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帶你系統了解含鉬合金鋼與鑄鐵--鉬的冶金學作用

2018-11-09 11:31:42 作者：本網整理來源：鉬和含鉬材料的世界分享至：

a 碳鋼中添加合金元素如鉻、鉬、鎢等可改善硬度、強度和韌性等性能。提高低合金鋼強度的經典方法包括：固溶強化、調質處理、析出強化和控制軋制。

在所有這些方法中，鉬都是有效的強化元素。

大多數低合金鋼都經過調質處理即淬火+回火（Q+T）

硬化

鋼在加熱之后淬火的目的是硬化，即在工件的全部橫截面產生硬化的顯微組織。

當一個圓鋼棒從高達900°C的溫度淬火時，其表面部位將比中心部位冷卻更快。

圖1 圓棒淬火

在實驗室采用末端淬火試驗進行模擬（Jominy 試驗）。將標準試樣加熱，然后一端進行水淬。樣品的冷卻速率在噴水冷卻的一端最高，相對的另一端最低。樣品冷卻后，打磨表面，獲得硬度分布數據。沿試樣方向硬度的變化反映了不同冷卻速率帶來的金相組織的變化。

圖2 鋼斷面的模擬冷卻

圖3的曲線比較了不同合金含量的鋼的硬度分布。不含鉬的碳錳鋼僅在靠近樣品淬火端的部位硬化，遠離淬火端的部位硬度下降很快。增加鉬含量，則遠離淬火端的部位也可保持較硬的金相組織，這意味著對于較高鉬含量的鋼，可采用較慢的冷卻速率來硬化，淬透性得到改善。淬透性表示鋼材淬硬層的深度。

圖3 喬米尼淬透性曲線：淬透性隨Mo含量增加而提高

標準的調質鋼常常采用一系列合金元素包括錳、鉻、鉬、鎳和硅的組合。

鋼硬化是基于鐵存在兩種晶體結構這一事實：

溫度在912°C以下及1394°C至熔點時，鐵為體心立方晶體結構，叫做鐵素體。較低溫度范圍的鐵素體也被稱為 α 鐵，在較高溫度范圍為 δ鐵。

溫度為912°C至 1394°C時，鐵為面心立方結構，叫做 γ 鐵或奧氏體。將純鐵加熱到 912°C 以上，其結構從鐵素體轉變為奧氏體。當鐵從奧氏體化區域冷卻到912°C以下，不管冷卻速度如何，會形成體心立方結構。

純鐵不能被硬化處理。

添加碳使鐵轉變為可硬化的鋼（合金元素如錳、鉬和鉻提高了鋼的淬透性）。

碳在鐵中以固溶體和碳化物形式存在。值得注意的是，面心立方結構奧氏體的各個面比體心立方結構鐵素體的各個面大約25%，因此碳在奧氏體中的溶解度明顯大于其在鐵素體中的溶解度。

當碳含量為0.4%的鋼加熱到鐵素體-奧氏體（α -γ 鐵）轉變溫度之上時，碳和其它合金元素進入寬敞的奧氏體面心立方結構的固溶體中。隨后的冷卻經過γ-α 轉變溫度，進入狹窄的鐵素體結構，它沒有足夠的空間使碳留在固溶體中。

所以，如果冷卻速率低，則在與轉變相關的過程中形成碳化物。因此，室溫下的金相組織由鐵素體和滲碳體組成，鐵素體和滲碳體的片層狀結構叫做珠光體，見圖4。關鍵因素是，有足夠的時間使碳原子移動穿過晶格形成滲碳體，結果形成了較軟的鐵素體和珠光體組織。

圖4 鐵素體-珠光體金相組織 -- 較軟有韌性metallograph.de提供照片

逐步加快冷卻速率減少了滲碳體的形成。水淬的冷卻速率很快，它完全壓制了滲碳體的形成。在這種情形下，碳被迫進入鐵素體結構的狹窄空間，由此形成的金相組織叫做馬氏體。這是最硬和最脆的鋼，見圖5。

圖5 馬氏體金相組織--硬且脆metallograph.de提供照片

在普通碳鋼中，僅在靠近淬火表面的區域可達到形成馬氏體所需要的高冷卻速率，而工件內部結構仍然較軟。較大的斷面進行水淬也會有淬火開裂的危險。

這就是鉬和其它合金元素發揮作用的地方。合金元素減慢了碳原子擴散進入鐵晶格的速度，延遲了奧氏體向鐵素體的轉變。因為馬氏體可在較慢的冷卻速度下形成，因此提高了鋼的淬透性。如圖6所示，鉬在這方面的作用非常有效。

