合金元素对钢热处理组织转变的影响

8.1.3　合金元素对钢热处理组织转变的影响

1．合金元素对钢加热时奥氏体化过程的影响

（1）对奥氏体形成速度的影响

奥氏体的形核和长大基本都是通过碳的扩散来控制的。除Ni、Co以外的大多数合金元素都会使碳的扩散能力降低，特别是强碳化物形成元素，形成特殊碳化物，阻碍碳的扩散，减慢奥氏体的形成速度，减缓钢的奥氏体化过程。因此，合金钢在热处理时，要相应地提高加热温度或延长保温时间来促进奥氏体成分的均匀化。

（2）对奥氏体晶粒长大倾向的影响

大多数合金元素有阻止奥氏体晶粒长大的作用，但影响程度不同。碳化物形成元素由于形成的碳化物在高温下较稳定，不易溶于奥氏体中，能阻碍其晶界外移，显著细化晶粒。但Mn、P对奥氏体晶粒的长大起促进作用，因此含锰钢加热时应严格控制加热温度和保温时间，以防止奥氏体晶粒过大。

2．合金元素对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响

（1）合金元素对C曲线的影响

合金元素对过冷奥氏体转变的影响集中体现在C曲线上。除了Co以外，几乎所有的合金元素溶入奥氏体后都降低原子扩散速度，增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。

对于中强和强碳化物形成元素（如Cr、W、Mo、V等），溶于奥氏体后，不仅使C曲线右移，而且还使C曲线的形状发生改变，使珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域。合金元素对C曲线的影响如图8-5所示。

图8-5　合金元素C曲线的影响

（2）合金元素对马氏体转变的影响

除Co、Al外，所有溶于奥氏体的合金元素都使Ms、M_f点下降，导致残余奥氏体量增加，因此在相同的含碳量下，合金钢中残余奥氏体比碳钢中多，许多高碳高合金钢在淬火后，残余奥氏体量可高达30%~40%，致使钢的硬度和疲劳抗力下降。

3．合金元素对淬火钢回火转变过程的影响

（1）提高钢的回火稳定性

回火稳定性是指淬火钢件在回火时抵抗硬度下降的能力，也称耐回火性。不同的钢在相同温度回火后，强度、硬度下降的少，其回火稳定性较高。

由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度都比碳钢高。如图8-6所示为含0.35%C的钢中加入不同的Mo，经淬火后回火时的硬度变化情况。

（2）产生二次硬化

当含W、Mo、V、Ti量较高的淬火钢，在500℃～600℃温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高。我们把钢这种在回火时硬度升高的现象称为二次硬化。图8-6表明含Mo量大于2%的钢产生二次硬化的情况。产生二次硬化的原因是因为含上述合金元素较多的合金钢，在该温度范围内回火时，将析出细小、弥散的特殊碳化物，如Mo₂C、W₂C、VC、TiC等，这类碳化物硬度很高，在高温下也非常稳定，难以聚集长大，能有效地阻碍位错运动，具有高温强度。如具有高热硬性的高速钢就是靠W、Mo、V这种特性来实现的。

另外，将淬火合金钢加热至500℃～600℃回火，在冷却过程中由部分残余奥氏体转变为马氏体，从而增加钢的硬度，这种现象称为二次硬化。

（3）防止第二类回火脆性

淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，称为回火脆性。图8-7为镍铬钢回火后的冲击韧度与回火温度的关系。

钢淬火后在300℃左右回火时产生的回火脆性称为第一类回火脆性。无论碳钢或合金钢，都可能发生这种脆性，并且它与回火后的冷却方式无关。这种回火脆性产生后无法消除。为了避免第一类回火脆性的发生，一般不在250℃～350℃温度范围内回火。

含有Cr、Mn、Ni等元素的合金钢淬火后，在脆化温度区（400℃～550℃）回火，或经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区所产生的脆性，成为第二类回火脆性。它与某些杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚有关。这种偏聚容易发生在回火后缓慢冷却的过程中，最容易发生在含Cr、Mn、Ni等合金元素的合金钢中。如果回火后快冷，杂质元素便来不及在晶界上偏聚，就不易发生这类回火脆性。当出现第二类回火脆性时，可将其加热至500℃～600℃经保温后快冷，即可消除回火脆性。对于不能快冷的大型结构件或不允许快冷的精密零件，应选用含有适量Mo和W的合金钢，能有效防止第二类回火脆性的发生。

图8-6　wc=0.35%的钢加入不同Mo量对回火硬度的影响

图8-7　合金钢回火脆性示意图