合金元素对钢热处理的影响

读书园地收稿日期2006209218作者简介丁峰1968182,男安徽泗县人,安徽职业技术学院讲师,合肥工业大学在读硕士,研究方向为机械制造。联系电话0213856057036E2MAILDING2FENGTOMCOM合金元素对钢热处理的影响丁峰1,2,张焱21安徽职业技术学院,安徽合肥2300512合肥工业大学,安徽合肥230009摘要分析了合金元素对奥氏体的形成速度和奥氏体晶粒大小的影响,对珠光体转变的形核率和核长大速度的影响,对贝氏体转变开始温度BS及转变速度的影响,对马氏体转变温度MS和马氏体分解的影响,对碳化物形成和二次硬化效应的影响。关键词合金元素热处理奥氏体回火中图分类号TG14233文献标识码B文章编号100821690200701200632005EFFECTOFALLOYELEMENTSONHEATTREATMENTOFSTEELSDINGFENG1,2,ZHANGYAN21ANHUIVOCATIONAL2HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,HEFEI230009,ANHUIABSTRACTEFFECTOFALLOYELEMENTSHAVEBEENANALIZEDONFORMATIONRATEANDGRAINSIZEOFAUSTENITE,ONNUCLEATIONANDNUCLEUSGROWTHRATEDURINGPEARLITETRANSFORMATION,ONBAINITESTARTINGPOINTBSANDBAINITETRANSFORMATIONRATE,ONMARTENSITESTARTINGPOINTMSANDMARTENSITEDECOMPOSITION,ASWELLASONCARBIDEFORMATIONANDSECONDARYHAR2DENINGEFFECTKEYWORDSALLOYELEMENTHEATTREATMENTAUSTENITETEMPERING合金钢是工业中常用的材料,性能优良。其根本原因是合金元素所起的作用。合金元素对钢性能的影响主要是影响钢的组织和影响钢的热处理两个方面,本文重点分析后者。1对奥氏体化及对奥氏体晶粒长大的影响钢的淬火、正火和退火等热处理工艺的第一道工序是加热,以获得奥氏体组织。合金元素对奥氏体的形成速度影响很大。它是通过对钢的临界点位置的改变、对碳扩散速度的影响以及对铁素体与渗碳体量的影响等来改变奥氏体的形核率和长大速度的。111影响奥氏体的形成速度将钢加热到AC1以上发生奥氏体相变时,合金元素对碳化物稳定性的影响以及它们与碳在奥氏体中的扩散能力直接控制了奥氏体的形成过程。强碳化物形成元素,如TI、NB、ZR等的碳化物稳定性高,不易分解,同时还会提高碳在奥氏体中的扩散激活能,阻碍碳的扩散,从而延缓奥氏体化过程,比较明显地降低奥氏体的形成速度相反,NI、CO等非碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的扩散激活能,增大碳在奥氏体中的扩散速度,因而能使奥氏体的形成加速。112影响奥氏体晶粒的长大合金元素除MN和P能促进奥氏体晶粒长大以外,其他元素均不同程度地阻碍晶粒长大,从而细化了晶粒。强碳化物形成元素TI、ZR、NB、V的作用尤为明显,因为它们形成的合金碳化物稳定性高,而且多以弥散质点分布在奥氏体晶界上,使晶界迁移阻力增大W、MO、CR等对奥氏体晶粒长大的阻碍作用中等非碳化物形成元素SI、NI、CU等对奥氏体晶粒长大影响不大MN则促进奥氏体晶粒长大,因此,对锰钢热处理时,要严格控制加热温度和保温时间。2对钢冷却转变的影响对钢进行热处理时,将钢加热、保温生成奥氏36热处理2007年第22卷第1期19942008CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET体后,接着便是冷却。通过不同的冷却方式,可以使过冷奥氏体在不同温度下转变成珠光体、贝氏体或马氏体。211对珠光体转变的影响珠光体是奥氏体在冷却速度较慢过冷度较小的情况下,即在临界点以下的较高温度形成的,是退火或正火后的主要组成物之一。除CO和AL以外,合金元素均不同程度地降低奥氏体向珠光体转变的速度。如NI能降低珠光体转变的形核率N与长大速度G,尤其在过冷度较小的情况下,影响较大。1NI可使珠光体长大速度G减少约1个数量级。它还使珠光体转变最大速度所在的温度TN向下移1。