鋼材金屬材料的混晶問(wèn)題
在機(jī)械制造行業(yè)當(dāng)中，熱處理工序過(guò)后金相觀察時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)混晶現(xiàn)象。讓熱處理工作者感到非常擔(dān)憂(yōu)。今天我們就來(lái)聊一聊混晶問(wèn)題。
混晶，顧名思義，就是晶粒度大小不一的混雜在一起。晶粒度是表征金屬材料韌性好壞一個(gè)指標(biāo)；晶粒度級(jí)別越高，材料韌性越高；反之韌性越差。如果在高級(jí)別晶粒的區(qū)域中混入低級(jí)別的晶粒，就會(huì)拉低金屬材料整體的性能；低級(jí)別晶粒所占比例越大，材料的整體性能越不穩(wěn)定。一般情況下，我們把相差3-4級(jí)晶粒度的晶粒同時(shí)出現(xiàn)在組織當(dāng)中的情況，就認(rèn)為發(fā)生了混晶。當(dāng)大晶粒所占比例超過(guò)10%時(shí)，我們就不得不重視大晶粒可能造成機(jī)械零件的早期失效。混晶所產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素，讓我們無(wú)法預(yù)知機(jī)械零件可能在什么時(shí)候失效。所以混晶對(duì)于我們熱處理工作者來(lái)講，是非常不愿意看到的。作為熱處理工作十幾年的技術(shù)人員，不敢高談闊論。只是通過(guò)這些年的積累，把我所認(rèn)為的可能產(chǎn)生混晶的起因分享一下，不當(dāng)之處還請(qǐng)大家指教！我認(rèn)為混晶產(chǎn)生的根本原因有兩個(gè)大類(lèi)：B、臨界變形度（鋼鐵發(fā)生了變形，晶粒發(fā)生變化）圍繞這兩個(gè)原因，我們從鋼材冶煉開(kāi)始談起：我們都知道鋼材冶煉過(guò)程，就是用鐵礦石和各種原料經(jīng)過(guò)復(fù)雜工藝最終冶煉成鋼水，然后澆鑄形成鋼錠。鋼水的形成過(guò)程鋼廠是最專(zhuān)業(yè)的，并且作為液相的鋼水來(lái)講，均勻程度自然不在話(huà)下，所以此處不做評(píng)價(jià)。我們只說(shuō)鋼水冷凝成為鋼錠的過(guò)程。
鋼錠偏析是我們最為常見(jiàn)的一種偏析形式。用通俗的話(huà)來(lái)講，鋼錠產(chǎn)生偏析原因很簡(jiǎn)單，就是合金元素在凝固過(guò)程中，容易先凝固，而合金元素少的地方會(huì)稍后凝固；這樣就造成了合金元素的分布不均勻的現(xiàn)象。最典型的金相組織是枝晶偏析。還有一些雜質(zhì)，夾渣隨著鋼液的翻滾冷卻過(guò)程，也會(huì)在特定的位置聚集。偏析最大的問(wèn)題就是會(huì)導(dǎo)致合金元素的分布不均勻。也就是說(shuō)會(huì)導(dǎo)致碳、鉻、鎳、鉬、鋁等等合金元素的分布不均勻。這些元素的分布不均勻就會(huì)形成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)有著不同的化學(xué)成分。嚴(yán)重一點(diǎn)說(shuō)，每一個(gè)區(qū)域都是一個(gè)鋼種。在這個(gè)階段，我們僅僅看到了這樣的晶粒，還和混晶說(shuō)不上。大家不要著急，我慢慢解釋。
從鋼錠到鋼材出廠，需要一個(gè)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程就是軋制。鋼錠變成我們需要的棒材、板材、線(xiàn)材、型鋼等等，需要對(duì)鋼錠再加熱，然后經(jīng)過(guò)N道軋制，最終滿(mǎn)足我們的需求。軋制前一般會(huì)對(duì)鋼材進(jìn)行擴(kuò)散退火，擴(kuò)散退火的目的就是為了讓鋼材合金元素均勻化，就是我在1中提到的，凝固過(guò)程中合金元素的偏聚導(dǎo)致了成分不均勻，這樣的鋼材會(huì)有很大的問(wèn)題，所以通過(guò)擴(kuò)散退火，溫度在1200℃左右，這時(shí)候合金元素活性增加，活動(dòng)范圍加大，會(huì)在鋼鐵內(nèi)部做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也就是從濃度高的地方跑到濃度低的地方，這樣就可以提升鋼材的均勻性了。