孫永真，程巨強(qiáng)，趙翛涵

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，陜西 西安 710021)

AISI 4140或42CrMo鋼是一種中碳結(jié)構(gòu)鋼，已應(yīng)用于礦山、電力、石油、工程機(jī)械等方面[1-6],為了提高其合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)韌性，淬火后回火處理的研究一直是人們研究熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[7-8]研究了回火溫度對(duì)42CrMo鋼組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，淬火后500～650 ℃回火，試驗(yàn)材料的韌性得到改善。文獻(xiàn)[9-11]研究了回火溫度對(duì)AISI 4140鋼力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)回火溫度由 580 ℃提高到 600 ℃時(shí)，材料的沖擊韌性得到了明顯改善。40CrMoVNbTi鋼是在美標(biāo)AISI 4140或國(guó)標(biāo)42CrMo鋼的基礎(chǔ)上增加V、Nb、Ti等微合金化而成，但在鋼的實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)強(qiáng)度與韌性不匹配，力學(xué)性能難以達(dá)到要求值，因此，研究40CrMoVNbTi鋼淬火后不同回火溫度對(duì)其組織和性能的影響，確定合適的回火工藝，對(duì)確定鋼的回火具有重要的參考價(jià)值。本文研究了40CrMoVNbTi鋼780 ℃亞溫淬火、不同回火溫度對(duì)其組織和性能的影響，了解試驗(yàn)鋼在回火處理中組織和性能的變化，為40CrMoVNbTi鋼回火工藝的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖1 40CrMoVNbTi鋼780 ℃淬火和不同溫度回火后的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of the 40CrMoVNbTi steel quenched at 780 ℃ and tempered at different temperatures

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼牌號(hào)為40CrMoVNbTi，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.40C、0.26Si、0.90Mn、1.00Cr、0.22Mo、0.03V、0.06Nb、0.03Ti。鋼的生產(chǎn)過程為10 t電爐冶煉+真空處理(VD)，鑄成鋼錠，鑄錠開坯，加熱鍛造成101 mm×101 mm×203 mm方料。力學(xué)性能試樣取于該方料，拉伸試樣切割成φ10 mm×100 mm圓棒，之后機(jī)械加工成φ6 mm標(biāo)準(zhǔn)短拉伸試樣；沖擊試樣線切割加工為10 mm×10 mm×55 mm帶V型缺口，缺口深度2 mm。經(jīng)測(cè)定40CrMoVNbTi鋼的相變溫度Ac1為710 ℃，Ac3為820 ℃，前期試驗(yàn)780 ℃淬火綜合性能最好，故淬火加熱溫度選為780 ℃，屬于亞溫加熱，保溫30 min后油冷，然后進(jìn)行不同溫度回火，回火溫度分別為200、300、400、500、600、700 ℃，回火時(shí)間為90 min。拉伸試驗(yàn)使用DDL300電子萬能試驗(yàn)機(jī)；沖擊試驗(yàn)使用JBD-300型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)。組織觀察侵蝕液為4%的硝酸酒精溶液，試樣組織觀察在NIKON ERIHOT-300型光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，并用XRD-6000型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

圖1為40CrMoVNbTi鋼780 ℃淬火和不同溫度回火后的力學(xué)性能變化曲線?？梢钥闯?，淬火后抗拉強(qiáng)度(圖1(a))隨回火溫度的提高，呈下降趨勢(shì)，100 ℃ 回火時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度最高，為2260 MPa；700 ℃回火時(shí)棒料的抗拉強(qiáng)度最低為820 MPa。試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)這種變化的原因是200 ℃以下回火，組織主要是回火馬氏體和殘留奧氏體，回火馬氏體是碳在α-鐵中的過飽和固溶體，具有很高的強(qiáng)度和硬度；超過200 ℃回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，馬氏體發(fā)生碳原子的偏聚，有碳化物析出，減少了馬氏體組織中碳含量，降低碳及合金元素的固溶強(qiáng)化效果，強(qiáng)度下降；超過500 ℃回火時(shí)，馬氏體發(fā)生分解轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，鐵素體發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，形成粒狀鐵素體，回火組織向平衡組織轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度下降。隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的斷面收縮率(見圖1(b))和伸長(zhǎng)率(見圖1(c))呈上升的趨勢(shì)。100 ℃回火時(shí)試驗(yàn)鋼的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率最低，分別為36.5%和10.0%；550 ℃回火時(shí)棒料的斷面收縮率58.5%，伸長(zhǎng)率17.6%；700 ℃回火時(shí)棒料的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率最高，分別為66.8% 和23.0%。斷面收縮率及伸長(zhǎng)率出現(xiàn)這種變化的原因是，隨著回火溫度的升高，馬氏體逐漸分解，碳化物析出，馬氏體基體韌性提高，當(dāng)基體達(dá)到平衡組織時(shí)，粒狀組織有比較高的塑韌性。從沖擊吸收能量隨回火溫度變化的曲線(圖1(d))可以看出，不回火的沖擊吸收能量值最低，為9.7 J；100 ℃回火時(shí)，沖擊吸收能量有所增加，為11.0 J；200 ℃回火時(shí)沖擊吸收能量上升為23.8 J，出現(xiàn)第一個(gè)峰值。超過200 ℃回火，沖擊吸收能量下降，300 ℃回火時(shí)沖擊吸收能量值降為9.9 J，超過300 ℃回火沖擊吸收能量值增加，550、600、700 ℃回火時(shí)，試驗(yàn)鋼的沖擊吸收能量值分別為94.0、123.0和160.3 J，700 ℃時(shí)達(dá)到最大。沖擊吸收能量值出現(xiàn)這種變化的原因?yàn)椋翰换鼗饡r(shí)，淬火態(tài)組織為馬氏體，內(nèi)應(yīng)力大，脆性大，沖擊吸收能量最低；200 ℃ 回火時(shí)，組織中析出細(xì)小的碳化物并降低了內(nèi)應(yīng)力，形成回火馬氏體，韌性有所提高；300 ℃回火時(shí)，組織中殘留奧氏體分解，馬氏體界面出現(xiàn)奧氏體分解產(chǎn)物，脆性增加，出現(xiàn)了第一類回火脆性；超過400 ℃ 回火時(shí)，碳化物不斷析出并粒狀化，形成回火屈氏體及回火索氏體，沖擊吸收能量值提高。

