第二章 合金钢中的相变

Chapter3合金钢中相变,第一节合金元素对钢加热时转变的影响第二节合金元素对过冷奥氏体分解的影响第三节合金元素对淬火钢回火转变的影响,主要内容,第一节合金元素对钢在加热时转变的影响合金钢加热时奥氏体化过程包括：1转变；2碳化物、氮化物或金属间化合物在奥氏体中的溶解；3奥氏体晶粒的再结晶。奥氏体的形成可以按两种相互竞争的相变机制进行：1晶体学无序机制：相新晶粒的形成相对于原始相来说，改变了大小和取向。2晶体学有序机制：相以切变的方式转变为相，所以两相的大小和取向有一定的关系。,决定相变机制的主要因素是：原始组织的类型以及它们之间精确的晶体学有序性。一、原始无序组织（铁素体碳化物）,原始无序的组织发生无序的重结晶机制。奥氏体形成的无序机制如图所示。,退火：把钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。加热高于临界点时，相过渡与再结晶过程重合，因而得到很细的奥氏体晶粒。进一步在奥氏体区加热，则引起晶粒长大。,二、原始有序组织（马氏体、贝氏体）钢中的组织遗传性对原始有序组织加热高于Ac3，可能导致形成的奥氏体晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向，称为钢的组织遗传性。,合金化和加热速度对出现组织遗传性的影响如下：,钢的合金化程度越高，加热速度越快，越容易在钢中出现组织遗传性。原始有序组织在加热和冷却时，钢的重结晶示意图如图所示。,由图可见：1当足够快地加热淬火钢时，将按晶体学有序机制形成奥氏体，得到粗晶组织。2在中等加热速度下，马氏体完全分解发生在过渡之前，不会出现组织遗传性。这时的过渡与再结晶过程重合，晶粒得到细化。3当加热温度高于Tp，发生再结晶，此时奥氏体晶粒形态发生变化。,碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解规律各种碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度与1/T的关系如图所示：,最稳定的化合物的溶解度最低。由图可知：1强碳化物形成元素组成的稳定碳化物，如TiC、NdC、VC等只有在高温下才溶于奥氏体。2碳化物的溶解度随温度的降低而下降，因此，如果有足够数量的合金元素存在的话，合金碳化物将在随后的冷却过程中发生沉淀。弱的碳化物形成元素可降低强碳化物的稳定性，加速其溶解，如锰加入含Ti、V、Nd的钢中，能促进强碳化物的溶解。,奥氏体晶粒长大合金元素对奥氏体晶粒的影响如下：1机械阻碍论由于晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机械地阻碍了奥氏体晶粒的长大。这些高度弥散的化合物可以是一些稳定的碳化物、也可以是一些氮化物、或者是非金属夹杂物。2合金元素对奥氏体界面能的影响合金元素溶入奥氏体之后，改变了奥氏体的界面能，因而改变了奥氏体的长大倾向。,3合金元素对原子间结合强度的影响合金元素溶入奥氏体后改变了原子间的结合强度，从而引起了激活能和铁的自扩散系数的变化。综合上述三个理论，则能够较好地解释下列事实：1单相的晶粒比晶粒易于长大。Fe原子结合强度小于Fe，因而Fe的自扩散系数大于Fe的自扩散系数，因此单相的相晶粒比相晶粒易于长大。2C、B的溶入奥氏体，促进晶粒长大。C、B的溶入显著地降低了Fe点阵的结合力，增加了Fe原子的自扩散系数，所以促进奥氏体晶粒的长大。3碳化物形成元素碳化物形成元素与碳结合成碳化物，使碳保持在固溶体之外，从而削弱了C降低点阵结合力的影响，所以阻碍奥氏体晶粒的粗化。