亞共析鋼

　　亞共析鋼，是鋼材按金相組織的分類之一。含碳量在0.0218—0.77%之間的結(jié)構(gòu)鋼稱為亞共析鋼。

　　簡介

　　鋼按金相組織分類。在退火狀態(tài)下，可將鋼分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼;在正火狀態(tài)下，可將鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、奧氏體鋼。

　　含碳量在0.0218—0.77%之間的結(jié)構(gòu)鋼稱為亞共析鋼。

　　奧氏體冷卻至A3線溫度時，開始析出鐵素體，稱先共析鐵素體。隨著溫度的降低，析出過程持續(xù)進(jìn)行，但溫度降到Ar1溫度時，具有共析成分的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，最終得到由鐵素體和珠光體構(gòu)相組成的兩相組織。

　　碳含量越少，鋼組織中珠光體比例也越小，鋼的強(qiáng)度也越低，但塑性越好亞共析鋼常用的結(jié)構(gòu)鋼含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，所以組織中的滲碳體量也少于12%，于是鐵素體除去一部分要與滲碳體形成珠光體外，還會有多余的出現(xiàn)，所以這種鋼的組織是鐵素體+珠光體。碳含量越少，鋼組織中珠光體比例也越小，鋼的強(qiáng)度也越低，但塑性越好，這類鋼統(tǒng)稱為亞共析鋼。

　　組織缺陷類型

　　正火或供貨狀態(tài)

　　亞共析鋼

　　1、帶狀組織：

　　帶狀組織是一種常見的缺陷組織，是金屬及合 金凝固時選分結(jié)晶，造成枝晶組織的不均勻分布，在 隨后的變形過程中形成沿變形方向的層狀結(jié)構(gòu)，稱 帶狀組織形態(tài)舊J，也叫纖維組織。相對于過共析鋼 的碳化物帶狀而言，它是一種鐵素體帶狀。由于 帶狀組織與相鄰顯微組織不同，性能也存在差異， 強(qiáng)弱帶之間的應(yīng)力分布不均，會造成力學(xué)性能的 整體降低，尤其是強(qiáng)烈降低鋼的塑性和沖擊韌度。 組織和性能的各向異性，在外力作用下易沿帶狀偏析。

　　2、魏氏組織：

　　亞共析鋼魏氏組織是指先共析鐵素體沿奧氏體晶界向品內(nèi)生長，構(gòu)成晶內(nèi)針狀或片狀鐵素體和珠光體的一種復(fù)相組織。相對于過共析鋼的滲碳體魏氏組織而言，它的先共析相是鐵素體，所以稱為鐵家體魏氏組織。

　　從微觀機(jī)理上來說，魏氏組織形成于鋼的二次結(jié)晶過程中，當(dāng)冷速較慢或其晶粒足夠細(xì)小時，鐵素體核心就以接近平衡狀態(tài)的方式結(jié)晶，就會在奧氏體晶界上形成網(wǎng)狀鐵素體。若以快冷方式或晶粒粗大時，鐵素體就會以捕人奧氏體內(nèi)部的方式出現(xiàn)，形成方向性排列的針狀或片狀鐵素體。究其原因在于奧氏體晶粒粗大時，可供鐵素體析出的晶界減少，鐵索體除了在晶界上呈塊狀析出外，只能向晶內(nèi)生長，為了減少彈性，先析出相就會呈針狀沿奧氏體某一晶面析出，從而不可避免地形成魏氏組織。所以魏氏組織往往是高溫快冷的產(chǎn)物，因此可作為判定材料過熱的一個重要依據(jù)。

　　調(diào)質(zhì)狀態(tài)

　　1、游離鐵素體：

　　亞共析鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，正常情況下可得到以鐵素體為基體，其上均勻分布著碳化物顆粒的回火索氏體組織。但實際生產(chǎn)中常會因熱加工工藝不當(dāng)而形成各種不良甚至是缺陷組織。其中以各種形態(tài)的游離鐵素體含量超標(biāo)最為常見。

