不锈钢中的沉淀硬化相

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1、不锈钢中的沉淀硬化相东北特钢集团大连特殊钢丝有限公司徐效谦摘要：钢的种类繁多、性能迥异，但有一个共同点：都是在Fe中加入各种合金元素形成的固溶体。不同合金元素加入钢中会形不同的沉淀硬化相，使钢具备了各种特定性能。研究沉淀硬化相的类型、结构、形态、尺寸、分布、交互作用和演变规律，可为金属材材料工作者改进生产工艺，优化钢的性能，研发更理想的钢种提供有力的技术支撑。因为不锈钢中所用的合金元素种类最多，含量较高，本文从分析不锈钢中的沉淀硬化相着手，研究沉淀硬化相的基本特性、析出过程和形态演变规律。关锈词：碳化物、氮化物、硼化物、金属间化合物、沉淀硬化相。沉淀硬化的机理是共格理论

2、：在特定条件下，溶质原子在特定晶面上偏聚，形成薄层并与基体点阵共格，两种晶格相互协调，点阵间距差引发基体应变，产生硬化效果。沉淀硬化在有些合金钢中又称为时效硬化或时效强化。在特定温度区间进行沉淀硬化处理，析出沉淀硬化质点；温度继续升高，质点长大，共格应变随之增大，达到临界值时导致滑移和剪切应变，共格应力得到释放，硬化效果减小，称为过时效。获得沉淀硬化相的基本条件是：钢中至少应含有一种在基体中溶解度可变，或可引发显微组织结构变化的合金元素，通过适当的热处理，使该元素以碳化物、氮化物或金属间化合物的形式析出，这些合金元素称为沉淀强化元素。目前广泛应用的沉淀强化元素有：Al、

3、Ti、Nb、V、Zr、Cu、W、Mo、Si、N、B等。可能形成的沉淀硬化相分为两类：一类是Al、Ti、V、Nb、Zr、Cr、Mo、W的碳、氮、硼化合物；另一类是金属间化合物。沉淀硬化不锈钢和超马氏体不锈钢的碳含量一般比较低，主要依靠析出金属间化合物来强化。不锈钢全部为铁基合金，铁在加热和冷却过程会产生如下同素异型转变：A3=910℃A4=1390℃α-Feγ-Feδ-Fe钢中合金元素对α-Fe、γ-Fe和δ-Fe及多型转变温度A3、和A4均有重大影响，对于那些在γ-Fe中有较大溶解度，并稳定γ-Fe的合金元素，称之为奥氏体形成元素；对于那些在α-Fe中有较大溶解度，并稳

4、定α-Fe的合金元素，称之为铁素体形成元素。在形成铁的固溶体时，d层电子是主要参与金属键结合的电子，由钛到铜，3d层电子由2个增加到10个：Ti为2个、V为2个、Cr为5个、Mn为5个、Fe为6个、Co为7个、Ni为8个、Cu为10个；4d层电子Zr为2个、Nb为4个、Mo为5个；5d层电子Ta为3个、W为4个。看来d层电子≤5个的元素使A3点上升、A4点下降，是缩小奥氏区的铁素体形成元素，而5d层电子≥5个的元素A3点下降、A4点上升，是扩大奥氏区的奥氏体形成元素。介于V和Mn之间的Cr和Mo具有过渡性，钢中Cr＜7.5%时使A3点下降，Cr≥7.5%时使A3点上升，

5、但由Cr使A4点强烈下降，和Mo一起属于铁素体形成元素。总之，在不锈钢中属于奥氏体形成元素有：C、N、Mn、Ni、Cu、Co；属于铁素体形成元素有：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，都与铁形成置换固溶体，不同元素在铁中的溶解度与其在周期表中位置、晶体点阵类型、原子直径、以及相对于铁的电负性有关。Ni、Mn、Co在γ-Fe中无限固溶，Cr、V在α-Fe中无限固溶；电负性与铁差别大的元素，如Ti、Al、Nb、Si、P在钢中溶解度有限，倾向与铁形成金属化合物。尺寸因素对溶解度起重要影响，在C和

6、N与铁形成的间隙固溶体中，面心立方体的间隙比体心立方体大得多，所以C和N在γ-Fe中溶解度也比α-Fe中溶解度大得多。B的原子半径(0.88)比C(0.77)和N(0.71)大，无论与铁形成间隙固溶体，还是置换固溶体，都会引起较大的畸变能，所以B在γ-Fe和α-Fe中的溶解度都很小。合金元素在铁中的溶解度如表1-1。21表1-1合金元素在铁中的溶解度1合金元素溶解度，%合金元素溶解度，%α-Feγ-Feα-Feγ-FeCrNiMnMoCoCNSiPB无限10～337.5(1450℃)～4.0(室温)760.020.09518.52.8～0.00812.8无限无限～3无限

7、2.062.80～2～0.20.018～0.026AlTiVZrNbWCu36～7(1340℃)～2.5(600℃)无限～0.31.8～33(1540℃)～4.5(700℃)～1.0(700℃)～0.2(室温)1.10.68～1.40.72.03.28.5沉淀硬化钢时效处理时产生三种效应：去除残余应力；碳化物类型的转变，趋向于形成更加复杂的类型；沉淀硬化型钢中，还有细小弥散的金属间化合物及少量碳氮化合物析出，进一步增加钢的强度和硬度。下面分章节描述不锈钢中各种析出相的特性和形成规律。1.碳化物1.1碳化物的特性和形成规律2、3碳化物在钢中