同時(shí)，我還是要強(qiáng)調(diào)，畢竟這個(gè)鋼鐵還是固體的，沒(méi)有變成液相，雖然合金元素發(fā)生了移動(dòng)，只是對(duì)鋼材均勻性進(jìn)行了改善，不能達(dá)到完全消除的目的。軋制的過(guò)程就相當(dāng)于我們鍛造和擠壓的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，鋼材經(jīng)受了加熱、鍛打、擠壓、降溫、再結(jié)晶、退火、再擠壓等等工序；原始鋼材的一些缺陷在這個(gè)過(guò)程中被逐步縮小，合金元素的偏聚程度也逐步降低。如果這個(gè)兩個(gè)過(guò)程是完美的，那么就不存在后邊的問(wèn)題了。但是現(xiàn)實(shí)是殘酷的。為了節(jié)約費(fèi)用、降低成本，鋼廠在這兩個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)提高生產(chǎn)效率，就有可能會(huì)擴(kuò)散退火溫度不足、時(shí)間不足；軋制過(guò)程省去退火工序、加大鍛造比等等手段來(lái)提升生產(chǎn)效率。這樣一來(lái)，原材料的缺陷有可能會(huì)被掩蓋，但是沒(méi)有根除，甚至在軋制過(guò)程中會(huì)越演越烈。這個(gè)變化，我們?cè)?中講述原因。
機(jī)械加工廠拿到鋼材以后，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一般情況下會(huì)采用熱鍛造、冷擠壓的方式，讓工件預(yù)成型，然后在精加工，熱處理，磨削最后做成成品。那么在這個(gè)過(guò)程中，問(wèn)題來(lái)了。其實(shí)加熱鍛造和2所講的鋼材軋制是一個(gè)道理，只是設(shè)備不同，壓縮比不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同而已。冷擠壓是在不加熱的情況下，利用鋼材本身的韌性產(chǎn)生塑性變形來(lái)成型的工藝。這兩個(gè)工藝都牽扯了一個(gè)問(wèn)題那就是塑性變形。我們知道金屬的韌性就是指他的形變能力，通俗的說(shuō)就是拉伸或者壓縮的能力，能夠被拉伸的越長(zhǎng)說(shuō)明韌性越好，能夠壓縮的越短，說(shuō)明韌性越好。在拉伸或者壓縮的過(guò)程中，晶粒發(fā)生了什么變化呢？我們想想一下橡皮筋。一開(kāi)始橡皮筋的直徑是10mm的話(huà)，如果你拉伸了長(zhǎng)度的10倍，那么他的直徑變成了多少？肯定不是1mm，但是為了說(shuō)明問(wèn)題，大家都知道他會(huì)變細(xì)，繼續(xù)拉，他會(huì)更細(xì)，直到你拉斷他。金屬的變形就是晶粒發(fā)生變化的過(guò)程。沒(méi)有發(fā)生形變以前的晶粒雖然形狀不規(guī)則，但是大家還都相安無(wú)事，基本上是以團(tuán)狀存在，大家摟在一起還是比較溫暖的。隨著外力到來(lái)，大家就像橡皮筋一樣被拉扯，生存空間被擠壓，只能隨著外力變細(xì)，不斷變細(xì)。原來(lái)是一堆土豆，現(xiàn)在變成了一束麥子。大概就是這樣子。在這個(gè)過(guò)程中，大家還是相安無(wú)事，沒(méi)有太多的事情發(fā)生。甚至你會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn)，晶粒度超級(jí)好。從土豆粗細(xì)，變成麥稈大小，確實(shí)細(xì)了不少。但是我們要擦亮眼睛，不要被表象迷惑。熱處理作為中間工序，看不見(jiàn)摸不著，不能即時(shí)檢測(cè)，過(guò)程中無(wú)法調(diào)整，只能通過(guò)過(guò)程控制和最終檢驗(yàn)確定產(chǎn)品狀態(tài)。所以在整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)內(nèi)部就一直扮演著一個(gè)受氣的小媳婦的角色。前邊的所有工序所產(chǎn)生的問(wèn)題都在熱處理集中爆發(fā)了。熱處理的滲碳、淬火工藝，都要求加熱到鋼材的奧氏體化溫度以上才能進(jìn)行。