不銹鋼中的沉淀硬化相

1、1不銹鋼中的沉淀硬化相不銹鋼中的沉淀硬化相東北特鋼集團(tuán)大連特殊鋼絲有限公司徐效謙摘要：摘要：鋼的種類繁多、性能迥異，但有一個(gè)共同點(diǎn)：都是在Fe中加入各種合金元素形成的固溶體。不同合金元素加入鋼中會(huì)形不同的沉淀硬化相，使鋼具備了各種特定性能。研究沉淀硬化相的類型、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺寸、分布、交互作用和演變規(guī)律，可為金屬材材料工作者改進(jìn)生產(chǎn)工藝，優(yōu)化鋼的性能，研發(fā)更理想的鋼種提供有力的技術(shù)支撐。因?yàn)椴讳P鋼中所用的合金元素種類最多，含量較高，本文

2、從分析不銹鋼中的沉淀硬化相著手，研究沉淀硬化相的基本特性、析出過程和形態(tài)演變規(guī)律。關(guān)銹詞：關(guān)銹詞：碳化物、氮化物、硼化物、金屬間化合物、沉淀硬化相。沉淀硬化的機(jī)理是共格理論：在特定條件下，溶質(zhì)原子在特定晶面上偏聚，形成薄層并與基體點(diǎn)陣共格，兩種晶格相互協(xié)調(diào)，點(diǎn)陣間距差引發(fā)基體應(yīng)變，產(chǎn)生硬化效果。沉淀硬化在有些合金鋼中又稱為時(shí)效硬化或時(shí)效強(qiáng)化。在特定溫度區(qū)間進(jìn)行沉淀硬化處理，析出沉淀硬化質(zhì)點(diǎn)；溫度繼續(xù)升高，質(zhì)點(diǎn)長(zhǎng)大，共格應(yīng)變隨之增大，達(dá)到

3、臨界值時(shí)導(dǎo)致滑移和剪切應(yīng)變，共格應(yīng)力得到釋放，硬化效果減小，稱為過時(shí)效。獲得沉淀硬化相的基本條件是：鋼中至少應(yīng)含有一種在基體中溶解度可變，或可引發(fā)顯微組織結(jié)構(gòu)變化的合金元素，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使該元素以碳化物、氮化物或金屬間化合物的形式析出，這些合金元素稱為沉淀強(qiáng)化元素。目前廣泛應(yīng)用的沉淀強(qiáng)化元素有：Al、Ti、Nb、V、Zr、Cu、W、Mo、Si、N、B等?？赡苄纬傻某恋碛不喾譃閮深悾阂活愂茿l、Ti、V、Nb、Zr、Cr、Mo、W

4、的碳、氮、硼化合物；另一類是金屬間化合物。沉淀硬化不銹鋼和超馬氏體不銹鋼的碳含量一般比較低，主要依靠析出金屬間化合物來強(qiáng)化。不銹鋼全部為鐵基合金，鐵在加熱和冷卻過程會(huì)產(chǎn)生如下同素異型轉(zhuǎn)變：A3=910℃A4=1390℃αFeγFeδFe鋼中合金元素對(duì)αFe、γFe和δFe及多型轉(zhuǎn)變溫度A3、和A4均有重大影響，對(duì)于那些在γFe中有較大溶解度，并穩(wěn)定γFe的合金元素，稱之為奧氏體形成元素；對(duì)于那些在αFe中有較大溶解度，并穩(wěn)定αFe的合金

5、元素，稱之為鐵素體形成元素。在形成鐵的固溶體時(shí)，d層電子是主要參與金屬鍵結(jié)合的電子，由鈦到銅，3d層電子由2個(gè)增加到10個(gè)：Ti為2個(gè)、V為2個(gè)、Cr為5個(gè)、Mn為5個(gè)、Fe為6個(gè)、Co為7個(gè)、Ni為8個(gè)、Cu為10個(gè)；4d層電子Zr為2個(gè)、Nb為4個(gè)、Mo為5個(gè)；5d層電子Ta為3個(gè)、W為4個(gè)?？磥韉層電子≤5個(gè)的元素使A3點(diǎn)上升、A4點(diǎn)下降，是縮小奧氏區(qū)的鐵素體形成元素，而5d層電子≥5個(gè)的元素A3點(diǎn)下降、A4點(diǎn)上升，是擴(kuò)大奧氏區(qū)的

