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鋼材的回火脆性

更新时间:2019-11-30 22:30人气:0323
  中國鋼管信息港綜合報道:熱處理後線切割開裂這類情況比較複雜 ,有模具淬火後回火不充分的可能,也有模具鑄造時存在缺陷的可能 。假如是一般的碳鋼模具,回火不充分是首要啟事,需要優先考慮 ,對高合金模具來說,也有可能材料本身存在缺陷,如雜質、 碳化物偏析等情況,這些需要高倍金相檢測才能判定。
  
  (1)冷卻介質是否冷卻過快(不能用鹽水,水劑等)
  
  (2)淬火前 ,可能沒有退好火,造成內應力過大
  
  (3)材料冶金不好(非金屬夾雜物,帶狀組織,共晶碳化物)
  
  (4)淬火時 ,爐溫升的過快
  
  (5)沒有及時回火
  
  表麵處理 :如鍍硬鉻 ,增加零件的耐磨性。
  
  噴丸強化:用於承受交變應力下工作的零件,可以大大進步疲憊強度。
  
  滾壓:利用滾壓工具在常溫狀況下對零件表麵施加壓力,使金屬表麵產生塑性變形,修正金屬表麵的微觀幾何外形,進步表麵光潔度 ,進步零件疲憊強度和耐磨性和硬度。
  
  合金鋼淬火後於250℃~400℃範圍回火後產生的回火脆性,呈晶間型斷裂特征,且不能用從頭加熱的方法消除,故又稱為不可逆回火脆性。首要產生在合金結構鋼中。
  
  在200~350℃之間回火時出現的第一類回火脆性又稱低溫回火脆性 。如在出現第一類回火脆性後再加熱到更高溫度回火,可以將脆性消除,使衝擊韌性從頭升高。此時若再在200~350℃溫度範圍內回火將不再會產生這類脆性。因而可知,第一類回火脆性是不可逆的,故又可稱之為不可逆回火脆性。
  
  幾乎所有的鋼均存在第一類回火脆性。如含碳不同的Cr-Mn鋼回火後的衝擊韌性均在350℃出現一低穀。第一類回火脆性不僅降低室溫衝擊韌性,而且還使冷脆改變溫度50%FATTe[鋼料的衝擊韌性隨測試溫度的下降而出現明顯下降時所對應的溫度,即使鋼料由韌性狀況改變為脆性狀況的溫度稱為冷脆改變溫度,用50%FATT(℃)表示,詳見金屬力學性能]升高,斷裂韌性KIe下降 。如Fe-0.28 C-0.6 4Mn-4.82Mo鋼經225℃回火後KIe為117.4MN/m,而經300℃回火後由於出現了第一類回火脆性,使KIe降至73.5MN/m。出現第一類回火脆性時大多為沿晶斷裂,但也有少數為穿晶解理斷裂 。
  
  影響笫一類回火脆性的身分首要是化學成分。可以將鋼中元素按其感化分為三類。
  
  1)有害雜質元素,其中包括S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等。鋼中存在這些元素時均將導致出現第一類回火脆性。不含這些雜質元素的高純鋼沒有或能減輕第一類回火脆。
  
  2)促進第一類回火脆性的元素。屬於這一類的合金元素有M n、Si、cr、Ni、V 等。這一類合金元素的存在能促進第一類回火脆性的發展。有的元素單獨存在時影響不大,如Ni。但當Ni與Si同時存在時則也能促進第一類回火脆性的發展。部分合金元素還能將笫一類回火脆性推向較高的溫度,如Cr與Si。
  
  3)減弱第一類回火脆性的元素。屬於這一類的合金元素有Mo、W、Ti、A l等。鋼中含有這一類合金元素時第一類回火脆性將被減弱 。在這幾種合金元素中以Mo的效果最明顯。
  
  中國鋼管信息港綜合報道:除化學成分外,影響第一類回火脆性的身分還有奧氏體晶粒的大小和殘餘奧氏體量的多少。奧氏體晶粒愈細,第一類回火脆性愈弱;殘餘奧氏體量愈多則愈嚴重.
  
  回火爐之回火脆性的產生與對策
  
  一、第一類回火脆性(又叫低溫回火脆性或不可逆回火脆性)
  
  溫度範圍:200~350oC
  
  產生啟事:1.有害雜質元素S、P、As、Sn 、Sb 、Cu 、H 、O導致第一類回火脆性
  
  2.Mn、Si、Cr、Ni、V促進第一類回火脆性,鎳-矽共存也起促進感化,鉻矽進步回火爐回火脆性溫度
  
  3.奧氏體晶粒越大,殘餘奧氏體越多,第一類回火脆性越嚴重
  
  4.奧氏體晶界偏聚雜質元素和碳化物薄殼的形成,使晶界強度降低
  
  對策:1.不在該溫度範圍內回火
  
  2.用等溫淬火代替
  
  3.降低鋼中雜質元素
  
  4.細化奧氏體晶粒
  
  二 、第二類回火脆性(高溫回火脆性、可逆回火脆性)
  
