钢材的时效解析.doc

钢的时效时效条件在日常生活中常发现，如低碳钢板等材料经热加工或冷加工后，在室温放置一段时间，它的机械性能发生了变化，这种金属材料的性能随时间的延长而改变的现象称为时效。时效往往使材料的性能变坏，在生产实际中应注意防止，但也可掌握其变化规律，使其在生产中加以利用。由于钢材的化学成分不同，预先的热加工或冷加工及使用温度的不同，钢的时效也有不同的表现。钢材经固溶处理后急冷至时效温度时，合金元素将处于过饱和状态，此时，如果合金元素仍具有扩散能力，那么随着时间的延长，钢材中的合金元素会从固溶体中脱落（或沉淀）致使材料的性能发生变化，这就叫做时效。时效过程的定义：一切有关材料性能随时间变化过程都统称时效过程。时效的条件：1） 对合金元素具有一定的溶解度；2） 溶解度随温度的降低而减小；3） 高温固溶的合金元素，急冷后成为过饱和状态；4） 在低温状态下，合金元素仍具有一定的扩散速度。时效现象是一种由非平衡状态向平衡状态转变的自发现象。如果固溶处理后以极缓慢的速度冷却，以达到平衡状态而又未经冷变形，这时时效现象就不会发生。钢的时效现象主要由钢中的碳，氮间隙原子引起的。碳，氮是钢中间隙原子，间隙原子一般在室温下都有一定的扩散能力，它们的溶解度都随温度的降低而减小，因此只要固溶处理后快冷使之造成过饱和状态，就能够产生时效现象。故此，时效现象可以分淬火时效和应变时效（形变时效、机械时效）。淬火时效是固溶体快速冷却到某一个温度导致的沉淀硬化。在该温度下，第二相元素变成过饱和状态。较高温度和多次应用时发生沉淀，并导致屈服强度、拉伸强度和硬化的增加。应变时效是塑性变形后某些材料中产生的一种现象。对低碳钢板，应变时效导致不连续屈服的重现，屈服强度和硬度增加，韧性减少而拉伸强度无明显变化。时效引起的性能变化由于材料发生时效，其性能将发生较大的变化，主要有以下变化:1）材料的硬度增加；2）钢的强度（屈服强度增加、抗拉强度增加或不变），塑性和韧性（延伸率，断面收缩比，抗冲击功）降低；3）某些电学性能和物理性能也发生了变化，如使电阻降低，磁矫顽力提高等。影响时效的因素钢中的碳、氮间隙原子是引起时效的基本元素，这些元素的原子在室温下仍具有扩散能力，因此由于急冷造成的过饱和固溶体处于不平衡状态时，必将引起时效现象。淬火时效主要靠碳，氮化物的弥散析出，而形变时效则是碳，氮原子在位错附近的富集，对位错起钉扎作用的结果。位错的密度随钢材的化学成分，热处理及冷变形等因素而不同的。曾经有人计算过，当钢中碳、氮的过饱和度达0.0001%以上时就会引起时效现象。钢中的含碳量越高，固溶在-Fe中的碳量也就越高，时效的效果也就越明显。但当钢中的含碳量大到在组织中出现渗碳体时，时效效果反而减小。实验表明，当含碳量在0.25%左右时，时效后性能的变化最大。氢原子由于扩散系数比较大，如果长时间放置也会从钢中析出，这就是氢原子引起的时效现象。硼原子在钢中即可是间隙型又可以是置换型，这对时效起抑制作用。氧原子对时效没有太大的影响。研究指出，经铝脱氧的钢能起到减少钢的时效敏感性的作用，并不在于铝有很强的脱氧能力使钢中的含氧量减少，而是在于铝与氮之间有很强的亲和力，真正起作用的并不是与氧结合的铝（酸不溶铝），而是仍剩余钢液中的铝（酸溶铝）。钢中的铝与氮会形成AlN，AlN的溶解度也随温度的降低而减小。但是由于铝的存在，与不含铝时相比，氮在固溶体中的溶解度大大减小，所以铝对抑制钢的时效作用十分明显。除铝外，合金元素钛、钒、钼、铌、铬、硅、锰、铜，砷和锡等合金元素都对钢的时效有影响。过时效总之，时效过程是一种由非平衡状态向平衡状态转变的自发现象，是碳，氮等间隙原子由于处于过饱和状态，在低温时靠扩散能力，从固溶体中脱落（或沉淀）致使材料的性能发生变化的过程。为了保证我们所要求带钢的各种性能，我们必须采用相应的生产工艺措施，防止带钢时效现象的发生。这些相应的生产工艺措施就是所谓的过时效。在连续退火炉中设置了过时效段，用于对一些有过时效要求的钢种（如DQ-AK、DDQ-AK、DP钢、TRIP钢）进行时效处理，即在钢种的过时效温度范围内，使带钢保持足够的过时效时间，使碳、氮等间隙原子充分析出，但是它们的析出与普通低碳钢的析出有很大的区别，主要是由于在这类钢中同时添加了铝、钒、铌等合金元素，这部分元素会与氮形成稳定的氮化物同时析出，使铁素体基体强化（称为第二相的弥散硬化），并且使晶粒细化，使钢的强度和韧性均能显著提高，同时使较低温度的时效现象受到抑制。如在铝脱氧的镇静钢中，加入足够数量的铝，使它除去与氧结合外（铝作为脱氧剂加入），还剩余相当数量（0.020.04）在固溶体中，利用这部分剩余的铝来固定氮，即通过轧后缓冷或在700800保温，使铝与氮形成稳定的AlN，这样就可以减弱甚至完全消除通常在较低温度发生的时效现象。同时高度弥散的AlN质点在1000以下（与铝的浓度有关）能阻止奥氏体晶粒长大，使钢成为本质细晶粒钢。另外，由于合金元素的存在，固化了钢中的碳、氮。使钢在经过变形后，虽然出现了大量的位错和空位缺陷，但没有碳、氮的快速移位而形成柯氏气团，从而降低了形变时效的产生。时效的实际应用汽车车身的部件，如前挡泥板，汽车顶板等，如果经冷冲压加工而成，在低碳钢板存在有物理屈服现象（在不增加应力时的屈服现象）的时候，由于局部的突然屈服，钢板的形变就不均匀，结果在钢板表面出现形变带皱纹。为了避免产生这种缺陷，首先应设法消除物理屈服现象。实践证明，经过退火的钢板，在冲压加工前进行小变形的轧制（0.8-1.5%的变形量），可以消除物理屈服现象。但是，这种物理屈服现象的消除，只是暂时现象，如果经过一定时间的时效后，物理屈服现象又会重新出现。这说明形变时效对深冲钢板