不锈钢中沉淀硬化相.doc

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不锈钢中沉淀硬化相

PAGE  PAGE 22 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,??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-Feγ-Feα-Feγ-FeCr 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 ~0.00812.8 无限 无限 ~3 无限 2.06 2.80 ~2 ~0.2 0.018~0.026Al 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

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