合金元素对珠光体转变的影响

2022-04-02 11:57:49 作者：曙光来源：每天学点热处理分享至：

合金钢中的珠光体转变，与碳素钢中的情况相似。因此，研究合金钢中的珠光体转变，实质上就是讨论合金元素对Fe-C珠光体转变的影响。本节主要讨论对工程技术有实际价值的合金元素对珠光体形成温度范围、转变速度、转变产物的组织形态等的影响。

合金元素对奥氏体－珠光体平衡温度（A1）和共析碳浓度的影响如图1所示。

▲图1 常见合金元素对共析温度（A1）及共析点（S）碳含量的影响

可以看出，除Ni、Mn降低了A1点之外，其它常用合金元素都提高了A1温度。几乎所有合金元素皆使钢的共析碳浓度降低。

合金元素的加入，改变了奥氏体－珠光体平衡温度，如果转变温度相同，则过冷度就不相同。因此，不同的合金钢，在相同温度下形成未光体的层间距离是不同的。图2 示出了不同钢中的转变温度与珠光体层间距离的关系。

▲图2 不同钢种的相变温度对珠光体层间距的影响

从图中还可以看出，不同合金钢的层间距离与转变温度之间的关系曲线的斜率是不尽相同的，这说明合金元素对层间距离的影响是复杂的。

钢中加入合金元素，显著地改变了珠光体的成核率和长大速度。以钢中加Ni为例，当其它成分相同时，两种不同Ni含量钢的N和G,如图3所示。可以看出在含Ni的钢中，N和G与转变温度之间关系的曲线也具有极大值。但由于钢中Ni含量的增加，珠光体的晶核形成率和长大速度都显著减小。

▲图3 钢中Ni含量对珠光体成核率和长大速度的影响

几种合金钢的珠光体形成温度对长大速度的影响，如图4所示。即合金元素Mn、Ni和Mo降低了珠光体形成温度，Si提高了珠光体形成温度，但是这些合金元素都减慢了珠光体形成速度。

▲图4 几种合金钢的珠光体形成温度对长大速度的影响

各类钢中合金元素对珠光体形成的影响，大致可以归纳如下：

Mo显著地增大了过冷奥氏体在珠光体转变区的稳定性，即增长了相变孕育期和减慢了转变速度。Mo特别显著地增大在580~600℃温度范围内的过冷奥氏体稳定性。在共析碳钢中加入0.8%Mo,可以使过冷奥氏体分解完成时间增长28000倍。

在含Mo的共析钢中，Mo含量小于0.5%时，形成的碳化物是渗碳体型的；而含量大于0.5%时，形成的碳化物是特殊碳化物M23C6。由于这种碳化物在共析钢中加热时很难完全溶解，在这种情况下，Mo对珠光体形成时减小长大速度的作用反而减小。为了提高过冷奥氏体的稳定性，钢的Mo含量一般应低于0. 5%。

Mo对亚共析钢先共析铁素体析出速度的影响，显著地低于对珠光体形成速度的影响。例如，含0.4%C的钢在600℃时析出5%铁素体所需要的时间，随着含Mo量由0.14%增加到0.35%和0.6%，其析出同样量的铁素体所需时间相应的增加比例为1:2:4。而在同样Mo含量情况下，对于珠光体开始形成的时间，增加的比例却为1:3:36。