圖6 淬透性放大系數表示淬硬深度隨合金元素百分比增加的速度

而且，在中等冷卻速率下，較大橫斷面的鋼尤其是含鉬合金鋼中會形成貝氏體結構。此時，在冷卻過程中發生奧氏體-鐵素體轉變之前，已出現一些碳化物的形核。

在實踐中，調質鋼部件金相組織的成分兼有馬氏體和貝氏體。

回火

淬硬鋼必須進行回火處理即再次加熱，原因有兩個：首先，部件邊部和核心冷卻速率不同造成的內應力必須消除；其次，為避免脆裂，高硬度的馬氏體和貝氏體必須進行軟化處理。

軟化處理必然帶來延展性的改善，強度的損失，碳鋼尤為明顯。而合金元素的重要功能則是延遲回火軟化。

借助鉬形成碳化物的能力，鉬與鉻、釩的精心組合可十分有效地延遲回火過程中強度的喪失并改善斷裂韌性，所產生的回火馬氏體結構，強度非常高且韌性尚可。

圖7顯示了鉬含量對碳含量為0.35%的碳鋼回火處理后硬度的影響。鉬大大延遲了鋼的軟化，當鉬含量足夠高時，硬度曲線甚至會隨著回火溫度的升高而上升，這叫做二次硬化。

圖7 鉬含量對回火軟化的影響

回火二次硬化效應是鉬在高速鋼和某些工具鋼及模具鋼中發揮的重要作用。

回火脆性

當鋼回火后慢速通過450 - 550°C溫度區間時，可能出現回火脆性。這是因為雜質如磷、砷、銻和錫等在晶界的偏析。與其它合金元素和雜質相比，鉬原子非常大，它有效地阻礙了這些元素的遷移，因此可抗回火脆性。

圖8顯示了兩個鋼的韌性-脆性轉變溫度，表示鋼使用溫度的低限而不發生脆性失效。

圖8 兩個回火鋼的韌脆轉變溫度與回火后冷卻速率的關系

兩個鋼，一個不含鉬，一個含0.15%鉬，如果回火后水淬，則具有基本相同的韌性-脆性轉變行為（轉變溫度-50°C），但是，如果鋼回火后在爐子里慢慢冷卻，情況就不一樣了。鉻鋼的韌脆轉變溫度變成+25°C，而鉻-鉬鋼仍然保持在 -50°C。緩慢的冷卻速率沒有使含鉬鋼脆化，因此，含鉬鋼不太容易發生回火脆性。

氫脆

氫脆和硫化物應力開裂

正如前面所描述的，調質鋼所獲得的強度水平主要是基于馬氏體的高強度，馬氏體金相組織的特征是高密度位錯和高內應力。

遺憾的是，正是這些條件增強了氫在鋼中的擴散，造成氫脆。回火雖然降低了內應力和馬氏體的位錯密度，因而減少了氫的擴散，但是強度也下降到不足的水平。而鉬通過固溶強化作用和與其它合金元素如鉻和鈮共同形成復合碳化物兩種方式有效地減輕了這種影響。

在以硫化氫為氫的主要來源的情況下，氫脆現象被稱為硫化物應力開裂。鉬所具有的抗硫化物應力開裂能力對于開發石油專用管材（OCTG）所需的各類鋼種起了關鍵作用，它們廣泛用于化工、石化和油氣工業。

高溫氫腐蝕

在溫度大約200°C 以上的氫腐蝕環境（對于石油蒸餾和催化重整等工藝是常見的工況條件），碳鋼的使用受到嚴重限制。擴散進鋼中的氫與鋼中的碳結合形成甲烷和其它物質，其結果首先是脫碳，隨后是由于局部氣體壓力大導致的裂紋。

圖9 比較了暴露在540°C的加壓氫氣環境中，各類鋼斷裂強度的損失。未添加合金元素的碳鋼，強度損失明顯，暴露不到50小時，損失原來強度的50%以上；添加0.5%Mo或1%Cr-0.5%Mo之后略有改善，但對于此工況條件還是不夠的。而2.25%Cr + 1% Mo 的合金含量可提供如下程度的保護：經過500小時的暴露之后，原先的斷裂強度絲毫沒有降低。