脆性轉(zhuǎn)變溫度和其影響因素

高益民

(一)第一類(lèi)回火脆性
1.第一類(lèi)回火脆性的主要特征及影響因素  
    在200～350℃之間回火時(shí)出現(xiàn)的第一類(lèi)回火脆性又稱低溫回火脆性。如在出現(xiàn)第一類(lèi)回火脆性后再加熱到更高溫度回火，可以將脆性消除，使沖擊韌性重新升高。此時(shí)若再在200～350℃溫度范圍內(nèi)回火將不再會(huì)產(chǎn)生這種脆性。由此可見(jiàn)，第一類(lèi)回火脆性是不可逆
的，故又可稱之為不可逆回火脆性。
    幾乎所有的鋼均存在第一類(lèi)回火脆性。如含碳不同的Cr-Mn鋼回火后的沖擊韌性均在350℃出現(xiàn)一低谷。第一類(lèi)回火脆性不僅降低室溫沖擊韌性，而且還使冷脆轉(zhuǎn)變溫度50％FATTe[鋼料的沖擊韌性隨測(cè)試溫度的下降而出現(xiàn)顯著下降時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，即使鋼料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度，用50％FATT(℃）表示，詳見(jiàn)金屬力學(xué)性能]升高，斷裂韌性KIe下降。如Fe-0.28 C-0.6 4Mn-4.82Mo鋼經(jīng)225℃回火后KIe為117.4MN／m，而經(jīng)300℃回火后由于出現(xiàn)了第一類(lèi)回火脆性，使KIe降至73.5MN／m。出現(xiàn)第一類(lèi)回火脆性時(shí)大多為沿晶斷裂，但也有少數(shù)為穿晶解理斷裂。  
1 v! {' j; |% l' d; [& C) B' \影響笫一類(lèi)回火脆性的因素主要是化學(xué)成分。可以將鋼中元素按其作用分為三類(lèi)。
& u; @% ], I5 C+ W! x# f    1)有害雜質(zhì)元素，其中包括S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等。鋼中存在這些元素時(shí)均將導(dǎo)致出現(xiàn)第一類(lèi)回火脆性。不含這些雜質(zhì)元素的高純鋼沒(méi)有或能減輕第一類(lèi)回火脆。
  x! E6 g& M* n5 J$ x2 w3 w' v    2)促進(jìn)第一類(lèi)回火脆性的元素。屬于這一類(lèi)的合金元素有M n、Si、cr、Ni、V 等。這一類(lèi)合金元素的存在能促進(jìn)第一類(lèi)回火脆性的發(fā)展。有的元素單獨(dú)存在時(shí)影響不大，如Ni。但當(dāng)Ni與Si同時(shí)存在時(shí)則也能促進(jìn)第一類(lèi)回火脆性的發(fā)展。部分合金元素還能將笫一類(lèi)回火脆性推向較高的溫度，如Cr與Si。   
9 F4 U) {5 u' ]% c3)減弱第一類(lèi)回火脆性的元素。屬于這一類(lèi)的合金元素有Mo、W、Ti、A l等。鋼中含有這一類(lèi)合金元素時(shí)第一類(lèi)回火脆性將被減弱。在這幾種合金元素中以Mo的效果最顯著。
# c* e8 F2 [& Y* b% g) B' V; D    除化學(xué)成分外，影響第一類(lèi)回火脆性的因素還有奧氏體晶粒的大小以及殘余奧氏體量的多少。奧氏體晶粒愈細(xì)，第一類(lèi)回火脆性愈弱；殘余奧氏體量愈多則愈嚴(yán)重。
2.第一類(lèi)回火脆性形成機(jī)理
" y0 {1 ~# i; Y9 h$ z, H    目前，關(guān)于引起第一類(lèi)回火脆性的原因的說(shuō)法很多，尚無(wú)定論.看來(lái)，很可能是多種原因的綜合結(jié)果，面對(duì)于不同的鋼料來(lái)說(shuō)，也很可能是不同的原因引起的。
5 I3 k3 c1 d0 j1 y最初，根據(jù)第一類(lèi)回火脆性出現(xiàn)的溫度范圍正好與碳鋼回火時(shí)的第二個(gè)轉(zhuǎn)變，即殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍相對(duì)應(yīng)而認(rèn)為第一類(lèi)回火脆性是殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變引起的，因轉(zhuǎn)變的結(jié)果將使塑性相奧氏體消失。這一觀點(diǎn)能夠很好地解釋Cr、Si等元素將第一類(lèi)回火脆性推向高溫以及殘余奧氏體量增多能夠促進(jìn)第一類(lèi)回火脆性等現(xiàn)象。但對(duì)于有些鋼來(lái)說(shuō)，第一類(lèi)回火脆性與殘余奧氏體轉(zhuǎn)變并不完全對(duì)應(yīng)。故殘余奧氏體轉(zhuǎn)變理論不能解釋各種鋼的第一類(lèi)回火脆性。
