材料工程基礎(chǔ)講稿20

1、74 回火脆性 在回火對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響中，最復(fù)雜、也最有興趣的是對(duì)韌性的影響，與強(qiáng)度和塑性的變化不同，隨著回火溫度的提高，強(qiáng)度與硬度降低，但沖擊韌性和斷裂韌性并不是單調(diào)地升高，而是可能出現(xiàn)兩個(gè)馬鞍形，回火時(shí)這種韌性降低的現(xiàn)象稱(chēng)為回火脆。在200350出現(xiàn)的回火M脆性（Tempered martensite embrittlement,TME，第一類(lèi)回火脆性、不可逆回火脆性、低溫回火脆性）。在400650出現(xiàn)的回火脆性（Temper embrittlement,TE,第二類(lèi)回火脆性、可逆回火脆性、高溫回火脆性）。1 由于回火脆性的存在，使可供選擇的回火溫度受到了限制，因回火時(shí)為了防止脆性升高

2、必須避開(kāi)這兩個(gè)溫度區(qū)間。這就給調(diào)整力學(xué)性能帶來(lái)了困難。為克服這一困難，已對(duì)回火脆性進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，但是到目前為止還沒(méi)有找到徹底消除這兩種回火脆性的有效辦法。21M回火脆性1）M回火脆性的主要特征及影響因素 在200350回火出現(xiàn)了M回火脆性后，再加熱到更高溫度回火脆性消除，使沖擊韌性重新升高。此時(shí)若再在200350范圍內(nèi)回火不出現(xiàn)脆性不可逆的。幾乎所有鋼均存在M回火脆性?；鼗餗脆性降低室溫沖擊韌性，使韌脆轉(zhuǎn)折溫度50FATT升高，斷裂韌性K1c下降。如Fe-0.28C-0.64Mn-4.82Mo鋼經(jīng)225回火后K1c為117MN/m3/2,而經(jīng)300回火后由于出現(xiàn)了M回火脆性，使K1c降至

3、73MN/m3/2。出現(xiàn)M回火脆性時(shí)大多為沿晶斷裂，但也有少數(shù)為穿晶斷裂。 3 影響M回火脆性的因素主要為成分。鋼中元素按其作用分為三類(lèi)： 有害雜質(zhì)元素：S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等將導(dǎo)致出現(xiàn)回火M脆性。不含這些雜質(zhì)元素的高純鋼則沒(méi)有或能減輕回火M脆性。 促進(jìn)回火M脆性的元素：屬于這一類(lèi)有Mn、Si、Cr、Ni等促進(jìn)回火M脆性的發(fā)展。有的元素單獨(dú)存在時(shí)影響不大，如Ni。但當(dāng)Ni與Si同時(shí)存在時(shí)則促進(jìn)回火M脆性的發(fā)展。部分合金元素還能將M回火脆性推向較高的溫度，如Cr與Si。4減輕回火M脆性的合金元素：Mo、W、Ti、Al等使回火M脆性減弱。在這幾種合金元素中以Mo的作用最顯著。

4、 除化學(xué)成分的作用外，影響回火M脆性的因素還有A晶粒大小以及殘余A量的多少。A晶粒愈細(xì)，回火M脆性愈弱；殘余A量愈多則愈嚴(yán)重。5 2）回火M脆性形成機(jī)理 殘余A分解導(dǎo)致回火M脆性 Thomas等用透射電鏡和電子衍射研究了低、中碳鋼的殘余A分解后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生TME時(shí)，總是伴隨著殘余A的分解，在A(yíng)板條間產(chǎn)生滲碳體薄膜，正是這種Fe3C薄膜導(dǎo)致了TME。由于一般低、中碳鋼淬火后主要形成板條M，殘余A則存在于板條M之間，因此分解而成的Fe3C也處于板條之間，其所造成的斷裂對(duì)于M而言是沿晶斷裂，而對(duì)于原A而言則是穿晶斷裂。如果M板條間殘余A是穩(wěn)定的，將改善鋼的韌性。如果回火時(shí)分解出碳化物，則將降低韌性。有