　　針對游離鐵素體的不利影響，結(jié)合其形態(tài)分布與產(chǎn)生機(jī)理，探討有效途徑來加以控制。任何一個合格的熱處理過程都是加熱溫度與冷卻速度的完美結(jié)合，調(diào)質(zhì)過程也不例外。當(dāng)淬火加熱溫度達(dá)不到材料所需的奧氏體化溫度，或保溫時間不足以使其完全奧氏體化時，都屬于欠熱淬火，由此造成部分鐵素體未能參與到隨后冷卻時奧氏體的轉(zhuǎn)化過程而被保留下來，從而形成淬火馬氏體和未溶鐵素體混合組織。在隨后的高溫回火過程中，淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，而游離鐵素體繼續(xù)保留到室溫，成為未溶鐵素體。

　　對于游離鐵素體的消除，首先要根據(jù)鐵素體的形態(tài)、分布、熱處理工藝，并結(jié)合前道工序的情況具體分析其產(chǎn)生機(jī)理，確定屬未溶鐵素體還是析出鐵素體。對于未溶鐵素體，則從提高淬火加熱溫度或延長保溫時間人手;若是析出鐵素體，則考慮增強(qiáng)冷卻速率。總之，從金相分析的角度做出正確判斷，為調(diào)整熱處理工藝提供參考。

　　2、上貝氏體：

　　在貝氏體家族中，按照其形成溫度及組織形態(tài)，有上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體和無碳化物貝氏體之分，唯上貝氏體因力學(xué)性能較差而被列為不希望出現(xiàn)的組織，尤其是在調(diào)質(zhì)組織中，一定數(shù)量上貝氏體的存在會嚴(yán)重影響調(diào)質(zhì)組織的綜合力學(xué)性能。上貝氏體是過飽和針狀鐵素體與夾于其間的斷續(xù)條狀滲碳體組成的混合物。在光學(xué)顯微鏡下的典型特征為羽毛狀。

　　從微觀機(jī)理角度來說，由于上貝氏體形成于貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的高溫范圍，溫度較高，鐵素體條粗大，碳化物顆粒也粗大，碳的過飽和度低，所以其強(qiáng)度和硬度較低;并且粗大、脆性的碳化物顆粒呈斷續(xù)條狀分布于鐵素體條之間，構(gòu)成脆性通道，降低上貝氏體的韌性。結(jié)合上貝氏體的分布情況，脆性的上貝氏體分布在奧氏體晶界上，進(jìn)一步弱化了晶界強(qiáng)變，所以上貝氏體不僅降低材料的強(qiáng)度、沖擊韌度等靜態(tài)性能指標(biāo)，還會對疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度等動態(tài)性能指標(biāo)造成一定影響，從而降低材料的使用壽命。

　　3、索氏體：

　　托氏體與索氏體、珠光體都稱為珠光體型組織， 三者都是鐵素體與滲碳體的層片狀機(jī)械混合物，差別只是片層間距的不同。因托氏體形成于珠光體區(qū)的低溫范圍600～550℃，過冷度大，片間距僅30～80 nm，只有在放大10000倍下才能辨別其層片結(jié)構(gòu)，所以又稱為極細(xì)片狀珠光體。

　　索氏體與屈氏體、珠光體都稱為珠光體型組織， 三者都是鐵素體與滲碳體的層片狀機(jī)械混合物，差別只是片層間距的不同。因索氏體形成于珠光體區(qū)的低溫范圍600～550℃，過冷度大，片間距僅30～80 nm，只有在放大10000倍下才能辨別其層片結(jié)構(gòu)，所以又稱為極細(xì)片狀珠光體。

　　從形成機(jī)理上來說，索氏體可形成于正火或淬火的欠溫加熱過程。當(dāng)加熱溫度偏低或保溫時間偏短時，奧氏體均勻化程度相對較低，不穩(wěn)定性增大， 組織轉(zhuǎn)變時的不同時性加劇，局部區(qū)域在冷卻時就會發(fā)生索氏體轉(zhuǎn)變。如感應(yīng)淬火或激光淬火過程中，由于表面向內(nèi)部熱傳導(dǎo)時，熱量逐步減少，不足以使其完全奧氏體化，過渡區(qū)便會有部分索氏體組織形成。

