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文档简介
1、 第三章第三章 合金钢中的相变合金钢中的相变第一节 合金元素对奥氏体形成的影响第二节 合金元素对过冷奥氏体转变的影响第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响一、合金钢的加热合金钢的加热A A化化(Austeniting of alloy steel)第一节第一节 合金元素对奥氏体形成的影响合金元素对奥氏体形成的影响一、K K在在A A中的溶解规律中的溶解规律( Rule of K dissolution )K溶解影响到钢热处理工艺的制定,决定了钢的组织与性能。基本规律:1)K稳定性越好,溶解度就越小,如图4。2)温度,溶解度, 沉淀析出;3)A中有较弱的K形成元素,则会C活度(ac),K的溶解;
2、非K形成元素(如Ni)则相反,ac,K的溶解。如:较多Mn的存在使VC的溶解温度从1100降至900。4)K稳定差的先溶解。Mn、Cr的K先溶解,V、Ti的K后溶解。如:MC型的溶解温度 11001150,M7C3、M23C6 950。二、A A体的均匀化(体的均匀化(Average austenitingAverage austeniting) A体刚形成时,C和Me的分布是不均匀的 一般钢的处理都要求有一定的均匀化。合金钢加热均匀化不仅是间隙原子C,置换原子Me也要比较均匀。因为Me扩散比C慢得多, A体均匀化时间比较长,所以合金钢加热处理时的保温时间比较长。三、A A体晶粒长大(体晶粒长
3、大(Austenite grain growthAustenite grain growth) 钢在高温情况下,A体晶粒容易长大。所谓钢过热敏感性就是晶粒长大问题。晶界呈 形状是稳定态,它总是力图向这方向进行,球形的第2相要比其它形状的要稳定,所以钢中的第2相也要不断地向球形转变。(乌龟壳、蜜蜂窝呈 ,什么原因)钢加热刚形成A时,晶粒形状是不稳定的,为降低系统的表面能,晶粒会长大,这是一个自发过程。 MeMe的作用(的作用(Effect of Me on grain growthEffect of Me on grain growth):):1)强K形成元素Ti、Nb、V,W、Mo晶粒长大,
4、有K存在和(或) DFe ;2)C、N、B晶粒长大 DFe (Fe原子间结合力);3)Mn在低C钢中有细晶作用,其它钢中都晶粒长大;4)用Al脱氧的镇静钢是本质细晶粒钢 AlN、Al2O3稳定细小 晶粒长大。5)Ni、Co、Cu作用不大。思考题:思考题:9、合金钢的热处理工艺与C钢相比有什么不同? 第二节第二节 过冷过冷A A体的分解体的分解(Sub-cooling (Sub-cooling austenite decpmposition)austenite decpmposition)一、过冷一、过冷A A体的稳定性(体的稳定性(Sub-cooling austenite Sub-cooli
5、ng austenite steadinesssteadiness)不同合金成分的“C”曲线形状是不同的。按照不同的影响,可分为三类:1)非K形成元素Ni、Si和弱K形成元素Mn,大致保持C钢的“C”曲线形状,只是使“C”曲线向右作不同程度的移动;2)非K形成元素,不改变“C”曲线,但使“C”曲线左移;3)K形成元素,不仅使“C”曲线右移,并且改变了“C”曲线形状。Me的不同作用,使“C”曲线出现了不同形状,大致有五种(如图5所示):a) 只有一个过冷A体最不稳定的鼻子区,如:Ni、Si、Mn;图5a)b) 出现二个过冷A区最不稳定的鼻子区,如:Cr、Mo、W、V等,GCr15、42CrMo是
6、典型例子;图5b)c) 只有P转变区,如Cr元素,不锈钢2 Cr13;图5c)d) 只有B转变区,如W、Mo元素,钢34CrNi3Mo;图5d)e) 无P、B转变区,如Ni、Mn,不锈钢1Cr18Ni9;图5e)n过冷A体稳定性实际上有两个意义:孕育期(incubation period)和相变速度。即“C”曲线中恒温下开始转变前的时间和转变开始和终了的水平距离(时间)。一般生产中主要关心的是孕育期。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度,转变速度主要涉及新相晶粒的长大。二、过冷过冷A A体的体的P P、B B转变转变(Sub-cooling austenite PB transformatio
7、n)在C钢中P转变形成的是Fe3C,只需要C的扩散。而含K形成元素的合金钢发生P转变时,形成的是合金渗碳体或特殊K,还需要Me的扩散。综合影响的顺序:Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 。除Co、Al外,Me只要能溶入A体,都能推迟过冷A体向P体的转变。贝氏体转变时,只有C原子作短程扩散,Me几乎没有扩散。相变形成的是合金渗碳体,Me含量和A中的平均含量相近。所以,Me的作用主要是影响了相变驱动力和C 的扩散能力DC 。影响的顺序:Mn、Cr、Ni、Si 。而W、Mo、V等元素的影响很小。由以上分析可知;设计和生产上如需要获得贝氏体组织,应选用含Mo、W元素的钢种。各种Me对Ms位置的影响程度是
