鋼的熱處理和不銹鋼的組織

1、鋼的熱處理鋼熱處理后，根據(jù)熱處理種類和材料的不一樣，組織組成物可能 是一種或多種。如馬氏體，馬氏體 +殘余奧氏體，單一珠光體，單一 奧氏體，鐵素體 +珠光體，鐵素體 +馬氏體 +碳化物等等。金相觀察時，首先要判斷被觀察組織中有幾種組織組成物，是 單一組成物，還是兩種或多種組成物。在組織組成物中，某一組成物可以是單一相，如鐵素體或奧氏 體等單相； 也可以是兩相或多相混合組成或化合物， 如珠光體是鐵素 體與滲碳體的機械混合物，各種碳化物等。不同的組成物有不同的形態(tài)特征，利用這些特征可以快速的識 別：不同的組成物受溶液浸蝕的程度不同， 使得其在金相顯微鏡下具 有不同的明暗程度或不同的色彩差； 不同組

2、成物形成的先后順序不一 樣，其形態(tài)也不一樣，最先形成的總是從奧氏體晶界開始形核；各組 成物形成的原理不一樣， 形態(tài)也有差異。 通過這些就可以判別被觀察 物的組成種類。 大多數(shù)情況下， 能夠觀察到幾種不同明暗程度或幾種 形態(tài)不同的部份，就可以判定有幾種組成物。2.觀察形態(tài)組織組成物的形態(tài)是我們判別組成物的極其重要的依據(jù)之一。 一些特定組織具有極顯著的特征， 如典型的珠光體具有層片狀 （或稱 指紋狀）特征，一看就知道是珠光體；羽毛狀物是上貝氏體 。白色的 塊狀物不是鐵素體就是奧氏體或碳化物， 黑色針狀物不是馬氏體就是 下貝氏體， 沿晶分布的白色塊狀或針狀肯定是鐵素體或碳化物（滲 碳體）兩者之一等等

3、 。要觀察組織物是片狀、針狀、塊狀、顆粒狀、條狀、網(wǎng)狀或者 是其它什么形狀。有時，還要精細觀察是單一相還是復合相。在觀察中要注意試樣的浸蝕程度，只有合理的浸蝕，各種組織 才會正確的顯現(xiàn)出來，同時，制樣也很關鍵，錯誤的制樣可能導致對 組成物的錯誤判斷。 由于制樣和浸蝕問題， 導致的判斷錯誤在新手中 屢見不鮮。在觀察中還要注意，對于觀察到的白色或黑色物，不要輕易就 認為是一種組成物。 對于白色的可能是奧氏體或鐵素體， 更有可能是 碳化物；對于黑色物，可能由于其極其細密，在常規(guī)倍數(shù)下觀察根本 無法分開。3.組成物的分布組成物的分布特點是識別組成物的重要根據(jù)，不同的組成物具 有不同的分布特點，一般是指

4、其分布于母相的晶界或晶內。在觀察到的組織中，凡是呈網(wǎng)絡狀分布（不管是封閉網(wǎng)狀或是 斷續(xù)網(wǎng)狀或略有呈網(wǎng)狀的趨勢） 的都是沿晶界分布， 其余的都是分布 于晶內。要注意的是， 有時沿晶析出物很少時， 不易看出是沿晶分布， 此時可以縮小放大倍數(shù)，觀察其分布趨勢，從而作出正確判斷。當組 成物很多時，也不易識別， 此時只能根據(jù)組織組成物的特征，并輔以 其它方法加以識別。二、理論分析理論分析在分析熱處理組織時，是不可缺少的。很多組織不利 用理論分析就容易得出不正確的結論。 理論分析是利用過冷奧氏體的 轉變原理，結合具體的熱處理工藝， 對可能出現(xiàn)的組織加以分析判斷。1. 分析可能出現(xiàn)的組織組成物加熱溫度在 A

5、c3 或 Accm 以上時，鋼完全變成單一奧氏體，若 低于上述溫度， 將出現(xiàn)未溶鐵素體或未溶碳化物 （平常所說的加熱不 足）。此兩種單相組織在室溫下屬于穩(wěn)定組織，因此，冷卻時該類組 織得以保留而不發(fā)生轉變， 即高溫下是什么形態(tài)， 冷卻下來時也是什 么形態(tài)。從鋼的 C 曲線可以看出：鋼在冷卻時，先發(fā)生先共析轉變（析 出先共析相），再發(fā)生共析轉變（析出珠光體） ，接著發(fā)生貝氏體和馬 氏體轉變。具體發(fā)生什么組織轉變，以鋼的實際冷卻速度是如何穿過 C 曲 線的來確定。若冷卻時穿過先共析轉變區(qū)，即發(fā)生先共析轉變；若同 時越過先共析區(qū)和共析轉變區(qū)， 就發(fā)生先共析轉變和共析轉變， 得到 珠光體或珠光體加鐵素

