鋼中的相變復(fù)習(xí)課程

鋼中的相變§3.1合金元素對相變基本因素的影響影響自由能影響擴散影響活度一、合金元素對新相（α）、母相（γ）自由能的影響ΔFv：自由能差（奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變），表示相變驅(qū)動力，差愈小，臨界晶核愈難形成，γ相愈穩(wěn)定。1、降低ΔFv：C、Mn、Cr、Ni2、提高ΔFv：Al、Co3、影響不大：Mo、W相變基本因素包括：熱力學(xué)——可能性動力學(xué)——速度或快慢（即擴散）鋼中擴散包括：①、碳在奧氏體和鐵素體中的擴散能力②、合金元素在奧氏體和鐵素體中的擴散能力③、合金元素對Fe、C擴散的影響二、合金鋼中的擴散和碳在鐵中的活度1、鋼中元素擴散的一般規(guī)律置換式原子擴散比間隙原子慢幾個數(shù)量級在特定溫度下，所有原子在鐵素體中的擴散速度都比在奧氏體中的快；在所有情況下，對每一種元素，在α－Fe中擴散激活能必低于在γ－Fe中的激活能（擴散能力與激活能呈負冪指關(guān)系，即激活能越大，擴散能力越差）2、元素對碳在奧氏體中擴散能力的影響碳化物形成元素:W、Mo、Cr、Mn提高C擴散結(jié)合能，降低擴散系數(shù)，使碳原子不容易擴散；非碳化物形成元素:Ni、Co、Cu、Al降低C擴散結(jié)合能，提高擴散系數(shù)，使碳原子容易擴散。特殊元素Si:是非碳化物元素，提高碳的活度，但在奧氏體中劇烈地降低鐵原子的活動性，增加鐵在固溶體中的結(jié)合力，阻礙碳原子的擴散。

（1）Cr、Mn、Mo、Ti、Nb等阻礙Fe在奧氏體中的自擴散。這些元素與鐵形成固溶體，降低鐵原子的活度，使鐵原子間結(jié)合力增加。（2）碳對Fe在奧氏體中自擴散的影響:存在碳，削弱鐵原子間結(jié)合力，促進鐵原子擴散。3、合金元素對鐵在奧氏體中的自擴散影響4、碳在鐵中的活度定義：碳在鐵固溶體中的活動性，可以衡量C在固溶體中的擴散能力、溶解能力和析出能力ai=riNi（ai：活度；ri：組元的活度系數(shù)；Ni：碳在鐵中的百分比濃度）相對活度系數(shù)：碳在合金與非合金鐵中活度系數(shù)的比值即fc=aiM/ai=ri

