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金屬的脆性 及對策

2023/2/10 19:40:56??????點擊:

脆性

高鉻鐵素體不銹鋼、鐵素體-奧氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和耐熱鋼, 在550℃~800℃之間長時間加熱會析出σ相,從而使鋼的脆性增大。σ相是成分范圍很寬的Fe-Cr金屬件化合物,目前還未測出σ相的上下限成分,其大多數成分可近似的表示為FeCr。σ相不僅在許多過渡族元素組成的二元合金中形成,在不少三元系中在某些特定的溫度范圍內,也發現有σ相存在。在高溫合金中,也發現的二元σ相有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mo、及Ni-Cr-Mo三元系中,在某些特定溫度范圍內,也有發現σ存在。在高溫合金中,也發現二元σ相有FeCr、CoCr、FeMo,三元系σ相如FeCrMo、NiCrMo、和四元系(CrMo)(Nicoy等。

1 σ相的性質及其對性能的影響

σ相的結構很復雜,屬于正方晶系。晶胞中有30個原子,點陣常數為a=8.758.81kX,c=4.544.58kX。σ相硬度很高,Fe-Cr系不銹鋼中,σ相的硬度為86HRC其它合金中的σ相的硬度略有波動。σ相很脆,σ相沿晶界或呈片狀分布時,使鋼的韌性和韌度顯著下降。少量的σ相形成使基體貧鉻,因而使基體的抗蝕性下降,并降低了固溶強化的效果。

2鋼的成分、熱處理與σ相的形成

σ相通常在高鉻鋼中形成。σ相的形成傾向很小。σ相形成速度很慢。因此有些合金在使用前雖然沒有σ相,但在550℃~800℃溫度下長期使用時,卻可能因為σ相的逐步形成而導致性能惡化使工件早期失效。在高鉻不銹鋼、鎳鉻不銹鋼及耐熱鋼中, 鉻含量越高, 越易形成σ相, 鉻的成分超過45%時, σ相的形成傾向最大。Si、P、Mo、V、Ti、Nb等元素能夠促進σ相的形成;Mn使σ相脆性的極限Cr含量降低,因此,Cr-Mn-N不銹鋼中,比較容易出現σ相。

σ相能從奧氏體中直接析出,也能從 δ鐵素體中形成。研究表明,由于8鐵素體的鉻含量較高,加上Si、Mo等鐵素體形成元素富集于鐵素體,促進了σ相的形成,因而從δ鐵素體轉變為σ相比較容易。δ鐵素體形成σ相的過程很復雜,一般認為首先形成少量細小的奧氏體,然后在δ中析出細小的碳化物,并在y/8

相界上析出σ相。

合理的熱處理工藝可以抑制σ相的形成。對于奧氏體不銹鋼,固溶處理溫度不宜過高,保溫時間不宜過長,以便使鋼中不產生過量的8鐵素體而增大σ相的形成傾向。若在鑄造、焊接和熱處理過程中,產生了有害的σ相,可在820℃以上溫度加熱或采用固溶處理予以消除。消除σ相的熱處理溫度根據鋼的成分試驗確定。

鐵素體-奧氏體復相不銹鋼,其金相組織為鐵素體基體上分布有小島狀奧氏體,8鐵素體的體積分數約占50%70%,由于這類鋼含有較多8鐵素體,σ相析出傾向較大,故使用溫度不宜超過350℃。

 

電鍍脆性的影響因素

電鍍工件的氫脆受基體材料和電鍍工藝參數的影響,一般規律如下:

不同的基體金屬材料具有不同的陰極滲氫傾向。一般認為:按Pd、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Sn、Cu的順序,滲氫程度遞減。

隨著電流目的的升高,一方面陰極表面吸附氫原子的覆蓋率增大,使滲氫率增加;另一方面提高電流密度往往使鍍層質量和結構變化,從而使滲氫量減少,因此,有時隨電流密度的變化,滲氫率會出現極大值。

一般情況下,滲氫量隨著鍍液溫度的升高而下降。例如,鍍鉻時在電流密度為50A/dm2,溫度分別為35℃、55℃80℃的條件下,鍍鉻層氫的質量分數分別為0.07%、0.05%0.03%。

溶液的PH值對滲氫的影響比較復雜。PH值下降,溶液中氫離子濃度增大,促進了滲氫過程進行,但是酸性鍍液的電流效率高,產生的總氫量較少,又能減輕滲氫量。另外PH值的變化影響鍍層中夾雜物的組成和滲氫過程。因此,PH值對滲氫量的影響沒有簡單的規律,取決于多種因素的共同作用。

電鍍溶液的組成不同,獲得的電鍍層成分和結構也不同,從而對滲氫也有影響。

 

滲層脆性

對于高硬度滲層,如滲氮表面硬度可達HV1100~1200,滲硼層硬度高達HV1300~2000,熱處理不放還可能產生滲層脆性過大,導致早期剝落。

1滲氮層脆性

滲氮層脆性常用維氏硬度法檢查評定,GB11354《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中規定,根據維氏硬度壓痕邊角破碎程度,滲層現在分為5 級,如表3所示。

 

 

 

氮化層脆性過大可能的原因是:

1)液氨含水量過高,吸濕劑失效未及時更換或未進行再生處理造成脫碳引起。

2)單工件表面脫碳層未全部加工掉,在化合物層和白亮層之間產生針狀化合物。

3)氨分解率過低,工件表面氮含量過高,形成脆性ε相,或者雖然進行過退氮處理,但工藝不當。

4)滲氮溫度過高,氮含量過高,形成嚴重的網狀組織。

5)工件預備熱處理不當,組織粗大或油里鐵素體過多,造成滲層針狀組織網網狀組織。

6)工件有尖角、銳角、表面太粗糙,經常出現網狀組織。

氮化層脆性檢查如有超標現象,可以采用如下方法之一進行補救:

1)進行退氮處理,工藝是500℃~520℃,氨分解率≥80%,保溫35小時。

2)磨削加工去除白亮層。

 

滲硼層脆性

評價滲硼層脆性的方法是根據其脆斷損壞和剝落損壞的不同而異。"脆斷脆性"可用三點彎曲聲發射測得的脆斷強度來衡量。用砂輪磨削可測試剝落傾向,可用衡量剝落脆性。

具有FeBFe-B兩相組織的滲層容易產生剝落損壞,而具有單相FeB組織的滲層容易產生脆性損壞。

減少滲硼層脆性的途徑:

1 選擇合適的滲硼工藝,力求獲得單相Fe2B單相組織。

2進行合適的滲后熱處理。

滲硼后采用恰當的熱處理,一定程度上可以減少滲層的脆性。輕載工件不會產生剝落,滲硼后空冷即可。重載零件,滲硼后必須就那些淬火和回火?;w硬度高于HRC40以上,可以避免發生凹陷。為了減輕脆性應兼顧脆斷脆性和剝落脆性?;鼗饻囟忍岣?,基體比體積減小,表面殘余壓應力增大,這對脆斷脆性有利,對剝落不利。為了防止剝落失效,回火溫度應低一些?;鼗饻囟鹊倪x擇,應根據滲硼零件在實際服役條件中的失效形式而定。

過高的淬火加熱溫度和強烈的淬火介質,均易產生裂紋和剝落缺陷。因此合理地選擇加熱溫度和淬火介質。對防止脆性有一定的意義。

 

 

 

 

 

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