NI对珠光体长大速度G的影响参见图1图1不同转变温度下合金元素对珠光体长大速度的影响FIG1EFFECTOFALLOYELEMENTSONGROWTHRATEOFPEARLITEATDIFFERENTTRANSFORMATIONTEMPERATURESCR在过冷度较大时能显著降低珠光体长大速度G。MO能剧烈降低珠光体的形核率N与长大速度G,并使TN明显上移,其影响较CR更为强烈。参见图1。MN在较小的过冷度下,对长大速度G影响不太明显但当过冷度较大时,则比较显著地降低珠光体长大速度G。MN对长大速度G的影响见图2。图2锰含量对珠光体长大速度的影响680等温FIG2EFFECTOFMANGANESECOTENTONGROWTHRATEOFPEARLITEISOTHERMALLYTREATEDAT680CO能显著提高形核率N与长大速度G。如当转变温度为660670时,加入1CO可使095C钢珠光体的长大速度G与形核率N分别提高2倍和3倍以上,参见图3与图4。图3钴对珠光体形核率的影响672转变FIG3EFFECTOFCOBALTONNUCLEATIONRATEOFPEARLITETRANSFORMEDAT672图4钴对珠光体长大速度的影响660转变FIG4EFFECTOFCOBALTONGROWTHRATEOFPEARLITETRANSFORMEDAT660212对贝氏体转变的影响贝氏体转变是介于珠光体转变与马氏体转变温度区域之间的一种转变,又称中温转变。合金元素的种类与含量,会改变贝氏体转变温度BS点及转变速度。合金元素中除CO和AL加速贝氏体转变外,其它元素如C、MN、NI、CR、CU、MO、SI、W、V以及少量的B都延缓贝氏体的形成。C、MN、NI、CR对奥氏体有强烈的稳定作用,MO能够有效地延长珠光体相变的孕育期,但对贝氏体相变的影响很小。当钢中含碳量相同而增加MN、CR、MO等元素时,均能延迟贝氏体转变,并使转变的温度区间降低,参见图5和图6。46热处理2007年第22卷第1期19942008CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET图5015016C钢中加入不同锰量对贝氏体转变的影响FIG5EFFECTOFMANGANESECONTENTONBAINITETRANSFORMATIONOFSTEELCONTAINING0506C图61C钢中加入35CR对贝氏体转变的影响FIG6EFFECTOF35CRINSTEELCONTAINING1CONBAINITETRANSFORMATION合金元素对贝氏体转变的影响机理是贝氏体的长大速度是受碳的脱溶所控制,随着钢中含碳量的增加,由于形成贝氏体所需要扩散的碳原子数量也增加,因而贝氏体的转变速度减慢。另外,C、MN、NI等使奥氏体稳定的元素能减小一定温度下的相变自由能,因此降低了贝氏体转变温度BS点以及在BS点以下给定温度的相变驱动力同时,降低贝氏体的形核率和核长大速度,使相变缓慢。CR、MN、W、V等碳化物形成元素与碳的亲和力强,会降低碳在奥氏体中的扩散速度,使奥氏体中碳的脱溶发生困难。同时,这些元素在奥氏体内仍与碳形成原子集团,阻碍共格或半共格界面的移动。这些因素都会降低相变的速度。AL是非碳化物形成元素,可减低奥氏体的稳定性。CO在钢中不形成碳化物,对奥氏体的稳定性影响不大,但它提高碳的扩散速度。因此AL和CO均将加速奥氏体向贝氏体转变。总之,贝氏体转变受两个基本因素所控制,即碳的扩散重新分配和无扩散型的的多型性转变。除碳本身影响多型性转变外,合金元素的加入能影响碳的扩散速度以及扩散的途径,从而会在不同程度上改变这两个基本过程。213对马氏体转变的影响当冷却速度足够大时,奥氏体分解为珠光体或贝氏体的过程可以完全被阻止,过冷奥氏体一直被冷却到马氏体开始转变温度MS点以下而转变为马氏体,这种操作即为淬火。概括地讲,除AL和CO以外,所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移,降低了马氏体转变的临界冷却速度,即在较慢的冷却速度下也能使奥氏体直接转变为马氏体组织,但使转变的孕育期增长。其中不形成碳化物的元素NI、SI、CU等和弱碳化物形成元素MN,只改变C曲线的位置,不改变C曲线的形状。参见图7。图7锰对019C钢C曲线的影响FIG7EFFECTOFMANGANESEONC2CURVEOFCONTAINING09C10152MN21121MN32186MN碳化物形成元素CR、MO、W、V、TI等不但使C曲线右移,而且改变C曲线的形状,使其分成两个部分上部的一个“鼻子”的C曲线相当于珠光体转变,而下部的一个“鼻子”的C曲线相当于贝氏体转变2,参见图8。