马氏体时效钢的特性与应用

马氏体时效钢的特性与应用 18%Ni马氏体时效钢属于铁基合金，具有极高的强度同时而又不失好的延展性。铁的基体与以高含量镍为主进行合金化，获得非常特殊的热处理材料。同时也加入其它合金元素如钼、铝、铜和钛，这些元素形成金属间析出物。钴也添加到合金中去，加入量最多达到12%，用于加速析出反应并保证获得大量、均匀的析出物。马氏体时效钢本质上说是不含碳的，这是区别该钢与大多数其他类型钢种最明显的特征。 马氏体时效钢性能特点为： 室温下具有超高强度 简单热处理，保证最小的热处理变形 与处于同一强度水平的淬火钢相比具有优异的疲劳韧性 低碳含量，从而消除脱碳问题 截面尺寸是硬化过程中一个重要的影响因素 易于加工 好的焊接性能 具有高强度与高韧性 易切削加工，低的加工变形量 热处理过程中收缩均匀稳定 易渗氮 具有好的抗腐蚀与裂纹扩展能力 抛光光洁度高 这些特性说明马氏体时效钢能被用作轴，长而细的渗碳或渗氮部件以及冲击疲劳环境下工作的零件，如打印头或离合器等。 马氏体时效钢的回火处理 回火作为一种热处理工艺从中世纪时代就开始应用，用于淬火马氏体合金的处理。而目前回火工艺仅用于对钢进行处理，因为钢占所有马氏体硬化合金中的绝大多数。 马氏体时效钢是不含碳的Fe-Ni合金，并添加了钴、钼、钛与其它一些元素。典型的钢种如铁基中含17%19% Ni，7%9% Co，4.5%5% Mo和0.6%0.9% Ti。这类合金经淬火成马氏体，然后在480500回火。在回火过程中，由于合金元素在马氏体中过饱和，从而从马氏体中沉淀析出形成金属间析出物，导致强的沉淀强化效果。根据铝、铜以及其它非铁合金的沉淀强化类推，可将该工艺过程称作时效处理。并且由于最初的组织为马氏体，因此该类钢被称作马氏体时效钢。 商业化马氏体时效钢在最大的硬化处理阶段，组织中可含有部分中间过渡亚温相Ni3Mo与Ni3Ti的共生析出物。Ni3Ti相类似于碳钢中的六边形-碳化物。在马氏体时效钢中，这些中间过渡金属间析出物颗粒由于在位错处析出，因而分布极其弥散，这一组织特点具有特别的实际应用价值。 马氏体时效钢的组织具有高密度位错，在板条（非孪生）马氏体中，位错密度达到10111012/cm2数量级，也就是与强应变硬化金属处于同一范围。在这方面，马氏体时效钢（硬化态）的亚结构明显不同于铝、铜和其它合金，它们在淬火时不会出现多态性变化。 假设马氏体时效钢在回火过程中，中间相的析出是由于合金元素的原子在位错线上的偏聚，则在位错上形成的产物可以作为合金元素在过饱和马氏体中的富集分层。 马氏体时效钢在马氏体转变过程中形成的位错结构，在随后的加热过程中保持非常稳定，实际上在回火温度范围内（480500）未发生变化。在整个的回火过程中，出现如此高密度的位错，很可能在很大程度上是由于弥散分布的析出物钉扎住位错。 在高温（550甚至更高）条件下，长的回火时间可能会导致析出物粗化，并增大颗粒间距，而位错密度同时也在下降。在长的保温时间下，就不出现半共生的中间过渡金属间析出物，取而代之的是稳定相如Fe2Ni或Fe2Mo形成的粗大共生析出物。 将回火温度提高到超过500，马氏体时效钢可能会发生马氏体向奥氏体分解转变，于是在奥氏体形成的过程中出现金属间化合物的溶解。 马氏体时效钢的性能特征 和所有析出强化合金一样，马氏体时效钢的力学性能与回火温度有关，即强度增加到峰值后，发生软化过程。根据时效的概念类推，在回火过程中，硬化与软化回火过程可能独立进行。 