合金鋼中的相變

1、 第三章第三章 合金鋼中的相變合金鋼中的相變第一節(jié) 合金元素對奧氏體形成的影響第二節(jié) 合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響第三節(jié) 合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響一、合金鋼的加熱合金鋼的加熱A A化化（Austeniting of alloy steel）第一節(jié)第一節(jié) 合金元素對奧氏體形成的影響合金元素對奧氏體形成的影響一、K K在在A A中的溶解規(guī)律中的溶解規(guī)律( Rule of K dissolution )K溶解影響到鋼熱處理工藝的制定，決定了鋼的組織與性能。基本規(guī)律：1）K穩(wěn)定性越好，溶解度就越小，如圖4。2）溫度，溶解度， 沉淀析出；3）A中有較弱的K形成元素，則會(huì)C活度（ac），K的溶解；

2、非K形成元素（如Ni）則相反，ac，K的溶解。如：較多Mn的存在使VC的溶解溫度從1100降至900。4）K穩(wěn)定差的先溶解。Mn、Cr的K先溶解，V、Ti的K后溶解。如：MC型的溶解溫度 11001150，M7C3、M23C6 950。二、A A體的均勻化（體的均勻化（Average austenitingAverage austeniting） A體剛形成時(shí)，C和Me的分布是不均勻的 一般鋼的處理都要求有一定的均勻化。合金鋼加熱均勻化不僅是間隙原子C，置換原子Me也要比較均勻。因?yàn)镸e擴(kuò)散比C慢得多， A體均勻化時(shí)間比較長，所以合金鋼加熱處理時(shí)的保溫時(shí)間比較長。三、A A體晶粒長大（體晶粒長

3、大（Austenite grain growthAustenite grain growth） 鋼在高溫情況下，A體晶粒容易長大。所謂鋼過熱敏感性就是晶粒長大問題。晶界呈 形狀是穩(wěn)定態(tài)，它總是力圖向這方向進(jìn)行，球形的第2相要比其它形狀的要穩(wěn)定，所以鋼中的第2相也要不斷地向球形轉(zhuǎn)變。（烏龜殼、蜜蜂窩呈 ，什么原因）鋼加熱剛形成A時(shí)，晶粒形狀是不穩(wěn)定的，為降低系統(tǒng)的表面能，晶粒會(huì)長大，這是一個(gè)自發(fā)過程。 MeMe的作用（的作用（Effect of Me on grain growthEffect of Me on grain growth）：）：1）強(qiáng)K形成元素Ti、Nb、V，W、Mo晶粒長大，

4、有K存在和（或） DFe ；2）C、N、B晶粒長大 DFe （Fe原子間結(jié)合力）；3）Mn在低C鋼中有細(xì)晶作用，其它鋼中都晶粒長大；4）用Al脫氧的鎮(zhèn)靜鋼是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 AlN、Al2O3穩(wěn)定細(xì)小 晶粒長大。5）Ni、Co、Cu作用不大。思考題：思考題：9、合金鋼的熱處理工藝與C鋼相比有什么不同? 第二節(jié)第二節(jié) 過冷過冷A A體的分解體的分解(Sub-cooling (Sub-cooling austenite decpmposition)austenite decpmposition)一、過冷一、過冷A A體的穩(wěn)定性（體的穩(wěn)定性（Sub-cooling austenite Sub-cooli

5、ng austenite steadinesssteadiness）不同合金成分的“C”曲線形狀是不同的。按照不同的影響，可分為三類：1）非K形成元素Ni、Si和弱K形成元素Mn，大致保持C鋼的“C”曲線形狀，只是使“C”曲線向右作不同程度的移動(dòng)；2）非K形成元素，不改變“C”曲線，但使“C”曲線左移；3）K形成元素，不僅使“C”曲線右移，并且改變了“C”曲線形狀。Me的不同作用，使“C”曲線出現(xiàn)了不同形狀，大致有五種（如圖5所示）：a) 只有一個(gè)過冷A體最不穩(wěn)定的鼻子區(qū)，如：Ni、Si、Mn；圖5a)b) 出現(xiàn)二個(gè)過冷A區(qū)最不穩(wěn)定的鼻子區(qū)，如：Cr、Mo、W、V等，GCr15、42CrMo是