W的影响与Mo相似，含量按重量百分比计算，其影响程度约为Mo的一半。

Cr的影响表现在比较强烈地增大过冷奥氏体在600~650℃范围内的稳定性。

Ni提高了过冷奥氏体在珠光体转变区的稳定性。

Mn有比较明显地提高过冷奥氏体在珠光体转变区稳定性的作用。

Si对过冷奥氏体转变为珠光体的速度影响较小，稍有增大过冷奥氏体稳定性的作用。

Al对珠光体转变的影响很小。

Co增大过冷奥氏体的珠光体转变速度，减小过冷奥氏体的稳定性。

V、Ti、Zr、Nb、Ta等在钢中形成难溶的碳化物。如果，这些元素在加热时能够溶入奥氏体中，则增大过冷奥氏体的稳定性。但是，即使加热到很高温度，这类碳化物仍然几乎不能完全溶入奥氏体中。因此，当钢中加入强烈形成碳化物元素，奥氏体化温度又不高时。不仅不能增大甚至会降低过冷奥氏体的稳定性。钢中加入Mn,可以提高在相应温度加热后的奥氏体中V和Ti的含量，从而可以增大过冷奥氏体的稳定性。

钢中加入微量的B（0.0010~0.0035%,实际上有效B含量比此量还低），可以显著降低亚共析钢中过冷奥氏体在珠光体转变区析出铁素体的速度，对珠光体的形成也有抑制作用。随着钢中C含量的增高，B增大过冷奥氏体稳定性的作用逐渐小。

一般认为，钢中加入微量的B能够降低先共析铁素体和珠光体转变速度的原因，主要是由于B吸附在奥氏体晶界上，降低了晶界的能量，从而降低了先共析铁素体和珠光体的成核率。B对先共析铁素体长大速度并不发生明显影响，而且B还有增大珠光体长大速度的倾向。因此，B能延迟过冷奥氏体分解的开始时间，但对形成珠光体的完了时间则影响较小。

为了保持B对珠光体转变的有益作用，必须使B富集在奥氏体晶界上，如果活泼的B元素与钢中的Fe或残留的N、O形成稳定的夹杂物，或者由于高温奥氏体化，將使B向奥氏体晶粒内扩散，而使晶界的有效B减少，这样都将使B的有益作用减弱，甚至消失。

综合各种合金元素对珠光体转变动力学的影响，如图5 所示。可以看出，当合金元素充分溶入奥氏体中的情况下，除Co以外，所有常用合金元素皆使珠光体的鼻子右移，先共析铁素体的鼻子右移。除Ni以外，所有的常用合金元素皆使这两个鼻子移向高温区域。

▲图5 钢中合金元素对珠光体转变动力学的影响示意图

合金元素加入钢中，能够延缓或加快过冷奥氏体在珠光体区转变速度的原因，至今仍未彻底搞清楚。兹将文献中有关这方面的论述简要介绍于下。

早先，Mehl 认为，为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散之外，合金元素也需要进行扩散再分配。扩散结果，在珠光体中形成碳化物的区域，形成碳化物元素的含量增加，而非形成碳化物元素含量则减少。铁素体区域的情况则与此相反。由于合金元素具有较低的扩散速度（其扩散系数为C在奥氏体中扩散系数的万分之一到千分之一），因而增长了过冷奥氏体转变为珠光体的孕育期和降低了形成速度。

随后，Austin补充指出，合金元素降低了γ→α的同素异型转变速度。显然，没有γ→α的转变，珠光体是不可能形成的。因此合金元素的加入，减慢了珠光体的形成。

Энтин指出，形成碳化物元素延迟珠光体转变，是由于它们本身的扩散速度低的缘故；非形成碳化物元素Ni降低珠光体转变速度，主要是由于降低了γ→α的同素异型转变速度，特是增大了α-Fe的晶核形成功。而Co增大了过冷奥氏体分解速度，则是因其增大了γ→α的同素异型转变速度。

БлaнTep从相变时结构、成分相适应的原理出发，认为奥氏体向珠光体转变的初期所形成的碳化物是渗碳体型的，其中合金元素的含量相当于钢中合金元素的平均含量。随着转变时间的延长，渗碳体被合金元素富化，甚至形成特殊的碳化物。因此珠光体形成时，过冷奥氏体中不需要合金元素预先再分配，珠光体中形成的特殊碳化物，是在珠光体形成之后转变的。合金元素对珠光体转变的影响，是由于合金元素改变了C在奥氏体中的扩散速度、ΔT（A1点与转变温度之差）值和奥氏体的再结晶性质引起的。常用合金元素（除Co、Ni之外）都减小C在奥氏体中的扩散速度，而且除Co之外都减小ΔT值，又都有延缓奥氏体再结晶的作用，所以除Co之外，都减慢了珠光体的形成速度。