6、體或滲碳體組織， 就是通常所說的正火、 退火 工藝；若大于臨界冷卻速度， 得到的就是馬氏體和 （或）貝氏體組織， 這就是通常所說的淬火所期望得到有組織。 總之，冷卻時越過幾個轉 變區(qū)，就得到相應的組織， 區(qū)別在于在該區(qū)的停留時間，決定在該區(qū) 域組織轉變量的多少。但是，無論在先共析區(qū)停留多長時間，都不可 能全部轉變?yōu)橄裙参霎a(chǎn)物；同樣，對于大多數(shù)鋼來說，無論怎樣快速 的達到馬氏體轉變區(qū)，都不可能全部獲得馬氏體。因此，結合具體的熱處理工藝，可以判定組織組成物；同時，根據(jù)組織組成物，可以判 定熱處理冷卻工藝過程。 因此，金相分析必須要對過冷奧氏體的轉變條件以及具體條件 下轉變產(chǎn)物有清醒的認識。2. 注

7、意成份偏析所導致的轉變產(chǎn)物的差異 鋼中的成份偏析是不可避免的， 特別是鑄件。 局部區(qū)域的碳含量 偏高或偏低、部份合金元素的聚集，都有可能出現(xiàn)反常組織，甚至于 出現(xiàn)意想不到的組織。如本版 “追求卓越 ”關于鑄鋼熱處理后的金相 組織一貼中 ZG310-570 出現(xiàn)貝氏體類組織就是由于成份偏析所致， 因為從理論上說， ZG310-570 是不可能發(fā)生貝氏體轉變的。 此時就要 會識別貝氏體， 同時對貝氏體產(chǎn)生的原因加以分析， 否則就會出現(xiàn)不 正確的判斷。軋制鋼中出現(xiàn)的帶狀組織也是成份偏析的結果。3. 同一形態(tài)的組織組成物的識別同一形態(tài)的組織組成物，由于其得到的方式不一樣，其組織是 不一樣的。1）白色的

8、小塊狀物 在淬火組織中，出現(xiàn)白色的小塊狀物，有可能是鐵素體，也有 可能是碳化物，還有可能是殘余奧氏體，甚至幾者都有。在亞共析碳鋼中，出現(xiàn)白色塊狀物，只能是鐵素體或（和）殘 余奧氏體（若碳含量低于 0.4%，只能是鐵素體）。但殘余奧氏體是過 冷奧氏體轉變后的剩余產(chǎn)物， 因此其只能分布于馬氏體針的間隙。 鐵 素體由于形成條件不同而具有不同的分布形態(tài)： 加熱不足形成的未溶 鐵素體，其分布多呈彌散分布的碎塊狀； 冷卻速度不足形成的先共析 鐵素體，常呈網(wǎng)狀或斷網(wǎng)狀，有時由于數(shù)量極少，還不容易發(fā)現(xiàn)其有 向網(wǎng)狀發(fā)展的趨勢。2）白色基體上分布著白色的顆粒狀物此類組織有三種可能： 粒狀貝氏體、 粒狀珠光體和回火

9、珠光體。 此時同樣要根據(jù)材料和具體的冷卻方式加以判斷。 若此材料根本不可 能發(fā)生貝氏體轉變，則不會是粒狀貝氏體； 若是球化退火或等溫退火， 則可能是粒狀珠光體；若回火溫度較高達 700C左右，則可能是回火 珠光體。因此，要結合熱處理工藝，并參照其它組織其進行識別。3）回火后的黑色針狀物回火后的黑色針狀物是回火馬氏體或貝氏體。要根據(jù)回火溫度 和化學成份，并對針狀物進行精細觀察，才能作出判定。切忌晃眼一 看組織就輕率作出結論。一）不同元素對不銹鋼組織和相的影響 對于馬氏體型鉻不銹鋼來說，對組織產(chǎn)生主要影響的元素有鉻、 碳和鉬；對馬氏體型鉻鎳不銹鋼來說， 產(chǎn)生主要影響的元素有鎳、 鉬、 鋁、鈷、氮和

