AISI4140 钢为一种低合金高强度钢，被广泛应用于机械、航空、石油、海洋等低温领域，因其服役环境的特殊性，对该钢的低温冲击韧性要求大多数很苛刻。某公司在我厂订货的AISI4140 锻件的强度和低温冲击韧性指标要求均较高，见表1。为此我厂进行系列试验研究了不同回火温度对力学性能和组织的影响，为实际生产中制定合理的热处理工艺提供理论指导。
化学成分
表1 AISI4140 锻件的技术参数
表2 AISI4140 锻件的化学成分(%)
CCT 曲线及相变临界点的测定
对AISI4140 钢的CCT 曲线及相变临界点进行了测定，为热处理工艺的制定提供参考。随着冷却速度不同，在CCT 曲线中存在三个相变区间：冷却速度慢的“铁素体+珠光体”区、较慢冷速的闭合“贝氏体”区、快冷速的“马氏体”区。获得完全马氏体的临界冷却速度约为600℃/min，获得完全贝氏体的临界冷却速度约为60℃/min，马氏体的Ms 点为362℃。AISI4140 钢的Ac3 为826℃，故选取870℃为淬火温度。
表3 机械性能及金相数据
力学性能和组织性能
在热处理模拟炉中进行不同回火温度的调质模拟试验，为实际生产制定热处理工艺提供参考。热处理工艺：正火温度为905℃，淬火温度为870℃，冷却方式采用水冷，回火温度分别为580 ℃、600℃、620℃、640℃、650℃，热处理工艺曲线如图1 所示。拉伸试样尺寸为φ5mm×60mm 的圆柱形试样，在室温下进行试验。冲击韧性试样尺寸为10mm×10mm×55mm 的夏比V 形缺口试样，试验温度为-18℃，试验结果见表3。
图1 AISI4140 钢热处理工艺曲线
表4 非金属夹杂物评级(级)
夹杂物及断口分析
当回火温度为580℃时，材料的低温冲击韧性不能满足技术要求，取冲击残样进行夹杂物测定和断口分析，结果见表4。通过夹杂物测定结果可以看出，A 类、B 类、DS类夹杂物为0 级，C 类、D 类夹杂物为0.5 级，夹杂物级别总体较低，不是造成低温冲击韧性不合格的原因。为进一步查找造成冲击值低的微观原因，对冲击断口进行了扫描电镜观察和能谱分析，如图2 所示。断口分析：断口纤维区面积小，分布着尺寸较小且浅的韧窝，放射区比例较大，韧窝相对较大且深，放射区为准解理形貌，纤维区和剪切唇所占的比例不大，有较小的侧膨胀，样品冲击韧性相对较好。整体未见明显的冶金缺陷。通过以上分析可知，造成此种热处理工艺下，冲击试样冲击值低的原因不是冶金缺陷造成的。造成冲击值低的原因，可能是碳化物的弥散程度和形态，需进一步进行透射电镜分析。
图2 870℃水冷+580℃回火冲击试样扫描电镜形貌
图3 870℃水冷+580℃回火试样的TEM 分析
图4 870℃水冷+600℃回火试样的TEM 分析
TEM 观察及碳化物形貌分析
图3 为870℃水冷+580℃回火试样的TEM 分析，从图中可以看出，分布有两种类型的碳化物，主要为长条状，尺寸为100nm ～3μm，有一定量的碳化物颗粒，且保留了原来的马氏体位向关系。图4 为870℃水冷+600℃回火试样的TEM 分析，碳化物分布较为均匀，以条状碳化物（100 ～500nm）和颗粒状碳化物(50nm)为主，及少量的大尺寸M7C3颗粒，大长条的碳化物消失。回火温度较低时，碳化物以条状为主，随着回火温度的升高，条状碳化物长宽比减小，向颗粒状碳化物转变。回火温度为580℃时，存在3μm 的条状碳化物；当回火温度提高到600℃以上时，大长条的碳化物基本消失，条状碳化物尺寸基本为500nm 以下，且有部分颗粒状碳化物形成。碳化物形貌由条状转变为细小颗粒状，分布由不均匀到弥散变化这是冲击韧性改善的原因。条状碳化物的存在对于冲击性能非常不利，数量越多，尺寸越长，材料的韧性越差。因此，当回火温度提高到600℃时，材料的冲击韧性得到了明显改善。
结论
⑴AISI4140 钢随着回火温度的升高，材料的强度呈现下降趋势，冲击值呈现上升趋势。⑵大条状碳化物的存在对于冲击性能非常不利，数量越多，尺寸越长，材料的韧性越差。通过透射电镜分析表明，当回火温度由580℃提高到600℃时，大长条的碳化物基本消失，条状碳化物尺寸基本为500nm 以下，且有部分颗粒状碳化物形成，材料的冲击韧性得到了明显改善。⑶当回火温度为600℃时，试验室小试样能同时满足高室温强度及低温冲击韧性要求，为实际锻件制定热处理工艺提供了试验数据。
专项材料研究部，工程师，研究员，主要负责大型锻件的热加工工艺、新材料研发等。
