加热金属冷却时的转变(4)

2019-04-16 22:36

③ 制订淬火工艺离不开Ms温度。

④ 加工形变会诱发其马氏体的形成,其所需切应力,往往与Ms呈线性关系,这也需参考Ms温度。

⑤ 其它诸如沉淀型不锈钢,要求经固溶处理后的Ms较低,以便于轧制,但要求回火后具有较高的Ms以求强化及稳定,要了解其变化规律。

⑥ 形状记忆合金的Ms往往决定了该合金的工作温度。 膨胀法:利用母相与马氏体之间比容的不同 电阻法:利用两相间电容的不同,以测定Ms、As

磁性法:奥氏体不具有铁磁性,马氏体具有铁磁性。只可用于钢铁材料。 金相法:回火马氏体易于腐蚀,淬火马氏体不易腐蚀。

电阻Ms=120℃ 电阻 2.影响Ms温度的因素 (1)母相的化学成分

碳是影响Ms温度最为强烈的元素 Ms???550?7730xC  xC?0.040.04?xC?0.06?505?6670xC   其中xC为碳的摩尔分数。

G GA 120 温度 As=510℃ 510 温度 以电阻法测定Fe-23.75Ni的Ms及As温度

(℃)

?G???M?s??G???Ms GF M?s Ms T0? T0 T 上述变化规律可由热力学上得到解释。 M?s?Ms?T0??T0

??C0(含碳量增加) C0C%↑,GF↓,GA↓,(A→F)T0↓

研究表明,马氏体相变驱动力?G??M与奥氏体在Ms的屈服强度成线性关系:

?G??M?5?s|?Ms?217  cal/mol

②合金元素的影响

常见合金元素除钴和铝Ms以外,其它元素均使之减低。而强碳化物形成元素(如钒,钛,钨等),若在正常淬火温度,大多以碳化物形式存在,很少溶入奥氏体,故对之影响不大。当存在多种合金元素时,则将发生交互作用,一般需通过试验确定其影响规律。 (2)应力和塑性变形

在一定温度范围内的塑性变形,将诱发马氏体相变,通常将塑性变形能诱发马氏体相变的最高温度称之为Md温度。高于此温度的塑性变形将不会产生应变诱发马氏体的形成。应力对马氏体相变的诱发作用,是由于形变能为马氏体相变提供了附加的驱动力,或提供了相变所需的晶体缺陷(层错或位错),从而使相变可以在较高的温度发生,即相当于升高了Ms温度。而在Md以上温度的塑性变形,却不能起到上述效果。

实验表明,在Ms~Md温度范围的塑性变形度愈大,由形变诱发的马氏体量愈大,但对随后冷却过程中的马氏体相变却起了抑制的作用。 实验还表明,在Md以上温度的塑性变形虽不能

诱发马氏体的形成,然而少量的塑性变形却能促进随后冷却时马氏体的转变,但过量的变形将起着反作用,甚至引起奥氏体稳定化。 (3)奥氏体化条件

奥氏体化时的加热温度和保温时间对的影响较为复杂:提高加热温度和延长保温时间,既有利于碳和合金元素溶入奥氏体,使奥氏体的成分均匀化,从而降低Ms;然而,这一过程又易引起奥氏体晶粒长大,从而降低切变强度,使Ms点升高。

(4)存在非马氏体的组织

若为珠光体,则由于珠光体优先在奥氏体的富碳区形成,故表现为Ms点升高;若先形成贝氏体,则由于贝氏体优先在奥氏体的贫碳区形成,故表现为Ms点下降。

四、奥氏体的稳定化

1.奥氏体的稳定化现象

实践发现,如在Ms以上或以下某一温度作等温停留,或对奥氏体进行适量的变形,则将使随后冷却过程中马氏体转变呈迟滞,即引起马氏体开始转变或继续转变的温度降低,或使残余奥氏体量增多,这一现象被称为奥氏体稳定化现象。其中,前一种现象,被称为奥氏体的热稳定化,而后一现象被称为奥氏体的力学稳定化。

2.奥氏体的热稳定化

T12钢奥氏体的热稳定化现象 奥氏体稳定化示意图

所谓奥氏体的热稳定化是指钢在淬火冷却过程中,由于冷却缓慢或等温停留,使随后奥氏体向马氏体的转变呈现迟滞的现象。

① 在一定的温度下,等温停留时间愈长,奥氏体热稳定化程度愈高

图示为T12热稳定化现象:纵轴为磁强计读数,与马氏体转变量成正比。在连续冷却过程中,马氏体转变量随温度下降不断增多。若冷至20℃作30秒等温停留,则随后再冷却时,马氏体并不立即形成,而是滞后35℃后再形成马氏体;若等温的时间为3天、33天,则滞后温度达到93℃、118℃。可见,随等温时间的延长,滞后温度值增大;同时,最后形成的马氏体量亦有所减少。通常可用滞

