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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-01-26 13:39
鋼在淬火時一般不能獲得百分之百的馬氏體組織，還保留一部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體，即殘留奧氏體。對于高碳鋼件，常常因殘留奧氏體量較大而使硬度降低，有時在使用過程中因其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使工件體積脹大而引起尺寸的變化或時效開裂。因此，對于某些零件（如量具，軸承等），必須進行冷處理，使殘留奧氏體在零下溫度繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。實踐表明，許多鋼的冷處理必須在淬火以后立即進行，因為在室溫停留將使馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生困難，即發(fā)生了奧氏體穩(wěn)定化現(xiàn)象。所謂奧氏體穩(wěn)定化，系指奧氏體由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)在外界條件的影響下發(fā)生了某種變化，而使其向馬氏體的轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)遲滯的現(xiàn)象。
奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定化程度因各種條件變化而異，通常把奧氏體的穩(wěn)定化分為熱穩(wěn)定化和機械穩(wěn)定化。
一、奧氏體的熱穩(wěn)定化
淬火時因緩慢冷卻或在冷卻過程中停留引起奧氏體穩(wěn)定性提高，而使馬氏體轉(zhuǎn)變遲滯的現(xiàn)象稱為奧氏體的熱穩(wěn)定化。
前已述及降溫形成馬氏體的轉(zhuǎn)變量只取決于最終的冷卻溫度，而與時間無關(guān)。但這是指連續(xù)冷卻過程中的一般情況而言，沒有考慮冷卻速度對奧氏體穩(wěn)定化的影響。實際上，若將鋼件在淬火過程中于某一溫度下停留一定的時間后再繼續(xù)冷卻，其馬氏體轉(zhuǎn)變量與溫度的關(guān)系便會發(fā)生變化。常見的情況如圖1 所示，在Ms 點以下的TA 溫度停留τ 時間后再繼續(xù)冷卻，馬氏體轉(zhuǎn)變并不立即恢復(fù)，而要冷至Ms´ 溫度才重新形成馬氏體。即要滯后θ(θ=TA-Ms )度，轉(zhuǎn)變才能繼續(xù)進行。和正常情況下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變相比，同樣溫度（TR)下的轉(zhuǎn)變量少了δ(δ=M1-M2)。δ量的大小與測定溫度有關(guān)。
▲圖1 奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象（在Ms點以下等溫停留）示意圖
奧氏體穩(wěn)定化程度通常是用滯后溫度間隔θ度量，也可用少形成的馬氏體量δ度量。
研究表明，熱穩(wěn)定化現(xiàn)象有一個溫度上限，常以Mc 表示。在Mc 點以上，等溫停 留并不產(chǎn)生熱穩(wěn)定化，只有在Mc 點以下停留或緩慢冷卻才會引起熱穩(wěn)定化。對于不同的鋼種，Mc 可以低于Ms 也可以高于Ms ，對于Mc 高于Ms 的鋼種，則不僅在Ms 以下等溫或緩慢冷卻會產(chǎn)生熱穩(wěn)定化，而且在Ms 點以上等溫也會產(chǎn)生熱穩(wěn)定化現(xiàn)象。
例如，9CrSi 鋼在Ms 點以上保溫即出現(xiàn)熱穩(wěn)定化現(xiàn)象。圖2 表示9CrSi鋼自870℃淬火至不同溫度（均在Ms 溫度以上），保溫十分鐘后，冷至室溫所測得的馬氏體量（以磁偏轉(zhuǎn)表示，偏轉(zhuǎn)值愈大，表示馬氏體量愈多，即殘留奧氏體量愈少）。
