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基本信息
| 中文名 | 亞共析鋼 |
| 外文名 | Hypo eutectoid steel |
| 優(yōu)點 | 強度低、塑性好 |
| 含碳量 | 0.0218—0.77% |
簡介
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)
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。
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。
從微觀機理上來說，魏氏組織形成于鋼的二次結(jié)晶過程中，當冷速較慢或其晶粒足夠細小時，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。當淬火加熱溫度達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)變為回火索氏體，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，則考慮增強冷卻速率?？傊?，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，進一步弱化了晶界強變，所以上貝氏體不僅降低材料的強度、沖擊韌度等靜態(tài)性能指標，還會對疲勞強度、持久強度等動態(tài)性能指標造成一定影響，從而降低材料的使用壽命。
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30～80nm，只有在放大10000倍下才能辨別其層片結(jié)構(gòu)，所以又稱為極細片狀珠光體。
從形成機理上來說，托氏體可形成于正火或淬火的欠溫加熱過程。當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)生托氏體轉(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)便會有部分托氏體組織形成。
亞溫淬火強韌
機理
1、細化晶粒：
亞溫淬火可使鋼的晶粒度得到顯著細化。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小；同時，鋼中存在的未溶鐵素體以細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，從而有效細化了鋼的奧氏體晶粒。
2、鋼中的未溶鐵素體阻礙裂紋擴展：
亞溫淬火溫度較完全淬火的低，因此，鋼中保留一部分細小的未溶鐵素體。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)擴展的，在雙相合金中當塑性區(qū)半徑大于晶粒半徑時，裂紋沿較軟相擴展；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，裂紋擴展到韌性相未溶鐵素體時，由于擴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度、塑性和韌性均有貢獻；另一方面，這種組織類似于“纖維增強復(fù)合材料”，即韌性相鐵素體間隔包圍了強化相纖維狀馬氏體，對提高鋼的強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，溫淬火后的強度不僅取決于強化相馬氏體的含量，而且取決于韌性相鐵素體的形態(tài)和分布。
2、進入臨界區(qū)的方式：
鋼以何種方式進入臨界區(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韌化效果。進入臨界區(qū)的方式有兩種：一種是將鋼先加熱至一定溫度以上進行奧氏體化，然后冷至臨界區(qū)，即所謂“從上進入”；另一種是將鋼由室溫直接加熱至臨界區(qū)，即所謂“從下進入”。從上進入臨界區(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“從下進入”臨界區(qū)時，鐵素體是未溶解完全而殘留的相，呈細小的針狀或顆粒狀。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，起沉淀強化作用，因而對鋼的強韌性有較大的提高。
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，當溫度接近Ac1時，不僅不會起到強韌化效果，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，亞溫淬火的強韌化效果亦不同。因此，簡單地以某一回火溫度下的強韌化效果來評定其在不同鋼中亞溫淬火的強韌化作用是不恰當?shù)摹?/span>
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