相单位体积的自由能差;γ为相界面能)。增大(负值)，可以降低形核功。所以奥氏体在马氏体中形核，其形核功ΔF较低。形核功越小，形核率越大，奥氏体的晶粒就越细小。同时，由于马氏体与奥氏体的自由能差值大，相变驱动力高，需要的过冷度小，故转变温度降低。淬火态试样经810℃亚温淬火即可得到全部马氏体组织，且组织较细小，经测定其晶粒度为10级，所以强硬度较高。正火态试样经820℃亚温淬火可得到全部马氏体组织，奥氏体晶粒度为9级。从形核的角度看，淬火态试样奥氏体相变过程中形成的球状奥氏体晶粒多且细小，并可能在马氏体的边界形成针状奥氏体，使奥氏体晶粒进一步细化[7]，这是40Cr钢奥氏体逆相变淬火提高力学性能的重要原因。