之后，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變理論又一度為碳化物簿殼理論所取代。經(jīng)電鏡證實(shí)，在出現(xiàn)第一類(lèi)回火脆性時(shí)，沿晶界有碳化物薄殼形成，據(jù)此認(rèn)為第一類(lèi)回火脆性是由碳化物薄殼引起的。沿晶界形成脆性相能引起脆性沿晶斷裂這已是公認(rèn)的了。問(wèn)題是所觀察到的碳化物薄殼究竟是怎樣形成的。
+ ]% A4 ~$ S* e9 k  低、中碳鋼淬火后得到板條馬氏體以及沿板條條界分布的碳含量高的薄殼狀殘余奧氏體。低溫回火時(shí)，在碳含量低于0.2％的板條馬氏體內(nèi)只發(fā)生碳的偏聚而不析出碳化物，而碳含量高于0.2％的馬氏體則有可能在馬氏體內(nèi)部均勻彌散析出亞穩(wěn)過(guò)渡碳化物。
當(dāng)回火溫度超過(guò)200℃后，在低碳馬氏體中也有可能析出細(xì)針狀碳化物。與此同時(shí)，還將在板條馬氏體條界形成θ-碳化物的核并長(zhǎng)成條片狀θ-碳化物。這一θ- 碳化物的形成既依靠殘余奧氏體的分解，也依靠馬氏體內(nèi)已析出的彌散的亞穩(wěn)過(guò)渡碳化物及細(xì)針狀θ-碳化物的回溶。這種條片狀θ-碳化物即電鏡下觀察到的薄殼狀碳化物。由此可見(jiàn)，對(duì)于在板條界有較多高碳?xì)堄鄪W氏體的鋼料來(lái)說(shuō)，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變理論與碳化物薄殼理論是一致的。
" `" I+ r) g9 t高碳馬氏體在200℃以下回火時(shí)就已有亞穩(wěn)過(guò)渡碳化物在片狀馬氏體內(nèi)部彌散析出，而當(dāng)回火溫度高于200℃時(shí)將在富碳孿晶界面析出條片狀Χ及θ-碳化物。與此同時(shí)，已經(jīng)析出的θ-碳化物將回溶。分布在同一個(gè)孿晶界面上的條片狀Χ及θ-碳化物將連成碳化物片，故斷裂易于沿這樣的面發(fā)生，使鋼料脆性增加。   
1 m: U9 X. E( @0 S回火溫度進(jìn)一步提高時(shí)，薄片狀碳化物通過(guò)破裂、聚集、長(zhǎng)大而成為顆粒狀碳化物，故使脆性下降，沖擊韌性升高。
還有一種理論為晶界偏聚理論。即在奧氏體化時(shí)雜質(zhì)元素P、Sn、Sb、As等將偏聚于晶界。雜質(zhì)元素的偏聚引起晶界弱化而導(dǎo)致沿晶脆斷。雜質(zhì)元素在奧氏體晶界的偏聚已用俄歇(Auger)電子譜儀及離子探針得到證實(shí)。第二類(lèi)元素能夠促進(jìn)雜質(zhì)元素在奧氏體晶界的偏聚，故能促進(jìn)第一類(lèi)回火脆性的發(fā)展。第三類(lèi)元素能阻止雜質(zhì)元素在奧氏體晶界的偏聚，故能扼制第一類(lèi)回火脆性的發(fā)展。
4 I6 L3 ^8 W1 l* @4 K5 O$ ~# v由于采用了俄歇電子譜儀及離子探針等探測(cè)表面薄層化學(xué)成分的儀器，雜質(zhì)元素偏聚于奧氏體晶界這一事實(shí)已為大家所確認(rèn)。雜質(zhì)元素偏聚于晶界能使晶界弱化也是大家公認(rèn)的。晶界偏聚理論的困難在于偏聚是在奧氏體化時(shí)而不是在 200～350℃之間回火時(shí)形成的，為什么這一偏聚僅僅使200～350℃回火后的脆性增加，這是需要回答的一個(gè)問(wèn)題。我們認(rèn)為，如果將晶界偏聚理論與上述理論合并在一起考慮，這一困難就不難解決。可以認(rèn)為，雜質(zhì)元素在奧氏體晶界的偏聚降低了晶界強(qiáng)度，而碳化物薄殼在板條馬氏體條界及奧氏體晶界的形成又進(jìn)一步降低了奧氏體晶界的強(qiáng)度，故使經(jīng)200～350℃回火后的斷裂易于沿奧氏體晶界發(fā)生。
如果斷裂不是沿晶而是穿晶解理，則可以認(rèn)為此時(shí)沿奧氏體晶界的偏聚不嚴(yán)重且沿晶內(nèi)某晶面有碳化物析出，如在{112}r面上析出Χ及θ-碳化物，故斷裂將沿晶內(nèi)碳化朝薄片發(fā)生。   
7 ]: h( t6 U) y8 r% P在弄清楚第一類(lèi)回火脆性形成機(jī)制后就不難理解第一類(lèi)回火脆性的不可逆性。
3.防止第一類(lèi)回火脆性的方法
6 |, l2 _: h. p目前，尚不能完全消除第一類(lèi)回火脆性.但根據(jù)第一類(lèi)回火脆性的形成機(jī)理可以采取以下一些措施來(lái)減輕第一類(lèi)回火脆性。  
7 u7 i, _6 ~) D    1)降低鋼中雜質(zhì)元素含量；
2 s  y' q* g" a' I6 S" Z9 u    2)用Al脫氧或加入Nb、V、Ti等元素以細(xì)化奧氏體晶粒；
    3)加入Mo、W等能減輕第一類(lèi)回火脆性的合金元素；
- O# W$ v  I- }2 f# Y8 O    4)加入Cr、Si以調(diào)整發(fā)生第一類(lèi)回火脆性的溫度范圍，使之避開(kāi)所需的回火溫度；
5)采用等溫淬火代替淬火加高溫回火。

shinshing

從冶煉即減少非金屬雜質(zhì)元素如s' P
. H. p, R3 t9 \加入Zr把板塊狀雜質(zhì)球狀化或讓其破碎
也會(huì)有些效果的