　　亞溫淬火強(qiáng)韌

　　定義

　　亞共析鋼

　　按照傳統(tǒng)熱處理觀念，亞共析鋼淬火必須進(jìn)行完全奧氏體化。即完全淬火，其目的是避免鋼中出現(xiàn)未溶鐵素體，使鋼獲得馬氏體組織。以保證其具有較高的強(qiáng)度。但由于鋼淬火時加熱溫度較高，易使鋼中出現(xiàn)裂紋和產(chǎn)生較大的變形。從而影響鋼的韌性。 尤其對形狀復(fù)雜的零件更為嚴(yán)重。然而。近些年來國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，對亞共析鋼采用亞溫淬火，則可在不降低鋼強(qiáng)度的同時提高其韌性。

　　所謂亞溫淬火即亞共析鋼的不完全淬火。或稱臨界區(qū)淬火、兩相區(qū)加熱淬火，是指將具有平衡態(tài)或非平衡態(tài)原始組織的亞共析鋼。加熱至鐵素體+奧氏體雙相區(qū)的一定溫度區(qū)間。保溫一定時間后進(jìn)行淬火的熱處理工藝。亞溫淬火是一種新型的、利用超細(xì)化復(fù)合組織強(qiáng)韌化的熱處理工藝。 [2]

　　機(jī)理

　　1、細(xì)化晶粒：

　　亞溫淬火可使鋼的晶粒度得到顯著細(xì)化。亞溫淬火分為高溫啞溫淬火和低溫亞溫淬火，其加熱溫度均處于奧氏體和鐵素體兩相區(qū)。由于較完全淬火加熱溫度低.因此形成的初始奧氏體晶粒相對比較細(xì)小;同時，鋼中存在的未溶鐵素體以細(xì)小的針狀或顆粒狀彌散分布，對生成的奧氏體晶粒也起到了切割作用。阻礙奧氏體晶粒長大，從而有效細(xì)化了鋼的奧氏體晶粒。

　　2、鋼中的未溶鐵素體阻礙裂紋擴(kuò)展：

　　亞溫淬火溫度較完全淬火的低，因此，鋼中保留 一部分細(xì)小的未溶鐵素體。硬度低、塑性好的鐵素體的存在能防止應(yīng)力集中和阻礙裂紋擴(kuò)展，故能提高鋼的低溫韌性。材料在斷裂前，裂紋是在其尖端塑性區(qū)擴(kuò)展的，在雙相合金中當(dāng)塑性區(qū)半徑大于晶粒半徑時，裂紋沿較軟相擴(kuò)展;鐵素體與馬氏體呈針狀時，脆性相馬氏體被塑性相鐵素體最大限度地分割開，故斷裂時裂紋不僅通過馬氏體，還必然通過鐵素體而擴(kuò)展，由于鐵素體在斷裂前發(fā)生大量塑性變形而消耗較多能量，從而使韌性升高;另外，裂紋擴(kuò)展到韌性相未溶鐵素體時，由于擴(kuò)展受阻或被迫改向阻力較小及危害性較小的方向，例如分層，從而松弛能量，提高韌性。

　　3、改善有害雜質(zhì)元素的分布：

　　亞溫淬火能改善有害雜質(zhì)元素在鋼中的分布，主要從以下兩方面進(jìn)行解釋：一方面，在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)加熱時，鋼中的晶粒得到細(xì)化，晶粒體積減小，表面積與體積的比上升，總晶界面積明顯增多，鐵素體與奧氏體晶界的面積較常規(guī)淬火組織里的奧氏體晶界面積大10～50倍，由于總晶界面積增大，晶界增多，故單位面積上的有害雜質(zhì)元素(P、Sn、Sb、S等)含量減少，有效地減少了有害雜質(zhì)元素的偏聚;另一方面，亞溫淬火后組織為奧氏體與鐵素體，其中生成的鐵素體主要起凈化作用， 由于雜質(zhì)元素在鐵素體中的溶解度遠(yuǎn)大于在奧氏體中的溶解度，對雜質(zhì)元素起富集作用，有效地抑制了有害雜質(zhì)元素在奧氏體晶界上的偏聚。

