35CrMo钢管及钢材的热处理技术参数
本文介绍了35CrMo钢拉杆显微组织与性能的关系。研究了带状偏析、网状铁素体、粗大晶粒等组织状态对力学性能的影响。采用金相法分析了钢拉杆校直出现断裂的原因。鉴于原材料存在带状组织偏析，平镦加热组织粗大、铁素体网状分布等组织缺陷，在拉杆淬火加热前应增加一道正火或退火工序。通过细化晶粒，消除网状铁素体和带状组织，可进一步提高拉杆的力学性能。
钢拉杆应用于大型建筑的框架结构。根据技术要求,钢拉杆的抗拉强度sb≥750Mpa,屈服强度ss≥ 550Mpa，伸长率d≥17%,断面收缩率y≥50%,冲击韧度AK≥50J。为了满足强度、延伸率、断面收缩率和冲击功要求，钢拉杆选用35CrMo钢，直径为100mm，长度为6m。拉杆连接采用螺纹连接方式，在钢拉杆的两端，通过加热和平镦工艺使其直径达到120mm。加工好螺纹后，拟选用850℃加热淬火，550℃回火的热处理工艺达到其强度等技术要求。热处理后对该材料的试件进行了拉伸试验和冲击试验,试件的拉伸强度、延伸率、断面收缩率达到技术要求,但冲击韧度不足。另外，在钢拉杆镦粗过程中，出现了弯曲变形。为了校直拉杆，采用1000吨压力机校正时，拉杆在变径处出现断裂，见图１。
图１ 钢拉杆断裂形貌（宏观照片0.5×）
为了寻找失效原因和解决塑性、韧性低的问题，对拉杆的原材料、热处理工艺和热处理前后的金相组织进行了分析。
1．材料与试验方法
1.1原材料化学成分分析
用化学滴定法分析原材料化学成分并对比国家标准GB/T3077，其结果如表1所示。
表１ 35CrMo 钢原材料化学成分（质量分数 ％）
Table 1 chemical composition of 35CrMo steel
C SI Mn Cr Mo S P |
标准成分 0.32-0.40 0.17-0.37 0.40-0.70 0.80-1.10 0.15-0.25 ≤0.035 ≤0.035 化验成分 0.40 0.31 0.55 1.05 0.21 0.008 0.018 |
1.2金相试样制备
用金属带锯机在原材料和平镦后、校直断裂件上取样，取样部位：距中心25mm处沿纵、横截面取样。用Q-100试样切割机在热处理后的试件沿纵、横截面取样。用DMP-3A10自动研磨抛光机制备金相试样，并用硝酸酒精溶液腐蚀出金相组织。
1.3洛氏硬度和显微硬度测量
采用HR150测量零件宏观硬度。
采用MH-6显微硬度计测量显微硬度（载荷砝码200g，保持时间5s）。
1.4拉伸与冲击试验
在原材料上取样，加工出拉伸试样和冲击试样，热处理后，进行拉伸和冲击试验。
2.结果与分析
2.1 原材料显微组织及带状级别判定
取样部位：距中心25mm处，金相观察纵截面金相组织为珠光体与铁素体，呈连续带状分布，带状组织达到５级（按GB/T13299-1991 C系列评级标准）。组织中铁素体晶界清晰可见，珠光体带宽窄不一，见图２。
图２拉杆纵截面金相组织（100×）
横截面金相组织为铁素体＋珠光体，各占约50%，晶粒较粗大。按GB6394-1986晶粒度为4—5级，见图３。
图３拉杆横截面金相组织（100×）
2.2 平镦后校直断裂件显微组织及带状级别判定金相观察表明，试样纵、横截面金相组织基本相同，铁素体在珠光体周围成网状分布，并有轻微的魏氏组织，按GB/T13299-1991评级标准为1级，珠光体为细片状,且组织粗大。试样纵、横截面的晶粒度均为2级。见图4。
图４ 断裂件金相组织（100×）
2.3 直接淬火＋回火试件金相分析