M/ri

※表征合金元素在鐵碳合金中對碳活度的影響非碳化物形成元素使fc>1，提高其活動性，增加碳在基體中的活度，使C從固溶體中析出的傾向增加。碳化物形成元素使fc<1，降低其活動性，降低碳在基體中的活度，使C難于從固溶體中析出。鋼加熱過程中相變是什么？涉及哪些具體轉(zhuǎn)變？§3.2合金元素對鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響奧氏體形成過程奧氏體的形成奧氏體的長大滲碳體的溶解鋼加熱奧氏體化時有兩種相互競爭的相變機制：晶體學(xué)有序機制和無序機制。無序機制形成奧氏體時，α→γ轉(zhuǎn)變伴隨著重結(jié)晶，即γ新晶粒的形成對原始α相來說，改變了大小和方向；有序機制：不伴隨重結(jié)晶，以相變切變的方式進行，γ晶粒保持原來α相晶粒的形狀和大小一、合金元素對奧氏體形成的相變機制的影響決定晶體相變轉(zhuǎn)變機制的主要因素是：原始組織的類型以及他們之間精確的晶體學(xué)有序性。原始無序的組織只能以無序轉(zhuǎn)變機制進行相變；原始有序組織（馬氏體、貝氏體和魏氏組織鐵素體）有兩種轉(zhuǎn)變機制：有序轉(zhuǎn)變機制和無序轉(zhuǎn)變機制。到底以那種相變機制進行轉(zhuǎn)變，取決于合金化程度和加熱速度。合金化程度越高，加熱速度越快，越易出現(xiàn)有序轉(zhuǎn)變或組織遺傳。見圖3－6消除組織遺傳的方法：最終的快速加熱淬火之前進行回火處理。組織遺傳：對粗晶有序組織加熱高于AC3，可能導(dǎo)致形成的奧氏體晶粒與鋼的原始晶粒具有相同的形狀、大小和取向合金化與加熱速度對出現(xiàn)組織遺傳的影響如下：二、合金元素對A形成速度的影響合金元素的加入，改變了鋼A形成溫度A1，A3和Acm及相變點的位置，從而影響了A形成速度；A的形成速度取決于奧氏體的形核和長大，這都和C的擴散有關(guān)，合金元素的加入改變了碳的擴散速度，所以影響了A的形成速度.(1)Co,Ni提高C的擴散，增大A形成速度；(2)Si,Al,Mn影響不大；(3)碳化物形成元素Cr，Mo，W，Ti，V等阻礙碳的擴散，阻礙A形成三、合金元素對碳化物溶解的影響1、與碳鋼相比，合金鋼中碳化物溶解的特點：1）奧氏體化時間：合金元素擴散速度較C的擴散速度慢的多，只是碳擴散的千分之幾或萬分之幾。合金鋼中，當(dāng)F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳后，還有相當(dāng)一部分碳化物被保留下來，為了增強A的合金化程度，充分發(fā)揮合金元素的作用，應(yīng)使殘余碳化物充分溶解到A中。所以合金鋼奧氏體化時間較長。這就是合金鋼在生產(chǎn)中加熱保溫時間較長的原因。2）奧氏體化溫度：由于合金元素的作用造成的擴散困難和合金碳化物的穩(wěn)定性高，要使殘余碳化物分解并溶于A中，需要提高加熱溫度。如：高速鋼的淬火溫度1250~1280℃，而共析溫度只有820℃，就是希望碳化物充分溶解。2、碳化物（氮化物）的溶解規(guī)律①隨溫度的上升，碳化物、氮化物的溶解度上升；②最穩(wěn)定的碳化物，溶解度最低；③Cr、Mo、V的碳化物具有最大的溶解度。是潛在的最有用的合金碳化物；④奧氏體中先溶解的較弱碳化物或氮化物形成元素將促進強碳化物或氮化物的溶解；非碳化物或氮化物元素阻礙碳化物或氮化物的溶解四、合金元素對奧氏體晶粒長大的影響C促進A晶粒長大；強碳化物形成元素強烈阻礙A晶粒長大；中強碳化物形成元素可阻礙，但效果不如強碳化物；Ni，Co，Cu作用不明顯；Al，Si含量少時，以夾雜物形式存在，可阻止A晶粒長大，當(dāng)大量以合金元素加入，促進A晶粒長大；當(dāng)鋼中C含量中等以上時，Mn可促進長大，在低碳含量時，Mn可細化晶粒作業(yè)：把以下四種鋼在同一溫度下進行奧氏體化處理，請比較各種鋼中Cr的碳化物完全溶解所需時間最長的是？所需時間最短的是？所需時間大致相當(dāng)?shù)氖牵?0CrNi、40Cr、40CrMn、40CrMo§3.3合金元素對過冷A分解的影響問題：過冷奧氏體能分解成為什么組織或相？一、對過冷A穩(wěn)定性的影響非碳化物形成元素Ni，Si，Cu等加入鋼中，仍保持C曲線形狀，但使C曲線右移；碳化物形成元素Cr，Mo，W，V不僅改變C曲線的位置，使之右移，而且改變其形狀，出現(xiàn)兩個鼻溫，使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)分開；Al、Co使C曲線左移。六種基本類型的過冷奧氏體等溫分解曲線及其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線1）碳鋼及其不含碳化物形成元素——Ni、Si、Cu的低合金鋼2)含C為0.4～0.5%，用碳化物形成元素－Cr、Mo、W、V合金化的結(jié)構(gòu)鋼3)含C為較高，用碳化物形成元素－Cr、Mo、W、V合金化的工具鋼4)含C在0.15～0.25%范圍內(nèi)CrNiMo和CrNiW鋼5)高Cr鋼(如Cr13、Cr17）6)高合金的奧氏體鋼思考題：對高Cr鋼，能否獲得貝氏體組織；對W、Mo鋼，能否獲得珠光體組織？二、對珠光體轉(zhuǎn)變的影響①對P轉(zhuǎn)變速度的影響

除Al、Co以外，均使P轉(zhuǎn)變曲線右移，即推遲P轉(zhuǎn)變；②對珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的影響