▲圖2 等溫溫度和已穩(wěn)定的奧氏體量的關(guān)系
由圖可見，等溫溫度愈高，淬火后獲得的馬氏體數(shù)量愈少，亦即δ愈大，這說明奧氏體的熱穩(wěn)定化程度愈高。如果將9CrSi鋼先淬至160℃,形成一定量的馬氏體（約為50%),然后在160℃以上等溫保持十分鐘隨后水冷至室溫，當(dāng)?shù)葴乇３譁囟鹊陀?60℃時，所獲得的馬氏體量隨等溫溫度升高而減少，即等溫溫度升高穩(wěn)定化程度增大，如圖3 中實線所示（圖中虛線2同圖3,是為對比而列入的）。
▲圖3 等溫溫度和已穩(wěn)定化奧氏體量的關(guān)系（9CrSi鋼）
由圖3 中還可看到另一種現(xiàn)象，即當(dāng)?shù)葴販囟瘸^260℃時，隨等溫溫度升高，穩(wěn)定化程度反而下降，這種現(xiàn)象稱為反穩(wěn)定化。
實驗證明，已轉(zhuǎn)變馬氏體量的多少，對熱穩(wěn)定化程度也有很大影響。已轉(zhuǎn)變的馬氏體量愈多、等溫停留時所產(chǎn)生的熱穩(wěn)定化程度愈大，這說明馬氏體形成時對周圍奧氏體的機械作用促進了熱穩(wěn)定化程度的發(fā)展。熱穩(wěn)定化程度隨已轉(zhuǎn)變馬氏體量的增多而增大。而且，馬氏體量愈多，θ值增大愈多。反之，已轉(zhuǎn)變馬氏體量愈少，熱穩(wěn)定化程度愈小，對有些鋼甚至小到不易發(fā)現(xiàn)的程度。
例如，將0.96%C-2.97%Mn-0.48%Cr-0.40%Si-0.21%Ni鋼于1100℃加熱淬火至不同溫度，獲得不同的馬氏體量，然后分別在60℃等溫停留1小時，并分別測定θ值，其結(jié)果如圖4 所示。
▲圖4 馬氏體量對熱穩(wěn)定化程度的影響（60℃×1h）
圖中可見，已轉(zhuǎn)變的馬氏體量越多，熱穩(wěn)定化程度（θ)越大。而且已轉(zhuǎn)變馬氏體量越高，穩(wěn)定化程度增大越多。例如，馬氏體轉(zhuǎn)變量由22%增大到54%時，θ只增大39℃;而馬氏體量由54%增大到70%時，θ值增大達(dá)140℃。.正由于馬氏體轉(zhuǎn)變量對奧氏體熱穩(wěn)定化程度有如此強烈的影響，所以近年來在研究熱穩(wěn)定化的影響素時，均固定馬氏體量，以免馬氏體量的影響干擾試驗結(jié)果。
等溫停留時間對熱穩(wěn)定化程度也有明顯的影響。在一定的等溫溫度下，保持的時間越長，則達(dá)到的奧氏體穩(wěn)定化程度越高。由圖5 可以看出，等溫溫度越高，達(dá)到最大穩(wěn)定化程度所需的時間越短?？梢?，熱穩(wěn)定化動力學(xué)過程也是同時與溫度和時間有關(guān)的。
▲圖5 不同等溫溫度下的停
留時間對穩(wěn)定化的影響
（0.96%C-2.97%Mn-0.48%Cr
-0.40%Si-0.21%Ni鋼，
1100℃淬火至0℃）
近年來，在Fe-Ni-C合金中，對奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象進行了比較系統(tǒng)的研究。等溫溫度和停留時間對穩(wěn)定化程度影響的典型試驗結(jié)果見圖6 。
▲圖6 溫度和時間對Fe-31%Ni-0.01%C
合金奧氏體穩(wěn)定化程度的影響
（已轉(zhuǎn)變馬氏體量為57%）
由圖中可見，在一定的溫度下停留時，隨時間延長，θ值先上升到一個極大值，以后又下降到一個穩(wěn)定值。由此，可以認(rèn)為在等溫停留過程中不僅存在穩(wěn)定化過程，而且還存在反穩(wěn)定化過程。時間延長，反穩(wěn)定化過程則趨于占優(yōu)勢，因而使奧氏體穩(wěn)定性反而減小了。
由圖6 還可看出，短時間保溫時，若等溫溫度高，則θ值較大。但長時間等溫時，等溫溫度愈高，穩(wěn)定化速度愈快，θ最大值卻較低。在其他成分的Fe-Ni-C合金中也發(fā)現(xiàn)類似情況，如圖7 所示。比較圖6 和圖7 不難看出，合金中碳含量增加時穩(wěn)定化程度增大。