  溫度範圍:450~650oC
  
  產生啟事:1.雜質元素P、Sn、Sb、As、B、S引發脆性
  
  在鎳-鉻鋼中以銻影響最大,錫次之
  
  在鉻-錳鋼中,磷感化最大,銻、錫次之
  
  對於低碳鋼磷感化比錫大
  
  對於中碳鋼錫感化比磷大
  
  2.促進第二類回火脆性元不是Ni 、Cr 、Mn、Si、C,這些元素與雜質元素同時存在引發脆性
  
  鋼中含有一種元素時,錳引發脆性最高,鉻次之,鎳再次之
  
  兩種元素同時存在,脆化感化更大
  
  3.Mo、W、V、Ti、稀土元素能抵製回火脆性
  
  4.回火後冷卻速度太慢引發脆性
  
  5.奧氏體晶粒粗大
  
  6.形成脆性的機理是晶界析出和晶界偏聚理論
  
  對策:1.降低鋼中雜質元素
  
  2.加進細化奧氏體晶粒的铌、釩、鈦
  
  3.加進扼製第二類回火脆性的元素鉬、鎢
  
  4.避免在450~650oC回火,在此溫度回火後應快冷
  
  5.用亞溫淬火及鑄造餘熱淬火來減輕和扼製第二類回火脆性
  
  合金鋼淬火後於500℃~550℃範圍回火後或從600℃以上回火緩冷通過500℃~550℃後產生的回火脆性,首要產生在鉻鋼、錳鋼及鎳鉻鋼中。從頭加熱到600℃以上快速冷卻可以消除此類回火脆性
  
  在450~650℃之間回火時出現的第二類回火脆性又稱高溫回火脆性。由於第二類回火脆性與中碳合金結構鋼,特別是大截麵用鋼如轉子鋼的性能密切有關,是以自百年前被發現以來一向受到人們重視。有關這一題目的綜述性論文已不在少數。
  
  1.第二類回火脆性的首要特征
  
  第二類回火脆性的一個首要特征是除了在450~650℃之間回火時會引發脆性外,在較高溫度回火後緩慢通過450~650℃的脆性發展區也會引發脆化,即所謂緩冷脆化。如高溫回火後快冷通過脆性發展區則不引發脆化。
  
  最早發現的是緩冷脆化,今後才重視到450~650℃之間的等溫脆化。通常將緩冷脆化與等溫脆化作為同一種脆化考慮 。但也有人以為應將緩冷脆化與等溫脆化區別開,由於二者的機理不同。看來比較公道的觀點是緩冷脆化與較短時間的等溫脆化是同一種脆化,而長達
  
  數百小時的等溫脆化則是另一回事 。
  
  第二類回火脆性的另一個首要特征是在脆化今後(包括緩冷脆化及部分等溫脆化),如再從頭加熱到650℃以上,然後快冷至室溫,則可消除脆化。在脆化消除今後還可再次發生脆化(包括緩冷脆化及等溫脆化) 。這表明第二類回火脆性是可逆的,故又可稱之為可逆回火脆性。
  
  第二類回火脆性可以使室溫衝擊韌性ακ明顯下降,冷脆轉化溫度50%FATT明顯升高。出現第二類回火脆性時,斷口呈沿晶斷裂。
  
  第二類回火脆性的脆化程度可以用衝擊韌性ακ的下降程度及冷脆轉化溫度50%FATT的升高程度來表示。用ακ的下降表示時可以采用回火脆性敏感係數α:
  
  α=ακ/ακ脆
  
  式中 ακ——非脆化狀況的衝擊韌性值;
  
  ακ脆——脆化狀況的衝擊韌性值。
  
  用冷脆轉化溫度50%FATT的升高表示時,可以采用回火脆度△FATT:
  
  △FATT=50%FATT脆-50%FATT
  
  式中 50%FATT——非脆化狀況的冷脆轉化溫度,
  
  50%FATT脆——脆化狀況的冷脆轉化溫度。
  
  α愈趨近於l,△FATT愈趨近於零,脆化程度愈低,亦即對第二類回火脆性愈不敏感 。
  
  2.影響第二類回火脆性的身分
  
  1)化學成分的影響
  
  鋼的化學成分是影響第二類回火脆性的最首要的身分。可以按感化的不同將存在於鋼中的元素分成三類:
  
