合金元素对钢热处理的影响

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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:0213856057036　E 2mail:ding 2feng@t
合金元素对钢热处理的影响
丁　峰
1,2
,张　焱
2
(1.安徽职业技术学院,安徽合肥
230051;2.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B s 及转变速度的影响,对马氏体转变温度M s 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:TG142.33 文献标识码:B 文章编号:100821690(2007)01200632005
Effect of A lloy Elem en ts on Hea t Trea t m en t of Steels
D I N G Feng 1,2
,ZHANG Yan
2
(1Anhui Vocati onal &Technical College ,Hefei 230051,Anhui;2.Hefei University of Technol ogy,
Hefei 230009,Anhui )
Abstract::Effect of all oy ele ments have been analized on f or mati on rate and grain size of austenite,on nucleati on and nucleus gr o wth rate during pearlite transf or mati on,on bainite starting point B s and bainite transf or mati on rate,on martensite starting point M s and martensite decompositi on,as well as on carbide f or mati on and secondary har 2dening effect.
Key W ords:all oy ele ment;heat treat m ent;austenite;te mpering
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A C1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,N i 、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 、N i 、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
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A l 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:N i 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。

1%N i 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]。

N i 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
Fig .1Effect of all oy elements on gr owth rate of pearlite at different transfor mati on te mperatures
Cr 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)
Fig .2Effect of manganese cotent on gr owth rate of pearlite (is other mally treated at 680℃)
Co 能显著提高形核率N 与长大速度G 。

如:当
转变温度为660～670℃时,加入1%Co 可使0.95%C 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)
Fig .3Effect of cobalt on nucleati on rate of pearlite (transfor med at 672℃
)
图4　钴对珠光体长大速度的影响(660℃转变)
Fig .4Effect of cobalt on gr owth rate of pearlite (transfor med at 660℃)
212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B s 点及转变速度。

合金元素中除Co 和A l 加速贝氏体转变外,其它元素如C 、Mn 、N i 、Cr 、Cu 、Mo 、Si 、W 、V 以及少量的B 都延缓贝氏体的形成。

C 、Mn 、N i 、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。

图5　015%～016%C 钢中加入不同锰量对
贝氏体转变的影响
Fig .5Effect of manganese content on bainite transfor mati on of steel containing 0.5%～0.6%
C
图6　1%C 钢中加入3%～5%C r 对贝氏体转变的影响
Fig .6Effect of 3%～5%Cr in steel containing
1%C on bainite transfor mati on
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 、N i 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B s 点以及在B s 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。

A l 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A l 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γ→
α的多型性转变。

除碳本身影响γ→
α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M s 点以下而转变为马氏体,这种操作即为淬火。

①概括地讲,除A l 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N i 、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019%C 钢C 曲线的影响
Fig .7Effect of manganese on C 2curve
of containing 0.9%C
1—0152%Mn;2—1121%Mn;3—2186%Mn
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。

②溶入奥氏体的合金元素对M s 点的影响,参见图9。

除A l 和Co 提高M s 点以外,绝大多数合金元素都不同程度地降低M s 点。

Si 、B 基本上不影响M s 点。

每1%的合金元素对M s 点的影响大致如下:
图8　铬对015%C 钢C 曲线的影响
1—212%Cr 2—412%Cr 3—812%Cr Fig .8Effect of chr o miu m on C 2curve containing 0.5
%C
图9　合金元素对M s 点的影响
Fig .9Effect of all oy ele ments on M s
Mn Cr N i V Si Mo Cu Co A l
(℃)
-45-35-26-300
-25
-7
+12+18
凡使M S 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120～150℃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A l 和Si 也有显著影响,N i 和Cu 的影响极小。

含有Si 和A l 的钢,在马氏体分解时,ε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α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1h )
Table 1Effect of all oy ele ments on the martensite decompositi on (te mpered f or 1h )
回火温度
/℃钢 的 成 分
0.4%C
0.37%C 5.60%N i 0.37%C 2.40%M n
0.41%C 3.60%Cr
0.38%C 1.30%Mo
0.39%C 1.37%V 0.41%C 1.75%Si 马　氏　体　中　的　含　碳　量　(%)
2000.250.230.240.290.28
0.300.303000.150.110.130.200.180.160.264000.050.030.060.130.110.110.15500
0.01
0.00
0.02
0.06
0.05
0.10
0.01
312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500～600℃回火时,不仅硬度不降低,相反可升高到接近淬火钢
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 、C r 钢的二次硬化
Fig .10Secondary hardening of steels
with Mo,Ti,V,Cr
图中:Mo2:0143%C,516%Mo;V:0132%C,
1136%V;Ti:0150%C,0152%Ti;Mo1:0111%C,2114%Mo;Cr:0119%C,2191%Cr;C:0110%C 。

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450～550℃(或高至650℃左右)回火时出现的韧性低谷,称为高温回火脆性。

对低温回火脆性而言,合金元素中的Cr 、Mn 和
Si,不论单独或共同加入,均促进低温回火脆性的发
展,并使回火脆化的温度移向高温。

单独加入N i 或V 对低温回火脆性几乎没有影响。

但N i -Si 、N i -Mn 或N i -Cr 共同加入时,则促进脆化。

Mo 、W 、Ti
和A l 使低温回火脆性有所减弱,Mo 的抑制作用较强。

对高温回火脆性而言,合金元素中的Cr 、Mn 、N i 有促进杂质元素偏聚的作用,从而促进脆化。

而Mo 、W 、V 和Ti 可抑制回火脆性的发展。

合金元素对回火脆性的影响参见图11(Δθ:脆化度)。

图11　杂质及合金元素对N i -C r 钢在450℃、168h 回火时对回火脆性的影响
Fig .11Effect of i m purities and all oy ele ments on te mper brittleness of N i 2Cr steel te mpered
at 450℃f or 168h
4　小结
综上所述,合金元素对钢热处理的影响是多方
面的,是复杂的。

这种影响是合金钢在性能上大大优于碳素钢的重要原因,这种优良性能使得合金钢在生产中得到广泛应用。

参考文献
[1]《热处理手册》编委会.热处理手册(第3版,第1卷)
[M ].北京:机械工业出版社,2002.
[2]丁厚福,王立人.工程材料[M ].武汉:武汉理工大学出
版社,2001.
[3]丁德全.金属工艺学[M ].北京:机械工业出版社,2005.。