5、研究指出，某些合金結(jié)構(gòu)鋼板條間的殘余A在回火溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，也不一定全部分解，余下部分在隨后的受力過(guò)程中還可能進(jìn)一步增加脆性。6 雜質(zhì)元素在原A晶界偏聚導(dǎo)致回火M脆性 即在A(yíng)化時(shí)雜質(zhì)元素P、S等將偏聚在晶界。雜質(zhì)元素的偏聚引起晶界弱化而導(dǎo)致沿晶斷裂。雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏聚已用俄歇電子譜儀及離子探針證實(shí)。第二類(lèi)元素能夠促進(jìn)雜質(zhì)元素在A(yíng)晶界偏聚，故能促進(jìn)回火M脆性的發(fā)展。第三類(lèi)合金元素阻止雜質(zhì)元素在A(yíng)晶界偏聚，故能抑制回火M脆性。由于采用了俄歇電子譜儀及離子探針等證實(shí)了雜質(zhì)元素在奧氏體晶界的偏聚而使晶界弱化，引起回火馬氏體脆性。但晶界偏聚理論的困難在于偏聚是在奧氏體化過(guò)程時(shí)，而不是在20035

6、0之間回火形成的，為什么這一偏聚僅僅在200350回火后使脆性增加。這就產(chǎn)生了以上述兩種觀(guān)點(diǎn)綜合而來(lái)的第三種觀(guān)點(diǎn)。 7 雜質(zhì)偏聚與殘余A分解共同導(dǎo)致回火M脆性 雜質(zhì)元素在A(yíng)晶界偏聚降低了晶界強(qiáng)度，而碳化物薄膜在板條M條界及A晶界的形成又進(jìn)一步降低了A晶界強(qiáng)度，故使經(jīng)200350回火后的斷裂易于沿原A晶界發(fā)生。如果斷裂不是沿晶而是穿晶解理，則可以認(rèn)為此時(shí)沿原A晶界的偏聚不嚴(yán)重且沿晶內(nèi)某晶面有碳化物析出，如在112面上析出及碳化物，故斷裂沿晶內(nèi)碳化物薄膜發(fā)生。 3）消除回火M脆性的措施 降低鋼中雜質(zhì)含量；用Al脫氧或加入Nb、V、Ti等元素細(xì)化A晶粒；加入Mo、W等能減輕M回火脆性的合金元素；加入

7、Cr、Si等以調(diào)整發(fā)生M回火脆性的溫度范圍，使之避開(kāi)所需的回火溫度；采用等溫淬火代替淬火加低、中溫回火。82回火脆性 某些成分的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼在450650回火較長(zhǎng)時(shí)間或回火后慢冷通過(guò)這個(gè)溫度區(qū)間時(shí)會(huì)變脆，這種現(xiàn)象稱(chēng)為回火脆性。1）特點(diǎn)斷口通常是沿原A晶界的沿晶斷裂。在回火脆性區(qū)回火時(shí)脆化程度對(duì)時(shí)間有顯著的依賴(lài)性。具有可逆性，即如果鋼先在較高溫度回火并快冷，沒(méi)有產(chǎn)生脆性，如果再將其在脆化溫度范圍加熱或慢冷通過(guò)此溫度區(qū)間，則會(huì)產(chǎn)生脆性；如果將上述脆化了的鋼再進(jìn)行高溫回火并快冷，脆性又會(huì)消失，稱(chēng)為脫脆。產(chǎn)生回火脆性后使鋼的韌性ak、K1c降低，F(xiàn)ATT溫度升高。2）影響回火脆性TE的因素 鋼的化學(xué)

8、成分 成分是影響回火脆性的最根本因素。例如，不含合金元素的碳鋼，沒(méi)有回火脆性。根據(jù)鋼中成分對(duì)回火脆性的影響，大體上可以把不同元素分為三類(lèi)：9 促進(jìn)回火脆性的如錳、鉻、鎳、硅等合金元素，當(dāng)單獨(dú)加入時(shí)，其致脆作用大小按錳、鉻、鎳、硅的順序遞減。但這類(lèi)元素的致脆作用必須有磷、錫、銻、砷等雜質(zhì)存在才能表現(xiàn)出來(lái)。不含上述雜質(zhì)的高純鎳鉻鋼就不顯示回火脆性。當(dāng)兩種或兩種以上這類(lèi)元素同時(shí)加入時(shí)，其致脆往往大于單獨(dú)加入時(shí)兩者之和。 促進(jìn)脆性的元素，如磷、錫、銻、砷、硫、硼等。這類(lèi)元素引起回火脆性，但必須以存在致脆元素為前提。例如碳鋼中雖含有這類(lèi)元素，卻不存在回火脆性。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，銻、錫、磷是影響最大的雜質(zhì)元素