圖2 40CrMoVNbTi鋼780 ℃淬火不同溫度回火后的沖擊斷口形貌Fig.2 Impact fracture morphologies of the 40CrMoVNbTi steel quenched at 780 ℃ and tempered at different temperatures(a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 500 ℃; (d) 600 ℃; (e) 700 ℃

2.2 沖擊試樣斷口形貌觀察

圖2為780 ℃淬火和不同溫度回火后的沖擊試樣斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)掃描電鏡形貌照片?？梢钥闯?，200 ℃回火沖擊試樣斷裂機(jī)制為韌窩和準(zhǔn)解理斷裂，說明試驗(yàn)材料具有一定的韌性。300 ℃回火沖擊試樣斷口斷裂機(jī)制主要為解理和沿晶斷裂，為脆性斷裂特征，說明試驗(yàn)材料的沖擊性能較低，呈現(xiàn)回火脆性。500 ℃以上回火沖擊試樣斷口存在大量韌窩，斷裂機(jī)制為典型的韌性斷裂特征，說明韌性較高。

2.3 物相分析及組織觀察

圖3和圖4是40CrMoVNbTi鋼780 ℃油淬和不同溫度回火后的XRD圖譜和顯微組織。從圖3中可以看出，淬火態(tài)及200 ℃回火的物相主要有鐵素體峰與奧氏體峰，說明淬火態(tài)的組織為馬氏體和殘留奧氏體組織，200 ℃ 回火的組織也為回火馬氏體和殘留奧氏體組織。500 ℃和700 ℃高溫回火試樣的X射線衍射峰主要為鐵素體峰和少量的碳化物峰，無奧氏體峰，說明殘留奧氏體分解，隨回火溫度的升高，碳化物粒狀化聚集長(zhǎng)大，組織為回火索氏體。

圖3 40CrMoVNbTi鋼780 ℃淬火不同溫度回火后的XRD衍射圖譜Fig.3 XRD diffraction patterns of the 40CrMoVNbTi steel quenched at 780 ℃ and tempered at different temperatures(a) 淬火態(tài)(as-quenched)； (b) 200 ℃； (c) 500 ℃； (d) 700 ℃

圖4 40CrMoVNbTi鋼780 ℃淬火不同溫度回火后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the 40CrMoVNbTi steel quenched at 780 ℃ and tempered at different temperatures(a)淬火態(tài)(as-quenched); (b) 200 ℃; (c) 300 ℃; (d) 400 ℃; (e) 500 ℃; (f) 550 ℃; (g) 600 ℃; (h) 650 ℃; (i) 700 ℃

結(jié)合圖3和圖4可以看出，40CrMoVNbTi鋼780 ℃油冷不回火時(shí)，由于是亞溫淬火，淬火組織應(yīng)為馬氏體、鐵素體和殘留奧氏體組織(圖4(a))，從組織形態(tài)可以看出，馬氏體組織為板條狀灰白色馬氏體和針片狀深黑色馬氏體的混合，鐵素體呈白色的小塊狀分布。200 ℃回火的顯微組織為回火馬氏體、鐵素體和殘留奧氏體組織(圖4(b))，組織形貌和不回火組織類似，不同的是馬氏體組織發(fā)生分解，有細(xì)小的分解產(chǎn)物。300 ℃及400 ℃回火時(shí)，組織中馬氏體發(fā)生分解，已沒有板條狀馬氏體的形貌，馬氏體基體上分解出大量細(xì)小的碳化物顆粒，形成回火屈氏體組織，少量鐵素體呈顆粒狀分布。500～700 ℃回火，和400 ℃回火組織比較，隨回火溫度的提高，馬氏體分解產(chǎn)物長(zhǎng)大并粒狀化，鐵素體基體上分布粒狀滲碳體，組織為回火索氏體，見圖4(e～i)。

3 結(jié)論

1) 40CrMoVNbTi鋼780 ℃亞穩(wěn)淬火，隨回火溫度的提高，強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，塑性指標(biāo)呈上升的趨勢(shì)。200 ℃回火40CrMoVNbTi鋼的抗拉強(qiáng)度為2150 MPa，KV2為23.8 J；550～600 ℃回火時(shí)的抗拉強(qiáng)度為1190～1070 MPa，KV2為94.0～123.0 J，力學(xué)性能滿足AISI 4140鋼力學(xué)性能要求，且具有較好的韌性。300 ℃回火出現(xiàn)回火脆性，沖擊吸收能量值最低。

2) 780 ℃油冷并200 ℃回火組織為回火馬氏體和殘留奧氏體，沖擊試樣斷口斷裂特征為準(zhǔn)解理和韌窩，300 ℃回火沖擊斷口呈準(zhǔn)解理和沿晶斷裂，500 ℃以上溫度回火形成回火索氏體組織，沖擊斷口斷裂特征為典型的韌窩特征，為韌性斷裂機(jī)制。