回火脆化.doc

回火脆化回火脆性是淬火钢回火后产生的脆化现象。根据产生脆性的回火温度范围，可分为低温回火脆性和高温回火脆性。低温回火脆性 合金钢淬火得到马氏体组织后，在250400温度范围回火使钢脆化，其韧性一脆性转化温度明显升高。已脆化的钢不能再用低温回火加热的方法消除，故又称为“不可逆回火脆性”。它主要发生在合金结构钢和低合金超高强度钢等钢种。已脆化钢的断口是沿晶断口或是沿晶和准解理混合断口。产生低温回火脆性的原因，普遍认为：(1)与渗碳体在低温回火时以薄片状在原奥氏体晶界析出，造成晶界脆化密切相关。(2)杂质元素磷等在原奥氏体晶界偏聚也是造成低温回火脆性原因之一。含磷低于0.005的高纯钢并不产生低温回火脆性。磷在火加热时发生奥氏体晶界偏聚，淬火后保留下来。磷在原奥氏体晶界偏聚和渗碳体回火时在原奥氏体晶界析出，这两个因素造成沿晶脆断，促成了低温回火脆性的发生。钢中合金元素对低温回火脆性产生较大的影响。铬和锰促进杂质元素磷等在奥氏体晶界偏聚，从而促进低温回火脆性，钨和钒基本上没有影响，钼降低低温回火钢的韧性一脆性转化温度，但尚不足以抑制低温回火脆性。硅能推迟回火时渗碳体析出，提高其生成温度，故可提高低温回火脆性发生的温度。高温回火脆性 合金钢淬火得到马氏体组织后，在450600温度范围回火；或在650回火后以缓慢冷却速度经过350600；或者在650回火后，在350650温度范围长期加热，都使钢产生脆化现象如果已经脆化的钢重新加热到650然后快冷，可以恢复韧性，因此又称为“可逆回火脆性”高温回火脆性表现为钢的韧性一脆性转化温度的升高。高温回火脆性。敏感度一般用韧化状态和脆化状态的韧性一脆性转化温度之差(T)来表示。高温回火脆性越严重，钢的断口上沿晶断口比例也越高。钢中元素对高温回火脆性的作用分成：(1)引发钢的高温回火脆性的杂质元素如磷、锡、锑等。(2)以不同形式、不同程度促进或减缓高温回火脆性的合金元素。有铬、锰、镍、硅等起促进作用，而钼、钨、钛等起延缓作用。碳也起着促进作用。一般碳素钢对高温回火脆性不。敏感，含有铬、锰、镍、硅的二元或多元合金钢则很敏感，其敏感程度依合金元素种类和含量而不同。回火钢的原始组织对钢的高温回火脆性的敏感程度有显著差别。马氏体高温回火组织对高温回火脆性敏感程度最大，贝氏体高温回火组织次之，珠光体组织最小。钢的高温回火脆性的本质，普遍认为是磷、锡、锑、砷等杂质元素在原奥氏体晶界偏聚，导致晶界脆化的结果。而锰、镍、铬等合金元素与上述杂质元素在晶界发生共偏聚，促进杂质元素的富集而加剧脆化。而钼则相反，与磷等杂质元素有强的相互作用，可使在晶内产生沉淀相并阻碍磷的晶界偏聚，可减轻高温回火脆性，稀土元素也有与钼类似的作用。钛更有效地促进磷等杂质元素在晶内沉淀，从而减弱杂质元素的晶界偏聚减缓了高温回火脆性。降低高温回火脆性的措施有：(1)在高温回火后用油冷或水快速冷却以抑制杂质元素在晶界偏聚；(2)采用含钼钢种，当钢中钼含量增加到07时，则高温回火脆化倾向大大降低，超过此限钢中形成富钼的特殊碳化物，基体中钼含量降低，钢的脆化倾向反而增加；(3)降低钢中杂质元素的含量；(4)长期在高温回火脆化区工作的部件，单加钼也难以防止脆化，只有降低钢中杂质元素含量，提高钢的纯净度，并辅之以铝和稀土元素的复合合金化，才能有效地防止高温回火脆性。2.25Cr-1Mo合金钢回火脆化过时效现象的研究 点击次数：9 文章作者： 发布时间：2007-01-28 字体： 大 中 小 摘要 研究了2.25Cr-1Mo合金钢在回火温度下时效处理时，发生回火脆化和回火脆化的过时效反偏聚现象。