调质钢力学性能的十种影响因素

机械制造中有大量的轴、连杆、螺栓等受力结构件，要求有良好的综合力学性能，主要指标有：ob、os、6、ak、0和HRc六种。选用中碳结构钢和合金结构钢制造，经调质处理达到设计技术条件。淬火与高温回火工艺的选择通常查回火性能曲线确定。但在实际生产中会出现力学性能合格和部分合格现象，影响因素有十种，必须采用相应对策。钢串化学成分对力学性能的影响生产中常出现同一牌号钢在同一工艺条件下处理，有的产品性能合格，有的却不合格。经化学成分检验发现，同一钢号有的元素含量为上限，尤其是钢中C含量为上限；而有的元素含量为下限，尤其钢中C含量为下限。这是由于不同炉批炼钢所致。因此，钢材入库时应严格按不同熔炼炉批号批次号分开堆放。使用时应重新化验钢材的化学成分，按其上、下限数据修订热处理工艺参数，并提高控温仪表精度等级，确保力学性能合格。钢中杂质元素对冲击韧度（ak值）的影响一些厂矿只注重有益元素检测，而忽略有害微量元素测定（因后者化验较复杂，要有特殊设备才能对有害微量元素进行测定）。如某厂生产一批40Cr钢制高强度螺栓，经调质处理，ak值总是上不去，最后发现是因钢中有害杂质元素P含量较高所致。下表为40Cr钢中P含量对ak值的影响。钢在加热时，P易偏聚在奥氏体晶界，使晶界结合力急剧降低，引起晶界脆化。当钢中P含量20.02%时，ak值大幅度降低，导致产品早期脆性断裂，甚至发生事故。国内钢厂众多，因设备和冶炼技术等原因，相同钢号中P含量高低不一，有的大大超过国标。生产单位应根据产品性能需要，严格把关，控制钢中P含量＜0.02%，确保ak值合格。原材料组织缺陷对力学性能的影响钢液在凝固结晶时，化学成分严重偏析产生粗大奥氏体和铁素体晶粒及块、网状组织。钢锭轧制时这些组织沿轧制方向形成带状组织，力学性能有明显的方向性，纵向性能大大高于横向性能，6、巾和ak值等横向性能急剧降低。面带状组织很稳定，热处理无法消除。只有对原材料进行改锻，经过双十字型2〜3次镦拔才可击碎带状组织，使之＜3级。锻造成形后乘高温余热进行锻调质预处理，可细化晶粒，改善显微组织结构，提高横向性能。淬火加热温度与冷却介质对力学性能的影响各种钢号均有推荐的最佳淬火加热温度，但在实际生产中出现的力学性能有高有低，往往与原材料密切相关，如钢中含有Mo、W、V、Ti等合金元素时，晶粒细密淬火加热时奥氏体晶粒不易长大，淬火温度应选上限或适当提高，以便增加钢的淬透性与淬硬性；而碳结构钢和含Mn结构钢加热时晶粒易长尤宜用下限温度淬火或适当降低温度，防止奥氏体晶粒粗化，影响力学性能。同一牌号钢，为得到同一力学性能指标，选择淬火加热温度还与设备有关，在空气电炉、真空电炉中加热工件比在盐炉、铅炉加热工件可高出10〜20°C。产品材料确定后，应根据钢材淬透性能选择淬火冷却介质，当淬火介质冷却能力强时可用下限淬火加热温度；反之，用上限淬火加热温度或适当提高温度。冷却介质应选择在钢的Ms点以上快冷，防止过冷奥氏体冷却时与c曲线鼻子相碰，避免过冷奥氏体析出第二相，在Ms点以下缓冷，降低组织应力、热应力和变形开裂，从而经高温回火后得到较理想的综合力学性能。高温回火温度与冷却介质选择对力学性能的影响高温回火温度使淬火马氏体转变为具有优良综合力学性能的回火索氏体组织，并充分消除淬火内应力。对于能获得全淬透钢件，可依据设计性能技术条件在该钢回火性能曲线上查出所需回火温度，通常高温回火温度在500〜650C之间。但在实际生产中回火工艺受五个方面影响：⑴钢的化学成份上限者，上限温度回火；反之，下限温度回火。同一牌号钢，若在不同冷却介质中淬火，冷却速度大的（如水淬），淬火硬度较高，上限温度回火；冷却速度较慢的（如油淬），淬火硬度稍低，下限温度回火。