合金元素对钢热处理的影响

三、合金元素对钢热处理的影响

(一)合金元素对钢加热转变的影响

合金钢奥氏体转变的过程中，除需要铁、碳原子的扩散外，同时还有合金元素原子的扩散以及合金碳化物溶解，因此合金元素对碳化物稳定性的影响、元素自身在钢中的扩散能力，以及合金元素对碳在奥氏体中扩散的影响等，都将直接影响合金钢中奥氏体的转变过程。归纳起来，合金钢加热时的组织转变有以下两个显著的特点。

1．合金钢奥氏体化加热温度高、保温时间长

合金钢加热时，为了获得成分均匀的奥氏体组织，一般都希望有尽可能多的合金元素溶入奥氏体，只有这样才能充分发挥合金元素的有益作用。但由于合金钢中往往含有强碳化物形成元素所形成的碳化物如TiC、VC、NbC、ZrC等，它们的稳定性很高，只有在较高的温度下才开始溶解;另外，除镍、钴以外的大多数合金元素都有减缓钢奥氏体化的作用，因此，－般合金钢、特别是含有强碳化物形成元素的合金钢，其热处理时往往需要更高的加热温度和较长的保温时间。

2．大多数合金元素都能在加热时阻碍奥氏体晶粒的长大

锆、铌、钛、钒、铝等元素在加热时能强烈阻碍奥氏体晶粒长大;钨、钼、铬等则能起到中等的阻碍作用。这是因为这些元素在钢中能形成稳定的微细碳化物质点或氧化物质点，弥散分布在奥氏体晶界上，使晶界移动困难，从而对奥氏体晶粒长大起阻碍作用。锰、磷、碳等则促进奥氏体晶粒长大，特别是在钢的碳含量较高时这种不利的影响愈加显著。因此，除锰钢外，一般合金钢加热时都不宜过热，即便是在较高的加热温度下，仍能得到晶粒细小的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体，获得较为理想的力学性能。

(二)合金元素对钢冷却转变的影响

1．合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响

除钴以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，都能提高过冷奥氏体的稳定性，使钢的C曲线右移;另外，碳化物形成元素含量较高时，还会使钢的C曲线形状发生改变。

Ti、Nb、V、W、Mo等元素强烈推迟珠光体转变，但对贝氏体转变推迟较少，这样就使C曲线中珠光体转变区和贝氏体转变区明显分离，出现了两组C曲线，如图7-5(a)所示;Cr和Mn等元素都有强烈推迟珠光体和贝氏体转变的作用，但对推迟贝氏体转变的作用更大。因此铬、锰钢的C曲线就具有如图7-5(b)所示的形状;低碳高镍钢、中碳铬镍钼钢及铬镍钨钢，由于合金元素的作用，珠光体转变的孕育期很长，以致在其过冷奥氏体转变曲线图上只有贝氏体转变曲线而不出现珠光体转变区，如图7-5(c)所示;高铬不锈钢3Cr13、4Cr13，由于其稳定碳化物形成元素的含量与碳含量的比值较高，在过冷奥氏体转变曲线图上只有珠光体转变区而不出现贝氏体转变区，这类钢的C曲线如图7-5(d)所示。

综上所述，大多数合金元素溶入奥氏体后，使C曲线右移，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性，故合金钢的淬透性普遍优于碳钢。特别是多种元素同时加入且元素总量又较高时，钢的淬透性显著提高。

合金钢淬透性提高，在生产中具有非常重要的实际意义:

(1)合金钢淬火时，由于其淬透性好，可采用比较缓和的冷却介质，或者采用分级淬火和等温淬火，这样可有效地减小工件的变形与开裂倾向。

(2)淬透性提高，可增加大截面工件的淬硬层深度，从而有利于提高大型工件的整体力学性能水平。

(3)某些合金元素含量较高的钢，过冷奥氏体非常稳定，C曲线右移较多，即使在空冷条件下也能得到马氏体，这类钢被称为马氏体钢或空淬钢。

图7-5　合金元素对C曲线形状的影响

2．合金元素对马氏体转变的影响

马氏体转变属无扩散型相变，故合金元素对马氏体转变过程影响甚小。但合金元素加入后能够影响钢的M_s～M_f点的温度范围，从而影响钢淬火后的残余奥氏体量。

除Co、Al以外，大多数合金元素溶入奥氏体后，均会使钢的M_s点降低，使合金钢淬火后组织中的残余奥氏体量增多。这对一些高碳高合金钢的影响特别显著，使其淬火组织中的残余奥氏体量甚至高达20%～30%。图7-6为合金元素对钢M_s点的影响;图7-7为不同合金元素对合金钢淬火后残余奥氏体量的影响。

