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帶你系統(tǒng)了解含鉬合金鋼與鑄鐵--鉬的冶金學(xué)作用

2018-11-09 11:31:42 作者：本網(wǎng)整理來源：鉬和含鉬材料的世界分享至：

a 碳鋼中添加合金元素如鉻、鉬、鎢等可改善硬度、強(qiáng)度和韌性等性能。提高低合金鋼強(qiáng)度的經(jīng)典方法包括：固溶強(qiáng)化、調(diào)質(zhì)處理、析出強(qiáng)化和控制軋制。

在所有這些方法中，鉬都是有效的強(qiáng)化元素。

大多數(shù)低合金鋼都經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理即淬火+回火（Q+T）

硬化

鋼在加熱之后淬火的目的是硬化，即在工件的全部橫截面產(chǎn)生硬化的顯微組織。

當(dāng)一個圓鋼棒從高達(dá)900°C的溫度淬火時，其表面部位將比中心部位冷卻更快。

圖1 圓棒淬火

在實驗室采用末端淬火試驗進(jìn)行模擬（Jominy 試驗）。將標(biāo)準(zhǔn)試樣加熱，然后一端進(jìn)行水淬。樣品的冷卻速率在噴水冷卻的一端最高，相對的另一端最低。樣品冷卻后，打磨表面，獲得硬度分布數(shù)據(jù)。沿試樣方向硬度的變化反映了不同冷卻速率帶來的金相組織的變化。

圖2 鋼斷面的模擬冷卻

圖3的曲線比較了不同合金含量的鋼的硬度分布。不含鉬的碳錳鋼僅在靠近樣品淬火端的部位硬化，遠(yuǎn)離淬火端的部位硬度下降很快。增加鉬含量，則遠(yuǎn)離淬火端的部位也可保持較硬的金相組織，這意味著對于較高鉬含量的鋼，可采用較慢的冷卻速率來硬化，淬透性得到改善。淬透性表示鋼材淬硬層的深度。

圖3 喬米尼淬透性曲線：淬透性隨Mo含量增加而提高

標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)質(zhì)鋼常常采用一系列合金元素包括錳、鉻、鉬、鎳和硅的組合。

鋼硬化是基于鐵存在兩種晶體結(jié)構(gòu)這一事實：

溫度在912°C以下及1394°C至熔點時，鐵為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，叫做鐵素體。較低溫度范圍的鐵素體也被稱為 α 鐵，在較高溫度范圍為 δ鐵。

溫度為912°C至 1394°C時，鐵為面心立方結(jié)構(gòu)，叫做 γ 鐵或奧氏體。將純鐵加熱到 912°C 以上，其結(jié)構(gòu)從鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。當(dāng)鐵從奧氏體化區(qū)域冷卻到912°C以下，不管冷卻速度如何，會形成體心立方結(jié)構(gòu)。

純鐵不能被硬化處理。

添加碳使鐵轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎不匿?（合金元素如錳、鉬和鉻提高了鋼的淬透性）。

碳在鐵中以固溶體和碳化物形式存在。值得注意的是，面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體的各個面比體心立方結(jié)構(gòu)鐵素體的各個面大約25%，因此碳在奧氏體中的溶解度明顯大于其在鐵素體中的溶解度。

當(dāng)碳含量為0.4%的鋼加熱到鐵素體-奧氏體（α -γ 鐵）轉(zhuǎn)變溫度之上時，碳和其它合金元素進(jìn)入寬敞的奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)的固溶體中。隨后的冷卻經(jīng)過γ-α 轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)入狹窄的鐵素體結(jié)構(gòu)，它沒有足夠的空間使碳留在固溶體中。

所以，如果冷卻速率低，則在與轉(zhuǎn)變相關(guān)的過程中形成碳化物。因此，室溫下的金相組織由鐵素體和滲碳體組成，鐵素體和滲碳體的片層狀結(jié)構(gòu)叫做珠光體，見圖4。關(guān)鍵因素是，有足夠的時間使碳原子移動穿過晶格形成滲碳體，結(jié)果形成了較軟的鐵素體和珠光體組織。

圖4 鐵素體-珠光體金相組織 -- 較軟有韌性metallograph.de提供照片

逐步加快冷卻速率減少了滲碳體的形成。水淬的冷卻速率很快，它完全壓制了滲碳體的形成。在這種情形下，碳被迫進(jìn)入鐵素體結(jié)構(gòu)的狹窄空間，由此形成的金相組織叫做馬氏體。這是最硬和最脆的鋼，見圖5。

圖5 馬氏體金相組織--硬且脆metallograph.de提供照片

在普通碳鋼中，僅在靠近淬火表面的區(qū)域可達(dá)到形成馬氏體所需要的高冷卻速率，而工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然較軟。較大的斷面進(jìn)行水淬也會有淬火開裂的危險。

這就是鉬和其它合金元素發(fā)揮作用的地方。合金元素減慢了碳原子擴(kuò)散進(jìn)入鐵晶格的速度，延遲了奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變。因為馬氏體可在較慢的冷卻速度下形成，因此提高了鋼的淬透性。如圖6所示，鉬在這方面的作用非常有效。