（1）凡是擴大γ相區(qū)的元素，Ni，Mn，Cu等，降低A1，使P轉(zhuǎn)變溫區(qū)向較低溫度；

（2）凡是縮小γ相區(qū)的元素，提高A1使P轉(zhuǎn)變溫度升高③對珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的碳化物類型的影響（1）碳鋼的珠光體（F＋Fe3C），碳化物為Fe3C；（2）強碳化物形成元素，將形成MC，如TiC，NbC，VC等（3）中強碳化物形成元素高溫區(qū)，且合金達到一定含量，形成M23C6或M3C，如Cr/C>5%，形成Cr23C6，而Cr/C<4%，形成(FeCr)3C；低溫區(qū)，主要為Fe3C，因為溫度低，元素擴散困難。三、對貝氏體相變的影響特點：貝氏體轉(zhuǎn)變溫區(qū)較低，合金元素與Fe原子幾乎不能進行擴散，只有C原子能進行短距離的擴散，脫溶析出碳化物。因此合金元素對B轉(zhuǎn)變的影響，主要取決于：合金元素對γ→α轉(zhuǎn)變速度的影響合金元素對C擴散速度的影響合金元素Cr，Ni，Mn能降低ΔF(A與F的自由能差），減少相變驅(qū)動力，減慢A分解，降低了貝氏體的轉(zhuǎn)變速度，推遲其轉(zhuǎn)變。Cr，Mn又是碳化物形成元素，阻礙C原子的擴散。強烈阻礙貝氏體的形成；Mo，W作用不明顯Si，對B有推遲作用，原因是強烈提高Fe的結(jié)合力，阻礙C原子從Fe中脫溶。Co，Al能提高ΔF，同時提高C的擴散速度，加速B形成。四、合金元素對馬氏體相變的影響主要是對對M轉(zhuǎn)變溫度的影響，即Ms～Mf點的影響

除Co，Al外，大多數(shù)合金元素固溶在A中，均使Ms點下降，增加殘余A的含量，其中C的影響最強烈。順序：C，Mn，Cr，Ni，Mo，Si，W合金元素對1.0%C碳鋼Ms點的影響合金元素對1.0%C碳鋼1150℃淬火后殘余奧氏體含量的影響

Ms和Mf點的下降，使得室溫下將保留更多的殘留奧氏體量問題：淬火鋼回火過程中發(fā)生的可能轉(zhuǎn)變有哪些？§3.4合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響

