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    工業(yè)用鋼馬氏體形成及組織的研究
    發(fā)布者:yflwzj  發(fā)布時(shí)間:2012-09-14 07:59:52
    鋼的淬火與回火是熱處理工藝中最重要的工序。淬火可以顯著地提高鋼的硬度,為了消除淬火鋼的殘余內(nèi)應(yīng)力,同時(shí),得到不同強(qiáng)度、硬度和韌性,淬火后,需要進(jìn)行不同溫度的回火。所以,淬火和回火是不可分割的緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。

       


    淬火工藝是將鋼加熱到高溫,完全奧氏體化后快速冷卻形成馬氏體組織。不過到目前為止,對馬氏體形核的了解還很粗淺,至今還未形成一個(gè)能為大家接受的理論。為此研究了幾種工業(yè)用鋼在淬火時(shí)馬氏體的形成過程,通過實(shí)驗(yàn)得出上述鋼種馬氏均優(yōu)先在晶界形成且為片狀,同時(shí)發(fā)現(xiàn)Mo鋼中晶界馬氏體少,并且馬氏體片很小,而Cr、Mn鋼中晶界馬氏體較多且為大的片狀,生產(chǎn)中Mo鋼的回火脆性較小,Cr、Mn鋼的回火脆性較大,由于這種原因,我們對晶界處優(yōu)先形成馬氏體的原因進(jìn)行了初步的討論,并分析了晶界形成片狀馬氏體的原因,同時(shí)預(yù)計(jì)晶界的片狀馬氏體可能是產(chǎn)生第一類回火脆性的原因之一。


    1.實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法
    1.1實(shí)驗(yàn)材料:
        工業(yè)用鋼:65Mn 60Si2Mn 9CrSi CrWMn 5CrMnMo 42CrMo
        選材原因:(1)幾種材料含C量不同,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有代表性;
        (2)含Cr,Mn的鋼回火脆性大,含Mo的鋼回火脆性;
        (3)選用兩種Mo鋼有利于找了它們的共同點(diǎn)。

     


    1.2實(shí)驗(yàn)方法:


        試樣制備過程如下:
        a)、把已有的材料切成小的圓柱狀,高約5mm左右。
        b)、實(shí)驗(yàn)時(shí)為了便于操作試樣,在每個(gè)試樣上均打一個(gè)小孔,用細(xì)鐵絲栓住。
        c)、將高溫爐加熱到試樣實(shí)驗(yàn)溫度,然后試樣放入爐中保溫十分鐘,使其完全奧氏體化。
      d)、將試樣從爐中拿出快速放入等溫槽中,等溫槽的溫度略低于試樣的Ms點(diǎn),然后快速攪動(dòng),使其冷速加快,防止生成屈氏體等組織。等溫約兩分鐘,使先生成的馬氏體進(jìn)行回火。
        e)、將試樣從等溫槽中拿出放入水中淬火。
        加熱在SX2—12—16箱式電阻爐中進(jìn)行(最高溫度1600℃,最大功率:12KW)。
        淬火在SG—5—12坩堝電阻爐爐中進(jìn)行(最高溫度700℃)。
        爐中介質(zhì)為:55%的硝酸鉀和45%的亞硝酸鈉,熔點(diǎn)約為130℃。
        金相觀察在Olympus—BH顯微鏡上進(jìn)行。觀察前需要打磨和拋光,由于在高溫爐中保溫時(shí),試樣表面脫碳嚴(yán)重,所以在拋光前先將試樣在砂輪上磨掉1-2mm,拋光后用2%的硝酸酒精輕輕腐蝕,使其在顯微鏡上能看出回火馬氏體和變溫馬氏體在顏色上的反差。
        在Olympus—BH金相顯微鏡得到金相照片。


     


    2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析


    2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):





     
    2.2幾種工業(yè)用鋼經(jīng)不同的熱處理工藝得到的金相組織如下圖示:


     



     

    2.3晶界片狀馬氏體的分析

    2.3.1形核條件
        奧氏體晶界處原子排列十分紊亂,正是由于這種排列的無規(guī)律性,使得個(gè)別的晶界處原子排列接近體心立方而成為預(yù)存核胚,隨母相達(dá)冷度的增大,其臨界晶核尺寸變小,這些區(qū)域便成為了馬氏體晶胚,但這種能成為預(yù)存核胚的區(qū)域很少,也就是說晶界處的形核率很小,預(yù)存核胚周圍的原子均不具備形核條件,它們只有在預(yù)存核胚的帶動(dòng)下才能發(fā)生切變而成為體心立方的馬氏體,由于是由少數(shù)核胚切變長大完成,所以晶界處均形成大的片狀馬氏體.

