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，但有一個共同點：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、結構、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生產工藝，優(yōu)化鋼的性能，研發(fā)更理想的鋼種提供有力的技術支撐。因為不銹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。關銹詞：關銹詞：碳化物、氮化物、硼化物、金屬間化合物、沉淀硬化相。沉淀硬化的機理是共格理論：在特定條件下，溶質原子在特定晶面上偏聚，形成薄層并與基體點陣共格，兩種晶格相互協(xié)調，點陣間距差引發(fā)基體應變，產生硬化效果。沉淀硬化在有些合金鋼中又稱為時效硬化或時效強化。在特定溫度區(qū)間進行沉淀硬化處理，析出沉淀硬化質點；溫度繼續(xù)升高，質點長大，共格應變隨之增大，達到

3、臨界值時導致滑移和剪切應變，共格應力得到釋放，硬化效果減小，稱為過時效。獲得沉淀硬化相的基本條件是：鋼中至少應含有一種在基體中溶解度可變，或可引發(fā)顯微組織結構變化的合金元素，通過適當?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化元素。目前廣泛應用的沉淀強化元素有：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化。不銹鋼全部為鐵基合金，鐵在加熱和冷卻過程會產生如下同素異型轉變：A3=910℃A4=1390℃αFeγFeδFe鋼中合金元素對αFe、γFe和δFe及多型轉變溫度A3、和A4均有重大影響，對于那些在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，d層電子是主要參與金屬鍵結合的電子，由鈦到銅，3d層電子由2個增加到10個：Ti為2個、V為2個、Cr為5個、Mn為5個、Fe為6個、Co為7個、Ni為8個、Cu為10個；4d層電子Zr為2個、Nb為4個、Mo為5個；5d層電子Ta為3個、W為4個。看來d層電子≤5個的元素使A3點上升、A4點下降，是縮小奧氏區(qū)的鐵素體形成元素，而5d層電子≥5個的元素A3點下降、A4點上升，是擴大奧氏區(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%時使A3點下降，Cr≥7.5%時使A3點上升，但由Cr使A4點強烈下降，和Mo一起屬于鐵素體形成元素?？傊诓讳P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、晶體點陣類型、原子直徑、以及相對于鐵的電負性有關。Ni、Mn、Co在γFe中無限固溶，Cr、V在αFe中無限固溶；電負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，就形成簡單密排結構的碳化物，否則形成復雜結構的碳化物。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簡單簡單密排密排結構碳化物構碳化物當rCrM0.59，形成兩類M3C型和M7C3型或M23C6和M6C型碳化物，具有復雜密排結構，可細分為正交晶系點陣、斜交晶系點陣和復雜面心立方點陣。(1)第一第一類復雜結雜結構碳化物：構碳化物：M3C型中Fe3C、Mn3C屬于正交晶系點陣，一個晶胞中有72個金屬原子，24個碳原子，由于金屬原子半徑較小，晶體點陣中容不下間隙原子，密排結構被

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，將由合金滲碳體轉變?yōu)樘厥馓蓟铮鏑r28%時，(Fe，Cr)3C轉變?yōu)?Cr，F(xiàn)e)7C3。M7C3型中Cr7C3、Mn7C