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合金元素對珠光體轉變的影響

2022-05-13 15:24:25 作者：曙光來源：每天學點熱處理分享至：

合金鋼中的珠光體轉變，與碳素鋼中的情況相似。因此，研究合金鋼中的珠光體轉變，實質上就是討論合金元素對Fe-C珠光體轉變的影響。本節主要討論對工程技術有實際價值的合金元素對珠光體形成溫度范圍、轉變速度、轉變產物的組織形態等的影響。

合金元素對奧氏體－珠光體平衡溫度（A1）和共析碳濃度的影響如圖1所示。

▲圖1 常見合金元素對共析溫度（A1）及共析點（S）碳含量的影響

可以看出，除Ni、Mn降低了A1點之外，其它常用合金元素都提高了A1溫度。幾乎所有合金元素皆使鋼的共析碳濃度降低。

合金元素的加入，改變了奧氏體－珠光體平衡溫度，如果轉變溫度相同，則過冷度就不相同。因此，不同的合金鋼，在相同溫度下形成未光體的層間距離是不同的。圖2 示出了不同鋼中的轉變溫度與珠光體層間距離的關系。

▲圖2 不同鋼種的相變溫度對珠光體層間距的影響

從圖中還可以看出，不同合金鋼的層間距離與轉變溫度之間的關系曲線的斜率是不盡相同的，這說明合金元素對層間距離的影響是復雜的。

鋼中加入合金元素，顯著地改變了珠光體的成核率和長大速度。以鋼中加Ni為例，當其它成分相同時，兩種不同Ni含量鋼的N和G,如圖3所示。可以看出在含Ni的鋼中，N和G與轉變溫度之間關系的曲線也具有極大值。但由于鋼中Ni含量的增加，珠光體的晶核形成率和長大速度都顯著減小。

▲圖3 鋼中Ni含量對珠光體成核率和長大速度的影響

幾種合金鋼的珠光體形成溫度對長大速度的影響，如圖4所示。即合金元素Mn、Ni和Mo降低了珠光體形成溫度，Si提高了珠光體形成溫度，但是這些合金元素都減慢了珠光體形成速度。

▲圖4 幾種合金鋼的珠光體形成溫度對長大速度的影響

各類鋼中合金元素對珠光體形成的影響，大致可以歸納如下：

Mo顯著地增大了過冷奧氏體在珠光體轉變區的穩定性，即增長了相變孕育期和減慢了轉變速度。Mo特別顯著地增大在580~600℃溫度范圍內的過冷奧氏體穩定性。在共析碳鋼中加入0.8%Mo,可以使過冷奧氏體分解完成時間增長28000倍。

在含Mo的共析鋼中，Mo含量小于0.5%時，形成的碳化物是滲碳體型的；而含量大于0.5%時，形成的碳化物是特殊碳化物M23C6。由于這種碳化物在共析鋼中加熱時很難完全溶解，在這種情況下，Mo對珠光體形成時減小長大速度的作用反而減小。為了提高過冷奧氏體的穩定性，鋼的Mo含量一般應低于0. 5%。

Mo對亞共析鋼先共析鐵素體析出速度的影響，顯著地低于對珠光體形成速度的影響。例如，含0.4%C的鋼在600℃時析出5%鐵素體所需要的時間，隨著含Mo量由0.14%增加到0.35%和0.6%，其析出同樣量的鐵素體所需時間相應的增加比例為1:2:4。而在同樣Mo含量情況下，對于珠光體開始形成的時間，增加的比例卻為1:3:36。

