40Cr、42CrMo是中碳合金鋼中使用較為廣泛的牌號(hào)，本期講述其金相組織與對(duì)應(yīng)的熱處理工藝，相應(yīng)的加工性能、機(jī)械性能。

圖1  850X

圖號(hào)：圖1

材料：40Cr

工藝情況：調(diào)質(zhì)處理

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

基體為回火索氏體及少量鐵素體。

由于淬火加熱不夠或冷卻速度不足，均可能出現(xiàn)鐵素體，但此試樣為淬火加熱溫度偏低，而保留下來的未溶鐵素體，屬調(diào)質(zhì)處理不完全組織。

圖2  100X

圖號(hào)：圖2

材料：40Cr

工藝情況：熱軋后空冷

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

珠光體約75%、網(wǎng)狀鐵素體約25%，晶粒度為7級(jí)。

40Cr鋼是用途最廣泛的調(diào)質(zhì)鋼之一。鉻是強(qiáng)烈提高淬透性的元素，含有1±0.1%鉻的40Cr鋼，在水中淬火時(shí)可使Φ40mm的圓棒完全淬透。同時(shí)，鉻又是碳化物形成元素，當(dāng)鋼中含鉻1%左右時(shí)，一部分鉻將置換Fe₃C中的鐵而形成(Fe、Cr)C合金滲碳體，一部分鉻將溶入鐵素體，具有提高鐵素體強(qiáng)度和硬度的作用，使力學(xué)性能有所提高，其強(qiáng)度比相同含碳量的碳鋼提高20%，并有良好的塑性。

圖3  400X

圖號(hào)：圖3

材料：40Cr

工藝情況：850℃加熱20min淬油，180~200℃回火1h

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

中等長(zhǎng)度針狀回火馬氏體。

40Cr鋼淬火后在 200℃以下低溫回火時(shí)，淬火馬氏體逐漸變成回火馬氏體。由于該工件加熱溫度適當(dāng)，奧氏體合金化充分，經(jīng)回火處理后能較好地發(fā)揮材料的潛在性能。

鉻元素還可細(xì)化鋼的晶粒，減小過熱敏感性，還能提高鋼的抗回火穩(wěn)定性，阻礙鋼中碳化物的集聚，使碳化物保持。一定的分散度，從而提高調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度。但鉻鋼對(duì)回火脆性比較敏感，所以在中溫回火后應(yīng)快冷。

圖4  500X

圖號(hào)：圖4

材料：40Cr

工藝情況：加熱850℃，保溫20min 后油冷

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

淬火馬氏體、貝氏體和回火馬氏體，硬度48~49HRC。因淬火時(shí)冷卻不足，曾在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域停留，故在組織中出現(xiàn)了貝氏體組織。另外，在切割試樣時(shí)，由于冷卻不充分，部分馬氏體出現(xiàn)回火現(xiàn)象。

圖5  500X

圖號(hào)：圖5

材料：40Cr

工藝情況：調(diào)質(zhì)處理

浸蝕方法：經(jīng)在飽和苦味酸水溶液加入幾滴環(huán)氧乙烷(洗滌劑)溶液的浸蝕

組織說明：

顯示奧氏體晶粒大小的索氏體組織。

40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，正常顯微組織應(yīng)為回火索氏體和少量未溶鐵素體。但奧氏體晶粒大小一般難以顯示，而奧氏體晶粒的大小對(duì)調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性的關(guān)系頗為密切。奧氏體晶粒大小也是衡量熱處理工藝執(zhí)行情況的重要手段。

為了顯示調(diào)質(zhì)鋼奧氏體晶粒大小，可以采用上述試劑，加熱至65℃~70℃浸蝕后，金相磨面呈氧化色時(shí)，即可以顯示其奧氏體晶粒大小。圖中黑色細(xì)線條即晶界線。

圖6  400X

圖號(hào)：圖6

材料：40Cr

工藝情況：真空淬火

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

中碳馬氏體以及少量黑色條狀自回火馬氏體。真空加熱主要靠輻射傳遞，加熱均勻，因此表面除無氧化脫碳外，工件變形小為真空熱處理的主要優(yōu)點(diǎn)。

圖7  63X

圖號(hào)：圖7

材料：40Cr

工藝情況：淬火、回火

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

黑色淬火托氏體以及粗大網(wǎng)狀分布的鐵素體。鐵素體所構(gòu)畫的晶粒約為一級(jí)。工件加熱溫度偏高，使奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，而在隨后冷卻過程中冷速過小，發(fā)生鐵素體沿奧氏體晶界析出，以及隨后的高溫組織向托氏體轉(zhuǎn)變。