圖6 淬透性放大系數(shù)表示淬硬深度隨合金元素百分比增加的速度

而且，在中等冷卻速率下，較大橫斷面的鋼尤其是含鉬合金鋼中會形成貝氏體結(jié)構(gòu)。此時，在冷卻過程中發(fā)生奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變之前，已出現(xiàn)一些碳化物的形核。

在實踐中，調(diào)質(zhì)鋼部件金相組織的成分兼有馬氏體和貝氏體。

回火

淬硬鋼必須進(jìn)行回火處理即再次加熱，原因有兩個：首先，部件邊部和核心冷卻速率不同造成的內(nèi)應(yīng)力必須消除；其次，為避免脆裂，高硬度的馬氏體和貝氏體必須進(jìn)行軟化處理。

軟化處理必然帶來延展性的改善，強(qiáng)度的損失，碳鋼尤為明顯。而合金元素的重要功能則是延遲回火軟化。

借助鉬形成碳化物的能力，鉬與鉻、釩的精心組合可十分有效地延遲回火過程中強(qiáng)度的喪失并改善斷裂韌性，所產(chǎn)生的回火馬氏體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度非常高且韌性尚可。

圖7顯示了鉬含量對碳含量為0.35%的碳鋼回火處理后硬度的影響。鉬大大延遲了鋼的軟化，當(dāng)鉬含量足夠高時，硬度曲線甚至?xí)S著回火溫度的升高而上升，這叫做二次硬化。

圖7 鉬含量對回火軟化的影響

回火二次硬化效應(yīng)是鉬在高速鋼和某些工具鋼及模具鋼中發(fā)揮的重要作用。

回火脆性

當(dāng)鋼回火后慢速通過450 - 550°C溫度區(qū)間時，可能出現(xiàn)回火脆性。這是因為雜質(zhì)如磷、砷、銻和錫等在晶界的偏析。與其它合金元素和雜質(zhì)相比，鉬原子非常大，它有效地阻礙了這些元素的遷移，因此可抗回火脆性。

圖8顯示了兩個鋼的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，表示鋼使用溫度的低限而不發(fā)生脆性失效。

圖8 兩個回火鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與回火后冷卻速率的關(guān)系

兩個鋼，一個不含鉬，一個含0.15%鉬，如果回火后水淬，則具有基本相同的韌性-脆性轉(zhuǎn)變行為（轉(zhuǎn)變溫度-50°C），但是，如果鋼回火后在爐子里慢慢冷卻，情況就不一樣了。鉻鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度變成+25°C，而鉻-鉬鋼仍然保持在 -50°C。緩慢的冷卻速率沒有使含鉬鋼脆化，因此，含鉬鋼不太容易發(fā)生回火脆性。

氫脆

氫脆和硫化物應(yīng)力開裂

正如前面所描述的，調(diào)質(zhì)鋼所獲得的強(qiáng)度水平主要是基于馬氏體的高強(qiáng)度，馬氏體金相組織的特征是高密度位錯和高內(nèi)應(yīng)力。

遺憾的是，正是這些條件增強(qiáng)了氫在鋼中的擴(kuò)散，造成氫脆。回火雖然降低了內(nèi)應(yīng)力和馬氏體的位錯密度，因而減少了氫的擴(kuò)散，但是強(qiáng)度也下降到不足的水平。而鉬通過固溶強(qiáng)化作用和與其它合金元素如鉻和鈮共同形成復(fù)合碳化物兩種方式有效地減輕了這種影響。

在以硫化氫為氫的主要來源的情況下，氫脆現(xiàn)象被稱為硫化物應(yīng)力開裂。鉬所具有的抗硫化物應(yīng)力開裂能力對于開發(fā)石油專用管材（OCTG）所需的各類鋼種起了關(guān)鍵作用，它們廣泛用于化工、石化和油氣工業(yè)。

高溫氫腐蝕

在溫度大約200°C 以上的氫腐蝕環(huán)境（對于石油蒸餾和催化重整等工藝是常見的工況條件），碳鋼的使用受到嚴(yán)重限制。擴(kuò)散進(jìn)鋼中的氫與鋼中的碳結(jié)合形成甲烷和其它物質(zhì)，其結(jié)果首先是脫碳，隨后是由于局部氣體壓力大導(dǎo)致的裂紋。

圖9 比較了暴露在540°C的加壓氫氣環(huán)境中，各類鋼斷裂強(qiáng)度的損失。未添加合金元素的碳鋼，強(qiáng)度損失明顯，暴露不到50小時，損失原來強(qiáng)度的50%以上；添加0.5%Mo或1%Cr-0.5%Mo之后略有改善，但對于此工況條件還是不夠的。而2.25%Cr + 1% Mo 的合金含量可提供如下程度的保護(hù)：經(jīng)過500小時的暴露之后，原先的斷裂強(qiáng)度絲毫沒有降低。