对原材料未加任何处理直接加热850°C淬火,经550℃回火,观察金相组织有明显的颜色差别，试样的纵截面有带状组织偏析痕迹，黑白带状区域分明，见图５。试样的横截面也有明显的块状黑色组织分布痕迹。白区保留明显的马氏体位向，显微硬度为287HV（30HRC）（载荷200g，保持时间5s） 黑区无马氏体位向，显微硬度362HV（39HRC）。
图５淬火＋回火后试样金相组织（100×）
2.4 正火+淬火及回火试件的金相分析
将有带状组织的原材料进行正火处理，正火后的金相组织为等轴晶粒的铁素体和珠光体，晶粒度6级。采用加热850°C淬火,经550°C回火后得到均匀的索氏体组织，形貌见图６。显微硬度362HV（39HRC）。
图６正火+淬火+回火后的试件金相形貌（500×）
2.5 拉伸和冲击试验结果
在原材料上取样，加工出拉伸试样和冲击试样，热处理后（直接淬火及回火，正火＋淬火＋回火）进行拉伸和冲击试验。
表2试样热处理后拉伸与冲击实验数据（平均值）
Table 2 Experimental data on pull test and impact test of the samples after heat treatment (average data)
工艺 sb ss d5 y AK 编号 Mpa Mpa % % J |
1 750 550 17 50 50 2 820 615 17.5 60 40 3 1200 950 18 65 100 |
注：1；钢拉杆的技术要求2直接淬火及回火试样；
3.正火＋淬火＋回火试样
３．讨论
35CrMo钢在高温下具有高的持久强度和蠕变强度，低温韧性好，具有高的静强度、冲击韧性和较高的疲劳强度，淬透性良好，无过热倾向，淬火变形小，冷变形时塑性尚可，切削性能一般，但有第一类回火脆性。焊接性能不好。
3.1 该钢拉杆原始组织沿轧制方向(试样的纵截面)存在较严重的带状组织。该状态对材料的塑性和韧性有较大的影响（各向异性）。直接淬火和回火后，试样的纵截面仍保留明显的带状特征，黑白条状区域明显（图５），组织显微硬度出现差异。根据组织形貌和显微硬度可断定，出现黑、白区是碳浓度分布不均匀，从而造成硬度不同。这表明直接采用淬火回火工艺并不能消除带状缺陷，并对性能会产生不利的影响。试验表明，在淬火前增加一道正火工序，可消除带状缺陷(图6)。
3.2 校直过程中，钢拉杆变径处断裂主要由于平镦前局部加热温度过高（工件表面氧化皮严重），造成组织粗大，晶粒度达到2级，脆性增大。组织中铁素体呈网状分布（图４），有轻微的魏氏组织形貌，使得晶粒间的强度大大降低，校直时造成沿晶断裂，图１中结晶状断口形貌可以证实这一点。出现此类情况，应采用细化晶粒的退火或正火处理加以解决。
3.3 该材料直接淬火后550℃回火，抗拉强度820Mpa，冲击功仅40J。通过正火处理，消除了带状组织，细化了晶粒。淬火＋回火后，材料抗拉强度达到1200Mpa, 冲击功达到100J，满足了技术要求。
４．结论
本文所研究的原材料带状组织偏析严重，使材料承载能力具有明显的方向性。原始材料存在带状组织缺陷，调质处理前不进行消除带状组织处理，冲击功不能满足技术要求。平镦前局部加热温度过高，组织中铁素体呈轻微的魏氏组织形貌网状分布，使得晶粒间的强度大大降低，脆性明显增大，是校直时造成了沿晶断裂的主要原因。平镦后增加正火工艺，细化了晶粒、消除了网状铁素体和带状组织，再经调质处理，提高了材料的力学性能，满足零件技术要求。
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