何三華
江陰市周莊職業(yè)高級(jí)中學(xué) 江蘇 江陰 214423
在鋼的熱處理這一部分教學(xué)中,各種熱處理的加熱溫度、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其組織和性能均不相同,有些學(xué)生覺(jué)得很抽象,難于理解。其實(shí)只要抓住各種轉(zhuǎn)變的本質(zhì)屬性就能將鋼的熱處理看個(gè)明白。
溶質(zhì)在溶劑中溶解形成固溶體后,固溶體的晶格依然保持溶劑的晶格類型。開(kāi)始溶質(zhì)剛?cè)芙馊肴軇┲袝r(shí),固溶體的各部分成分不均勻,需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的原子擴(kuò)散才能達(dá)到成分的均勻一致。由于擴(kuò)散是在固體中進(jìn)行的,原子大多被固定在晶格的確定位置上,活動(dòng)能力弱,所以固溶體成分的均勻化需要的時(shí)間比液體要長(zhǎng)。而且溫度越低,時(shí)間越長(zhǎng),在較低溫度下原子甚至喪失了活動(dòng)能力,不能擴(kuò)散。
純金屬的結(jié)晶是在一定過(guò)冷度條件下,由晶核的形成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本階段組成。過(guò)冷度越大,結(jié)晶速度越快,晶粒越細(xì)小。最后晶粒的大小取決于金屬結(jié)晶時(shí)的形核率和晶核長(zhǎng)大速度。這個(gè)過(guò)程在再結(jié)晶、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等場(chǎng)合下也同樣適用。
同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是金屬在固態(tài)下晶格類型隨溫度的改變而改變的現(xiàn)象,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)程和結(jié)晶的過(guò)程相似,也是通過(guò)晶核的形成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程來(lái)完成的。但同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下完成晶格的改組,所以比液態(tài)金屬的結(jié)晶需要更大的過(guò)冷度。
從本質(zhì)上講凡是能對(duì)位錯(cuò)的滑移造成阻礙的因素,都能提高金屬的強(qiáng)度和硬度,因此金屬內(nèi)部的晶格缺陷、合金中的第二相等均可對(duì)材料進(jìn)行一定程度的強(qiáng)化。
冷卻時(shí)冷卻速度越快,過(guò)冷度越大,金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度就越低,液態(tài)金屬原子的狀態(tài)就越不穩(wěn)定。同時(shí)溫度越低,原子的擴(kuò)散能力降低,有更多的金屬液體原子來(lái)不及擴(kuò)散到周圍的晶核就在其自身位置上形成新的晶核,所以提高了結(jié)晶時(shí)的形核率,從而冷卻速度越快,金屬結(jié)晶后的晶粒就越細(xì)小。
退火的冷卻速度很慢,鋼發(fā)生相變的溫度很高,所以原子的擴(kuò)散能充分地進(jìn)行。過(guò)共析鋼完全退火時(shí)要把鋼加熱到ACcm溫度以上,這時(shí)鋼中的二次滲碳體全部溶入奧氏體。冷卻時(shí)奧氏體中碳的溶解度隨溫度的下降而逐漸下降,碳原子逐漸擴(kuò)散到原子狀態(tài)不穩(wěn)定的奧氏體的晶界并與那里的鐵原子形成比較穩(wěn)定的二次滲碳體,而奧氏體本身的成分依然保持均勻。隨著溫度繼續(xù)下降,奧氏體中的碳不斷聚集到奧氏體的晶界處形成滲碳體,直到溫度降低到727 ℃時(shí)剩余奧氏體中的含碳量為0.77%,奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。但這時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變已不能打破原有奧氏體的晶界,珠光體晶粒被限制在原有奧氏體的晶粒內(nèi),沿原奧氏體晶界分布的二次滲碳體不再發(fā)生轉(zhuǎn)變而保留到室溫形成網(wǎng)狀的二次滲碳體。
從嚴(yán)格意義上講,正火得到的組織已不再是平衡狀態(tài)的組織,其組織為索氏體+二次滲碳體。正火時(shí)由于冷卻速度較快,所以碳原子來(lái)不及向奧氏體的晶界處擴(kuò)散,此時(shí)溫度還比較高,碳原子雖然擴(kuò)散能力有限,但依然有能力形成滲碳體,所以就在奧氏體內(nèi)部形成細(xì)片層狀的滲碳體,隨后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,從而消除網(wǎng)狀的滲碳體組織,珠光體晶粒不再被割裂,所以能獲得較高的力學(xué)性能。
過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變時(shí)首先是晶格的改組,然后是鐵素體中過(guò)飽和的碳向外擴(kuò)散與鐵原子結(jié)合形成滲碳體微粒析出。在原子活動(dòng)能力較強(qiáng)時(shí),滲碳體和鐵素體聚集長(zhǎng)大形成片層結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)變溫度越低,則原子的擴(kuò)散能力越差,形成的片層結(jié)構(gòu)就越細(xì)小。
