孙永真，程巨强，赵翛涵

(西安工业大学 材料与化工学院，陕西 西安 710021)

AISI 4140或42CrMo钢是一种中碳结构钢，已应用于矿山、电力、石油、工程机械等方面[1-6],为了提高其合金结构钢的强韧性，淬火后回火处理的研究一直是人们研究热点之一。文献[7-8]研究了回火温度对42CrMo钢组织和力学性能的影响，结果表明，淬火后500～650 ℃回火，试验材料的韧性得到改善。文献[9-11]研究了回火温度对AISI 4140钢力学性能的影响，结果表明，当回火温度由 580 ℃提高到 600 ℃时，材料的冲击韧性得到了明显改善。40CrMoVNbTi钢是在美标AISI 4140或国标42CrMo钢的基础上增加V、Nb、Ti等微合金化而成，但在钢的实际应用中，有时强度与韧性不匹配，力学性能难以达到要求值，因此，研究40CrMoVNbTi钢淬火后不同回火温度对其组织和性能的影响，确定合适的回火工艺，对确定钢的回火具有重要的参考价值。本文研究了40CrMoVNbTi钢780 ℃亚温淬火、不同回火温度对其组织和性能的影响，了解试验钢在回火处理中组织和性能的变化，为40CrMoVNbTi钢回火工艺的优化奠定了基础。

图1 40CrMoVNbTi钢780 ℃淬火和不同温度回火后的力学性能Fig.1 Mechanical properties of the 40CrMoVNbTi steel quenched at 780 ℃ and tempered at different temperatures

1 试验材料及方法

试验用钢牌号为40CrMoVNbTi，其化学成分(质量分数，%)为0.40C、0.26Si、0.90Mn、1.00Cr、0.22Mo、0.03V、0.06Nb、0.03Ti。钢的生产过程为10 t电炉冶炼+真空处理(VD)，铸成钢锭，铸锭开坯，加热锻造成101 mm×101 mm×203 mm方料。力学性能试样取于该方料，拉伸试样切割成φ10 mm×100 mm圆棒，之后机械加工成φ6 mm标准短拉伸试样；冲击试样线切割加工为10 mm×10 mm×55 mm带V型缺口，缺口深度2 mm。经测定40CrMoVNbTi钢的相变温度Ac1为710 ℃，Ac3为820 ℃，前期试验780 ℃淬火综合性能最好，故淬火加热温度选为780 ℃，属于亚温加热，保温30 min后油冷，然后进行不同温度回火，回火温度分别为200、300、400、500、600、700 ℃，回火时间为90 min。拉伸试验使用DDL300电子万能试验机；冲击试验使用JBD-300型摆锤式冲击试验机。组织观察侵蚀液为4%的硝酸酒精溶液，试样组织观察在NIKON ERIHOT-300型光学显微镜上进行，并用XRD-6000型X射线衍射仪进行物相分析。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

图1为40CrMoVNbTi钢780 ℃淬火和不同温度回火后的力学性能变化曲线。可以看出，淬火后抗拉强度(图1(a))随回火温度的提高，呈下降趋势，100 ℃ 回火时材料的抗拉强度最高，为2260 MPa；700 ℃回火时棒料的抗拉强度最低为820 MPa。试验钢的抗拉强度出现这种变化的原因是200 ℃以下回火，组织主要是回火马氏体和残留奥氏体，回火马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体，具有很高的强度和硬度；超过200 ℃回火时，随着回火温度的升高，马氏体发生碳原子的偏聚，有碳化物析出，减少了马氏体组织中碳含量，降低碳及合金元素的固溶强化效果，强度下降；超过500 ℃回火时，马氏体发生分解转变为回火索氏体组织，铁素体发生了回复与再结晶，形成粒状铁素体，回火组织向平衡组织转变，强度下降。随着回火温度的升高，试验钢的断面收缩率(见图1(b))和伸长率(见图1(c))呈上升的趋势。100 ℃回火时试验钢的断面收缩率和伸长率最低，分别为36.5%和10.0%；550 ℃回火时棒料的断面收缩率58.5%，伸长率17.6%；700 ℃回火时棒料的断面收缩率和伸长率最高，分别为66.8% 和23.0%。断面收缩率及伸长率出现这种变化的原因是，随着回火温度的升高，马氏体逐渐分解，碳化物析出，马氏体基体韧性提高，当基体达到平衡组织时，粒状组织有比较高的塑韧性。从冲击吸收能量随回火温度变化的曲线(图1(d))可以看出，不回火的冲击吸收能量值最低，为9.7 J；100 ℃回火时，冲击吸收能量有所增加，为11.0 J；200 ℃回火时冲击吸收能量上升为23.8 J，出现第一个峰值。超过200 ℃回火，冲击吸收能量下降，300 ℃回火时冲击吸收能量值降为9.9 J，超过300 ℃回火冲击吸收能量值增加，550、600、700 ℃回火时，试验钢的冲击吸收能量值分别为94.0、123.0和160.3 J，700 ℃时达到最大。冲击吸收能量值出现这种变化的原因为：不回火时，淬火态组织为马氏体，内应力大，脆性大，冲击吸收能量最低；200 ℃ 回火时，组织中析出细小的碳化物并降低了内应力，形成回火马氏体，韧性有所提高；300 ℃回火时，组织中残留奥氏体分解，马氏体界面出现奥氏体分解产物，脆性增加，出现了第一类回火脆性；超过400 ℃ 回火时，碳化物不断析出并粒状化，形成回火屈氏体及回火索氏体，冲击吸收能量值提高。

