滚动信息2

摘要：42CrMo钢作为重载机械装备的关键结构材料，优化其回火工艺以提升综合力学性能，对满足极端工况下的服役需求具有重要工程价值。本文以42CrMo钢为研究对象，采用低温回火处理，通过拉伸和扭转试验系统对比了回火处理前后的力学性能变化规律。结果表明，低温回火可在提高材料拉伸强度的同时改善其扭转塑性，实现了拉伸与扭转性能的良好匹配，为该钢的热处理工艺优化提供了数据支撑。

关键词：42CrMo钢；回火工艺；拉伸性能；扭转性能；力学性能演变

引言

42CrMo钢作为一种典型的中碳铬钼合金结构钢，因其优异的淬透性、高强度与良好韧性的配合，被广泛应用于制造要求高强度和高韧性的重载机械部件，如矿山机械齿轮、石油钻采设备、轴类零件以及高强度螺栓等[1]。其卓越的综合力学性能主要通过调质处理获得，调质处理通常涉及淬火加回火的组合工艺，其中回火作为调质处理的关键环节，不仅决定了42CrMo钢最终的组织形态，更直接决定了其力学性能的优劣与匹配程度[2]。回火过程的本质是淬火马氏体的分解、残余奥氏体的转变以及碳化物的析出、聚集和球化过程。这一系列的组织演变可显著改变材料的强度、塑性和韧性，且对拉伸性能与扭转性能的影响往往呈现不同甚至相反的变化规律[3]。

近年来，针对42CrMo钢回火工艺的系统性研究取得重要进展。蒋一鸣等对42CrMo钢进行调质处理，研究了660、680、700、720 ℃回火温度对其组织和硬度的影响[4]；窦强将等采用超声疲劳试验，研究了不同回火温度对汽车轴用42CrMo调质钢疲劳性能及裂纹萌生机理的影响[5]；Zafra A等对42CrMo4钢淬火并不同温度回火，系统研究了氢对拉伸力学性能的影响[6]；Sackl S等对42CrMo4钢进行短时高温回火，分析了显微组织演变的影响规律[7]。

然而目前研究存在显著局限性：现有的大部分研究集中于回火温度对42CrMo钢的影响，对于回火前后力学性能的对比研究还有待深入。因此本研究通过系统的试验设计，着重考察回火工艺前后42CrMo钢在拉伸性能、扭转性能等方面的演变规律，旨在建立工艺－性能的定量关联模型，为高参数化条件下42CrMo钢的精确热处理提供理论指导。这一研究对满足航空航天、深海装备等极端工况对材料性能的严苛要求具有重要工程意义。

1.试验材料、设备与方法

试验材料为按GB/T 228-2002规定加工成标准试件的42CrMo钢，其标距段直径d₀=10mm，原始标距长度L₀=5d₀。本研究通过拉伸试验和扭转试验探究力学性能演变规律，进行拉伸试验的设备是电子万能材料试验机，进行扭转试验的设备是扭转试验机。

2.试验结果与分析

2.1拉伸试验结果与分析

利用微机控制电子万能试验机对标准试样进行拉伸，通过载荷传感器和引伸计实时采集数据并绘制应力-位移曲线；基于该曲线提取关键节点进行定量分析，获得了屈服强度、抗拉强度及塑性指标，为回火前后力学性能对比提供了数值依据。如图1、表1所示。

由图1和表1可知，回火处理后42CrMo钢的强度指标显著提高，屈服强度由752 MPa提高至776 MPa，抗拉强度由875 MPa提高至893 MPa，最大力由68.8 kN提高至70.1 kN，表明回火处理有效增强了材料抵抗塑性变形的能力与极限承载能力。同时，规定塑性延伸强度由707 MPa提高至712 MPa，进一步表明材料在常规工程变形条件下的承载能力得到增强。最大力总伸长率由17.5%降至16.5%，均匀塑性变形能力略有下降，拉伸曲线中颈缩阶段载荷陡然下降，表明材料达到抗拉强度后断裂韧性降低，塑性有所损失。综合来看，回火处理使42CrMo钢呈现“强度显著提高、塑性略有下降”的典型特征，实现了以小幅塑性损失换取强度提升的回火强化效果