张沛霖等综合自己研究Cr钢的结果和国外研究者的实验数据，表示在图6 700℃等温截面的Fe-Cr-C三元相图中（虚线所示）。他们发现，在Cr钢中初期形成的碳化物，既不全是渗碳体型的，也不全是平衡图中示出的碳化物类型，它们与Cr、C比的数值有一定关系。图中Cr:C<2（重量比小于8.5，实线Ⅰ以下）时，开始转变阶段形成的是渗碳体型碳化物；Cr:C=2~3（重量比8.5~13，实线Ⅰ与Ⅱ之间）时，开始形成的碳化物是（CrFe）7C3；Cr:C>3（重量比大于13，实线Ⅱ以上），开始形成的碳化物是（CrFe） 23C6。

▲图6 Fe-CrC合金珠光体形成初期碳化物的类型

图中区域①是渗碳体形成后在保温时不再发生变化的区域；

区域②表示开始形成的是渗碳体，保温时转变为（CrFe）7C3;

区域③和④表示开始形成的是（CrFe）7C3,保温时转变为（CrFe）23C6;

区域⑤则是开始形成的就是（CrFe）23C6。

试验结果说明了从过冷奥氏体中形成的碳化物，既可能是渗碳体型的，也可能是特殊碳化物型的。碳化物中合金元素含量，既可能是在珠光体形成之后重新分配，也可能是与珠光体形成的同时，在奥氏体中进行预先再分配。

为了研究合金元素在珠光体中的分布，Razik等采用电子探针测定珠光体形成时毗邻的渗碳体和铁素体片中的合金元素浓度。电子探针测定的部分如图7 所示。

▲图7 片状珠光体电子探针测定部位的照片

测得的Mn在珠光体中两个相内的分布情况，如图8 所示。

▲图8 Mn在珠光体里的铁素体和渗碳体中的分布

图中的图片为合金元素在铁素体与渗碳体中的分配系数，以Mn为例：

式中 CMn和CFe--表示Mn在渗碳体（cem）和铁素体（α）中Mn与Fe浓度的重量之比；ⅠMn和ⅠFe-表示Mn在渗碳体（cem）和铁素体（α）中Mn与Fe的X射线强度之比。当图片接近1时，表明合金元素没有发生重新分配。

从图8中可以看出，在较高的转变温度下，珠光体形成时，在奥氏体－珠光体界面上，合金元素要重新分配，而且随着转变温度增高，重新分配的数量增多。在较低的转变温度下，合金元素不发生重新分配。在此，有一合金元素不发生重新分配的最高温度（Tp），这个温度受合金元素的性质和含量影响。譬如Mn含量分别为1.08%和1.8%的钢，Mn的重新分配点，前者为683℃，后者为649℃，而1.29%Cr的钢Tp为703℃。

此外，在珠光体转变完成之后，合金元素还会再发生重新分配，这种情况既可以在Tp点以上发生，也可以在Tp点以下发生，直至达到平衡浓度。

可以看出，Блантер的观点与上述实验结果并非完全吻合一致。总之，关于合金元素对珠光体转变机理的影响，特别是影响珠光体转变动力学的原因，还有待继续工作。但是，归纳各方面的因素，似乎可以从下面几个方面来考虑其综合影响。

（1）合金元素对C在奥氏体中扩散速度的影响；

（2）合金元素对由面心立方点阵转变为体心立方点阵的点阵重构速度的影响

（3）在较高的转变温度下，合金元素本身在奥氏体中扩散速度的影响；

（4）合金元素对珠光体转变热力学和动力学参数的影响。