6、典型例子；圖5b)c) 只有P轉(zhuǎn)變區(qū)，如Cr元素，不銹鋼2 Cr13；圖5c)d) 只有B轉(zhuǎn)變區(qū)，如W、Mo元素，鋼34CrNi3Mo；圖5d)e) 無P、B轉(zhuǎn)變區(qū)，如Ni、Mn，不銹鋼1Cr18Ni9；圖5e)n過冷A體穩(wěn)定性實(shí)際上有兩個(gè)意義：孕育期（incubation period）和相變速度。即“C”曲線中恒溫下開始轉(zhuǎn)變前的時(shí)間和轉(zhuǎn)變開始和終了的水平距離（時(shí)間）。一般生產(chǎn)中主要關(guān)心的是孕育期。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長大。二、過冷過冷A A體的體的P P、B B轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變(Sub-cooling austenite PB transformatio

7、n)在C鋼中P轉(zhuǎn)變形成的是Fe3C，只需要C的擴(kuò)散。而含K形成元素的合金鋼發(fā)生P轉(zhuǎn)變時(shí)，形成的是合金滲碳體或特殊K，還需要Me的擴(kuò)散。綜合影響的順序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 。除Co、Al外，Me只要能溶入A體，都能推遲過冷A體向P體的轉(zhuǎn)變。貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，只有C原子作短程擴(kuò)散，Me幾乎沒有擴(kuò)散。相變形成的是合金滲碳體，Me含量和A中的平均含量相近。所以，Me的作用主要是影響了相變驅(qū)動(dòng)力和C 的擴(kuò)散能力DC 。影響的順序：Mn、Cr、Ni、Si 。而W、Mo、V等元素的影響很小。由以上分析可知；設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上如需要獲得貝氏體組織，應(yīng)選用含Mo、W元素的鋼種。各種Me對Ms位置的影響程度是

8、不同的。簡單地可用圖6所示的熱力學(xué)理論來解釋：由于Me對A、M的自由能相對變化作用不同，從而改變了T0的位置，也影響了Ms位置。1）當(dāng)GA（A1線），T0 ，如：Mn、Cr、Ni；2）當(dāng)GM ，又GA （M1和A1線），T0 ，如：C ；3）當(dāng)GA（A2線） ，T0 ，如：Al、Co 。 所以，除了Al、Co外，所有Me加入A體中，都會(huì)使Ms，作用的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篊、Mn、Ni、Cr、Mo、W 。n思考題：思考題：10、A形成元素?cái)U(kuò)大區(qū)，穩(wěn)定A體，F(xiàn)形成元素縮小區(qū)，但除了Co、Al等少量元素外，幾乎所有Me都使“C”曲線右移，起了穩(wěn)定過冷A體的作用，如何理解?11、Me使“C”曲線右移，即使所謂

9、的“孕育期”變長，“孕育期”的物理意義是什么?12、W、Mo等元素對貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大，而對珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用大，如何理解?13、對一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其MS點(diǎn)不能太低，為什么? 第三節(jié)第三節(jié) 合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響一、M M分解分解 二、回火時(shí)二、回火時(shí)K K的形成的形成三、A AR R的轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變四、對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響四、對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響回火溫度的升高回火組織發(fā)生變化、體積發(fā)生變化、硬度回火溫度的升高回火組織發(fā)生變化、體積發(fā)生變化、硬度 （馬氏體比容最大）（馬氏體比容最大）回火馬氏體回火屈氏體回火索氏體回火馬氏體回火屈氏體回火

