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什么是钢的时效性?

什么是钢的时效性?

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  • 发布时间:2021-07-15 10:57
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【概要描述】

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时效过程的一般原理

    钢(或合金)经固溶处理(加热固溶化后快冷,也称淬火)后,其固溶体中的溶质元素(合金元素)将处于过饱和状态,如果在室温或某一定高温下溶质原子仍具有一定的扩散能力,那么随时间的延续,过饱和固溶体中的溶质元素将发生脱溶(或析出),从而使钢(或合金)的力学性能发生变化,即时效,如图1所示。如果这一变化过程是在室温下发生的就称为自然时效,如果是在某一定高温下发生的就称为人工时效。可见,要发生时效必须具备下列条件:

    ① 溶质元素在固溶体中应具有一定的固溶度,并随温度下降而减小;

    ② 经高温固溶处理后溶质元素处于过饱和状态;

    ③ 在较低温度(室温或高于室温)下,溶质原子仍具有一定的扩散能力。

固溶处理后时效的工艺过程

 

    时效过程就其本质来说是一个由非平衡状态向平衡状态转化的自发过程。但是这种转化在达到最终平衡状态前,往往要经历几个过渡阶段。其一般规律是:先在过饱和固溶体中形成介稳的偏聚状态,如溶质原子偏聚区(亦称G-P区)、柯氏气团;继之形成介稳过渡相;最后则形成平衡(稳定)相。G-P区与基体(过饱和固溶体)是完全共格的,其晶体结构也与基体相同,故不能当做;介稳相与基体可能是完全或部分共格,并具有一定的化学成分,其晶体结构与基体不同,根据钢(或合金)的成分不同,这种介稳过渡相可能不止一种,常以θ', θ'', …表示;平衡相也具有一定的化学成分和晶体结构,常以θ表示,它与基体呈非共格关系。既然G-P区、过渡相和平衡相是不同阶段的析出物,它们就应有各自的固溶度曲线。现根据析出物的介稳程度,将其固溶度曲线依次排列在亚平衡相图上,并与平衡相图相重叠,如图2所示。可见,G-P区的固溶度最大,平衡相的固溶度最小。由此不难推断,在形成G-P区时,它与基体相之间的溶质元素浓度差最小,而析出平衡相时,它与基体相之间的溶质元素浓度差最大。

各种析出物的固溶度曲线

 

    由于G-P区与基体相呈完全共格,界面能较小,使其形核功较小,加之它与基体相间的溶质元素浓度差小,使之较易通过扩散而形核和长大,所以尽管从热力学上看,其相变驱动力与析出平衡相时相比为小,但在整个时效过程中,其析出的次序一般总是:G-P介稳过渡相(θ",θ')→平衡相(θ)。可见,随时间的延续,合金的显微结构将不断发生变化。

    但是,如果时效温度高于GP区完全固溶的最低温度(如图2中的t1), 则时效过程一开始即形成过渡相θ",而无形成G-P区的阶段。这表明,时效温度愈高,即固溶体过饱和度愈小,则时效过程的阶段数便愈少。

    在时效过程中,G-P区虽比过渡相、平衡相易于形成,但也易于溶解。对于已经过时效(处于G-P区阶段)的合金,只需加热至高于G-P区固溶度曲线以上的温度,就可使之再度溶解,这时如立即快冷,即可使合金恢复到时效前的状态,这种现象称为回归。

 

影响时效的因素

01时效温度和时效时间

    时效温度是影响时效过程的重要因素,这主要表现在对时效机理、动力学以至对合金的显微组织、亚结构和性能产生显著影响。时效时间虽对时效过程也产生影响,但却占次要地位。图3为淬火低碳钢的时效硬化曲线,可以看出,随时效时间延续,硬度先升后降(在0℃时效时例外);随时效温度升高,时效加速,出现硬度峰值的时间愈短,且硬度峰值愈低。研究表明,淬火钢中所含碳、氮等间隙原子在室温下都具有一定的扩散能力,所以它们极易在位错等缺陷附近偏聚,形成柯氏气团;如时效温度较高,还将以碳、氮化物的形式从固溶体中析出。上述过程均会引起较大的强化效果。但是随温度的升高或时间延续,时效过程将继续发展,使碳、氮化物相发生聚集长大,从而导致强化效果的减弱。一般钢在时效后,在强度、硬度提高的同时,总是引起塑性、韧性的下降,这是很不利的一方面。

低碳钢(Wc=0.06%)的时效硬化曲线

 

02碳及合金元素

    钢中固溶的间隙元素是引起时效的基本元素。在铁素体中固溶的碳量愈多,时效强化效果就愈显著。实践表明,当碳质量分数为0.025%左右时可获得最大的时效效果。如钢的碳含量继续增高,则时效效果反而减小;当碳质量分数达到0.6%时,钢实际上已不产生时效现象。这是因为钢的碳含量愈高,其铁素体量就愈少,而时效只是在铁素体中发生,因而使时效效果愈趋减小。