8、不同的。简单地可用图6所示的热力学理论来解释:由于Me对A、M的自由能相对变化作用不同,从而改变了T0的位置,也影响了Ms位置。1)当GA(A1线),T0 ,如:Mn、Cr、Ni;2)当GM ,又GA (M1和A1线),T0 ,如:C ;3)当GA(A2线) ,T0 ,如:Al、Co 。 所以,除了Al、Co外,所有Me加入A体中,都会使Ms,作用的强弱顺序为:C、Mn、Ni、Cr、Mo、W 。n思考题:思考题:10、A形成元素扩大区,稳定A体,F形成元素缩小区,但除了Co、Al等少量元素外,几乎所有Me都使“C”曲线右移,起了稳定过冷A体的作用,如何理解?11、Me使“C”曲线右移,即使所谓
9、的“孕育期”变长,“孕育期”的物理意义是什么?12、W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大,而对珠光体转变的推迟作用大,如何理解?13、对一般结构钢的成分设计时,要考虑其MS点不能太低,为什么? 第三节第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响一、M M分解分解 二、回火时二、回火时K K的形成的形成三、A AR R的转变的转变四、对铁素体回复再结晶的影响四、对铁素体回复再结晶的影响回火温度的升高回火组织发生变化、体积发生变化、硬度回火温度的升高回火组织发生变化、体积发生变化、硬度 (马氏体比容最大)(马氏体比容最大)回火马氏体回火屈氏体回火索氏体回火马氏体回火屈氏体回火
10、索氏体 T 一、对一、对M M分解的影响分解的影响低温回火时,低温回火时,C C和和MeMe的扩散比较困难,的扩散比较困难,MeMe的影响不大。的影响不大。中温以上,中温以上,MeMe的活动能力增强,对的活动能力增强,对M M体分解产生不同程度体分解产生不同程度的影响:的影响:1 1)NiNi、MnMn的影响很小;的影响很小;2 2)K K形成元素阻止形成元素阻止M M分解,阻止了渗碳体的析出长大;分解,阻止了渗碳体的析出长大;3 3)SiSi比较特殊:比较特殊: 300FeFe、C C。 含含2% Si2% Si能使能使M M分解温度从分解温度从260260提高到提高到350350以上。以上
11、。二、提高残余奥氏体转变的温度范围二、提高残余奥氏体转变的温度范围二次淬火:在二次淬火:在K K形成元素含量较高的合金钢中,形成元素含量较高的合金钢中,r rR R量较多量较多, ,随着回随着回火温度的升高,不断有火温度的升高,不断有K K析出,析出, r rR R 中中C C及及MeMe贫化,贫化,MsMs点升高。若点升高。若重新冷却,部分残余奥氏体转变为马氏体,使硬度增加。重新冷却,部分残余奥氏体转变为马氏体,使硬度增加。三、特殊三、特殊K K形成形成 沉淀硬化(二次硬化):在高合金钢中,由于沉淀硬化(二次硬化):在高合金钢中,由于TiTi、V V、MoMo、W W等在等在50050060
12、0600度范围内回火时,将沉淀析出这些元素的特殊度范围内回火时,将沉淀析出这些元素的特殊K K,因此硬度不但,因此硬度不但不下降,反而再次升高。不下降,反而再次升高。四、对铁素体回复再结晶的影响四、对铁素体回复再结晶的影响 大部分大部分MeMe延缓铁素体回复再结晶的过程。延缓铁素体回复再结晶的过程。CoCo、MoMo、W W、CrCr、V V显著提高,显著提高,SiSi、MnMn次之,次之,NiNi较小。较小。第四节第四节 合金元素对回火脆性的影响合金元素对回火脆性的影响 ( Tempered brittleness Tempered brittleness )1 1、第、第1 1类回火脆性类
13、回火脆性 (低温回火脆性,不可逆回火脆性)(低温回火脆性,不可逆回火脆性)特征:特征:不可逆;不可逆;与回火后冷速无关;与回火后冷速无关;晶界脆断。晶界脆断。产生原因:产生原因:200-350200-350时,时,FeFe3 3C C薄膜在晶界形成,薄膜在晶界形成, 晶界强度;晶界强度;杂质元素杂质元素P P、S S、BiBi等偏聚于晶界,等偏聚于晶界,晶界强度。晶界强度。MeMe作用:作用:MnMn、CrCr促进脆性;促进脆性; V V、AlAl可改善脆性;可改善脆性; SiSi推迟脆性温度区。推迟脆性温度区。 2 2、第、第2 2类回火脆性类回火脆性( (高温回火脆性,可逆回火脆性)高温回火脆性,可逆回火脆性)特征:特征:可逆;可逆;回火后慢冷产生,快冷抑制;回火后慢冷产生,快冷抑制;晶界脆断。晶界脆断。产生原因:产生原因:450-650450-650时,杂质元素时,杂质元素SbSb、S S、AsAs等偏聚于晶界;等偏聚于晶界;或或N N、P P、O O等杂质元素偏聚于晶界,形成网状或片状化合物,等杂质元素偏聚于晶界,形成网状或片状化合物,晶界强度。高于回火脆性温度,杂质元素扩散离开了晶界,晶界强度。高于回火脆性温度,杂质元素扩散离开了晶界,或化合物分解了;快冷是抑制了杂质元素的扩散。或化合物分解了
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