W的影響與Mo相似，含量按重量百分比計算，其影響程度約為Mo的一半。

Cr的影響表現在比較強烈地增大過冷奧氏體在600~650℃范圍內的穩定性。

Ni提高了過冷奧氏體在珠光體轉變區的穩定性。

Mn有比較明顯地提高過冷奧氏體在珠光體轉變區穩定性的作用。

Si對過冷奧氏體轉變為珠光體的速度影響較小，稍有增大過冷奧氏體穩定性的作用。

Al對珠光體轉變的影響很小。

Co增大過冷奧氏體的珠光體轉變速度，減小過冷奧氏體的穩定性。

V、Ti、Zr、Nb、Ta等在鋼中形成難溶的碳化物。如果，這些元素在加熱時能夠溶入奧氏體中，則增大過冷奧氏體的穩定性。但是，即使加熱到很高溫度，這類碳化物仍然幾乎不能完全溶入奧氏體中。因此，當鋼中加入強烈形成碳化物元素，奧氏體化溫度又不高時。不僅不能增大甚至會降低過冷奧氏體的穩定性。鋼中加入Mn,可以提高在相應溫度加熱后的奧氏體中V和Ti的含量，從而可以增大過冷奧氏體的穩定性。

鋼中加入微量的B（0.0010~0.0035%,實際上有效B含量比此量還低），可以顯著降低亞共析鋼中過冷奧氏體在珠光體轉變區析出鐵素體的速度，對珠光體的形成也有抑制作用。隨著鋼中C含量的增高，B增大過冷奧氏體穩定性的作用逐漸小。

一般認為，鋼中加入微量的B能夠降低先共析鐵素體和珠光體轉變速度的原因，主要是由于B吸附在奧氏體晶界上，降低了晶界的能量，從而降低了先共析鐵素體和珠光體的成核率。B對先共析鐵素體長大速度并不發生明顯影響，而且B還有增大珠光體長大速度的傾向。因此，B能延遲過冷奧氏體分解的開始時間，但對形成珠光體的完了時間則影響較小。

為了保持B對珠光體轉變的有益作用，必須使B富集在奧氏體晶界上，如果活潑的B元素與鋼中的Fe或殘留的N、O形成穩定的夾雜物，或者由于高溫奧氏體化，將使B向奧氏體晶粒內擴散，而使晶界的有效B減少，這樣都將使B的有益作用減弱，甚至消失。

綜合各種合金元素對珠光體轉變動力學的影響，如圖5 所示。可以看出，當合金元素充分溶入奧氏體中的情況下，除Co以外，所有常用合金元素皆使珠光體的鼻子右移，先共析鐵素體的鼻子右移。除Ni以外，所有的常用合金元素皆使這兩個鼻子移向高溫區域。

▲圖5 鋼中合金元素對珠光體轉變動力學的影響示意圖

合金元素加入鋼中，能夠延緩或加快過冷奧氏體在珠光體區轉變速度的原因，至今仍未徹底搞清楚。茲將文獻中有關這方面的論述簡要介紹于下。

早先，Mehl 認為，為了完成合金奧氏體的共析分解，除了C的擴散之外，合金元素也需要進行擴散再分配。擴散結果，在珠光體中形成碳化物的區域，形成碳化物元素的含量增加，而非形成碳化物元素含量則減少。鐵素體區域的情況則與此相反。由于合金元素具有較低的擴散速度（其擴散系數為C在奧氏體中擴散系數的萬分之一到千分之一），因而增長了過冷奧氏體轉變為珠光體的孕育期和降低了形成速度。

隨后，Austin補充指出，合金元素降低了γ→α的同素異型轉變速度。顯然，沒有γ→α的轉變，珠光體是不可能形成的。因此合金元素的加入，減慢了珠光體的形成。

Энтин指出，形成碳化物元素延遲珠光體轉變，是由于它們本身的擴散速度低的緣故；非形成碳化物元素Ni降低珠光體轉變速度，主要是由于降低了γ→α的同素異型轉變速度，特是增大了α-Fe的晶核形成功。而Co增大了過冷奧氏體分解速度，則是因其增大了γ→α的同素異型轉變速度。

БлaнTep從相變時結構、成分相適應的原理出發，認為奧氏體向珠光體轉變的初期所形成的碳化物是滲碳體型的，其中合金元素的含量相當于鋼中合金元素的平均含量。隨著轉變時間的延長，滲碳體被合金元素富化，甚至形成特殊的碳化物。因此珠光體形成時，過冷奧氏體中不需要合金元素預先再分配，珠光體中形成的特殊碳化物，是在珠光體形成之后轉變的。合金元素對珠光體轉變的影響，是由于合金元素改變了C在奧氏體中的擴散速度、ΔT（A1點與轉變溫度之差）值和奧氏體的再結晶性質引起的。常用合金元素（除Co、Ni之外）都減小C在奧氏體中的擴散速度，而且除Co之外都減小ΔT值，又都有延緩奧氏體再結晶的作用，所以除Co之外，都減慢了珠光體的形成速度。