　　影響因素

　　1、原始組織：

　　平衡態(tài)或非平衡態(tài)亞共析鋼的原始組織對亞溫淬火強(qiáng)韌化效果有顯著影響。原始組織為馬氏體和貝氏體的鋼加熱到兩相區(qū)后所形成的奧氏體與鐵素體呈相互間隔的平行條狀組織，淬火后即為馬氏體和鐵素體條狀組織。一方面，針狀鐵素體及其分布對提高鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性均有貢獻(xiàn);另一方面，這種組織類似于“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料”，即韌性相鐵素體間隔包圍了強(qiáng)化相纖維狀馬氏體，對提高鋼的強(qiáng)韌性起了有益的作用。

　　至于具有正火態(tài)原始組織的鋼，經(jīng)亞溫淬火后則形成塊狀鐵素體。對鋼的性能特別是低溫韌性具有一定程度的惡化作用。所以，經(jīng)亞溫淬火后它的強(qiáng)度明顯低于同一溫度下淬火的非平衡組織鋼。因此，溫淬火后的強(qiáng)度不僅取決于強(qiáng)化相馬氏體的含量，而且取決于韌性相鐵素體的形態(tài)和分布。

　　2、進(jìn)入臨界區(qū)的方式：

　　鋼以何種方式進(jìn)入臨界區(qū)，又稱雙相區(qū)或兩相 區(qū)，會影響鐵素體的形態(tài)和分布，從而影響亞溫淬火的強(qiáng)韌化效果。進(jìn)入臨界區(qū)的方式有兩種：一種是將鋼先加熱至一定溫度以上進(jìn)行奧氏體化，然后冷至臨界區(qū)，即所謂“從上進(jìn)入”;另一種是將鋼由室溫直接加熱至臨界區(qū)，即所謂“從下進(jìn)入”。從上進(jìn)入臨界區(qū)時，鐵素體沿奧氏體晶界析出或在奧氏體晶內(nèi)成對析出，一般較粗大，且分布不均勻，對鋼的低溫韌性產(chǎn)生較大的損害;而“從下進(jìn)入”臨界區(qū)時，鐵素體是未溶解完全而殘留的相，呈細(xì)小的針狀或顆粒狀。且均勻地彌散分布。對生成的奧氏體晶粒起切割作用，阻礙奧氏體晶粒長大，同時，彌散分布的未溶鐵素體作為第二相粒子，起沉淀強(qiáng)化作用，因而對鋼的強(qiáng)韌性有較大的提高。

　　3、亞溫淬火溫度：

　　亞溫淬火溫度是影響亞溫淬火強(qiáng)韌化效果的最顯著因素之一。亞溫淬火溫度以略低于Ac3為最佳， 降低加熱溫度將導(dǎo)致鋼的性能變壞，當(dāng)溫度接近 Ac1時，不僅不會起到強(qiáng)韌化效果，還會在鋼中生成大量塊狀鐵素體而使鋼的性能惡化。

　　4、亞溫淬火后回火溫度：

　　回火溫度是影響亞溫淬火強(qiáng)韌化效果的顯著因素之一，對此已有不少研究。在同一種鋼中，回火溫度不同亞 溫淬火強(qiáng)韌化效果不同，在含碳量不同的鋼之間，回火溫度相同，亞溫淬火的強(qiáng)韌化效果亦不同。因此，簡單地以某一回火溫度下的強(qiáng)韌化效果來評定其在不同鋼中亞溫淬火的強(qiáng)韌化作用是不恰當(dāng)?shù)摹?/span>