     

    2.3.2長大條件

    奧氏體晶界處原子的能量很高,它為馬氏體的長大提供了充足的驅(qū)動(dòng)力。并且晶界處原子排列較松散,原子間隙較大,馬氏體生長時(shí)由于體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力容易向晶界的一側(cè)釋放。
        其次,鋼中馬氏體一旦形成核胚,其單個(gè)馬氏體便以極快的速度在很短的時(shí)間內(nèi)完成生長,由于馬氏體生長速度極高,所以它與母相奧氏體之間必為含成組孿晶的斗共格晶界,才能保證這種巨大的長大速度。從這一點(diǎn)看,奧氏體晶界具有其生長的有利條件:晶界處有高密度的位錯(cuò)。并且馬氏體進(jìn)行切變長大時(shí),新界面的形成必須依靠位錯(cuò)的滑移完成。

     

    2.3.3馬氏體形態(tài)

    a)  如果晶界的馬氏體形成條狀,則其表面積很大,形成的晶界能也很高,需要很大的相變驅(qū)動(dòng)力,所以晶界馬氏體不易形成條狀。
    b)  如果形成球狀馬氏體,則雖然表面積減少了很多,但生長時(shí)由于體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)很大,這些應(yīng)力不容易向晶界處釋放,所以晶界馬氏體不易形成球狀。

    c)  通過以上兩點(diǎn)的分析,晶界馬氏體最易形成片狀,它相對條狀表面積較小,晶界能較低,雖然造成的比容差應(yīng)變能比條狀大,但由于它處在晶界,產(chǎn)生的這部分應(yīng)變能很容易向晶界一側(cè)釋放出來。

    2.4 Mo鋼的晶界馬氏體分析

        Mo是較強(qiáng)的碳化物形成元素,它能吸收周圍的碳而形成Mo3C,使得奧氏體晶內(nèi)碳含量很不均勻,某些區(qū)域含碳量很低,這些區(qū)域的Ms點(diǎn)低于周圍組織,當(dāng)母相達(dá)到一定的過冷度,晶界的預(yù)存核胚開始長大,這些區(qū)域也達(dá)到了形核長大的條件,它們幾乎同時(shí)長大,核內(nèi)馬氏體長大時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力影響到晶界,使晶界產(chǎn)生了更多的大角度晶界,并且少量離晶界近的馬氏體長到晶界處,阻止了晶界馬氏體的生長,所以Mo鋼的晶界馬氏體不明顯,并且片很小。

    2.5晶界馬氏體與回火脆性

    通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn),晶界的片狀馬氏體可能是鋼產(chǎn)生回火脆性的原因之一。

    原奧氏體晶界處具有高密度的位錯(cuò),這些位錯(cuò)組成了很多滑移系,當(dāng)材料受到外力時(shí),這些滑移系便會(huì)相對滑動(dòng)以減少內(nèi)應(yīng)力,此時(shí)材料的韌性較好。一旦晶界處形成大的馬氏體片,會(huì)使位錯(cuò)數(shù)量減少,使材料韌性下降,脆性增加。并且這種大的片狀馬氏體本身就很脆,并且相互撞擊又產(chǎn)生了許多微小裂紋,也使鋼的脆性增加,在回火過程中,從大的馬氏體中析出的片狀碳化物會(huì)聚集在晶界處,也加大了鋼的脆性。正是由于以上原因,所以Mo鋼產(chǎn)生的晶界馬氏體少可能是其回火脆性小的原因之一。而且Cr Mn鋼的晶界馬氏體較多,所以其回火脆性好較大。

    3.結(jié)論

    通過對工業(yè)用鋼馬氏體形成及組成的研究,得出如下結(jié)論:

    1.馬氏體優(yōu)先在原奧氏體晶界形成,晶界是馬氏體形核的有利條件。

    2.優(yōu)先形成的晶界馬氏體均為片狀,有的分布在晶界上,有的在晶界形核后向晶內(nèi)生長。

    3.含Mo的鋼中,出現(xiàn)的晶界馬氏體較少。這些在晶界生成的馬氏體可能是導(dǎo)致鋼產(chǎn)生低溫回火脆性的原因之一。

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