应用非平衡偏聚的动力学理论，确定了成分（%）为0.15C、2.32Cr、0.95Mo、0.009P的2.25Cr-1Mo合金的钢在650140h回火时钢中磷的非常平衡晶界偏聚规律。试验得出，2.25Cr-1Mo合金钢650磷非平衡偏聚的临界时间t。为20h，晶界磷的原子浓度，由初始状态的0.016%提高至最大值2.79%。根据试验数据进行的动力学计算，得出的计算曲线与试验结果吻合，验证了非平衡晶界偏聚空位-复合体模型的扩散机制。 关键词 2.25Cr-1Mo合金钢 回火脆化 非平衡偏聚 过时效 加氢反应器长时期在高温工况下运行，其用材2.25Cr-1Mo合金钢发生回火脆化现象是普遍存在的。在研究2.25Cr-1Mo合金钢材料回火脆化现象时，还发现其在回火脆化过程中随时间的增加，出现了材料脆性下降的现象。如何认识这一现象并从理论上加以解释，本试验应用磷的非平衡偏聚动力学理论，探讨了2.25Cr-1Mo合金钢在回火脆化过程中出现的反偏聚现象，即过时效现象，根据磷的晶界偏聚动力学试验数据，进行动力学计算，很好地解释了材料的这一现象。并进一步验证了材料的非平衡晶界偏聚空位-复合体模型的扩散机制。 1 回火脆化现象的理论基础晶界偏聚理论 产生回火脆性的机理长期以来一直是钢铁材料研究的重大课题。Mclean创立了平衡晶界偏聚理论，并在很长一段时间内构成了理解晶界偏聚理论。20世纪60年代末，Aust和Anthony提出了溶质原子的非平衡晶界偏聚理论，七八十年代以Williams、Faulkner和徐庭栋为代表的非平衡晶界偏聚的试验和理论研究，极大地推动了非平衡晶界偏聚理论的发展15。 平衡晶界偏聚现象是一种热力学平衡现象，平衡晶界偏聚理论的计算公式为：式中：Cgb(t)-杂质原子P在t时间内晶界浓度；Cgb-杂杂质原子p在达到平衡时的晶界浓度；Cgb2-杂质原子p在初始状态时的晶界浓度；Di-杂质原子p的扩散系数，是温度的函数；-富集比，=Cgb-杂/Cg; Cg-杂志原子P在晶内的平均浓度；d-晶界宽度；erfc-补余误差函数（error function comple-ment）。 根据非平衡晶界偏聚理论，杂志原子在晶界的非平衡偏聚过程中分为偏聚与反偏聚两个过程。非平衡晶界偏聚的计算公式为2： 当ttc时，杂质原子P在晶界上的偏聚量为： 当ttc时，杂质原子P在晶界上的反偏聚量为：式中：Cgb(t)-在t时间内杂质原子P在晶界上非平衡偏聚量；C （Ti）-在Ti时杂志原子P的最大晶界偏聚量；C （Tj）-在Tj时杂质原子P的最大晶界偏聚量；Cg-杂质原子P在晶内的平均浓度；De-杂质原子P-空位复合体的扩散系数；dn-杂质原子在晶界的偏聚宽度；j= C (Ti)/Cg(Tj)。2 2.25Cr-1Mo合金钢回火脆化反偏聚现象的研究 应用磷非平衡偏聚的动力学理论，确定2.25Cr-Mo合金钢中杂质元素磷的非平衡晶界偏聚规律，根据磷的晶界偏聚动力学试验数据，进行动力学计算。求解P空位复合体扩散系数De和P的扩散系数Di，并验证非平衡晶界偏聚空位-复合体模型的扩散机制。2.1 试验中的反偏聚现象 高温淬火等温保持过程中的非平衡偏聚现象，以及连续冷却过程中的非平衡偏聚现象，已经在不同的合金系和不同元素的试验中被发现并引起了研究者的兴趣。本实验材料2.25Cr-1Mo合金钢的化学成分见表16。表1试验2.25Cr-1Mo合金钢的化学成分/%C S Si Mn P Cr Mo As Sb Sn Ni Cu V 0.15 0.011 0.068 0.5 0.009 2.32 0.95 0.0068 0.0035 0.0079 0.19 0.012 0.007 将实验材料2.25Cr-1Mo合金钢加工成俄歇电子能谱试验用试样，经650恒温并保持不同时间，即对2.25Cr-1Mo合金钢在650下进行不同时间的回火脆化试验。