    氮与碳的性质相近,因而也是引起时效的基本元素。如果炼钢时采用铝脱氧,则必然有残余的铝保留在钢中,并与氮结合成AlN。由于在轧前的加热温度较高,AlN可全部溶人奥氏体中,如果轧后冷速较快(如空冷), AlN则来不及析出,此时氮和铝由原来固溶于奥氏体中变为固溶于铁素体中,并处于过饱和状态,因此在随后的人工时效时,将发生AlN析出。但在轧后采取缓冷或轧后重新加热退火,则AlN将充分析出,从而使铁素体中氮的过饱和度降低,以致大大降低对时效的敏感性。

    除铝外,当钢中含有铬、钛、钼、铌等碳、氮化合物形成元素时,如轧后缓冷,将同样由于碳、氮化物的析出而降低对时效的敏感性。合金元素的存在还直接影响铁素体中碳、氮的固溶度和碳、氮原子的扩散速度,这些也都将对碳、氮的时效效果产生影响。

 

03固溶处理后、时效前的冷形变

        冷形变会使钢中的位错密度增大,易于形成更多的柯氏气团,同时形变还能加速扩散,因此,冷形变不仅可加速时效过程,还可使时效后的硬度升高。

 

低碳钢的形变时效

    对低碳钢来说,即使从高温状态缓慢冷下来得到平衡组织,如经冷形变后,在室温或较高一些的温度下,随时间延续,也会引起力学性能的变化,这种现象称为形变时效。形变时效后所发生的力学性能变化规律同淬火时效相似,即强度、硬度增高,塑性、韧性降低。

    形变时效的产生也与固溶于铁素体中的碳、氮原子的作用密切相关。因为冷形变使铁素体中的位错密度增加,因而其中的碳、氮原子可以发生偏聚,以更短的路程扩散至位错处而形成柯氏气团,从而使强度、硬度升高。一般用硅脱氧的半镇静钢或沸腾钢中,由于不含铝,不存在AlN的析出过程,故钢中固溶的氮量较高。正因如此,它们比用铝脱氧的镇静钢更易于发生形变时效脆化,同时因其在形变时效时不发生AlN的析出和聚集长大过程,故随时效时间的延续,不会出现强度、硬度降低的现象。这是与淬火(固溶处理)时效相区别的本质原因。

    实验表明,低碳(沸腾)钢经冷形变后(未经时效),立即进行拉伸试验,不会出现明显的屈服现象,但经时效后却具有明显的屈服现象。正如图4所示,图中a表示时效后进行拉伸试验的情况;表示在Y点卸载后作停留(即相当于进行时效),再加载时又会出现屈服现象,并出现了屈服点应力增△σ。同时还发现,经冷形变后,随时效时间的延续,屈服点应力的增量△σ增大,如图5所示。

显示低碳钢形变时效特性的应力-应变曲线

a-原材料拉伸时开始出现的屈服现象;

b-X点卸载后,又立即加载不出现屈服现象;

c-Y点卸载后时效,再加载又出现屈服现象;

 

5  WC,N=0.114%的铁在形变后时效(初期)时间与屈服点应力增量间的关系

 

    生产中在对低碳沸腾钢板进行冷冲压时,由于存在明显的屈服现象,会在局部承受应力较大的地区发生突然的屈服延伸,使形变和未形变部分之间形成明显的分界,以致在钢板表面上出现皱纹。这种皱纹的存在既影响产品外观,又降低了产品质量。为了避免形变时效的有害影响,可在冷冲压前对钢板进行小形变量的轧制(以消除屈服现象),随后立即冲压;如不能及时冲压,可将钢板储存在零下温度,以抑制或减缓时效过程。图6表示纯铁冷形变后在不同温度下时效时间对屈服点应力增量△σ的影响。可见,温度愈低,时效过程愈慢。综上所述,形变时效实际上是形变、时效温度和时效时间三者综合作用的结果。通常把先形变而后进行时效称为静态形变时效。如果形变是在较高的温度进行,则时效可在形变过程中同时进行,这种时效称为动态形变时效。可见,对形变时效较敏感的钢来说,在较高温度下测定其力学性能实际上就是一个动态形变时效过程。

6  XC,N0.057%的铁形变后在不同温度下时效时间与屈服点应力增量△σ的关系

 

 

马氏体时效钢的时效

    马氏体时效钢是指一类超低碳(WC0.03%)高镍(18~25%)并加有某些能引起时效强化的合金元素的高合金超高强度钢。其中最典型的是18Ni型钢,它大致含有17~19Ni7~9Co4.5~5Mo0.5~0.9Ti0.1~0.25Al等合金元素。这种钢中由于含有大量的镍,奥氏体很稳定,故淬透性极好,经奥氏体化(820℃)后空冷至Ms(约200℃)以下即可获得马氏体,而且由于其碳含量极低,加上多种合金元素的影响,使其得到完全的板条状马氏体组织。另一方面由于该钢的热滞性较大,其As点高于500℃,因此,人们可以利用这一特点,正火后于500℃以下(通常为425~485℃)进行时效处理。由于马氏体中有较高的位错密度,易于形成柯氏气团,继之以此为核心从马氏体基体中析出大量部分共格的弥散的金属间化合物(如Ni3Mo, Ni3Ti等),从而使钢获得显著的强化效果。

本文来源:材易通

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