張沛霖等綜合自己研究Cr鋼的結果和國外研究者的實驗數據，表示在圖6 700℃等溫截面的Fe-Cr-C三元相圖中（虛線所示）。他們發現，在Cr鋼中初期形成的碳化物，既不全是滲碳體型的，也不全是平衡圖中示出的碳化物類型，它們與Cr、C比的數值有一定關系。圖中Cr:C<2（重量比小于8.5，實線Ⅰ以下）時，開始轉變階段形成的是滲碳體型碳化物；Cr:C=2~3（重量比8.5~13，實線Ⅰ與Ⅱ之間）時，開始形成的碳化物是（CrFe）7C3；Cr:C>3（重量比大于13，實線Ⅱ以上），開始形成的碳化物是（CrFe） 23C6。

▲圖6 Fe-CrC合金珠光體形成初期碳化物的類型

圖中區域①是滲碳體形成后在保溫時不再發生變化的區域；

區域②表示開始形成的是滲碳體，保溫時轉變為（CrFe）7C3;

區域③和④表示開始形成的是（CrFe）7C3,保溫時轉變為（CrFe）23C6;

區域⑤則是開始形成的就是（CrFe）23C6。

試驗結果說明了從過冷奧氏體中形成的碳化物，既可能是滲碳體型的，也可能是特殊碳化物型的。碳化物中合金元素含量，既可能是在珠光體形成之后重新分配，也可能是與珠光體形成的同時，在奧氏體中進行預先再分配。

為了研究合金元素在珠光體中的分布，Razik等采用電子探針測定珠光體形成時毗鄰的滲碳體和鐵素體片中的合金元素濃度。電子探針測定的部分如圖7 所示。

▲圖7 片狀珠光體電子探針測定部位的照片

測得的Mn在珠光體中兩個相內的分布情況，如圖8 所示。

▲圖8 Mn在珠光體里的鐵素體和滲碳體中的分布

圖中的圖片為合金元素在鐵素體與滲碳體中的分配系數，以Mn為例：

式中 CMn和CFe--表示Mn在滲碳體（cem）和鐵素體（α）中Mn與Fe濃度的重量之比；ⅠMn和ⅠFe-表示Mn在滲碳體（cem）和鐵素體（α）中Mn與Fe的X射線強度之比。當圖片接近1時，表明合金元素沒有發生重新分配。

從圖8中可以看出，在較高的轉變溫度下，珠光體形成時，在奧氏體－珠光體界面上，合金元素要重新分配，而且隨著轉變溫度增高，重新分配的數量增多。在較低的轉變溫度下，合金元素不發生重新分配。在此，有一合金元素不發生重新分配的最高溫度（Tp），這個溫度受合金元素的性質和含量影響。譬如Mn含量分別為1.08%和1.8%的鋼，Mn的重新分配點，前者為683℃，后者為649℃，而1.29%Cr的鋼Tp為703℃。

此外，在珠光體轉變完成之后，合金元素還會再發生重新分配，這種情況既可以在Tp點以上發生，也可以在Tp點以下發生，直至達到平衡濃度。

可以看出，Блантер的觀點與上述實驗結果并非完全吻合一致。總之，關于合金元素對珠光體轉變機理的影響，特別是影響珠光體轉變動力學的原因，還有待繼續工作。但是，歸納各方面的因素，似乎可以從下面幾個方面來考慮其綜合影響。

（1）合金元素對C在奧氏體中擴散速度的影響；

（2）合金元素對由面心立方點陣轉變為體心立方點陣的點陣重構速度的影響

（3）在較高的轉變溫度下，合金元素本身在奧氏體中擴散速度的影響；

（4）合金元素對珠光體轉變熱力學和動力學參數的影響。