⑵某些工件因尺寸较大淬火硬度稍低于正常淬火硬度，因此，若技术要求允许，可适当降低回火温度。⑶合金结构钢淬火硬度》50HRc，碳素结构钢淬火硬度》42HRc时，才能按正常规范回火。⑷有二类回火脆性的铬锰结构钢，回火保温结束后应快冷，因缓冷要降低冲击韧度（气）。⑸淬火钢必须及时充分回火，以得到稳定的组织，消除淬火应力，避免变形与开裂；较长时间回火，可以提高断裂韧度（aic值），并使残余奥氏体得到充分转变。综上所述，只有合理选择回火工艺，才可获得所需的综合力学性能。施工中操作不当对力学性能的影响调质工件一般批量较大若装炉量过大、过密或靠加热器和炉门过近，引起工件比正常加热温度偏高或过低，工件底层、内层和外层温差大，温度不均匀，导致同炉工件调质后性能差异大有的合格，有的不合格。因此，工件离加热器的距离应＞100哑，离炉门口应＞150哑，装炉量不宜超过炉型规定装载量，工件不宜堆积加热，相互间要有一定间隙。当装炉量较大时，使合金元素充分溶解，奥氏体充分合金化、均匀化。工件保温后应以最短时间淬入冷却介质，确保工件温度不降至规定下限温度。工件在冷却介质中作上下运动，冷至一定程度后作左右运动，因工件周围局部冷却介质温度升高将急剧降低冷却速度，导致不为，造成调质处理后工件性能参差不齐和出现不合格产品。最好采用循环冷却淬火槽，避免温度升高。要及时捞除槽中污物，保持淬火介质清洁，确保淬火质量和力学性能合格。选材与取样对力学性能的影响常用调质钢材有几十种，设计者依据工件大小与使用条件，选择具有一定

淬透性、淬硬层及力学性能指标的钢材。但有的设计图样未提出力学性能试样取样方法，由生产单位自行决定，往往出现误区。如有的轴，尺寸较大，因心部不受力，允许选用不淬透钢材。因未注明取样部位，生产单位取了心部未淬透试样，力学性能不合格。后找到设计单位，才知道应偏心取样，力学性能全合格。因此，应根据不同牌号钢材查找不同淬透性曲线，确定力学性能取样部位和依据工件大小确定试样大小，使之作出的力学性能数据具有代表性，以反映工件的实际性能与使用寿命。索氏体与托氏体组织对调质钢力学性能的影响索氏体是铁素体与渗碳体的混合物，结构细密，具有最优良的综合力学性能，强韧性高，调质处理目的即获得此组织。托氏体也是铁素体与渗碳体的弥散混合物，调质处理也可得到此组织，但力学性能远不如索氏体，强韧性低，脆性较大，尤其是抗蚀性能是所有钢组织中最差的。桥梁等高强度调质出现此组织极易发生应力腐蚀，导致疲劳断裂事故。因此，调质工件不分力学性能要合格，而且金相组织也要合格，避免产生托氏体组织，不在300〜450°C回火（因托氏体常在此温度回火出现）。同时加强金相检验，确保调质工件得到细密的回火索氏体组织。9.氏组织对力学性能影响9.氏组织对力学性能影响调质钢含碳量均＜0.60%，是亚共析钢。当钢锭从1000〜1200C高温奥氏体状态经长时间缓慢冷却扩散退火时，游离铁素体沿奥氏体晶界及沿解理面以微细格子或块、网状析出，晶粒粗大，俗称魏氏组织。魏氏组织是典型的过热组织，常规热处理无法消除，保留在淬火组织中，导致珏、七、6、气、0和HRc急剧下降。bSk有魏氏组织的钢材只有经过3〜4次双十字形镦拔，才能击碎魏氏组织。锻后进行高温余热淬火，再经高温回火，即锻热调质预处理能显著改善原材料显微组织结构。最后经正常调质处理达到技术条件。10.淬火软点对力学性能的影响工件淬火后局部小区域硬度不足或未淬硬，即是淬火软点。显微组织为低碳淬火马氏体加非淬火马氏体组织，导致力学性能不足，成为疲劳裂纹源和早期磨损中心。因加热时局部氧化脱碳，使脱碳区含碳量降低，或原材料脱碳层未加工掉；淬火介质不洁，有污染物等导致冷却速度降低，工件有氧化皮及工件堆集淬火均会造成局部淬不硬；原材料组织异常，未经改锻或预处理，带状组织或块状铁