▲圖7 溫度和時間對Fe-27%Ni-0.35%C
合金奧氏體穩(wěn)定化程度的影響
（已轉(zhuǎn)變馬氏體量為58%）
穩(wěn)定化處理前已轉(zhuǎn)變馬氏體量增大時，亦會引起穩(wěn)定化程度增大。這和前述鋼中觀察到的現(xiàn)象一致。
歸納起來，F(xiàn)e-Ni-C合金中熱穩(wěn)定化的基本規(guī)律是：
1.經(jīng)較短時間等溫時，等溫溫度較高的穩(wěn)定化程度（θ值）較大；
2.較高溫度等溫時，穩(wěn)定化速率大，但最大穩(wěn)定化程度（θ峰值）??；
3.穩(wěn)定化程度隨合金中碳含量增加而增大；
4.等溫停留前存在的馬氏體量較多時，最大穩(wěn)定化程度（θ峰值）較高。
但是，不同成分合金，往往呈現(xiàn)不同情況的穩(wěn)定化現(xiàn)象。在Fe-31.5%Ni-0.01%C合金中以80℃為界，出現(xiàn)了兩種性質(zhì)不同的穩(wěn)定化現(xiàn)象。較低溫度下的穩(wěn)定化過程是可逆的，在較高溫度下出現(xiàn)的穩(wěn)定化是不可逆的。鋼件熱處理生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的是低溫穩(wěn)定化問題。研究奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象有重要的實際意義。例如，對于大多數(shù)鋼，淬火后的冷處理應(yīng)立即進行，以防止由于奧氏體穩(wěn)定化而降低冷處理的效果。生產(chǎn)中也常利用熱穩(wěn)定化調(diào)整殘留奧氏體量，以到減小淬火變形，或改善鋼的強韌性等目的。采用穩(wěn)定化處理使殘留奧氏體穩(wěn)定化，還可提高精密零件的尺寸穩(wěn)定性等。很久以來，人們從大量的熱穩(wěn)定化現(xiàn)象推測熱穩(wěn)定化很可能與原子的熱運動有關(guān)。除在鋼中發(fā)現(xiàn)含碳量增加可使穩(wěn)定化程度增大外，還在Fe-Ni合金中發(fā)現(xiàn)，C、N總量等于或大于0.01%時才有顯著的熱穩(wěn)定化現(xiàn)象。據(jù)此認(rèn)為，低溫穩(wěn)定化是由于C、N原子在適當(dāng)?shù)臏囟认孪螯c陣缺陷處偏聚（C、N釘扎住位錯），因而強化了奧氏體，使馬氏體相變的切變阻力增大所致。
根據(jù)馬氏體的位錯成核理論，在等溫停留時，C、N原子向位錯界面偏聚，包圍馬氏體核胚，直至足以釘扎它，阻止其長大。所以θ值的意義可以這樣理解，由于C、N原子釘扎位錯，而要求提供附加的化學(xué)驅(qū)動力以克服溶質(zhì)原子的釘扎力，為獲得這個附加的化學(xué)驅(qū)動力所需的過冷度，即為θ值。按照這個模型，熱穩(wěn)定化程度應(yīng)與界面釘扎強度（或直接與界面上溶質(zhì)原子濃度）成正比。這種理論上預(yù)見的熱穩(wěn)定化動力學(xué)與實驗結(jié)果基本符合。在Fe-Ni合金中測得，奧氏體穩(wěn)定化時，屈服強度升高13%,因而使馬氏相變切變阻力增大，引起Ms 點下降，而需要相變驅(qū)動力相應(yīng)地提高18%。
按上述模型，若將穩(wěn)定化奧氏體加熱至一定溫度以上時，由于原子熱運動增強，溶質(zhì)原子又會擴散離去，而使穩(wěn)定化作用下降甚至逐漸消失，這就是所謂反穩(wěn)定化。出現(xiàn)反穩(wěn)定化的溫度隨鋼和熱處理工藝不同而異。高速鋼中出現(xiàn)反穩(wěn)定化的溫度，對W18Cr4V為550℃,對W9Cr4V2為500℃。
實際上，高速鋼多次回火工藝即為反穩(wěn)定化理論的實際應(yīng)用。
穩(wěn)定化奧氏體經(jīng)反穩(wěn)定化處理后，如重新冷卻，隨溫度下降，原子熱運動減弱，溶質(zhì)原子向界面偏聚傾向又逐漸增大。因此，熱穩(wěn)定化現(xiàn)象會再次出現(xiàn)。實驗證明，高碳鋼（W18Cr4V,Cr12Mo)的熱穩(wěn)定化現(xiàn)象確是可逆的。