6、奧氏體形成元素。介于V和Mn之間的Cr和Mo具有過渡性，鋼中Cr＜7.5%時(shí)使A3點(diǎn)下降，Cr≥7.5%時(shí)使A3點(diǎn)上升，但由Cr使A4點(diǎn)強(qiáng)烈下降，和Mo一起屬于鐵素體形成元素。總之，在不銹鋼中屬于奧氏體形成元素有：C、N、Mn、Ni、Cu、Co；屬于鐵素體形成元素有：Cr、Mo、V、W、Al、Ti、Zr、Nb、Ta、Ce、B、Si、P、S、As、Sn、Sb。合金元素除C、N、B以外，都與鐵形成置換固溶體，不同元素在鐵中的溶解度與其在周期

7、表中位置、晶體點(diǎn)陣類型、原子直徑、以及相對(duì)于鐵的電負(fù)性有關(guān)。Ni、Mn、Co在γFe中無限固溶，Cr、V在αFe中無限固溶；電負(fù)性與鐵差別大的元素，如Ti、Al、Nb、Si、P在鋼中溶解度有限，傾向與鐵形成金屬化合物。尺寸因素對(duì)溶解度起重要影響，在C和N與鐵形成的間隙固溶體中，面心立方體的間隙比體心立方體大得多，所以C和N在γFe中溶解度也比αFe中溶解度大得多。B的原子半徑(0.88)比C(0.77)和N(0.71)大，無論與鐵形成間

8、隙固溶體，還是置換固溶體，都會(huì)引起較?A?A?A大的畸變能，所以B在γFe和αFe中的溶解度都很小。合金元素在鐵中的溶解度如表11。3納下碳原子，就形成簡(jiǎn)單密排結(jié)構(gòu)的碳化物，否則形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化物。碳原子半徑rC和金屬原子半徑rM之比就決定了碳化物的類型。碳原子半徑rC和過渡族金屬的原子半徑rM之比如表12。表12過渡族金屬碳化物的rCrM（rC=0.77）?A金屬FeMnCrMoVWTiNbTaZrRCRM0.610.600.610

9、.560.570.550.530.530.530.481.1.3簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單密排密排結(jié)構(gòu)碳化物構(gòu)碳化物當(dāng)rCrM0.59，形成兩類M3C型和M7C3型或M23C6和M6C型碳化物，具有復(fù)雜密排結(jié)構(gòu)，可細(xì)分為正交晶系點(diǎn)陣、斜交晶系點(diǎn)陣和復(fù)雜面心立方點(diǎn)陣。(1)第一第一類復(fù)雜結(jié)雜結(jié)構(gòu)碳化物：構(gòu)碳化物：M3C型中Fe3C、Mn3C屬于正交晶系點(diǎn)陣，一個(gè)晶胞中有72個(gè)金屬原子，24個(gè)碳原子，由于金屬原子半徑較小，晶體點(diǎn)陣中容不下間隙原子，密排結(jié)構(gòu)被

10、擠壓出三棱間隙，間隙原子處于間隙位置，又稱為非八面體間隙化合物。在M3C碳化物中Fe和Mn之間可以完全互溶，形成(Fe，Mn)3C；可溶解一定量的Cr，Mo，W，V等，形成合金滲碳體，如(Fe，Cr，Mo)3C，合金元素在Fe3C中溶解度為：Cr：28%，Mo：14%，W：2%，V：3%，合金元素超出溶解度范圍，將由合金滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)樘厥馓蓟?，如Cr28%時(shí)，(Fe，Cr)3C轉(zhuǎn)變?yōu)?Cr，F(xiàn)e)7C3。M7C3型中Cr7C3、Mn7C