鋼淬火后，內(nèi)部組織很不穩(wěn)定，隨回火溫度的不同，淬火組織會發(fā)生一系列的組織轉(zhuǎn)變，包括：馬氏體的分解；殘余奧氏體的分解；碳化物的形成、聚集和長大；α－Fe的回復(fù)和再結(jié)晶回火過程發(fā)生的兩個現(xiàn)象：彌散強化（或硬化）、回火脆性這幾個過程被C和合金元素擴散所控制，是相互交錯進行的，很難截然分開。一、合金元素對馬氏體的分解的影響1、在低溫區(qū)低溫（150～200℃）回火時，由于溫度低，不僅合金元素擴散困難，連C擴散也困難，只能發(fā)生偏聚和短距離擴散，沉淀析出與α相保持共格的ε碳化物。合金元素均勻分布在α相和ε碳化物中不作重新分配。但是，由于碳化物形成元素對C擴散的阻礙作用，稍微推遲M的分解。但影響不明顯。2、在中溫和高溫區(qū)（大于250℃）溫度的升高，合金元素活動能力增加，對M分解有顯著影響。（1）碳化物形成元素將強烈推遲M的分解，即推遲C從M中析出，如碳鋼中C從M析出完全析出的溫度范圍是250～300℃，而含碳化物形成元素的鋼中C從M中析出的溫度根據(jù)其中合金元素的不同，可以提高到400～500℃（Cr鋼）、550℃（Mo鋼、V鋼）甚至高溫度(550~600℃,W鋼或Nb鋼）。表現(xiàn)為回火穩(wěn)定性高；同樣回火溫度下，C含量相同的合金鋼中M的C含量較C鋼高（2）非碳化物形成元素Ni，Co，Cu等影響較??；甚至稍微加快M的分解（3）Si雖為非碳化物形成元素，但能有效推遲M的分解，原因是Si能抑制ε碳化物長大，延遲ε碳化物向Fe3C轉(zhuǎn)變。作業(yè)：根據(jù)圖示，寫出Cr2WMoVNbB鋼在淬火后，隨回火溫度的升高，先后析出的碳化物名稱。二、對回火過程中碳化物形成、聚集和長大的影響1、合金碳化物的形成形式：合金碳化物的形成形式一般有三種：①，在預(yù)先存在的合金滲碳體處原位形核；②，在鐵素體基體中直接形核（一般為馬氏體中的位錯處）；③，在晶界和亞晶界處直接形核。一般而言，直接形核由于形核位置多，分散度大，有利于實現(xiàn)彌散強化。2、對碳化物聚集和長大的影響①低溫情況下合金元素對ε碳化物形成沒有影響，隨溫度的提高，ε碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C。Si推遲這一轉(zhuǎn)變到350℃。②中高溫條件下隨回火溫度的提高，合金元素能夠進行明顯的擴散，開始在α相和Fe3C中重新分配。Cr、Mn等碳化物形成元素向滲碳體中偏聚，以原位形核的方式置換Fe原子形成(Fe,Cr)3C和(Fe,Mn)3C等。而能形成MC或M2C型的合金元素（Zr、Ti、Nb，Mo、W、V等）將以直接形核的方式在基體中形核和長大，同時合金滲碳體將溶解消失。③更高溫度合金碳化物將聚集長大，HRC降低。碳化物形成元素V，W，Mo和Cr可以阻礙碳化物聚集長大；Co和Si雖然不是碳化物形成元素，但其能提高α固溶體中Fe的結(jié)合力，從而使析出相不易聚集長大。Ni的影響不大。在碳鋼中滲碳體的聚集開始于回火溫度為350～400℃，而以碳化物形成元素合金的鋼中，聚集則始于450～600℃.問題：為什么碳鋼的低溫回火選擇在小于250℃，而中溫回火一般在400℃，高溫回火則在500～650℃？三、對殘余奧氏體分解的影響合金元素對殘余奧氏體分解的影響與合金元素對過冷奧氏體分解的影響完全相同。在高合金鋼的回火過程中，從A殘中析出碳化物，使得A殘中C和合金元素含量下降，使得Ms點升高，高于室溫，因而在冷卻過程中，A殘會轉(zhuǎn)變成M，而使回火后的硬度高于淬火的硬度。（該現(xiàn)象稱為二次淬火）。所以，有時高合金鋼為了消除A殘，往往需要二次或更多次的高溫回火。四、合金元素對α相的回復(fù)和再結(jié)晶的影響

淬火鋼內(nèi)應(yīng)力很大，回火時發(fā)生M分解及碳化物析出，使過飽和α固溶體的含碳量降低，晶格在很大程度上得到回復(fù)，因而內(nèi)應(yīng)力減少。合金元素一般延緩M的分解，使晶格畸變的M保持到更高溫度，即延緩α相的回復(fù)和再結(jié)晶，提高再結(jié)晶溫度，使鋼具有更高的回火穩(wěn)定性。對再結(jié)晶溫度提高強弱順序是:

Mo，W，Co，Cr，Mn，Si，Ni鋼中碳化物類型不同，α相（F）中的高密度位錯保持到的溫度也不同：

Fe3C350～400℃(Fe,Cr)3C450～500℃Mo2C,VC500～550℃NbC550～570℃五、彌散強化淬火鋼在回火過程中，有兩個相反的因素影響強度：①，馬氏體分解產(chǎn)生弱化；②，碳化物質(zhì)點的彌散析出產(chǎn)生的強化。強化的有效性取決于強化和弱化的相對比例。若強化大于弱化，則表現(xiàn)為強度上升；反之，則強度下降。①對某種相形成的彌散質(zhì)點，其強化與弱化的作用取決于形成彌散相所含的合金元素量。合金元素含量越多，彌散相的數(shù)量越大，強度效果越明顯；②對彌散相是碳化物的情況，強化效果不僅取決于形成碳化物所含的合金元素量，還與鋼中的碳含量和其碳化物類型有關(guān)。也就是說，為了保證強化超過弱化，碳化物形成元素的最小濃度取決于碳含量和碳化物類型。影響彌散強化的因素：六、鋼的回火脆性鋼在回火時發(fā)生兩種脆性：①第一類回火脆性（回火馬氏體脆性）；②第二類回火脆性定義和特點：第一類回火脆性：馬氏體在低溫（250～350℃）回火較短時間后產(chǎn)生的；和低溫回火時碳化物析出形態(tài)不良有關(guān)；是一種不可逆回火脆性，不能用熱處理消除。第二類回火脆性(450~600℃)：發(fā)生在馬氏體高