但是，C原子封鎖位錯導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定化的理論不能解釋高溫穩(wěn)定化現(xiàn)象。這說明奧氏體穩(wěn)定化現(xiàn)象可能不是單一因素影響的結(jié)果。而且不同的合金也可能具有不同的穩(wěn)定化機理。然而，目前有關(guān)這方面的見解還很不統(tǒng)一。
二、奧氏體的機械穩(wěn)定化
在Md 點以上的溫度下對奧氏體進行塑性變形，可以使隨后的馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生困難，Ms 點降低，引起奧氏體穩(wěn)定化，這種現(xiàn)象稱為機械穩(wěn)定化。
由圖8 可見，少量塑性變形對馬氏體轉(zhuǎn)變有促進作用，大量塑性變形使馬氏體轉(zhuǎn)變量減少，即產(chǎn)生了機械穩(wěn)定化現(xiàn)象。
▲圖8 塑性變形對Fe-Ni-Cr合
金馬氏體轉(zhuǎn)變量的影響
Mε一形變奧氏體在液N中冷處理后
的馬氏體量M0一未形變奧氏
體經(jīng)相同處理后的馬氏體量
圖中Fe-18Cr-12Ni合金的層錯能較低，塑性變形對其奧氏體穩(wěn)定性的影響較大。塑性變形溫度愈高，對奧氏體穩(wěn)定性的影響也愈??；變形溫度愈低，形變量愈大，奧氏體的層錯能愈低，則機械穩(wěn)定化效應(yīng)愈大。應(yīng)該指出在M.點以下變形時，未轉(zhuǎn)變的形變奧氏體的機械穩(wěn)定化效應(yīng)與在M.點以上變形的情況相似。
分析塑性變形對馬氏體相變的影響，應(yīng)當(dāng)考慮到彈性應(yīng)力的影響也是同時存在的。少量塑性變形之所以會出現(xiàn)和機械穩(wěn)定化相反的效應(yīng)，可以認(rèn)為是由于內(nèi)應(yīng)力集中所造成的，這種集中的內(nèi)應(yīng)力有助于馬氏體核胚的形成，或者促進已存在的核胚長大。Ni-Cr不銹鋼中，由于密排六方的e相是面心立方奧氏體向體心立方馬氏體轉(zhuǎn)變的中間相。因此，可以設(shè)想少量塑性變形使層錯有所增加，而層錯可以促進e相形成，從而促進馬氏體轉(zhuǎn)變。
另一方面，既然馬氏體轉(zhuǎn)變是由于原子的相互有聯(lián)系的運動來完成的，在畸變了的點陣中，由塑性變形引入的晶體缺陷會破壞母相和新相（或其核胚）之間的共格關(guān)系，使馬氏體轉(zhuǎn)變時的原子運動發(fā)生困難。這就增大了奧氏體的穩(wěn)定性。
在馬氏體的爆發(fā)轉(zhuǎn)變中，也有與外加應(yīng)力相同的效應(yīng)。由于形成馬氏體而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，常常使某些合金出現(xiàn)“自促發(fā)”效應(yīng)。這也是應(yīng)力促進相變的例子。與此相反，如同在Ma點以上塑性變形一樣，由于相變而引起的奧氏體塑性變形也能夠使相變受到抑制。殘留奧氏體難以轉(zhuǎn)變成馬氏體除因為熱穩(wěn)定化作用外，由相變而引起的機械穩(wěn)定化作用也是一個很重要的原因。
前面曾經(jīng)述及馬氏體形成時對周圍奧氏體的機械作用會促進熱穩(wěn)定化程度的發(fā)展，實質(zhì)上是一種由于相變而造成未轉(zhuǎn)變奧氏體的塑性變形所引起的機械穩(wěn)定化作用。
實際上，只要等溫停留是在M. 點以下進行，則奧氏體的熱穩(wěn)定化作用必然和由相變引起的機械穩(wěn)定化作用同時存在。所以，在M,點以下等溫停留時，所測得的穩(wěn)定化程度是熱穩(wěn)定化和機械穩(wěn)定化綜合作用的結(jié)果。
來源：每天學(xué)點熱處理
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