30CrMnSiA钢经900℃停留 Cr12钢960℃加热,在不同温度

1分钟后空冷至室温 停留3和25分钟后空冷至室温

后温度θ或以残留奥氏体量衡量奥氏体稳定化程度,其值愈大,则奥氏体热稳定化程度愈高。

奥氏体的热稳定程度将受停留温度,停留时间,钢的化学成分和冷却速度等因素的影响。

② 若等温时间不变,则随着等温温度的升高,奥氏体热稳定化程度先升高;超过某一温度反而下降,即出现反稳定化现象

如图所示,在30CrMnSiA和Cr12钢的热稳定化的实验曲线上均出现峰值,即奥氏体的反稳定化现象。

③ 在同样的冷却条件下,钢中含碳量愈高,奥氏体热稳定化程度愈高

由图可见,随含碳量的增加,钢中的残留奥氏体量增多,即奥氏体的热稳定化程度增大。

一般认为,奥氏体的热稳定化是由于在适当温度停留过程中,奥氏体中的碳、氮原子与位错发生交互作用形成柯氏气团,从而强化奥氏体,使马氏体相变的阻力增大所致。 3.奥氏体的力学稳定化

前已述及,在Md以上温度的塑性变形,将抑制随后冷却时马氏体的转变,即产生奥氏体的力学稳定化现象。

试验表明,少量塑性变形对马氏体转变具有促进作用,而超过一定量的塑性变形将对马氏体转变产生抑制作用。

一般认为,小变形时,往往增加奥氏体中的层错,并在晶界及孪晶界处生成位错网络,形成胞状结构,这种缺陷组态将有助于马氏体的形核;而变形度较大时,奥氏体中将形成高位错密度区和亚晶界,使奥氏体强化,从而使奥氏体稳定化。

4.奥氏体稳定化规律在生产中的应用 (1)保留一定残留奥氏体量,以减少工件变形 体量。

奥氏体力学稳定化示意图 奥氏体力学稳定化示意图

冷却速度和等温温度对奥氏体热稳定化的影响

① 采用分级淬火,在Ms点以上温度停留,产生奥氏体热稳定化,控制残留奥氏

② 采用等温淬火,控制残留奥氏体量。

③ 提高奥氏体化温度,增加奥氏体含碳量,降低Ms点,以增加钢中的残留奥氏体含量。

(2)尽量减少奥氏体量,以提高工件的硬度和耐磨性 ① 增加淬火时的冷却速度,将增加奥氏体的稳定性。

② 分级淬火时,选择在Ms点附近,减小奥氏体的热稳定化程度,减少残留奥氏体含量。

③ 淬火后,尽量缩短冷处理工艺的间隔时间,增加冷处理后的马氏体含量。 ④ 淬火后,在一定温度回火,使残留奥氏体发生反稳定化,在回火冷却过程中转变为马氏体,以提高钢的强度和硬度。

(3) 增加奥氏体的稳定性,以保证工件尺寸的稳定性和钢的强韧性

五、马氏体的力学性质

以上各节介绍了马氏体相变的一般规律及其影响因素,研究这些规律的根本目的在于通过相变改善钢材的使用性能,延长钢材在使用条件下的使用寿命,这就要求钢材必须具有足够的强度和一定的韧性。经淬火回火处理的钢件其性能往往取决于钢中的马氏体、残留奥氏体及碳化物的性质、数量及分布。从而,了解钢在淬火后的组织——马氏体的性能对分析热处理的性能将是十分有益的。 1.马氏体的强度和硬度

上图显示了Fe-C、Fe-Ni合金中板条状马氏体的硬度和?0.2之间的线性关系。对屈强比为常数的合金,硬度和屈服强度也存在类似的关系。由于这一关系的存在,工业上常以硬度作为热处理钢的强度的重要检验因素。

钢中马氏体最重要的性能是高强度、高硬度。由上图可见,随钢中含碳量的增加,硬度升高,当含碳量超过0.6%以后,虽然马氏体硬度继续升高,而淬火钢的硬度并不升高(图中曲线2),甚至有所


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