10、鈦等。馬氏體型鉻鎳不銹鋼中由于所含的鉻與碳發(fā)生交互的作用，使其在高溫下形成穩(wěn)定的r相區(qū)和穩(wěn)定的a+r相區(qū)。碳量的增加可使r 相區(qū)得到擴大， 但是隨著鉻含量的增加碳的溶解極限下降。 馬氏體型 鉻鎳不銹鋼中添加鎳解決了馬氏體型不銹鋼為提高其耐蝕性以犧牲 鋼的硬度為代價的問題。 但是其中的鎳含量不易過高， 否則由于鎳擴 大奧氏體相區(qū)和降低 Ms 溫度而使不銹鋼變成奧氏體型不銹鋼，從而 完全喪失淬火能力。影響鐵素體型不銹鋼組織的元素主要有鉻、鉬、碳、氮和鎳，另 外有一些鐵素體型不銹鋼中還添加有鈦、 鈮和銅等元素， 對組織也有 一定的影響。其中添加鉻和鉬的主要的目的是加速和促進a相和a相的形成和沉淀，使

11、鐵素體晶粒更加粗大。影響奧氏體型不銹鋼組織的主要元素有碳、 鉻、鎳、鉬、氮、銅、 硅和錳等，有時在生產(chǎn)易切削不銹鋼時，也將硫作為添加元素。碳在 奧氏體型不銹鋼中是形成、 穩(wěn)定和擴大奧氏體區(qū)的元素。 碳在奧氏體 型不銹鋼中是形成、 穩(wěn)定和擴大奧氏體區(qū)的元素， 其形成奧氏體的能 力遠高于鎳許多倍。 碳在奧氏體型不銹鋼中是有用元素， 但同時也是 有害元素，一方面由于碳作為一種間隙元素可通過固溶強化顯著提高 奧氏體型不銹鋼的強度， 同時也可提高高濃度氯化物腐蝕介質中的耐 蝕能力；但另一方面由于碳在某些條件下生成Cr23C6，使得耐腐蝕性能顯著下降。 鉻在奧氏體型不銹鋼中的作用與其在鐵素體型不銹鋼 中作

12、用基本相同。影響比相不銹鋼組織的主要元素有鎳、氮、錳、鉻、鉬、硅和鎢 等。鎳在a +雙相不銹鋼中能擴大r相區(qū)。有關資料指出，鎳的添加 還能促成形成(T ( X)相，增加脆化敏感性并有使脆化敏感溫度向高 溫方向移動的傾向， 也將使馬氏體相變溫度降低， 改善雙相不銹鋼的 冷加工性能。（二）相及相變 熱處理是不銹鋼生產(chǎn)和加工過程中以及最終產(chǎn)品加工過程中重 要的工序。對于馬氏體型不銹鋼，通常進行淬火 回火熱處理。對于 鐵素體型不銹鋼， 需進行恢復由于加工引起的應硬化和焊接部位回火 后恢復韌性的熱處理， 通常是高溫加熱后進行空冷的退火熱處理。 對 于奧氏體型不銹鋼，根據(jù)使用目的需要進行固溶處理、穩(wěn)定化處

13、理、 消除應力退火和時效處理等。通過進行熱處理來控制不銹鋼的金相組織時，可采用相變和恢 復、再結晶等形式來實現(xiàn)。相變的內涵可以說有以下 3 種情況，即結構的變化、 組成的變化 和其規(guī)律性的變化告示。 在不銹鋼發(fā)生的相變中最常見的馬氏體相變 就是其結構發(fā)生變化的一種形式， 而所發(fā)生的其他的相變均為擴散相 變。1. 馬氏體型不銹鋼 馬氏體型不銹鋼有良好的淬火性能，即使是截面積很大的工件， 也可在空冷條件下實現(xiàn)淬火硬化。為比較馬氏體型不銹鋼與其他碳含量相同的碳素鋼、 合金鋼的淬 火性能， 用等溫相變曲線進行了分析。 結果表明其珠光體相變時間延 遲，曲線鼻部的溫度上升。 其中鎳使珠光體相變明顯推遲，只

