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不锈钢中的沉淀硬化相 东北特钢集团大连特殊钢丝有限公司 徐效谦 摘要：钢的种类繁多、性能迥异，但有一个共同点：都是在Fe中加入各种合金元素形成的固溶体。不同合金元素加入钢中会形不同的沉淀硬化相，使钢具备了各种特定性能。研究沉淀硬化相的类型、结构、形态、尺寸、分布、交互作用和演变规律，可为金属材材料工作者改进生产工艺，优化钢的性能，研发更理想的钢种提供有力的技术支撑。因为不锈钢中所用的合金元素种类最多，含量较高，本文从分析不锈钢中的沉淀硬化相着手，研究沉淀硬化相的基本特性、析出过程和形态演变规律。 关锈词： 碳化物、氮化物、硼化物、金属间化合物、沉淀硬化相。 沉淀硬化的机理是共格理论：在特定条件下，溶质原子在特定晶面上偏聚，形成薄层并与基体点阵共格，两种晶格相互协调，点阵间距差引发基体应变，产生硬化效果。沉淀硬化在有些合金钢中又称为时效硬化或时效强化。在特定温度区间进行沉淀硬化处理，析出沉淀硬化质点；温度继续升高，质点长大，共格应变随之增大，达到临界值时导致滑移和剪切应变，共格应力得到释放，硬化效果减小，称为过时效。 获得沉淀硬化相的基本条件是：钢中至少应含有一种在基体中溶解度可变，或可引发显微组织结构变化的合金元素，通过适当的热处理，使该元素以碳化物、氮化物或金属间化合物的形式析出，这些合金元素称为沉淀强化元素。目前广泛应用的沉淀强化元素有：Al、Ti、Nb、V、Zr、Cu、W、Mo、Si、N、B等。可能形成的沉淀硬化相分为两类：一类是Al、Ti、V、Nb、Zr、Cr、Mo、W的碳、氮、硼化合物；另一类是金属间化合物。沉淀硬化不锈钢和超马氏体不锈钢的碳含量一般比较低，主要依靠析出金属间化合物来强化。 不锈钢全部为铁基合金，铁在加热和冷却过程会产生如下同素异型转变： A3=910℃ A4=1390℃ α-Fe γ-Fe δ-Fe 钢中合金元素对α-Fe、γ-Fe和δ-Fe及多型转变温度A3、和A4均有重大影响，对于那些在γ-Fe中有较大溶解度，并稳定γ-Fe的合金元素，称之为奥氏体形成元素；对于那些在α-Fe中有较大溶解度，并稳定α-Fe的合金元素，称之为铁素体形成元素。在形成铁的固溶体时，d层电子是主要参与金属键结合的电子，由钛到铜，3d层电子由2个增加到10个：Ti为2个、V为2个、Cr为5个、Mn为5个、Fe为6个、Co为7个、Ni为8个、Cu为10个；4d层电子Zr为2个、Nb为4个、Mo为5个；5d层电子Ta为3个、W为4个。看来d层电子≤5个的元素使A3点上升、A4点下降，是缩小奥氏区的铁素体形成元素，而5d层电子≥5个的元素A3点下降、A4点上升，是扩大奥氏区的奥氏体形成元素。介于V和Mn之间的Cr和Mo具有过渡性，钢中Cr＜7.5%时使A3点下降，Cr≥7.5%时使A3点上升，但由Cr使A4点强烈下降，和Mo一起属于铁素体形成元素。总之，在不锈钢中属于奥氏体形成元素有：C、N、Mn、Ni、Cu、Co；属于铁素体形成元素有：Cr、Mo、V、W、Al、Ti、Zr、Nb、Ta、Ce、B、Si、P、S、As、Sn、Sb。 合金元素除C、N、B以外，都与铁形成置换固溶体，不同元素在铁中的溶解度与其在周期表中位置、晶体点阵类型、原子直径、以及相对于铁的电负性有关。Ni、Mn、Co在γ-Fe中无限固溶，Cr、V在α-Fe中无限固溶；电负性与铁差别大的元素，如Ti、Al、Nb、Si、P在钢中溶解度有限，倾向与铁形成金属化合物。尺寸因素对溶解度起重要影响，在C和N与铁形成的间隙固溶体中，面心立方体的间隙比体心立方体大得多，所以C和N在γ-Fe中溶解度也比α-Fe中溶解度大得多。B的原子半径(0.88)比C(0.77)和N(0.71)大，无论与铁形成间隙固溶体，还是置换固溶体，都会引起较大的畸变能，所以B在γ-Fe和α-Fe中的溶解度都很小。合金元素在铁中的溶解度如表1-1。 表1-1 合金元素在铁中的溶解度1 合金元素 溶解度，% 合金元素 溶解度，% α-Fe γ-Fe α-Fe γ-Fe Cr Ni Mn Mo Co C N Si P B 无限 10 ～3 37.5(1450℃) ～4.0(室温) 76 0.02 0.095 18.5 2.8 ～0.008 12.8 无限 无限 ～3 无限 2.06 2.80 ～2 ～0.2 0.018～0.026 Al Ti V Zr Nb W Cu 36 ～7(1340℃) ～2.5(600℃) 无限 ～0.3 1.8 ～33(1540℃) ～4.5(700℃) ～1.0(700℃) ～0.2(室温) 1.1 0.68 ～1.4 0.7 2.0 3.2 8.5 沉淀硬化钢1. 碳化物 1.1 碳