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回火時的二次硬化現象
碳鋼在回火第三階段,隨著滲碳體顆粒的長大,將不斷軟化,如圖1所示。
圖1 低、中碳鋼在100-700℃回火1h的硬度變化
但是,當鋼中含有Mo、V、W、Ta、Nb和Ti等強碳化物形成元素時,將減弱軟化傾向,即增大了軟化抗力。當馬氏體中含有足夠量的碳化物形成元素時,在500℃以上回火時將會析出細小的特殊碳化物,導致因回火溫度升高,θ-碳化物粗化而粗化的鋼再度硬化,這種現象稱為二次硬化。有時二次硬化峰的硬度可能比淬火硬度還高。
圖2 回火溫度對低碳鉬鋼馬氏體硬度的影響
圖2示出了鉬含量對低碳(0.1%C)鉬鋼二次硬化作用的影響,可見,隨著Mo含量增加,二次硬化作用加劇。其他強碳化物形成元素(如Ti、V、W、Nb等)也有類似作用。Cr含量很高時(如大于12%)才有不太明顯的二次硬化峰。碳鋼中不發生二次硬化現象。
電鏡觀察證實,二次硬化是由于彌散、細小的特殊碳化物(如Mo2C、W2C、VC、TiC、NbC等)的析出造成的。具有二次硬化作用的特殊碳化物在位錯區沉淀析出,常呈極細針狀或薄片狀,尺寸很小,而且與α相保持共格關系。隨回火溫度升高,碳化物數量增多,碳化物尺寸逐步增大,與α相的共格畸變也逐漸加劇,直至硬度達到峰值。再繼續升高溫度,由于碳化物長大,彌散度減小,共格關系被破壞,共格畸變消失以及位錯密度降低,從而使硬度迅速下降。綜上所述,可以認為對二次硬化有貢獻的因素是特殊碳化物的彌散度、α相中的位錯密度和碳化物與α相之間的共格畸變等。
可以通過下述途徑來提高鋼的二次硬化效應:
第一,增大鋼中的位錯密度,以增加特殊碳化物的形核部位,從而進一步增大碳化物的彌散度。如圖采用低溫形變淬火方法等。
第二,鋼中加入某些合金元素,以減慢特殊碳化物形成元素的擴散,抑制細小碳化物的長大和延緩這類碳化物過時效現象的發生。例如,鋼中加入Co、Al、Si、Nb、Ta等元素,都可以使特殊碳化物細小彌散并與α相保持共格畸變狀態,從而增大鋼的回火穩定性。
利用二次硬化效應,可以選用具有二次硬化的合金鋼制作在熱狀態下工作的工件,只要使用溫度低于回火溫度(產生二次硬化峰的溫度),鋼件就可保持高的硬度和強度。