硬化效应是由在位错处形成偏聚而引起的，而中间过渡相如Ni3Mo与Ni3Ti形成的部分共生析出物对硬化效应影响最大。软化效应首先是由于弥散分布的析出物粗化，颗粒间距增大，其次是马氏体发生逆向转变，金属间化学物溶解在奥氏体中。 在回火过程中马氏体时效钢的抗拉强度大约提高80%，而屈服极限却提高约140%，就是说，强度增加的相对值比典型的实效硬化合金如铍青铜或铝合金G1915要低，但马氏体时效钢在回火过程中，抗拉强度与屈服强度绝对增加值是所有析出硬化合金中最大的。这主要是由于马氏体时效钢在初始状态下（硬化态）就具有非常高的强度（Rm=1100MPa）。 马氏体时效钢在480500 回火13h后具有高的强度，可能的原因是，在强度高的基体中形成高度弥散分布的半共生颗粒，它们的尺寸与间距为103nm数量级，这些金属间析出物也具有高的强度。因此，马氏体时效钢具有相当高的抗拉强度（Rm=18002000MPa）。 与马氏体硬化碳钢相比，在相同的强度水平下，不含碳的马氏体时效钢具有明显高的抗脆性断裂能力，这是该钢种最突出的优点。在回火后达到最大强度后，塑性指标与冲击韧性尽管有稍微的降低，但仍然保持在相当高的水平。不含碳的基体具备高的塑性以及基体中高度弥散均匀分布的金属间析出物，使材料具有极高的抗开裂能力，这是现代高强度结构材料最重要的性能。 马氏体时效钢由于具有这些性能特征，可用作自动数据处理机电设备的机械部件。这类钢用作要求热处理后具备良好的尺寸控制的轴件，原因之一是由于马氏体时效钢不需要淬火，应该更容易保持加工件的尺寸；其次是磨损实验数据表明马氏体时效钢与当前常用的轴类材料具备相当的耐磨性能，甚至更好。 18%Ni马氏体时效钢具有高的冲击疲劳强度，可用在反复冲击载荷的环境下。与处于相同强度水平的淬火钢相比，马氏体时效钢的断裂韧性更高，可用于高冲击低载荷的环境。 最后，由于马氏体时效钢的时效温度相当低，应该考虑将它制成细长零件。另外，还可以就替代一些表面硬化或渗氮零件等方面作深入研究。 应用实例 马氏体时效钢在时效前就具有高的强度与塑性，可以制成火箭与导弹的薄壳，在保持满足应用要求的强度前提下提高有效载荷。马氏体时效钢具有非常稳定的显微组织性能，即使在温度过高而发生过时效后，软化过程也非常缓慢。这些合金在适当高的工作温度下保持良好的性能，最高工作温度超过400。马氏体时效钢适合用作引擎零件如曲柄、轴与齿轮，以及用作自动武器的撞针。撞针是在相当高的载荷与冲击作用而同时冷热反复交替的环境下工作。由于均匀膨胀，并且在时效前易切削加工，使得马氏体时效钢可用于装配线上的高磨损单元以及用作模具制造。而其他超高强度钢，如二次硬化“Aermet”钢，由于基体内的碳化物颗粒一直呈弥散分布，因此很难加工处理。 在击剑运动中，由国际击剑协会或FIE主办的竞赛中使用的剑刃通常由马氏体时效钢制作而成。马氏体时效钢剑刃要求是金属薄片的形式，因为裂纹在马氏体时效钢中的扩展速率比在碳钢中慢10倍。这降低了剑刃的破损，给人的伤害机会更少。这类剑刃设计成平齐折断，这样就会“帮对手一个大忙”。 马氏体时效钢越来越多地用在体育行业。英国与美国的雷诺自行车已经采用新型不锈马氏体时效钢钢管制造自行车车架。不锈马氏体时效钢用于制作高尔夫球杆球头、外科手术器械以及皮下注射器等。该钢种不适合用作解剖刀刃，因为钢中几乎不含碳，做不成锋利的刀刃。 一些国家在马氏体时效钢的生产、进出口方面受到国际社会的密切监控。马氏体时效钢用于制造铀浓缩用气体离心分离机，这利用了该钢