在A1~550 ℃之間,轉(zhuǎn)變溫度較高,原子有足夠的擴(kuò)散能力,所以形成的是片層結(jié)構(gòu)的珠光體類組織。溫度越低,片層越細(xì),分別稱為珠光體、索氏體和托氏體。
在550 ℃~Ms溫度之間,奧氏體的過(guò)冷度較大,轉(zhuǎn)變溫度較低,晶格改組后,鐵原子已經(jīng)不能擴(kuò)散,碳原子的擴(kuò)散能力也有限,所以碳只能部分形成滲碳體,部分形成碳化物,最終形成的組織是過(guò)飽和的鐵素體和滲碳體或碳化物組成的兩相混合物,即貝氏體。
在Ms~Mf溫度之間,奧氏體的過(guò)冷度極大,轉(zhuǎn)變溫度很低,轉(zhuǎn)變時(shí)只有晶格的改組,鐵原子與碳原子均不能擴(kuò)散,碳原子全部被迫過(guò)量地固溶在α-Fe的晶格中形成馬氏體。但馬氏體是一種不穩(wěn)定組織,只要原子恢復(fù)了擴(kuò)散能力,就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。
在對(duì)淬火鋼加熱的過(guò)程中,隨溫度的升高,碳原子的活動(dòng)能力逐漸增強(qiáng),首先是馬氏體中的碳原子開(kāi)始從過(guò)飽和鐵素體中以極細(xì)的碳化物形式析出,形成回火馬氏體,這時(shí)由于溫度不高,碳原子的擴(kuò)散能力尚不足以形成滲碳體。
隨著溫度的繼續(xù)升高,殘余奧氏體中的碳也以同樣的形式析出。當(dāng)溫度上升到250~400 ℃時(shí),鐵原子的活動(dòng)能力增強(qiáng),極細(xì)碳化物開(kāi)始形成穩(wěn)定的顆粒狀的滲碳體,馬氏體本身也變?yōu)殍F素體,得到的組織為細(xì)顆粒狀的滲碳體和鐵素體的混合物,即回火托氏體。
當(dāng)回火溫度再升高時(shí),原子的活動(dòng)能力進(jìn)一步增強(qiáng),滲碳體開(kāi)始通過(guò)原子的擴(kuò)散聚集長(zhǎng)大,形成粗顆粒狀的滲碳體和鐵素體的混合物,即回火索氏體。當(dāng)溫度升高到650 ℃~A1溫度時(shí),滲碳體的顆粒更大,形成硬度更低的粒狀珠光體。
當(dāng)金屬的晶格發(fā)生畸變時(shí)改變了晶粒內(nèi)部的滑移面和滑移方向,使金屬塑性變形時(shí)位錯(cuò)的滑移阻力增大,塑性變形抗力增大,從而提高了金屬的強(qiáng)度。在固溶體中,由于溶質(zhì)原子的存在,使溶劑原子的晶格發(fā)生畸變。引起晶格畸變?cè)絿?yán)重的原子,對(duì)位錯(cuò)的阻礙就越大,金屬的強(qiáng)度就越高,強(qiáng)化的效果就越明顯,這就是固溶強(qiáng)化的本質(zhì)。
實(shí)際金屬中總是含有大量的位錯(cuò),這些位錯(cuò)使周圍晶格發(fā)生晶格畸變,從而對(duì)位錯(cuò)的滑移產(chǎn)生阻礙。隨著位錯(cuò)密度的增加,位錯(cuò)相互作用與交纏的幾率增多,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加,從而超過(guò)位錯(cuò)易動(dòng)性對(duì)強(qiáng)度的影響,使金屬的強(qiáng)度顯著提高。對(duì)金屬進(jìn)行塑性變形時(shí)金屬中的位錯(cuò)密度顯著增加,從而使金屬的強(qiáng)度、硬度大幅提高。但由于位錯(cuò)應(yīng)力的相互疊加,引起的應(yīng)力也越大,甚至造成局部裂紋,降低了金屬的塑性,這就是形變強(qiáng)化的原理。
在多晶體中晶粒越細(xì)小,處于有利位向的晶粒就越多,變形量可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行,使各晶粒的變形比較均勻而不致集中在個(gè)別晶粒上使其變形嚴(yán)重。同時(shí)晶粒越細(xì)小則晶界的數(shù)量就越多,晶界處的原子排列越紊亂,晶格畸變嚴(yán)重,能阻礙裂紋的擴(kuò)展,從而在其斷裂前能產(chǎn)生更大的塑性變形。晶粒越細(xì)小,處于不利位向的晶粒和晶界也越多,而處于不利位向的晶粒和晶界都將對(duì)位錯(cuò)的滑移產(chǎn)生阻礙作用,從而增大塑性變形的抗力,提高金屬的強(qiáng)度,這就是細(xì)晶強(qiáng)化。
第二相的結(jié)構(gòu)、成分與基體金屬有很大的差別,所以形成了晶格畸變較大的相界面,而且第二相本身的強(qiáng)度、硬度一般都較高,這些都阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。另外,第二相的形狀和分布不同,對(duì)金屬的強(qiáng)化作用差別也很大,顆粒細(xì)比顆粒粗的強(qiáng)化效果好,球狀比片層狀的好,分散程度越高,強(qiáng)化效果越好,這就是第二相的彌散強(qiáng)化作用。用第二相強(qiáng)化的原理,很容易解釋一些問(wèn)題。
[1]陳志毅.金屬材料與熱處理[M].5版.北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2007.