10、索氏體 T 一、對一、對M M分解的影響分解的影響低溫回火時(shí)，低溫回火時(shí)，C C和和MeMe的擴(kuò)散比較困難，的擴(kuò)散比較困難，MeMe的影響不大。的影響不大。中溫以上，中溫以上，MeMe的活動(dòng)能力增強(qiáng)，對的活動(dòng)能力增強(qiáng)，對M M體分解產(chǎn)生不同程度體分解產(chǎn)生不同程度的影響：的影響：1 1）NiNi、MnMn的影響很小；的影響很?。? 2）K K形成元素阻止形成元素阻止M M分解，阻止了滲碳體的析出長大；分解，阻止了滲碳體的析出長大；3 3）SiSi比較特殊：比較特殊： 300FeFe、C C。 含含2% Si2% Si能使能使M M分解溫度從分解溫度從260260提高到提高到350350以上。以上

11、。二、提高殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍二、提高殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍二次淬火：在二次淬火：在K K形成元素含量較高的合金鋼中，形成元素含量較高的合金鋼中，r rR R量較多量較多, ,隨著回隨著回火溫度的升高，不斷有火溫度的升高，不斷有K K析出，析出， r rR R 中中C C及及MeMe貧化，貧化，MsMs點(diǎn)升高。若點(diǎn)升高。若重新冷卻，部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使硬度增加。重新冷卻，部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使硬度增加。三、特殊三、特殊K K形成形成 沉淀硬化（二次硬化）：在高合金鋼中，由于沉淀硬化（二次硬化）：在高合金鋼中，由于TiTi、V V、MoMo、W W等在等在50050060

12、0600度范圍內(nèi)回火時(shí)，將沉淀析出這些元素的特殊度范圍內(nèi)回火時(shí)，將沉淀析出這些元素的特殊K K，因此硬度不但，因此硬度不但不下降，反而再次升高。不下降，反而再次升高。四、對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響四、對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響 大部分大部分MeMe延緩鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的過程。延緩鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的過程。CoCo、MoMo、W W、CrCr、V V顯著提高，顯著提高，SiSi、MnMn次之，次之，NiNi較小。較小。第四節(jié)第四節(jié) 合金元素對回火脆性的影響合金元素對回火脆性的影響 （ Tempered brittleness Tempered brittleness ）1 1、第、第1 1類回火脆性類

13、回火脆性 （低溫回火脆性，不可逆回火脆性）（低溫回火脆性，不可逆回火脆性）特征：特征：不可逆；不可逆；與回火后冷速無關(guān)；與回火后冷速無關(guān)；晶界脆斷。晶界脆斷。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：200-350200-350時(shí)，時(shí)，F(xiàn)eFe3 3C C薄膜在晶界形成，薄膜在晶界形成， 晶界強(qiáng)度；晶界強(qiáng)度；雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素P P、S S、BiBi等偏聚于晶界，等偏聚于晶界，晶界強(qiáng)度。晶界強(qiáng)度。MeMe作用：作用：MnMn、CrCr促進(jìn)脆性；促進(jìn)脆性； V V、AlAl可改善脆性；可改善脆性； SiSi推遲脆性溫度區(qū)。推遲脆性溫度區(qū)。 2 2、第、第2 2類回火脆性類回火脆性( (高溫回火脆性，可逆回火脆性）高溫回火脆性，可逆回火脆性）特征：特征：可逆；可逆；回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；晶界脆斷。晶界脆斷。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：450-650450-650時(shí)，雜質(zhì)元素時(shí)，雜質(zhì)元素SbSb、S S、AsAs等偏聚于晶界；等偏聚于晶界；或或N N、P P、O O等雜質(zhì)元素偏聚于晶界，形成網(wǎng)狀或片狀化合物，等雜質(zhì)元素偏聚于晶界，形成網(wǎng)狀或片狀化合物，晶界強(qiáng)度。高于回火脆性溫度，雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散離開了晶界，晶界強(qiáng)度。高于回火脆性溫度，雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散離開了晶界，或化合物分解了；快冷是抑制了雜質(zhì)元素的擴(kuò)散。或化合物分解了