9、，其余的影響較小。一般來(lái)說(shuō)，如果雜質(zhì)含量在105數(shù)量級(jí)，影響較小，但含量在104數(shù)量級(jí)以上，往往會(huì)產(chǎn)生明顯的回火脆性。 去脆元素如鎢、鉬、釩、鈦等。這類(lèi)元素對(duì)回火脆性有抑制作用，其中又以鉬的作用最為顯著，鎢次之。大量研究表明，鉬含量有一個(gè)最佳值，高于或低于這個(gè)值都不能很好地抑制回火脆性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，最佳鉬含量約為0.5%，隨鋼中的化學(xué)成分不同，可能在0.20.7之間變化。當(dāng)加入的鎢含量為鉬的2倍時(shí)，能起到鉬的相同作用。10 工藝參數(shù)因素 在回火脆性區(qū)回火，引起的回火脆性的脆化程度及脆化速度均于回火溫度與回火時(shí)間密切相關(guān)。溫度一定時(shí)，隨等溫時(shí)間延長(zhǎng)，F(xiàn)ATT升高。在550以下，脆化溫度愈低，脆化速度

10、愈慢，但能達(dá)到的脆化程度愈大。550以上，隨等溫溫度升高，脆化速度變慢，能達(dá)到的脆化程度進(jìn)一步下降。鋼的脆化也可以用鋼的等溫脆化動(dòng)力學(xué)圖表示。其形狀與過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變圖相似，也呈C型，有一個(gè)鼻溫。由等溫脆化動(dòng)力學(xué)圖可以推出脆化是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程。但等溫脆化過(guò)程較A等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程復(fù)雜。在有些鋼中，隨等溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，脆化程度有可能減弱，出現(xiàn)所謂過(guò)時(shí)效現(xiàn)象。11 緩冷脆化不僅與回火溫度及時(shí)間有關(guān)，還與回火后的冷速有關(guān)。高于回火脆化的溫度回火后緩冷通過(guò)回火脆性區(qū)，使鋼產(chǎn)生回火脆化。冷速愈慢，脆性愈嚴(yán)重；磷含量愈高，脆化愈嚴(yán)重。冷速的影響同樣也反映出脆化是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程。即可以把緩冷脆化看成是各個(gè)溫度下的短時(shí)

11、等溫脆化的綜合結(jié)果。12 組織因素的影響 與M回火脆性不同，不論鋼具有何種原始組織均具有回火脆性，但以M的回火脆性最嚴(yán)重，B次之，P最輕。這表明回火脆性主要不是由于M的分解及殘余A的在轉(zhuǎn)變引起的?；鼗鸫嘈赃€與A的晶粒度有關(guān)，A晶粒愈細(xì)，回火脆性愈輕。3）回火脆性的形成機(jī)理 回火脆性現(xiàn)象，從1917年發(fā)表的第一篇有關(guān)回火脆性的文章到現(xiàn)在探尋回火脆性的機(jī)理，兩大學(xué)術(shù)流派是平衡偏聚理論和非平衡偏聚理論。13平衡偏聚理論 回火脆性是由于碳原子在晶界的偏聚使晶界成為過(guò)飽和固溶體變脆。 后來(lái)的工作證明脆性主要是銻、磷、錫、砷等元素的偏聚弱化晶界，晶界的斷裂強(qiáng)度降低。雜質(zhì)原子在晶界的偏聚是能夠降低畸變能（與

