固态相变 教学课件 作者 刘宗昌第7章合金的沉淀与时效7.4低碳钢的时效.ppt

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1、7.4低碳钢的时效概述严格地讲，工业上钢的退火状态并非真正的平衡态。碳在α－Fe中的溶解度，在A1点时为0.0218%(218PPm)，室温时降低到0.0001%以下(1PPm)。工业上的冷却速度，铁素体在室温下是过饱和固溶体。但是这种铁素体不存在正方度，碳原子进入α－Fe三套八面体间隙亚点阵的几率相同,或其他晶体缺陷处。一般认为，铁素体中的过饱和碳原子大多处于各种晶体缺陷的张应力区，如位错、晶界和亚晶界等处。C、N在α－Fe中脱溶所谓低碳钢的时效，是间隙原子C、N在α－Fe中脱溶或准脱溶行为及其引发的性能变化。含有C、N的过饱和的α

2、－Fe的时效包含两类过程。第一类与Al-Cu合金时效相似，具有“偏聚区－过渡相－平衡相”的脱溶贯序，是由化学力驱动的相变过程。第二类是由溶质原子与α－Fe晶体缺陷的相互作用，由畸变能驱动，形成C、N原子位错气团。1、Fe-N系过饱和α固溶体的脱溶贾克（Jack）确定的脱溶贯序为：N原子偏聚区→过渡相（-Fe16N2）→平衡相（-Fe4N）。Fe-N过饱和固溶体α→→贯序已经被普遍承认。N原子偏聚区无序分布的溶解态的N原子扩散迁移到α-Fe晶格三套八面体间隙亚点阵（a，b，c）中的任何一套之中，偏聚在一个平面上，形成N原子片状偏聚区。在

3、低温时效的情况下，N原子不能长程扩散，因而在一个α晶粒中可以形成a、b、c三个方向的N原子偏聚区。由于N原子的尺寸大于八面体间隙，垂直于N原子偏聚区惯习面方向的邻近的晶格将发生压缩，晶面间距减小。透射电子束会发生衍衬效应。图7－27是Fe-N(0.1%)过饱和固溶体在室温（21℃）时效16小时的透射电镜衍衬像。从中可以估计出N原子偏聚区的直径和片间距都约为50nm。Fe-N(0.1%)过饱和固溶体N原子偏聚区的衍衬相N原子继续向富N区扩散输送，将使该区的厚度增加。当层数增加到两层以上时，畸变能因素将使N原子分布有序化。有序化过程沿着C

4、方向继续发展，达到一定厚度以后，就会形成超结构点阵衍射花样，此即-Fe16N2。其晶体点阵结构如图7－28所示。-Fe16N2。其晶体点阵结构如图贾克认为，-Fe16N2的形成，无需Fe原子的长程扩散，新相晶格的形成是N原子改变位置的结果。-Fe16N2相是具有一定厚度的、Fe-N定比的、有序排列的N原子偏聚团。-Fe16N2和完全共格。α-Fe-Fe16N2为体心正方系。-Fe16N2和α－Fe完全共格。在-Fe16N2与N偏聚区共存时，很难在衍射图上将二者区分。面心立方的-Fe4N。当相中氮含量逐渐增加，原位地通过“扩散－有序化”

5、机制演化，形成面心立方的-Fe4N。N原子位于面心立方的八面体间隙。2．低碳钢的时效动力学低碳钢即使在空冷后也能得到C、N所过饱和的固溶体。锻轧材水冷得到过饱和的α－Fe，在室温或稍高温度经过不同时间，硬度将升高，发生时效现象。硬度升高的实质是从过饱和的α－Fe中析出弥散的碳氮化合物相造成的。在0℃，C、N原子迁移0.2nm时，需要1分钟至1小时，这意味着C、N原子在相邻八面体间隙之间每分钟可跃迁一次。如果N原子偏聚区之间的间隙为100nm，这需要单向跃迁500次，因而，可以估计，在零度下形成上述分散度的偏聚区是可能的。图7－30是一

6、种低碳钢经过固溶处理再时效处理，硬度变化曲线。0.06%C的低碳钢时效硬化曲线第一类曲线这些曲线可以分为两类：第一类是在有限时间内硬化始终保持上升趋势，不产生过时效，这是由于N原子偏聚区和的脱溶造成的。完全共格的偏聚区和的尺寸取决于脱溶温度，基本上不随着时间的延长而长大。时间的延长，只引起偏聚区和数量的增多，不断提高硬度，不发生软化。第二类曲线第二类是具有硬化极大值的。极大值表明共格相产生的畸变已经达到极限。当共格遭到破坏时，就开始软化。或者析出相颗粒长大而软化。如图中的60～100℃时效曲线。第二类曲线的时效称为“温时效”。低碳铁素

7、体时效的应用价值1）高碳钢盘条冷拔前的时效处理，提高冷拔性能。2）某些合金钢高温回火后屈强比太高，不利于应用，低温时效可降低屈服强度，降低屈强比。