  1)雜質元素。屬於這一類的元素有P、Sn、Sb、As、B、S等。第二類回火脆性是由這些雜質元素引發的。但當鋼中不含Ni、Cr、
  
  Mn 、 Si等合金元素時雜質元素的存在不會引發第二類回火脆性。如一般碳鋼就不存在第二類回火脆性 。當雜質元素含量在0.00×%至0.0×%的範圍內時即可引發脆化。但以那一種雜質元素的脆化感化最大到目前為止還無定論。文獻總結了有關資料後指出,雜質元素的感化與鋼料的成分有關。在Ni-Cr鋼中以Sb的感化最火,Sn次之;在Cr-Mn鋼中則以P的感化最大,Sb、Sn次之。對於低碳鋼,P
  
  的感化比Sn大,對於中碳鋼,Sn的感化比P大。
  
  2)促進第二類回火脆性的合金元素。屬於這一類的元素有Ni、Cr 、Mn 、Si、C等。這類元素單獨存在時也不會引發第二類回火脆性,必須與雜質元素同時存在時才會引發第二類回火脆性。當雜質元索含量一定時,這類元素含量愈多,脆化愈嚴重。當鋼中僅含一種這
  
  類元素時,脆化能力以Mn最高 ,Cr次之,Ni再次之。當Ni含量小於1.7%時不引發脆化。當兩種以上的元素同時存在時,脆化感化更大。在含P 0.05%、c 0.2%的鋼中加進Cr、Ni、Mn,等得出,按脆化能力, Mn 1%+Cr 2%>Mn1%+Ni 3%; Ni 3%+Mn1%>Ni 3%+Cr 2%。因而可知,兩種元素同時加進時,也是以Mn的脆化感化
  
  最人 ,Ni最小。
  
  3)扼製第二類回火脆性的元素。屬於這一類的元素有Mo、W、V、Ti。往鋼中加進這類元素可以扼製和減輕第二類回火脆性 。這類元素的加進量有一最好值。超過最好值後,扼製效果變壞。如Mo的最好加進量為0.5~0.75%。是以,Mo含量超過最好值後,隨Mo含量增加,△FATT也增加蝴。W的扼建造用較Mo小,為達到同樣扼製效果,W的加進量應為Mo的2~3倍。
  
  稀土元素La,Nb、Pr等也能扼製第二類回火脆性。
  
  (2)熱處理工藝參數的影響
  
  在450~650℃溫度範圍內回火引發的第二類回火脆性的脆化速度及脆化程度均與回火溫度及時間密切有關。溫度一定時,隨等溫時間延長 ,50%FATT升高,△FATT增加。在550℃以下,脆化溫度愈低,脆化速度愈幔,但能達到的脆化程度愈大。550℃以上,隨等溫
  
  溫度升高,脆化速度變慢,能達到的脆化程度進一步下降。上述關係可以用脆化動力學圖表示。由動力學圖可以看出,脆化過程是一個擴散過程。
  
  但等溫脆化過程較過冷奧氏體等溫改變過程複雜。在有些鋼中,隨等溫時間進一步延長,脆化程度有可能反而減弱,出現所謂過期效現象。
  
  緩冷脆化不僅與回火溫度及時間有關 ,更首要的是與回火後的冷速有關。冷速的影響同樣也反映了脆化過程是一個擴散過程。如等溫脆化與緩冷脆化的機製相同,則兩者之間必然存在一定的聯係。可以把緩冷脆化看成是在各個溫度下的短時等溫脆化的綜合結果。
  
  (3)組織身分的影響
  
  中國鋼管信息港綜合報道:與第一類回火脆性不同 ,不論鋼具有何種原始組織均有第二類回火脆性,但以馬氏體的回火脆性最嚴重,貝氏體次之,珠光體最輕。這表明第二類回火脆性首要不是由於馬氏體的分解及殘餘奧氏體的改變引發的。
  
  第二類回火脆性還與奧氏體晶粒度有關,奧氏體晶粒愈細,第二類回火脆性愈輕。
  
  3.第二類回火脆性形成機理
  
  由以上所述可見,已觀察到的有關第二類回火脆性的表麵現象相當複雜。企圖用一種理論來解釋全部現象顯然是很困難的。很可能引發脆化的啟事不止一個。如短時等溫脆化與長時等溫脆化就很可能是由兩種不同的脆化機製引發的 。這裏我們隻能就最首要的現象對緩
  
  冷脆化及短時等溫脆化進行討論。
  
  第二類回火脆性的首要特征是:
  
  1)是一種晶界脆化;
  
  2)脆化與溫度有關,脆化需要時間,脆化動力學具有C形曲線征;
  
  3)與鋼料化學成分密切有關;
  
  4)脆化過程具有可逆性;
  
  5)原始組織為貝氏體與珠光體時也能發生脆化。
  
  從上述五個首要特征來看 ,第二類回火脆性的脆化過程必然是一個受擴散控製的發生於晶界的能使晶界弱化的與馬氏體及殘餘奧氏體無直接關係的可逆過程。看來這類可逆過程隻可能有兩種情況,即溶質原子在晶界的偏聚與消失和脆性相沿晶界的析出與回溶。到目前為止 ,已提出了各種各樣的脆化模型,但回納起來不過是析出理論或偏聚理論。
  