12、雜質(zhì)元素在晶內(nèi)比較），即雜質(zhì)元素在晶界的偏聚是一個(gè)向平衡狀態(tài)過(guò)渡的自發(fā)過(guò)程。14平衡偏聚理論可以解釋回火脆性的下列特征： 脆化發(fā)生在一定溫度范圍； 脆化程度隨脆化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加； 回火后的冷卻速度有巨大影響； 脆化過(guò)程具有可逆性； 脆化主要是一種晶界現(xiàn)象，脆化斷口是沿晶斷裂。 但是這個(gè)理論不能解釋為什么鋼中要同時(shí)存在某些合金元素和雜質(zhì)才會(huì)發(fā)生這種脆性。為此提出了以下兩點(diǎn)修正：15 根據(jù)不含雜質(zhì)的鋼中合金元素偏聚的現(xiàn)象提出，合金元素是在A(yíng)化溫度下由晶內(nèi)偏聚到A晶界上，隨后在脆化溫度下，雜質(zhì)元素因合金元素的吸引而偏聚到合金元素含量更高的晶界區(qū)。 合金元素與雜質(zhì)的化學(xué)親和力按鉬、鉻、錳、鎳的順序遞

13、減，這與鉻、錳、鎳等促進(jìn)回火脆性的作用一致，但卻不能解釋鉬減緩脆化的作用。 根據(jù)鉬可增加雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散激活能的事實(shí)來(lái)說(shuō)明鉬的作用是提高M(jìn)的回火抗力在脆化溫度下保存較多的位錯(cuò)，提高了雜質(zhì)元素在晶內(nèi)的溶解度。這一理論又稱(chēng)為二次偏聚理論。 16三元固溶體的平衡偏聚理論 在一個(gè)含有雜質(zhì)元素和合金元素的三元固溶體內(nèi)，雜質(zhì)元素與合金元素存在化學(xué)交互作用。合金元素是在回火時(shí)向晶界偏聚的，根據(jù)合金元素與雜質(zhì)元素之間化學(xué)親和力的不同，可以出現(xiàn)三種情況： 當(dāng)親和力很強(qiáng)時(shí)，就會(huì)在晶粒內(nèi)沉淀出穩(wěn)定的化合物，從而抑制回火脆性的發(fā)生，鉬就屬于這種情況； 當(dāng)親和力適中，就會(huì)同時(shí)在晶界偏聚并引起脆化； 當(dāng)親和力很弱時(shí)，雜質(zhì)元素

14、不會(huì)向晶界偏聚，因此也不會(huì)引起脆化。 凡是對(duì)回火脆性敏感的鋼中，雜質(zhì)和合金元素的作用都屬于第二種情況，根據(jù)這一理論計(jì)算出的晶界偏聚的平衡濃度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的較好。17 非平衡偏聚理論 這個(gè)理論起源于最早的關(guān)于Fe3C在晶界沉淀引起回火脆性的設(shè)想。由于這一設(shè)想不能解釋雜質(zhì)元素的作用，因而又提出，在Fe3C析出后，雜質(zhì)元素會(huì)在其周?chē)患瑥亩鸫嗷?。偏聚在滲碳體鐵素體界面上的雜質(zhì)元素是由滲碳體片中“排擠”出來(lái)的，因?yàn)樗鼈冊(cè)跐B碳體中溶解度非常小，基于這個(gè)模型，對(duì)鎳和銻偏聚進(jìn)行了計(jì)算，所得結(jié)果對(duì)鎳而言，與實(shí)際符合得很好；但對(duì)銻而言，則較實(shí)測(cè)值小。對(duì)這個(gè)結(jié)果研究者的解釋是偏聚的銻還有一部分是在鎳的吸附下由基體擴(kuò)散而來(lái)。由于這樣引起的偏聚是一種過(guò)渡狀態(tài)，在高溫加熱后，雜質(zhì)向鐵素體內(nèi)部擴(kuò)散，以及碳化物部分溶解而使?jié)B碳體鐵素體界面凈化，從而使脆性消失，這種理論又稱(chēng)為非平衡偏聚理論。18 值得注意的是，非平衡偏聚理論認(rèn)為回火脆性和馬氏體回火脆性是一個(gè)系列中的兩個(gè)現(xiàn)象，是一個(gè)事物在兩個(gè)溫度區(qū)的不同反應(yīng)，因此可以用同一機(jī)理解釋這兩種脆性，這個(gè)想