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什么是殘余奧氏體？

 

淬火后不轉(zhuǎn)變奧氏體稱為殘余奧氏體（RA）。因此，當(dāng)鋼沒(méi)有淬火到Mf（或馬氏體光潔度）溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)殘余奧氏體；也就是說(shuō)，溫度沒(méi)有低到足以形成100%的馬氏體。

由于含碳量超過(guò)0.30%的合金中的Mf低于室溫，因此在室溫下可能存在大量未轉(zhuǎn)化的殘余奧氏體，并與馬氏體混合。

圖 殘余奧氏體（白色）與馬氏體混合組織

殘余奧氏體是鋼鐵的一種特殊組織。圖中深色針狀物為回火馬氏體晶體，淺色區(qū)域?yàn)闅堄鄪W氏體晶體。殘余奧氏體的數(shù)量與碳含量、合金含量（尤其是鎳和錳）、淬火介質(zhì)溫度以及隨后的熱處理和/或機(jī)械處理有關(guān)。

 

殘奧如何影響焊縫吸氫?

 

美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院 PARK等人制備了四種不同奧氏體體積分?jǐn)?shù)的試樣：AISI 304型不銹鋼、超級(jí)雙相不銹鋼、雙相鋼（12%的殘余奧氏體）、高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）焊縫熔敷層（4%和0%的殘余奧氏體），研究了殘余奧氏體在高強(qiáng)鋼焊縫中對(duì)吸氫行為的影響。

 

每個(gè)樣品通過(guò)氣態(tài)充入99.9%純氫，用熱脫附分析觀察了氫的捕集和脫附行為。采用熱脫附分析方法，研究了外加塑性應(yīng)變和降溫對(duì)雙相鋼（12vol-%殘余奧氏體）的影響。

 

研究表明，殘余奧氏體是一個(gè)具有較高結(jié)合能的相內(nèi)氫陷阱。與使用條件變化相關(guān)的顯微組織轉(zhuǎn)變可能導(dǎo)致產(chǎn)生的馬氏體相中的擴(kuò)散氫含量高，被稱為最易受氫致開(kāi)裂（HAC）影響的微觀組織結(jié)構(gòu)。

 

殘奧影響鋼的尺寸穩(wěn)定性？

 

如果溫度明顯低于淬火時(shí)的最低溫度，或者室溫奧氏體承受較高的機(jī)械應(yīng)力，殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

馬氏體是一種體心四方結(jié)構(gòu)，其體積比它所取代的面心立方奧氏體大。

在發(fā)生相變的地方，室溫下微觀結(jié)構(gòu)的體積將局部增加4-5%，從而導(dǎo)致部件幾何尺寸的變化。

如果足夠大，這種尺寸變化可能更顯著，在嚴(yán)重情況下，甚至導(dǎo)致裂紋萌生。  

 

殘奧如何影響構(gòu)件失效？

 

殘余奧氏體是工具和模具工業(yè)中極不理想的組分。殘余奧氏體被認(rèn)為是導(dǎo)致過(guò)早失效的主要原因。

殘余奧氏體硬度低與大多數(shù)需要最大可達(dá)硬度以抵抗磨損的應(yīng)用不兼容。軸承和齒輪行業(yè)更傾向于保留一些殘余奧氏體（通過(guò)光學(xué)金相學(xué)確定5%到30%，通常通過(guò)與已知標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較）。

雖然影響模具應(yīng)用的一些相同的機(jī)制也會(huì)影響齒輪，但有一些重要差異。齒輪通常由表面硬化鋼制成，具有較高的沖擊強(qiáng)度。

雖然大多數(shù)刀具因磨損或斷裂而失效，但許多齒輪失效歸因于齒面剝落。剝落是一種漸進(jìn)的宏觀匹配，它發(fā)生在凹坑合并形成不規(guī)則的剝落坑，覆蓋了輪齒表面的一個(gè)重要區(qū)域。