图2 40CrMoVNbTi钢780 ℃淬火不同温度回火后的冲击断口形貌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 冲击试样断口形貌观察

图2为780 ℃淬火和不同温度回火后的冲击试样断口裂纹扩展区扫描电镜形貌照片。可以看出，200 ℃回火冲击试样断裂机制为韧窝和准解理断裂，说明试验材料具有一定的韧性。300 ℃回火冲击试样断口断裂机制主要为解理和沿晶断裂，为脆性断裂特征，说明试验材料的冲击性能较低，呈现回火脆性。500 ℃以上回火冲击试样断口存在大量韧窝，断裂机制为典型的韧性断裂特征，说明韧性较高。

2.3 物相分析及组织观察

图3和图4是40CrMoVNbTi钢780 ℃油淬和不同温度回火后的XRD图谱和显微组织。从图3中可以看出，淬火态及200 ℃回火的物相主要有铁素体峰与奥氏体峰，说明淬火态的组织为马氏体和残留奥氏体组织，200 ℃ 回火的组织也为回火马氏体和残留奥氏体组织。500 ℃和700 ℃高温回火试样的X射线衍射峰主要为铁素体峰和少量的碳化物峰，无奥氏体峰，说明残留奥氏体分解，随回火温度的升高，碳化物粒状化聚集长大，组织为回火索氏体。

图3 40CrMoVNbTi钢780 ℃淬火不同温度回火后的XRD衍射图谱Fig.3 XRD diffraction patterns of the 40CrMoVNbTi steel quenched at 780 ℃ and tempered at different temperatures(a) 淬火态(as-quenched)； (b) 200 ℃； (c) 500 ℃； (d) 700 ℃

图4 40CrMoVNbTi钢780 ℃淬火不同温度回火后的显微组织Fig.4 Microstructure of the 40CrMoVNbTi steel quenched at 780 ℃ and tempered at different temperatures(a)淬火态(as-quenched); (b) 200 ℃; (c) 300 ℃; (d) 400 ℃; (e) 500 ℃; (f) 550 ℃; (g) 600 ℃; (h) 650 ℃; (i) 700 ℃

结合图3和图4可以看出，40CrMoVNbTi钢780 ℃油冷不回火时，由于是亚温淬火，淬火组织应为马氏体、铁素体和残留奥氏体组织(图4(a))，从组织形态可以看出，马氏体组织为板条状灰白色马氏体和针片状深黑色马氏体的混合，铁素体呈白色的小块状分布。200 ℃回火的显微组织为回火马氏体、铁素体和残留奥氏体组织(图4(b))，组织形貌和不回火组织类似，不同的是马氏体组织发生分解，有细小的分解产物。300 ℃及400 ℃回火时，组织中马氏体发生分解，已没有板条状马氏体的形貌，马氏体基体上分解出大量细小的碳化物颗粒，形成回火屈氏体组织，少量铁素体呈颗粒状分布。500～700 ℃回火，和400 ℃回火组织比较，随回火温度的提高，马氏体分解产物长大并粒状化，铁素体基体上分布粒状渗碳体，组织为回火索氏体，见图4(e～i)。

3 结论

1) 40CrMoVNbTi钢780 ℃亚稳淬火，随回火温度的提高，强度呈下降趋势，塑性指标呈上升的趋势。200 ℃回火40CrMoVNbTi钢的抗拉强度为2150 MPa，KV2为23.8 J；550～600 ℃回火时的抗拉强度为1190～1070 MPa，KV2为94.0～123.0 J，力学性能满足AISI 4140钢力学性能要求，且具有较好的韧性。300 ℃回火出现回火脆性，冲击吸收能量值最低。

2) 780 ℃油冷并200 ℃回火组织为回火马氏体和残留奥氏体，冲击试样断口断裂特征为准解理和韧窝，300 ℃回火冲击断口呈准解理和沿晶断裂，500 ℃以上温度回火形成回火索氏体组织，冲击断口断裂特征为典型的韧窝特征，为韧性断裂机制。