,第二节合金元素对过冷奥氏体分解的影响一、合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响合金元素对C曲线的影响分为以下两种：1合金元素加入后，C曲线仍然保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。非碳化物形成元素属于这种类型：Ni、Al、Si、Cu、Co2合金元素加入后，不仅使C曲线位置移动，而且使C曲线的形状改变。碳化物形成元素属于这种类型：Cr、Mo、W、V等。,过冷奥氏体的等温分解曲线可分为六种基本类型：,a）碳素钢以及不含碳化物形成元素的低合金钢。特点：珠光体和贝氏体转变没有分开。b，d）含碳化物形成元素的合金钢。特点：分解曲线分成珠光体和贝氏体转变两部分。b图对应于含碳量为0.4-0.5%的结构钢；d图对应于含碳量较高的工具钢。c）CrNiMo和CrNiW含碳量在0.15-0.25%。特点：珠光体转变区，过冷奥氏体十分稳定，图上不出现珠光体转变区，而在贝氏体转变区，稳定性很小。e）高Cr钢特点：只有珠光体转变，不出现贝氏体转变。f）高合金奥氏体钢特点：不出现珠光体和贝氏体转变。,二、合金元素对珠光体转变的影响珠光体转变是典型的形核和长大过程。不同的合金元素可以对形核率N和长大速率G产生不同的影响。例如：Mo和Ni同时降低N和G；而Co和Al同时提高N和G。为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散以外，还需要合金元素的扩散再分配。也就是在渗碳体和铁素体与奥氏体之间的界面上，合金元素产生再分配。即在渗碳体中固溶度高的那些合金元素将扩散到渗碳体中去，而非碳化物形成元素不存在此情况。说明：1当合金元素的成分达到临界含量，渗碳体将被其合金碳化物所取代。2强碳化物形成元素Nb、Ti、V当其含量低于0.1%时也可能优先形成合金碳化物。,三、合金元素对贝氏体转变的影响合金钢中贝氏体组织中的碳化物是合金碳化物，而且其合金元素的平均含量接近于奥氏体中合金元素的含量，所以，贝氏体转变时只有碳原子的扩散，而没有合金元素的扩散。合金元素对贝氏体转变的影响主要通过以下两个途径：1对碳原子扩散速度的影响。2对转变速度的影响。根据不同合金元素的作用特点，可以分为以下几种情况：1Cr、Mn、Ni等合金元素对贝氏体转变有较大的滞缓作用（孕育期延长）。（如下图a所示）原因：1.这三种元素降低转变温度；2.降低和间的自由能差，从而减慢其转变速度。,2.Mo、W、V对贝氏体转变的滞缓作用较弱。（如下图b所示）原因：1.虽然这三种元素升高转变温度，而且还加大和间的自由差；2.但是降低了碳原子的扩散速度，所以其滞缓作用并不明显。,四、合金元素对马氏体转变的影响除Co、Al以外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均降低马氏体转变温度。每1（重量）的合金元素使Ms点下降量如下表所示：,第三节合金元素对淬火钢回火转变的影响回火是将淬火钢加热到临界点Ac1以下某一温度，保温后以适当方式冷却至室温的一种热处理工艺。钢的淬火组织是马氏体残余奥氏体，均为亚稳定状态。马氏体是C在相中的过饱和固溶体，随回火温度的升高，C要从马氏体中析出形成碳化物及其聚集长大；残余奥氏体处于过冷状态，趋于向铁素体和渗碳体（碳化物）的稳定状态转化。淬火钢回火时，进行：一、马氏体的分解马氏体的分解实际上就是C在过饱和的固溶体中的脱溶，所以，合金元素对马氏体分解的影响就是影响C在固溶体中的活度。,如图所示，碳化物形成元素（Cr、W、V、Nb）强烈推迟马氏体的分解（即从中析出碳）。其原因是由于这些元素降低了碳在固溶体中的活度。非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素对马氏体的分解影响较弱。