图7-6　合金元素对M_s点的影响

图7-7　合金元素对残余奥氏体的影响

(三)合金元素对钢回火转变的影响

1．合金元素提高了钢的回火稳定性(耐回火性)

淬火钢在回火时抵抗软化的能力称为回火稳定性。大多数合金元素，特别是强碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等溶入马氏体后，由于它们与碳有较强的亲和力，在回火加热时，使马氏体中的碳化物不易析出，析出后也难以聚集长大，提高了钢的回火稳定性。例如，在一些碳化物形成元素含量较多的合金钢中，回火时马氏体的分解温度可被推高至400～500℃以上。

合金钢回火对稳定性提高是非常有利的。如碳含量相同的碳钢和合金钢，在同一温度回火后，合金钢能够获得更高的硬度和强度;在硬度要求相同的情况下，合金钢则可选取较高的回火温度和较长的回火时间，这样更有利于消除残余应力，因而使合金钢回火后能够比碳钢获得更好的塑性和韧性。

2．产生二次硬化

大多数合金元素在回火时都可将残留奥氏体的分解温度向高温推移，这一点对那些碳化物形成元素含量较多的高碳高合金钢影响更为显著。因为这类钢的淬火组织中残留奥氏体量本来就特别大，合金元素的存在又使它们的稳定性特别高，回火至500～600℃保温过程中也难以分解，这样就可使这部分残余奥氏体在后续的回火冷却过程中转变为马氏体，即发生所谓的“二次淬火”现象。二次淬火可使淬火钢在回火后硬度有所提高。

此外，碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Nb含量较高的高碳高合金钢，在500～600℃回火时，将从马氏体中析出大量的特殊碳化物(如VC、NbC、Mo₂C、W2C等)。这些特殊碳化物细小而均匀，弥散地分布在马氏体基体上，由于它们本身的硬度极高并能阻碍位错运动，对钢有极好的弥散强化效果，使钢在回火时硬度不下降反而有所升高。

图7-8　合金元素对钢回火后硬度的影响

淬火钢在回火过程中硬度不降低反而升高的现象称为二次硬化，如图7-8所示。高合金钢在较高温度回火时发生的二次淬火现象和析出大量弥散分布的特殊碳化物质点是造成二次硬化的根本原因。

合金钢良好的回火稳定性及二次硬化现象对某些工具钢具有特别重要的意义。例如，高速切削刀具在切削热引发的高温下仍要求钢能够保持高的硬度，即要求钢具有高的热硬性(或红硬性)。合金元素提高了钢的回火稳定性，能够产生二次硬化，从而可显著提高钢的热硬性。

3．合金钢的回火脆性

某些合金结构钢在450～650℃温度范围回火时出现韧性下降的现象，称为第二类回火脆性或高温回火脆性，如图7-9所示。第二类回火脆性主要发生在含铬、镍、锰、硅等的合金结构钢中，碳钢一般不出现这种脆性。另一个特点是这类回火脆性一般在回火后缓冷时出现，若快冷则不会产生。另外，若将已经产生回火脆性的钢重新加热至回火温度经保温后快冷，脆性即可消除;经过消除回火脆性的钢件，如被再次加热至脆性温度区回火后缓冷，脆性将再次出现。因此，第二类回火脆性又被称为可逆回火脆性。

图7-9　回火温度对钢冲击韧性的影响

第二类回火脆性产生的原因，一般认为与锑、锡、磷等杂质元素在原奥氏体晶界的偏聚有关。这种杂质原子的偏聚，减弱了晶界原子间的结合力，降低了晶界的断裂强度，促进了脆断的发生。镍、铬、锰等元素有促进这类杂质偏聚的作用，所以这类钢易产生第二类回火脆性。如果钢中除Cr外，还含有Ni或有相当量的Mn时，高温回火脆性更为显著。钢中加入W、Mo等元素有减弱高温回火脆性的作用。

高温回火脆性在合金调质钢中特别容易产生，因为调质处理时的回火温度恰好与产生这类回火脆性的温度区间重合。防止高温回火脆性的方法有:①选择高纯度的钢以减少杂质含量;②小截面工件回火后采用快冷(油冷或水冷);③大截面工件即使水冷，也会由于心部冷速过慢而难于防止这类回火脆性的出现，这时可选用含钨(1．0%左右)或钼(0．5%左右)的合金钢，可有效减轻回火脆性倾向。