圖8  500X

圖號(hào)：圖8~圖10

材料：40Cr

工藝情況：形變熱處理（鍛造余熱淬火）浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

圖8，板條狀馬氏體，呈細(xì)條的板條，具有成排特征。

圖9，馬氏體，保持板條形態(tài)，透射電子顯微鏡復(fù)膜圖像。

圖10，板條狀馬氏體和碳化物顆粒，透射電子顯微鏡復(fù)膜圖像。

所謂高溫形變熱處理，是將 40Cr鋼在奧氏體穩(wěn)定溫度范圍(>A_c3)進(jìn)行形變，隨即進(jìn)行淬火，得到板條狀馬氏體。板條狀馬氏體的形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)板條，在顯微鏡下成為一束束的細(xì)條組織，束與束之間有較大的位向差。在透射電子顯微鏡下，板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)內(nèi)有高密度的位錯(cuò)，因此，板條狀馬氏體又稱為位錯(cuò)型馬氏體。放大至20000倍的透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在板條馬氏體條片之間有碳化物析出，這可能是由于板條狀馬氏體的形成溫度較高，在板條馬氏體形成過程中有碳化物析出的緣故。

經(jīng)高溫形變熱處理的工件，由于鍛造高溫加熱而得到比較粗大的組織，將使鋼的淬透性顯著提高，并可獲得富有韌性的板條馬氏體。一方面由于鍛造余熱淬火，從組織的粗化來說，將降低材料的強(qiáng)度和塑性，但另一方面由于馬氏體形態(tài)的改變而得到彌補(bǔ)和改善。因此，總的來說，經(jīng)高溫鍛造余熱淬火的工件，其強(qiáng)韌度比普通調(diào)質(zhì)狀態(tài)的性能為好。

圖11  100X

圖12  500X

圖13  100X

圖號(hào)：圖11~圖13

材料：40Cr

工藝情況：鍛造后坑冷

浸蝕方法：

圖11、圖12，未浸蝕圖13，4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

超溫鍛造裂紋。

圖11，沿晶龜狀裂紋和內(nèi)氧化。

圖12，裂紋沿著硫化物和晶間內(nèi)氧化擴(kuò)張。

圖13，裂紋大部分沿晶界裂開，裂紋尾部沒有脫碳。

一批Φ200mm的40Cr圓鋼，鍛造后發(fā)現(xiàn)有數(shù)量較多的圓鋼表面出現(xiàn)不同程度的裂紋。這批圓鋼硫含量較高，并有硫化物沿晶界析出。由于硫化物(FeS)的熔點(diǎn)較低，容易產(chǎn)生晶界的氧化和熔化。圓鋼的始鍛溫度應(yīng)為1200℃，終鍛溫度為800℃。實(shí)際操作時(shí)，始鍛溫度偏高，超過1200℃，造成沿低熔點(diǎn)的硫化物在晶界產(chǎn)生內(nèi)氧化和熔化，鍛造時(shí)在應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生沿晶角狀裂紋。龜狀裂紋的裂口在表面時(shí)，由于高溫時(shí)和空氣接觸，使裂紋兩邊脫碳，而內(nèi)部龜狀裂紋不與空氣直接接觸，所以裂紋兩邊沒有脫碳。

圖14  實(shí)物  1X                  圖15  100X

圖16  500X             圖17  500X

圖號(hào)：圖14~圖17

材料：40Cr(齒條軸)

工藝情況：調(diào)質(zhì)處理

浸蝕方法：

圖15~圖17，4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

原材料裂紋缺陷。

圖14，針織機(jī)上齒條軸調(diào)質(zhì)處理后，車削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)外圓表面出現(xiàn)較多的條狀裂紋。裂紋長(zhǎng)度40~50mm。

圖15，橫向截面經(jīng)金相分析，裂紋深度最大1.40mm，并發(fā)現(xiàn)在裂紋兩側(cè)均出現(xiàn)一層鐵素體組織，直至裂紋尾端。

圖16，放大500倍下觀察，裂紋中有灰色氧化物。

圖17，遠(yuǎn)離裂紋處為正?；w即回火索氏體，可見到微小的碳化物顆粒。估計(jì)回火溫度偏高，因而硬度亦較低，不足20HRC。根據(jù)以上分析，裂紋不是淬火造成的，而是淬火之前已存在，因?yàn)榱鸭y兩側(cè)有脫碳層現(xiàn)象。