當(dāng)金屬構(gòu)件的表面承受反復(fù)的循環(huán)荷載時(shí)，就會(huì)發(fā)生剝落。裂紋形成并發(fā)展，直到表面的一小部分松動(dòng)，損壞表面并向系統(tǒng)添加碎屑。

 

齒輪工業(yè)通過(guò)抑制裂紋擴(kuò)展來(lái)平衡輪齒中殘余奧氏體的數(shù)量，從而延緩剝落的發(fā)生。 

 

殘奧是否影響零件性能？

 

正是這些特性賦予了殘余奧氏體許多獨(dú)特的性能，正是這些特性導(dǎo)致了大多數(shù)應(yīng)用中的重大問(wèn)題。我們知道奧氏體在高溫下是鋼的正常相，但在室溫下不是。

由于殘余奧氏體存在于其正常溫度范圍之外，它是亞穩(wěn)的。這意味著當(dāng)有機(jī)會(huì)時(shí)，它將從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。此外，伴隨著這種轉(zhuǎn)變體積變大，并在零部件中引起較大的內(nèi)應(yīng)力，通常表現(xiàn)為誘發(fā)裂紋。

馬氏體是硬、強(qiáng)、脆的，而奧氏體是軟而韌的。在某些情況下，當(dāng)結(jié)合時(shí)，奧氏體和馬氏體的混合物產(chǎn)生了一種復(fù)合效應(yīng)，這種效應(yīng)使各自的優(yōu)點(diǎn)得到彰顯，同時(shí)彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)。

對(duì)于任何給定的應(yīng)用，機(jī)械性能都會(huì)受到較高比例殘余奧氏體含量的影響。  

 

殘奧如何影響拉伸行為？

 

西班牙科研人員Carlos García-Mateo和Francisca G. Caballero對(duì)具有貝氏體組織的高碳、富硅鋼力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了前所未有的拉伸性能，這在貝氏體鋼中是前所未有的。

圖 殘余奧氏體影響鋼拉伸行為

研究表明，在奧氏體具有機(jī)械穩(wěn)定性的理想情況，總延伸率為4.6-29%，強(qiáng)度高達(dá)2.2 GPa。強(qiáng)度主要受細(xì)晶鐵素體板條厚度及其位錯(cuò)密度的控制。

而塑性則由殘余奧氏體的數(shù)量及其通過(guò)增加應(yīng)變硬化提高總延伸率的能力來(lái)控制，通過(guò)應(yīng)變誘發(fā)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即所謂的TRIP效應(yīng)。 

 

殘奧影響疲勞和沖擊性能？

 

低含量殘余奧氏體和細(xì)小的奧氏體晶粒，形成細(xì)小分散的殘余奧氏體和回火馬氏體的微觀結(jié)構(gòu)，有助于防止疲勞裂紋的形核，或延緩疲勞裂紋的萌生，直到達(dá)到非常高的應(yīng)力水平。

這里必須指出，殘奧對(duì)鋼的疲勞行為的影響很復(fù)雜。在高周疲勞和低周疲勞中表現(xiàn)截然相反。增強(qiáng)低周疲勞，不利于高周疲勞。它在二者之間是如何轉(zhuǎn)變的呢？值得廣大讀者思考和研究。

沖擊強(qiáng)度是衡量鋼在受到猛烈打擊時(shí)抵抗斷裂的能力。奧氏體不僅非常堅(jiān)韌，而且具有比馬氏體更高的沖擊強(qiáng)度。

鋼的沖擊強(qiáng)度隨奧氏體含量的增加而增加。更高的沖擊強(qiáng)度可以提供額外的保護(hù)，防止開(kāi)裂，反過(guò)來(lái)，有助于防止此類問(wèn)題，如剝落。

 

重要的是要認(rèn)識(shí)到，在給定應(yīng)用條件下，必須在零部件的機(jī)械性能和最佳殘余奧氏體百分比之間建立平衡。

 