将经过回火脆化试验的式样进行俄歇电子能谱试验，由俄歇电子能谱试验结果获得在不同脆化时间下2.25Cr-1Mo合金钢中磷的晶界浓度（见表2）6从上述的试验中，可以看出P的晶界偏聚出现峰值的现象以及非平衡晶界偏聚临界时间的特征。因此，上述试验符合非平衡晶界偏聚理论，2.25Cr-1Mo合金钢的回火脆化，主要是由于在回火过程中P在晶界的非平衡偏聚引起的。22 非平衡晶界偏聚动力学曲线的计算 由表2可得，2.25Cr-1Mo合金钢在650下非平衡偏聚的临界时间te。为20h，此时在2.25Cr-1Mo合金钢中P的最大晶界浓度C （Tj）=2.79%。由表1，初始状态时P的晶界浓度Cg=0.0162%,故j= C (Tj)/Cg=172。表2 2.25Cr-1Mo合金钢650140h时效的钢中磷的晶界浓度脆化时间/h 磷在晶界的偏聚量/at % 1 0.63 5 1.27 10 1.98 15 2.39 20 2.79 25 2.69 40 2.03 由文献7，8得到P空位复合体扩散系数De=2.0*10-5exp(-20885.6/T)m2s-1,P的扩散系数 Di=2.9*10-4exp(-27731.5/T)m2-1，P原子在晶界上的偏聚宽度dn=1*10-7(m)。应用非平衡晶界偏聚动力学方程（2）和（3）及文献7，8的参数，计算得到的非平衡晶界偏聚动力学曲线与试验结果相差甚远。2.3本实验计算的非平衡晶界偏聚动力学曲线与试验结果的比较 由于按照文献数据计算非平衡晶界偏聚动力学曲线与试验结果不一致，本文根据表2的试验结果，代入非平衡晶界偏聚动力学方程公式（2）和（3）得到P空位复合体扩散系数De和P的扩散系数Di,将扩散系数进行回归分析，修正得到新的扩散系数，结果为：De=1.10657210-15+1.9403410-16exp（8。455210-5t） (4) Di1.44510-20+3.20810-19exp（-6.103310-5t） (5) 应用非平衡晶界偏聚动力学方程（2）和（3），De和Di的表达式（4）和（5），计算2.25Cr-1Mo合金钢在650下恒温时效过程中P的非平衡晶界偏聚动力学曲线的试验结果。本文试验结果和计算结果见图1的计算曲线（2）。 图1计算曲线（2）现象表明，非平衡晶界偏聚是一个动力学过程。在偏聚过程中，溶质原子-空位复合体向晶界的扩散占主导地位，开始时复合体浓度梯度很高，促使复合体向晶界扩散。随着恒温时间延长，复合体浓度梯度降低，P向晶界的偏聚速度率逐渐降低。而溶质原子P也向晶内偏聚，而且随着晶界上P 浓度的增加，其反扩散流量越来越大，当二者的扩散流量相等时，偏聚动力学曲线上出现极值点，对应的恒温时间为P的非平衡晶偏聚的临界时间（te=20h）。在临界时间，P 原子从晶界向晶内的反扩散与复合体从晶内向晶界的扩散相平衡，此时P原子在晶界的浓度达到了最大值。 在反偏聚过程中，P原子从晶界向晶内的扩散占主导地位，而且随着恒温时效时间的增加，由于复合体浓度的下降，其扩散流量低于溶质原子的扩散流量，晶界上P的偏聚量逐渐降低。由于P原子的扩散系数低于复合体的扩散系数De,P从晶界向晶内反偏聚的速率比其在偏聚过程中的速率要慢得多5。 从图1计算曲线（2）中可以看出，修正后计算结果的偏聚量在偏聚和反偏聚过程中与实验点一致。证实了非平衡晶界偏聚空位-复合体模型扩散机制的正确性，同时验证了非平衡晶界偏聚动力学方程，说明本实验扩散系数拟合的有效性。3 结论 利用试验方法取得的磷的晶界偏聚数据，对其进行非平衡晶界偏聚动力学计算，求出了2.25Cr-1Mo合金钢在650恒温过程中杂质原子空位复合体扩散系数De和杂质原