,（1）碳钢，（2）含非碳化物形成元素的钢，（3）含碳化物形成元素的钢中，碳从马氏体中析出的基本规律,二、特殊碳化物的形成及其聚集长大；马氏体回火时，随回火温度的升高，合金元素发生明显扩散时，非碳化物形成元素离开碳化物，碳化物形成元素向渗碳体富集，形成合金渗碳体。合金碳化物的形成方式一般有两种：1在预先存在的合金渗碳体颗粒处原位形核。碳化物形成元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时，合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。原位形核的条件是：渗碳体中必须溶解较多的合金元素，从而保证特殊碳化物的形成。由于Cr在渗碳体中的溶解度高达20，因此在Cr钢中合金碳化物的原位形核较常见。,（M马氏体；0回火马氏体；MxCy特殊碳化物）,2在铁素体基体中直接形核。含强碳化物形成元素的钢中，回火时直接从过饱和相中析出特殊碳化物。、属于这类元素。下图为质量分数分别为0.3%C和2.1%V的钒钢1250淬火，不同温度回火2小时，碳化物成分、结构和硬度的变化：,从图中可以看出：1温度低于500时，V仍固溶于马氏体，强烈阻碍马氏体的分解。2温度高于500时，直接从马氏体基体相中析出VC，直到700度时VC全部析出，Fe3C全部溶解。,三、残余奥氏体的分解降低马氏体转变温度的合金元素，均增加淬火钢中的残余奥氏体量；而升高马氏体转变温度的合金元素，则降低残余奥氏体量。如图所示为40CrNiMo和30CrMo钢淬火态试样中的少量残余奥氏体量与温度的关系。,从图中可以看出：残余奥氏体的转变仅发生在高于200，并且在300左右转变完成，更高温度回火后，渗碳体变为显微组织中的重要组成。,在淬火的高合金钢中，残余奥氏体可能在回火冷却过程中转变为马氏体。在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。这种现象称为二次淬火。,四、相的回复与再结晶淬火钢随着回火温度的提高，发生位错的重新分布与消失，位错形成网络，构成亚晶界，产生多边化亚结构并开始再结晶。五、弥散强化淬火钢回火时，有两个相反的因素影响强度：1马氏体的分解，导致弱化。2.特殊碳化物质点的弥散析出导致强化（弥散质点可有效阻碍位错运动）。,淬火钢回火时，（1）弥散碳化物质点析出和（2）马氏体的分解及其（3）总效果a）b）a）图：，钢的强度的总变化存在强度上升的峰值。b）图：，钢的强度的总变化不存在峰值，只能观察到缓慢的弱化过程。,对某种相组成的弥散质点，其强化与弱化的作用取决于形成弥散相所含的合金元素量。,如图所示：1V0时，无VC析出，所以VC0。2V0.25%时，因而500600回火后曲线几乎为水平线。3.V0.25%时，曲线上可观察到强度的上升，称为二次硬化峰。,弥散硬化：弥散质点数量很多时，强度曲线上的二次强化峰很明显，这种现象称为弥散硬化。弥散强化：弥散质点数量较少时，强度曲线出现缓慢下降，这种现象称为弥散强化。注意：二次硬化峰也与回火时残余奥氏体转变为马氏体（二次淬火）相联系，这样，二次硬化峰常常可能由弥散强化和二次淬火所决定。,六、合金钢的回火脆性（一）第一类回火脆性淬火钢在250400回火后出现的脆性，称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性。产生第一类回火脆性的原因：1由于马氏体分解时沿马氏体板条或片的界面析出断续的碳化物，降低晶界的断裂强度；2杂质元素在原奥氏体晶界的偏聚，使晶界强度进一步降低；3板条相界残余奥氏体薄膜的失稳分解。抑制第一类回火脆性的方法：1推迟Fe3C的形核与长大；2减少杂质元素的含量或改变其分布；3.增加残余奥氏体的稳定性。,（二）第二类回火脆性在450650温