  (1)析出理論
  
  最早提出的是碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出的理論。這一理論所根據的道理是脆性相在α—Fe中的溶解度隨溫度下F降而減小(如Fe—Fe3C狀況圖中的PQ線)。在回火後的緩冷過程中脆性相沿晶界析出而引發脆化。溫度升高時,脆性相從頭回溶而使脆性
  
  消失。這一理論可以解釋回火脆的可逆性 ,也可以解釋脆化與原始組織無關的現象;但不能解釋等溫脆化和化學成分的影響,而且也一向未能找到與脆化對應的脆性相。
  
  以後主張析出理論的又提出在回火後的冷卻過程中碳化物是在α相內的位錯線上析出的。由於位錯被微細的碳化物所釘紮,故使鋼變脆。但析出位置的改變仍然不能解釋成分的影響及等溫脆化 。
  
  (2)偏聚理論
  
  近年來,由於俄歇電子譜儀和離子探針等探測表麵極薄層化學成分的新技術的發展,已證實沿原奧氏體晶界5~10 A的薄層內確實偏聚了某些合金元素及雜質元素,且雜質元素的偏聚與第二類回火脆性有良好的對應關係。導致偏聚理論占了上風,得到多數人的
  
  承認。
  
  到目前為止,已提出了好幾種偏聚理論 。最早是Mclean提出的平衡偏聚理論,以為回火時由於內吸附而使雜質原子偏聚於晶界,引發脆性。平衡偏聚理論的致命弱點是沒有考慮合金元素的感化,前麵已提到,僅僅含有雜質元素的碳鋼沒有第二類回火脆性。另外平衡偏聚理論也無法解釋為甚麽P含量低於溶解度時就能引發脆化capus針對平衡偏聚理論的弱點,提出了二重偏聚理論。以為能促進第二類回火脆性的合金元素在奧氏體化時由於內吸附而偏聚於奧氏體晶界,以後在脆化溫度回火時,由於合金元素與雜質原子的親和力大,故將雜質原子吸引至晶界而引發脆化。但Mo也是內表麵活性物質,也應在奧氏體化時偏於晶界 ,且與雜質元素的親和力也很大,為甚麽Mo不僅不促進脆化,反而能扼製脆化。對此capus等曾作了解釋。但二重偏聚理論的致命弱點是至今仍未能用實驗方法證實合金元素在奧氏體化時的偏聚。Guttmann又提出了三元固溶體的平衡偏聚理論,即鐵、合金元素(Ni、Cr、Mn等)與雜質元素(P、Sn、Sb、As 等)形成三元固溶體時的平衡偏聚。以為合金元素是在回火時向晶界偏聚的,在偏聚的同時將雜質原予帶至晶界引發脆化。由於合金元素與雜質元素之間的親和力的不同,有可能出現三種情況,一種是親和力不大時 ,雜質原子不能被帶至晶界,故不會引發脆化;第二種是親和力適中,雜質原子被帶至晶界,引發脆化;第王種是親和力很大,在晶內就形成穩定的化合物而析出,故能起淨化感化而扼製回火脆性的發生,Mo就屬於這類情況。近年來這一理論已得到了很大的發
  
  展。
  
  另一個首要的偏聚理論是McMahon提出的非平衡偏聚理論。這一理論是在析出理論的基礎上得出的。McMahon以為在脆化溫度回火時沿晶界析出了 Fe3C。由於雜質元素在Fe3C中的溶解度很小,故被排擠出Fe3C而偏聚於Fe3C四周 ,從而引發脆化。非平衡偏聚之名即由此而來 。脆化後再在較高溫度回火時由於雜質元素向α內部擴散和部分碳化物的回溶而使脆性消失。再次緩冷時在α相的其他界麵新析出的碳化物又將排擠出雜質元素而引發脆化。
  
  4.防止第二類回火脆性的方法
  
  根據以上所述,不難得出 ,第二類回火脆性可以通過下列措施加以防止。
  
  1)降低鋼中雜質元素;
  
  2)加進能細化奧氏體晶粒的元素如Nb、V、Ti等以細化奧氏體晶粒,增加晶界麵積,降低單位麵積雜質元素偏聚量;
  
  3)加進適量的能扼製第二類回火脆性的合金元素Mo、W等;
  
  4)避免在450~650℃範圍內回火,在650℃以上回火後應采取快冷。
  
  中國鋼管信息港綜合報道:除上述措施外,還可通過采用亞溫淬火及鑄造餘熱淬火等工藝來減輕或扼製第二類回火脆性。對於這兩種工藝能扼製第二類回火脆性的機構還在探討當中

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