溶入奥氏体的合金元素对MS点的影响,参见图9。除AL和CO提高MS点以外,绝大多数合金元素都不同程度地降低MS点。SI、B基本上不影响MS点。每1的合金元素对MS点的影响大致如下56热处理2007年第22卷第1期19942008CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET图8铬对015C钢C曲线的影响1212CR2412CR3812CRFIG8EFFECTOFCHROMIUMONC2CURVECONTAINING05C图9合金元素对MS点的影响FIG9EFFECTOFALLOYELEMENTSONMSMNCRNIVSIMOCUCOAL4535263002571218凡使MS点降低的合金元素,均增加残余奥氏体数量。残余奥氏体的存在影响硬度和组织的稳定性。3对回火过程的影响回火是淬火钢不可缺少的一道工序,目的是减少淬火件的内应力,降低脆性,提高塑、韧性和组织稳定性,得到强度与韧性良好配合的最佳使用性能。311合金元素对马氏体分解和碳化物形成的影响在回火时,合金元素能延缓马氏体的分解,阻碍碳化物的析出与长大,提高铁素体的再结晶温度。合金元素对淬火马氏体在120150回火时马氏体的两相分解,没有明显影响,其分解速度和碳钢相同。高于150回火时,合金元素对马氏体的分解速度有明显的阻碍作用。主要表现在固溶体中的合金元素与铁原子、碳原子间的结合键较强,阻碍碳原子自马氏体中析出,降低了马氏体的分解速度。V、TI、NB、MO、W、CR等强碳化物成形成元素影响很大,MN的影响较弱,非碳化物形成元素AL和SI也有显著影响,NI和CU的影响极小。含有SI和AL的钢,在马氏体分解时,碳化物溶解和渗碳体析出的温度从碳钢的260提高到350左右,即显著地阻碍马氏体中碳浓度的下降和碳化物的形成。因而合金碳化物的聚集、长大过程进行得相当缓慢,小质点的碳化物能保持到较高温度和较长的时间,弥散硬化的作用增强,组织稳定性增大。不同合金元素在不同的回火温度下,对马氏体分解时相中碳浓度的影响见表1。表1合金元素对马氏体分解的影响回火1HTABLE1EFFECTOFALLOYELEMENTSONTHEMARTENSITEDECOMPOSITIONTEMPEREDFOR1H回火温度/钢的成分04C037C560NI037C240MN041C360CR038C130MO039C137V041C175SI马氏体中的含碳量200025023024029028030030300015011013020018016026400005003006013011011015500001000002006005010001312产生二次硬化碳素钢中的淬火马氏体随回火温度的增高,硬度、强度不断降低。即使低碳钢在100左右回火时硬度有一些增高,也仅仅是由于碳原子的偏聚所致。高于150回火时,伴随组织的变化,硬度、强度下降是大多数钢的必然趋势。如果钢中加入MO、W、V、TI、NB、CO等元素,经淬火并在500600回火时,不仅硬度不降低,相反可升高到接近淬火钢66热处理2007年第22卷第1期19942008CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET的高硬度值3。这种强化效应,称为钢的二次硬化,参见图10。图10含MO、TI、V、CR钢的二次硬化FIG10SECONDARYHARDENINGOFSTEELSWITHMO,TI,V,CR图中MO20143C,516MOV0132C,1136VTI0150C,0152TIMO10111C,2114MOCR0119C,2191CRC0110C。导致二次硬化的主要原因是回火过程中,合金碳化物在该特定温度下的马氏体晶体的位错线上独立形核,以弥散的形态沉淀并与母相保持共格关系,因而硬度达到峰值。若低于或高于该温度区间回火,硬度均较低。这是因为低于该区间的下限温度,合金碳化物尚未沉淀,已析出的渗碳体粗化高于该上限温度回火,析出的合金碳化物长大、粗化,并破坏与母相的共格关系。313对回火脆性的影响淬火钢随回火温度的升高,通常是硬度、强度降低,塑性提高,而钢的韧性却在某些温度区间显著下降,这种脆化现象称为回火脆性。回火脆性可分为低温回火脆性和高温回火脆性两类。在300左右回火时发生的脆性称为低温回火脆性在450550或高至650左右回火时出现的韧性低谷,称