14、需添加 1%即可大大改善淬火性能，但回火過程則需要相當長的時間。馬氏體型不銹鋼中的合金元素可改變鋼的 Ms 點。其中碳的影響 尤為顯著，碳的濃度高時 Ms 點向低溫方向移動， 易生成殘留奧氏體。 以13%Cr鋼為例，在淬火加縶溫度為1180C時，在碳含量大于0.80% 的情況下 Ms 點降至室溫以下。生成物為過冷奧氏體相組織。但由于 也隨之生成了殘留奧氏體， 因此淬火硬度也下降了， 對于高碳馬氏體 型不銹鋼來說， 為避免該現(xiàn)象的發(fā)生和殘留奧氏體相變引起的尺寸變 化，需在粹火后通過進行低溫處理來盡量減少殘留奧氏體的存在。對于馬氏體型不銹鋼， 進行淬火處理后還需進行回火處理。 一般 將這兩者連在一

15、起統(tǒng)稱為淬火回火處理。 進行回火處理是將由奧氏體 相的相變得到的馬氏體進行回火， 其目的是為改善馬氏體型不銹鋼的 拉伸性能和得到高的持久強度和屈強比。 回火后在其基體中過飽和固 溶的碳形成碳化物析出， 且隨時間的延長逐漸形成穩(wěn)定相。 是采用低 溫回火還是采用高溫回火， 依成分和使用目的而異。 低碳馬氏體型不 銹鋼在440-540C進行回火時顯著變脆，發(fā)生常說的二次硬化。由于 此問題的產(chǎn)生不是夾雜元素的偏析等原因造成的， 因此為同時照顧到 韌性、拉伸性能和耐應力腐蝕性能，應盡可能在高溫下進行回火，也 可通過添加鉬、鎢和釩等元素來改善性能。2. 鐵素體型不銹鋼鐵素型不銹鋼在碳和氮的含量極少時， 無

16、論在高溫下還是在室溫 下均為鐵素體單相。當碳和氮的含量增加時就會在高溫下生成 r 相， 可通過回火處理析出碳化物和氮化物而變?yōu)殍F素體單相。 據(jù)有關資料 介紹。在600-900C回火時大部分碳和氮將析出。高鉻鐵素體型不銹鋼在經(jīng)高溫加熱后會產(chǎn)生各種脆化現(xiàn)象。這些現(xiàn)象與其金屬組織有關，如 c相脆化、475C脆性和高溫脆性。相脆化：在Fe-Cr二元系合金中，在鉻含量為 46at%-53at%的 很窄范圍內產(chǎn)生， 是非磁性和硬的相。 當鉻含量大于 25%和加熱溫度 高于600C時即可在較短時間內產(chǎn)生。當鋼中含有硅、錳、鎳和鉬等 元素時，其產(chǎn)生范圍加寬。鉻、硅和鋁對 。相也有一定的影響。隨鉻 的增加 TT

17、T 曲線向短時間方向擴展。硅雖有明顯的析出促進作用但 鋁卻予以抑制。在冷加工中，可在很短時間內便產(chǎn)生 。相析出。一旦 發(fā)生 林目脆化的鋼，可加熱至850-900C使析出的。相固溶，然后再 進行急冷就可消除脆性和恢復韌性。475C脆性：是將鐵素體鋼在400-500C長時間加熱時出現(xiàn)的脆化 現(xiàn)象。475C脆性產(chǎn)生與。相脆化產(chǎn)生相比較，首先是產(chǎn)生溫度范圍 不同，其次是475C脆性較c相脆化在更短的時間內產(chǎn)生。能夠減輕 475 C脆性的合金添加元素還沒有發(fā)現(xiàn)。對發(fā)生475 C脆性的鋼在600 C進行短時間處理即可消除脆性和恢復韌性。咼溫脆性：當咼鉻鐵素體型不銹鋼從 900-1000C的咼溫急冷時， 隨

18、著晶粒的粗化和碳化物向晶界凝集發(fā)生明顯脆化。 鉻含量越高， 脆 化的程度越大。破壞現(xiàn)象與475C脆性相象。由于晶粒粗化，因此在進行深沖、 彎曲等冷加工時表面易發(fā)生粗糙等缺陷。 又因為晶界上析 出碳化物因此晶間腐蝕敏感性增加。 為避免該缺陷的產(chǎn)生同， 需從高 溫緩冷至800C左右，或650-800C短時間的退火。3. 奧氏體型不銹鋼從 Fe-Cr-Ni 三元系平衡相圖的分析中可知，當 70%Fe 等濃度斷 面中鎳含量為10%時，該合金在800-1000C下為r單相。具代表性的 Cr18-Ni8 鋼由于存在碳、氮等奧氏體穩(wěn)定化元素，因此室溫下即為 r 單相。其中氮較碳有約兩倍的固溶度，因而含氮量為

