材料成分和热处理工艺对钢组织与性能的影响
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摘 要：钢材是当前社会运用最广泛的材料之一，具有非常悠久的历史，它推动了社会的大力发展，促进了社会的进步。作为结构材料，钢的组织和性能在很高的层面上决定了产品的质量，因此，在选取钢铁材料的时候注重其组织与性能具有重要的意义。然而，回望钢铁发展的历史，钢组织与性能与材料成分和热处理工艺有着千丝万缕的关系，通过改善材料成分和热处理工艺可以有效提升钢组织与性能。本文将对材料成分和热处理工艺对刚组织与性能的影响做浅显分析。
关键词：材料成分；热处理；钢组织与性能
钢材在工业发展过程中有着非常重要的作用，是最重要的合金结构材料。在实际使用和生产的过程当中，人们对钢材材料提出了不同的性能要求。所以，为了满足这些性能要求，单纯的通过合理选用材料就想达到这些要求是不可能的， 还要进行必要的热处理，才能使钢材发挥出应有的性能。
本文主要选取45钢、T8钢及40CrNi钢作为分析对象。
1.材料成分对钢组织与性能的影响
表一是45钢、T8钢及40CrNi钢的化学成分表：
表1 三种钢的化学成分
C含量 Si含量 Mn含量 Cr含量
45钢 0.42～0.50% 0.17～0.37% 0.50%～0.80% ≤0.25%
T8 0.75～0.84% ≤0.35% ≤0.40%
40CrNi 0.37～0.44% 0.17～0.37% 0.50～0.80% 0.45～0.75%
Ni含量 S含量 P含量 Cu含量
45钢 ≤0.30% ≤0.25%
T8 ≤0.030% ≤0.035%
40CrNi 1.00～1.40%
化学成分对组织与性能的一个方面影响使得热处理后的残余奥氏体的含量不同，从而力学性能上也体现出较大的差异。从材料学的角度来看可以通过热处理工艺的调整来达到所要求的机械性能，但是从检验的角度来看，热处理工艺几乎没有调整的空间，所以化学成分的控制十分关键。但由于目前没有条件对残余奥氏体的含量作出定量分析，所以没有得出其与力学性能的准确的对应关系。但是可以知道的是，通过化学成分的精确控制可以减少δ-铁素体的含量和得到适当的残余奥氏体的含量，得到所要求的机械性能。
2.热处理工艺对钢组织与性能的影响
表2是三种钢材的临界点温度，表三是空气炉和盐浴炉内加热系数，表4是加热系数的确定：
表2 三种钢的临界点温度
钢号 临界点/℃
45钢 724 682 780 751 330 50
T8 730 700 ― ― 230 -55
40CrNi 731 660 769 702 243 ―
表3 空气炉和盐浴炉内加热系数
炉型 钢种 温度/℃ 不同温度的加热系数（min/mm）
500～600 700～900 500～600700～900
空气炉 碳结钢 1.25 1 0.7～0.8
碳工钢 1.8 1.4 0.7～0.8
合结钢 1.6 1.4 1.0～1.2
合工钢 2 1.4 1.0～1.2
盐浴炉 碳结钢 0.35 0.15
合结钢 0.35 0.15
表4加热系数的确定
工件形状 相对尺寸 经验式
圆柱体
空心圆柱体
三菱柱
四棱柱
六棱柱
立方体 A=B=C 1.4
表4中H是高度，D和d分别是外径和内径，A，B，C为立方体的边长
是加热时间，min H是有效厚度或直径，mm 是加热系数。
2.1三种钢在退火、正火、淬火和不同温度回火后的力学性能
退火是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种金属热处理工艺。
正火又称常化，是将工件加热至Ac3或Accm以上30～50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。
回火是工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保温一定时，然后冷却到室温的热处理工艺。
淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温），进行马氏体（或贝氏体），转变的热处理工艺。
以45钢在在退火、正火、淬火和不同温度回火后的力学性能为例：
退火：抗拉强度： ≥600 （MPa） 屈服强度： ≥355 （MPa）
延 长 率： ≥16% 断面收缩率： ≥40%
布氏硬度： ≤197
正火：强度较高，塑性和韧性尚好
淬火：水淬时有形成裂纹的倾向，形状复杂的零件应在热水或油中淬火。焊接性差。
表5三种钢不同热处理工艺后的硬度（HRC）
退火 淬火
钢号 温度 冷却阶段 硬度
T8 ≤187 800 水―油碱 62-64
45钢 ≤197 840 水―碱 58-59
40CrNi ≤ 840 油 >53
回火
钢号 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
T8 58.8 56.8 45 36.9 25.5
45钢 53.4 49.1 39.6 31.1 21.5
40CrNi 46.7 46.3 40.1 36.6 29.4
2.2 T8回火索氏体的热处理工艺
2.2.1 回火索氏体的定义及组织特征
回火索氏体是马氏体于高温回火（500℃―600℃）时形成的，在光学金相显微镜下放大500～600倍以上才能分辨出来，其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织。其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上，回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而呈等轴状。它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。常温下是一种平衡组织。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。
2.2.2 T8回火索氏体的热处理方案
T8回火索氏体：
淬火：加热温度 ：800～820?C
介质：锭子油或变压器油，冷却到20～40?C，硬度60～68HRC；
温度 硬度
500℃ 35HRC
550℃ 31HRC
回火：
2.2.3 T8回火索氏体的热处理方案的解释
T8是碳素工具钢，碳含量在0.8%左右，其淬火温度一般在800度，盐水冷却；
T8一般的介质为介质 ：锭子油或变压器油；
对于淬火温度，由于T8钢经正常淬火后组织是：马氏体+残余奥氏体+碳化物。
淬火后经200°C温度回火后的组织是：回火马氏体+碳化物，
淬火后经400°C温度回火后的组织是：回火托（屈）氏体+碳化物，
淬火后经500°C温度回火后的组织是：回火索氏体+碳化物，
所以对于T8回火索氏体，其回火温度要500℃以上。
参考文献：
[1] 李洪升.?材料力学实验?，大连理工大学出版社，1997.
[2] 余永宁.《材料科学基础》.北京.高等教育出版社.2006.
[3] 宋维锡.金属学.第二版.北京：冶金工业出版社，2008.353.