2.2扭转试验结果与分析

利用扭转试验机标准试样加载，由扭矩传感器和角度编码器实时采集扭矩与转角数据并绘制扭矩-转角曲线；基于该曲线提取关键节点进行定量分析，获得了屈服强度、抗扭强度及非比例扭矩等力学性能参数，为回火前后对比提供了数值依据。如图2、表2所示。

由图2和表2可知，回火处理后42CrMo钢的扭转强度指标整体呈下降趋势：屈服强度由310.0 MPa降至260.0 MPa，抗扭强度由420.0 MPa降至390.0 MPa，规定非比例扭矩由49.47 N·m降至46.24 N·m，表明回火处理在一定程度上降低了材料抵抗扭转变形与极限承载的能力。同时，最大非比例切应变由1570.00%增至1600.00%，剪切塑性变形能力略有提高。结合拉伸试验结果分析，回火处理使42CrMo钢呈现拉伸强度提高而扭转强度降低的演变特征，为该材料在拉扭复合工况下的工程应用提供了重要的性能依据。

结论

本研究对回火前后42CrMo钢分别进行了拉伸与扭转试验，系统对比分析了力学性能的演变规律，并结合应力-位移曲线和转角－扭矩曲线进行了定量表征。主要结论如下：

1.拉伸性能：经低温回火处理后，42CrMo钢的拉伸强度显著提高。上、下屈服强度由752 MPa提高至776 MPa，抗拉强度由875 MPa提高至893 MPa，规定塑性延伸强度亦略有增加。同时，最大力总伸长率（Agt）由17.5%小幅下降至16.5%。强度的整体提升虽伴随塑性的轻微降低，但有效优化了材料的综合力学性能，使承载能力和抗屈服能力得到增强。

2.扭转性能：经低温回火处理后，42CrMo钢的剪切塑性得到改善。扭转试验测得的抗扭强度与剪切屈服强度出现小幅回落：上屈服强度和下屈服强度由310.0 MPa降至260.0 MPa，抗扭强度由420.0 MPa降至390.0 MPa；而最大非比例切应变由1570.00%增至1600.00%，表明剪切变形能力有所提高。强度与塑性的这种再匹配，有助于降低扭转工况下的突发断裂风险，实现了力学性能的合理平衡。

参考文献

[1] 刘伟,王妍,王佩鑫.42CrMo钢渗碳层相组成及淬透性预测分析[J].天津冶金,2017(04):27-31,59. 

[2] 顾俊杰,秦优琼,陈志林,卢庆华.42CrMo钢高频感应淬火及回火对组织及硬度的影响[J].热加工工艺,2010,39(22):160-162.DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2010.22.037. 

[3] 张度宝,武焕春,李成涛,王力,罗坤杰,方可伟.回火温度对42CrMo4高强钢力学性能及应力腐蚀敏感性的影响[J].材料导报,2021,35(16):16133-16137. 

[4] 蒋一鸣,许诺,沈美辰.回火温度对42CrMo钢组织和硬度的影响[J].河南科技,2020(05):132-133. 

[5] 窦强将,赵子华,聂宝华,马婧,刘柯军,张峥.回火温度对42CrMo钢超高周疲劳行为的影响[J].材料热处理学报,2014,35(S1):175-180.DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2014.s1.032.

 [6] Zafra A, Peral L B, Belzunce J, et al. Effect of hydrogen on the tensile properties of 42CrMo4 steel quenched and tempered at different temperatures[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 734:217-226. 

[7] Sackl S, Eichlseder W, Leitner H, et al. Microstructure and mechanical properties of 42CrMo4 steel after short-time high-temperature tempering[J]. Materials & Design, 2016, 109:442-450.

张世坤，曲彤，邢人群

哈尔滨理工大学(威海)