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合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響

2022-06-20 14:10:17 作者：每天學(xué)點(diǎn)熱處理來源：每天學(xué)點(diǎn)熱處理分享至：

01 前言

合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們普遍能發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)象，如：

① 對于滲碳件和碳氮共滲件，淬火后要想達(dá)到相同的硬度（如480-610HV5），為什么碳氮共滲件需要更高的回火溫度？

② 45鋼和42CrMo相比，硬度要求28-32HRC，為什么42CrMo的回火溫度高一些？

③ 高速鋼（如SKH-9、W6Mo5Cr4V2）通過常規(guī)的高溫回火后，為什么硬度不降反而上升呢？

上述現(xiàn)象就是本期文章將要介紹的“合金元素對金屬件回火轉(zhuǎn)變的影響”，具體內(nèi)容請看下文，文章稍長，還請慢品。

02 合金元素對馬氏體分解的影響

合金鋼中的馬氏體分解過程與碳鋼基本相似，但其分解速度有明顯差別。

實(shí)驗(yàn)證明，在馬氏體分解階段，尤其是在馬氏體分解的后期階段，合金元素的影響十分顯著。合金元素影響馬氏體分解的原因和規(guī)律大致可歸納如下。

1 在馬氏體分解階段要發(fā)生馬氏體中過飽和碳的脫溶和碳化物粒子的析出與聚集長大，同時(shí)基體α相中的碳含量下降。合金元素的作用主要在于通過影響碳的擴(kuò)散而影響馬氏體的分解過程以及碳化物粒子的聚集長大速度，從而影響α相中碳濃度的下降速度。這種作用的大小因合金元素與碳的結(jié)合力的大小不同而異。

2 非碳化物形成元素（Ni）和弱碳化物形成元素（Mn）與C的結(jié)合力和Fe相比相差不大，所以對馬氏體分解無明顯影響。

強(qiáng)碳化物形成元素（Cr、Mo、W、V、Ti等）與C的結(jié)合力較強(qiáng)，增大C在馬氏體中的擴(kuò)散激活能，阻礙 C在馬氏體中的擴(kuò)散，從而減慢馬氏體的分解速度。而非碳化物形成元素Si和Co能夠溶解到ε-FexC中，使ε-FexC穩(wěn)定，減慢碳化物的聚集速度，從而推遲馬氏體分解。

3 碳鋼回火時(shí)馬氏體中過飽和碳完全脫溶溫度約為300℃，加入合金元素可使完全脫溶溫度向高溫推移100-150℃。也就是說，合金鋼在較高溫度回火時(shí)仍可以保持α相具有一定飽和碳濃度和細(xì)小碳化物，從而保持高的硬度和強(qiáng)度。合金元素這種阻礙α相中碳含量降低和碳化物顆粒長大而使鋼件保持高硬度、高強(qiáng)度的性質(zhì)稱為合金元素提高了鋼的回火抗力或“抗回火性”。

03 合金元素對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響

合金鋼中殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變與碳鋼基本相似，只是合金元素可以改變殘余奧氏體分解的溫度和速度，從而可能影響殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的類型和性質(zhì)。

在Ms點(diǎn)以下回火時(shí)，殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。若Ms點(diǎn)較高（＞100℃），則隨后還將發(fā)生馬氏體的分解過程，形成回火馬氏體。

在Ms點(diǎn)以上回火時(shí)，殘余奧氏體可能發(fā)生三種轉(zhuǎn)變：① 在貝氏體形成區(qū)內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w；② 在珠光體形成區(qū)內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；③ 在回火加熱、保溫過程中不發(fā)生分解，而在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即所謂的“二次淬火”現(xiàn)象。

注：思考①，二次淬火理論在高速鋼的多次回火過程中有應(yīng)用嗎？

04 合金元素對碳化物轉(zhuǎn)變的影響

非碳化物形成元素（Cu、Ni、Co、Al、Si等）與碳不形成特殊類型的碳化物，它們只是提高ε-FexC向θ-Fe3C的轉(zhuǎn)變，而且還會發(fā)生滲碳體到其他類型特殊碳化物的轉(zhuǎn)變。

合金鋼回火時(shí)，隨著回火溫度升高或回火時(shí)間延長，將發(fā)生合金元素在滲碳體和α相之間的重新分配。碳化物形成元素不斷向滲碳體中擴(kuò)散，而非碳化物形成元素逐漸向α相中富集，從而發(fā)生由更穩(wěn)定碳化物逐漸代替原先不穩(wěn)定的碳化物，使碳化物的成分和結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化。合金鋼回火時(shí)碳化物轉(zhuǎn)變的可能順序?yàn)椋?/span>

ε-碳化物（＜150℃）→滲碳體（150-400℃）→滲碳體（合金化，400-550℃）→特殊碳化物（亞穩(wěn)）→特殊碳化物（穩(wěn)定＞500℃）

鋼中能否形成特殊碳化物，取決于所含合金元素的性質(zhì)和含量、碳或氮的含量以及回火溫度和時(shí)間等條件。合金鋼在回火過程中，通常都是滲碳體通過亞穩(wěn)碳化物再轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定特殊碳化物。例如，高Cr高碳鋼淬火后，在回火過程中的碳化物轉(zhuǎn)變過程為：

（Fe，Cr）3C→（（Fe，Cr）3C）+（Cr,Fe）7C3→（Cr,Fe）7C3+（Cr，F(xiàn)e）23C6→（Cr，F(xiàn)e）23C6

特殊碳化物也是按這兩種機(jī)制形成的。

一種為原位轉(zhuǎn)變，即碳化物形成元素首先在滲碳體中富集，當(dāng)其濃度超過合金滲碳體的溶解度極限時(shí)，滲碳體的點(diǎn)陣就改組特殊碳化物點(diǎn)陣。低鉻鋼中的（Fe,Cr）3C轉(zhuǎn)變?yōu)椋–r，F(xiàn)e）7C3就屬于這種類型。提高回火溫度會加速碳化物轉(zhuǎn)變過程。