圖號(hào)：圖18~圖20

材料：40Cr

工藝情況：鍛造后正火再調(diào)質(zhì)處理

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

鍛造裂紋，淬火欠熱。

圖18，在黑色裂紋兩側(cè)出現(xiàn)明顯的脫碳層。

圖19，近裂紋尾端，裂紋中有氧化物，兩側(cè)鐵素體亦多于表層。

圖20，心部基體組織為索氏體及沿晶界分布的鐵素體。從裂紋兩側(cè)出現(xiàn)全脫碳層證明，裂紋是鍛造時(shí)產(chǎn)生的，故正火處理時(shí)在裂紋兩側(cè)造成脫碳。

根據(jù)圖所示的心部組織，該工件調(diào)質(zhì)處理亦不完善，證明調(diào)質(zhì)處理時(shí)淬火溫度偏低，因而保留著較多的鐵素體。

圖號(hào)：圖21~圖23

材料：40Cr(踏腳板鍛件)

工藝情況：鍛造、切邊，調(diào)質(zhì)處理(鹽浴加熱)

浸蝕方法：

圖21，未浸蝕圖22、圖54，4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

圖22，為裂紋內(nèi)為非金屬夾雜物，兩側(cè)為變形層，呈流線狀。

圖23，為高倍下基體組織形貌，索氏體和極少量鐵素體，裂縫兩側(cè)已錯(cuò)位。

調(diào)質(zhì)前，鍛造切邊中發(fā)生的裂紋。分型面區(qū)承受相對(duì)強(qiáng)烈應(yīng)變，工藝控制不當(dāng)，在切邊應(yīng)力作用下極易開裂。

圖號(hào)：圖24~圖28

材料：40Cr

工藝情況：鍛造

浸蝕方法：

圖24、25，未浸蝕。圖26~圖28，4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

圖24，鍛件橫截面組織分布形貌(1)為中間細(xì)晶區(qū)，(2)為上、下近表層，過熱粗晶區(qū)，(3)為表面短裂紋。外表呈橘皮狀。

圖25，(3)區(qū)表面裂紋形態(tài)。

圖26，(3)區(qū)近表層組織形貌，珠光體以及條、塊狀鐵素體，晶內(nèi)鐵素體呈針狀析出形成魏氏組織狀，并有一沿晶裂紋，組織嚴(yán)重過燒。

圖27，為圖23中(1)區(qū)，基體組織為珠光體及鐵索體，晶粒均勻，相當(dāng)于6~7 級(jí)。

圖28，為圖23中(2)區(qū)放大圖，基體為珠光體及沿粗大晶粒的晶界分布的鐵素體，晶粒度相當(dāng)于1級(jí)，為嚴(yán)重過熱區(qū)。

該試件為表面過燒，在高溫下鍛造所造成的缺陷組織。

圖號(hào)：圖29~圖31

材料：42CrMo

工藝情況：圖29，退火態(tài)。圖30，850℃淬油，180℃回火。圖31，850℃淬油，560℃回火

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

圖29，珠光體和白色鐵素體，呈帶狀分布。

圖30，回火馬氏體，帶狀偏析。

圖31，索氏體和上貝氏體。

42CrMo鋼含碳量和含鉻量比35CrMo鋼高，淬透性和強(qiáng)度也隨之提高，可用于大截面、高強(qiáng)度的重要零件。但42CrMo鋼淬火開裂敏感性比35CrMo鋼大，切削加工性能和焊接性能也比35CrMo差。

圖32  100X

圖號(hào)：圖32

材料：ZG42CrMo

工藝情況：鑄后調(diào)質(zhì)處理

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

回火索氏體以及極少量鐵素體，組織呈明顯的枝晶狀偏析。

鑄造過程中形成的組織枝晶偏析，需經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散退火才能消除。直接調(diào)質(zhì)時(shí)，合金元素未能均勻化，反映在試樣浸蝕后色澤深淺不一。

鐵素體在基體中的含量常作為調(diào)質(zhì)工藝質(zhì)最的指標(biāo)之一，一般在100倍下評(píng)定。

圖33  500X

圖號(hào)：圖33

材料：ZG42CrMo

工藝情況：鑄造、正火后調(diào)質(zhì)處理

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：

回火索氏體及少量鐵素體，灰色小塊狀物為夾雜物。由于合金元素存在，組織均勻化比普通碳鋼較困難些。希望通過正火細(xì)化組織、改善枝晶偏析。本樣品仍存在組織不均勻現(xiàn)象。