19、 0.1%-0.3%的高 強度不銹鋼己得到了應用。目前己明確碳、 氮、鈷、錳和銅等元素是奧氏體穩(wěn)定化元素， 鋁、 釩、鉬、硅和鎢等元素是鐵素體穩(wěn)定化元素。作為固相內的平衡相，除a相、r相以外還有金屬間化合物 林目。 碳、氮和鎳等奧氏體穩(wěn)定化元素抑制。相的生成，但錳與鉬、硅、鈦、 鈮、鋯、釩和鋁等鐵素體穩(wěn)定化元素促進林目的生成。除此以外在奧氏體型不銹鋼中由于添加不同的元素，還有可能生成拉弗斯（ Laves） 相或 x 相等金屬間化合物。 其析出的反應是隨合金組成、 時效溫度及 制造合金時的加工和熱處理條件來決定的，是一個非常復雜的變化。在鋼中添加鉻、鎳、錳、碳和氮等元素時，馬氏體相變初始溫度Ms

20、 幾乎與這些合金元素的添加成比例降低， 在常溫下也可保持 r 相。 奧氏體不銹鋼就是其具代表性的合金之一。雖說為使奧體型不銹鋼的r相穩(wěn)定添加了大量的錳或鎳，但實際 上 r 相往往并非穩(wěn)定而是處于亞穩(wěn)定態(tài)。從熱力學角度來看可以說 相到是穩(wěn)定的。 一般稱這些奧氏體相為亞穩(wěn)定奧氏體相。 當對亞穩(wěn)定 奧氏體相冷卻至極低溫或室溫下進行加工時， 其中的部分或全部亞穩(wěn) 定奧氏體相將發(fā)生馬氏體相變。通過對奧氏體型不銹鋼進行冷卻或加工得到的馬氏體中除有a相外還有£相。該相具有hep結構.且有0.7%左右的收縮，是非磁性 的，容易發(fā)生加工誘發(fā)相變。£相是當Cr: Ni為5: 3且C葉Ni定為

21、24%時生成的。由于面心立方結構的（ 111）面的每兩個原子面上發(fā) 生堆垛缺陷時將成為 £馬氏體結構， 因此 £相的生成和堆垛缺陷有著 密切的關系。奧氏體型不銹鋼的馬氏體相變中一個重要的問題是， 一旦發(fā)生馬 氏體相變后經(jīng)再加熱進行恢復的問題。對于 Cr18-Ni8 鋼主要發(fā)生擴 散型的逆相變，而象 Cr16-Ni10 鋼則發(fā)生剪切的逆相變。后者的鉻含 量較前者低，鎳含量較前者高。從金相組織上來看， 奧氏體型不銹鋼是相對穩(wěn)定的， 其中碳化物 的析出與其耐蝕性能、 高溫強度以及韌性等主要性能密切相關。 在通 常作為固溶熱處理溫度 1000 C附近，碳的固溶量可達到最高，但當 溫

22、度低于800C時固溶量急劇下降而產(chǎn)生碳化物。所以進行固溶化處 理或焊接后如果冷卻速度過慢， 在晶界上會產(chǎn)生碳化物， 成為晶間腐 蝕的原因。 鋼中的碳有活性隨鎳含量的增加而增加， 隨鉻含量的增加 而減少。也就是說鎳的增加使碳的固溶量減少， 鉻的增加使碳的固溶 量增加。另外在晶界還析出鉻碳化物， 合金添加元素有時也生成相應 的碳化物。4. 雙相不銹鋼通常進行不同的鉻含量和鎳當量的組合可以得到鐵素體（a相或3相）和奧氏體（r相）的雙相組織。如果以鉻含量的多少來進行分 類的話，可分類為18%Cr系、22%Cr系、25%Cr系和28%Cr系。同 時為確保 r 相的量需添加 4%-11%的鎳，為提高其耐蝕性需添加不多 于4%的鉬。在最終經(jīng)1050-1100C固溶處理后，在 a相基體中分散 有不多于50%的r相。在400-1000C下進一步進行時效時，生成金屬 間化合物、碳化物以及氮化物等各種析