另一種為單獨(dú)形核長大，即直接從α相中析出特殊碳化物，并同時(shí)伴有合金滲碳體的溶解。含有碳化物形成元素V、Ti、Nb、Ta等的鋼以及高Cr鋼均屬于這種類型。

例如，1250℃淬火的0.3%C、2.1%V鋼，低于500℃回火時(shí)析出合金滲碳體，其中V含量很低。由于固溶V強(qiáng)烈阻止α相繼續(xù)分解，此時(shí)只有40%左右的碳以滲碳體形式析出，其余60%仍保留在α相中。當(dāng)回火溫度高于500℃時(shí)，從α相中直接析出VC。隨回火溫度進(jìn)一步升高，VC大量析出，滲碳體大量溶解。回火溫度達(dá)700℃時(shí)，滲碳體全部溶解，碳化物全部轉(zhuǎn)化為VC。

05 回火時(shí)的二次硬化現(xiàn)象

碳鋼在回火第三階段，隨著滲碳體顆粒的長大，將不斷軟化，如圖1所示。

圖1 低、中碳鋼在100-700℃回火1h的硬度變化

但是，當(dāng)鋼中含有Mo、V、W、Ta、Nb和Ti等強(qiáng)碳化物形成元素時(shí)，將減弱軟化傾向，即增大了軟化抗力。當(dāng)馬氏體中含有足夠量的碳化物形成元素時(shí)，在500℃以上回火時(shí)將會析出細(xì)小的特殊碳化物，導(dǎo)致因回火溫度升高，θ-碳化物粗化而粗化的鋼再度硬化，這種現(xiàn)象稱為二次硬化。有時(shí)二次硬化峰的硬度可能比淬火硬度還高。

圖2 回火溫度對低碳鉬鋼馬氏體硬度的影響

圖2示出了鉬含量對低碳（0.1%C）鉬鋼二次硬化作用的影響，可見，隨著Mo含量增加，二次硬化作用加劇。其他強(qiáng)碳化物形成元素（如Ti、V、W、Nb等）也有類似作用。Cr含量很高時(shí)（如大于12%）才有不太明顯的二次硬化峰。碳鋼中不發(fā)生二次硬化現(xiàn)象。

電鏡觀察證實(shí)，二次硬化是由于彌散、細(xì)小的特殊碳化物（如Mo2C、W2C、VC、TiC、NbC等）的析出造成的。具有二次硬化作用的特殊碳化物在位錯(cuò)區(qū)沉淀析出，常呈極細(xì)針狀或薄片狀，尺寸很小，而且與α相保持共格關(guān)系。隨回火溫度升高，碳化物數(shù)量增多，碳化物尺寸逐步增大，與α相的共格畸變也逐漸加劇，直至硬度達(dá)到峰值。再繼續(xù)升高溫度，由于碳化物長大，彌散度減小，共格關(guān)系被破壞，共格畸變消失以及位錯(cuò)密度降低，從而使硬度迅速下降。綜上所述，可以認(rèn)為對二次硬化有貢獻(xiàn)的因素是特殊碳化物的彌散度、α相中的位錯(cuò)密度和碳化物與α相之間的共格畸變等。

可以通過下述途徑來提高鋼的二次硬化效應(yīng)：

第一，增大鋼中的位錯(cuò)密度，以增加特殊碳化物的形核部位，從而進(jìn)一步增大碳化物的彌散度。如圖采用低溫形變淬火方法等。

第二，鋼中加入某些合金元素，以減慢特殊碳化物形成元素的擴(kuò)散，抑制細(xì)小碳化物的長大和延緩這類碳化物過時(shí)效現(xiàn)象的發(fā)生。例如，鋼中加入Co、Al、Si、Nb、Ta等元素，都可以使特殊碳化物細(xì)小彌散并與α相保持共格畸變狀態(tài)，從而增大鋼的回火穩(wěn)定性。

利用二次硬化效應(yīng)，可以選用具有二次硬化的合金鋼制作在熱狀態(tài)下工作的工件，只要使用溫度低于回火溫度（產(chǎn)生二次硬化峰的溫度），鋼件就可保持高的硬度和強(qiáng)度。

06 合金元素對α相回復(fù)和再結(jié)晶的影響

合金鋼在高溫回火時(shí)，若能夠形成顆粒細(xì)小的特殊碳化物，且又與α相保持共格關(guān)系，則能使α相保持較高的碳過飽和度，顯著地延遲α相的回復(fù)和再結(jié)晶，因而使α相處于較大的畸變狀態(tài)，仍然保持較高的硬度和強(qiáng)度，即具有很高的回火穩(wěn)定性。

在合金鋼中，常用合金元素（如Mo、W、Ti、V、Cr、Si等）均具有阻礙回火時(shí)各類畸變消除的作用，而且一般都延緩α相的回復(fù)和再結(jié)晶（提高再結(jié)晶溫度）以及碳化物的聚集長大過程，從而提高鋼的回火穩(wěn)定性。合金元素含量增高，這種延緩作用增強(qiáng)。鋼中同時(shí)加入幾種合金元素，其相互作用加劇。合金鋼具有高的回火穩(wěn)定性，在較高溫度下仍保持較高的硬度和強(qiáng)度，使鋼具有紅硬性、熱強(qiáng)性，這對于切屑刀具、熱作模等工具鋼是非常重要的。

07 結(jié)束語