圖 殘余奧氏體與性能關(guān)系

 

許多人感興趣的一種疲勞性能是滾動(dòng)接觸疲勞。殘余奧氏體有兩個(gè)方面可以提高滾動(dòng)接觸疲勞壽命。

首先，殘余奧氏體固有的延展性有助于延緩裂紋擴(kuò)展，因?yàn)榱鸭y形成時(shí)尖端會(huì)鈍化。

其次，隨著殘余奧氏體在使用過(guò)程中的轉(zhuǎn)變，殘余壓應(yīng)力增加。這些壓應(yīng)力通過(guò)像臺(tái)鉗一樣作用和夾緊裂紋來(lái)延遲裂紋擴(kuò)展。這些好處不存在于殘留奧氏體含量較低的零件中。

 

殘奧如何影響鋼的接觸疲勞？

 

對(duì)高殘留奧氏體滲碳斜齒輪進(jìn)行了表面接觸疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)前殘余奧氏體為60%，與表層硬度低有關(guān)。然而，試驗(yàn)齒輪表現(xiàn)出良好的抗點(diǎn)蝕性能，疲勞強(qiáng)度大于1380mpa。

 

對(duì)一個(gè)齒輪進(jìn)行的詳細(xì)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)過(guò)程中約50%的初始?xì)堄鄪W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。相變是應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)和驅(qū)動(dòng)的，僅限于表面10μm厚的薄層。

 

表面接觸疲勞強(qiáng)度的增加歸因于機(jī)械轉(zhuǎn)化層中殘余壓應(yīng)力和硬度的增加。 

 

高性能齒輪經(jīng)過(guò)表面硬化處理，以增加表面層的硬度，從而提高表面接觸疲勞的抗力。

 

表面滲碳廣泛用于提升齒輪和軸承的接觸疲勞性能。滲碳使碳含量增加到0.8%到1.0%之間。

 

此外，后續(xù)熱處理也用于產(chǎn)生回火馬氏體組織和一些殘余奧氏體。齒輪應(yīng)用中的許多標(biāo)準(zhǔn)熱處理要求殘余奧氏體在15-20%的范圍內(nèi)。

 

另一方面，在航空航天應(yīng)用中，其他標(biāo)準(zhǔn)要求通過(guò)零下冷卻將殘余奧氏體減少到4%以下。 

 

一般來(lái)說(shuō)，殘余奧氏體對(duì)疲勞的影響并不完全清楚。Zaccone等人指出，高含量的殘余奧氏體增加了低至中循環(huán)范圍內(nèi)彎曲疲勞強(qiáng)度，但降低了高循環(huán)狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度。

 

一種解釋是：殘余奧氏體比回火馬氏體更軟，具有較高的斷裂韌性，這在低周疲勞狀態(tài)下是有益的，在低周疲勞狀態(tài)下，大部分的斷裂壽命都是由第二階段裂紋擴(kuò)展決定的。

 

認(rèn)為殘余奧氏體在靠近表面的薄層中由應(yīng)力誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是獲得較好的抗點(diǎn)蝕疲勞性能的原因。

 

參考文獻(xiàn)： 

[1] Carlos García-Mateo and Francisca G. Caballero. The Role of Retained Austenite on Tensile Properties of Steels with Bainitic Microstructures.Materials Transactions, Vol. 46, No. 8 (2005) pp. 1839 to 1846.

[2] Daniel H. Herring.A Discussion of Retained Austenite. | 630.834.3017 | dherring@heat-treat-doctor.com. 

[3] BY Y. D. PARK, I. S. MAROEF, A. LANDAU, AND D. L. OLSON. Retained Austenite as a Hydrogen Trap in Steel Welds. Hydrogen trapping is investigated as a means of improving resistance to hydrogen-assisted cracking in HSLA steels.WELDING JOURNAL.