這就不得不將工件加熱到AC3溫度以上進(jìn)行作業(yè)，在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)生了很多奇妙的轉(zhuǎn)變。體心立方的鐵素體晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎降膴W氏體晶格，溶碳量增加，合金元素融入量增加，合金元素的擴(kuò)散等等都在這個(gè)過(guò)程要發(fā)生。晶粒之間的界限也會(huì)被打破，重新結(jié)晶，原始晶粒要發(fā)生變化，晶粒要重組。晶粒重組的過(guò)程，說(shuō)的簡(jiǎn)單點(diǎn)就是比拼能量的過(guò)程，有點(diǎn)恃強(qiáng)凌弱的意思。就比如我們目前的國(guó)際形勢(shì)一樣。高科技、核武器、作戰(zhàn)能力等決定了國(guó)家的大小，能力越強(qiáng)國(guó)家越大；能力越小，國(guó)家越容易分裂。合金元素所形成的碳化物就像一個(gè)一個(gè)據(jù)點(diǎn)一樣，扎在這些國(guó)家當(dāng)中，阻礙晶粒的長(zhǎng)大；而另外一方面，在合金元素稀少的地方，所到之處，所向披靡，版圖不斷擴(kuò)大，晶粒逐漸長(zhǎng)大。為了保證產(chǎn)品的變形尺寸，加熱溫度不能太高，就會(huì)導(dǎo)致合金元素的擴(kuò)散行為收到牽制，加熱溫度太低，不能滿(mǎn)足奧氏體化，就會(huì)導(dǎo)致相變無(wú)法進(jìn)行，所以熱處理的加熱問(wèn)題屬于中溫加熱，大大受到制約。一般情況下，滲碳溫度在900-940℃左右，淬火溫度一般在AC3溫度以上30-50℃進(jìn)行。這些都是教科書(shū)給我留下的數(shù)據(jù)。那現(xiàn)在我們就討論一下在這個(gè)溫度下，1、2、3可能會(huì)給我們帶來(lái)什么后果。隨著奧氏體化的進(jìn)行，存在不同區(qū)域的合金元素含量不同，會(huì)導(dǎo)致這些區(qū)域的奧氏體化溫度高低不同，在工件達(dá)到同樣溫度的前提下，有的區(qū)域已經(jīng)開(kāi)始了奧氏體的轉(zhuǎn)變，有些區(qū)域還在準(zhǔn)備過(guò)程中；有的區(qū)域已經(jīng)奧氏體轉(zhuǎn)變完了，有的區(qū)域還沒(méi)有結(jié)束；這就勢(shì)必導(dǎo)致那些先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的區(qū)域的晶粒不斷長(zhǎng)大，而那些還沒(méi)有轉(zhuǎn)變完了的區(qū)域的晶粒細(xì)小。如果此時(shí)，終止奧氏體化，快速冷卻，就會(huì)產(chǎn)生大小晶粒的并存，嚴(yán)重的話(huà)就會(huì)產(chǎn)生混晶。合金元素當(dāng)中大多數(shù)元素都會(huì)阻礙晶粒長(zhǎng)大：如V、Ti、Nb等；有合金元素會(huì)減慢奧氏體形成速度，如Cr、Mo、W等；這樣的元素會(huì)影響晶粒度變大，起到細(xì)化晶粒的作用。同時(shí)也有少數(shù)元素會(huì)促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大：如Mn、P等。如果這些元素在鋼材中偏析嚴(yán)重，就可能發(fā)生混晶。b 、軋制過(guò)程和鍛造過(guò)程以及冷加工過(guò)程的形變的影響：這個(gè)過(guò)程中晶粒受到拉扯和擠壓導(dǎo)致的晶粒變形，使得原本的晶界雖然存在，但是能量降低。隨著加熱溫度上升，到了鋼材本身的再結(jié)晶溫度的時(shí)候，晶粒就會(huì)重組。此時(shí)合金元素的能量越來(lái)越大，兩個(gè)相鄰的細(xì)條狀的晶粒。原本只能在晶粒內(nèi)活動(dòng)的元素，突破兩個(gè)晶界之間變得更加容易，他們就會(huì)走捷徑，兩個(gè)細(xì)條狀晶粒就會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)合并形成一個(gè)大晶粒。隨著加熱溫度和加熱時(shí)間的變化，這些晶粒不斷的長(zhǎng)大，直到?jīng)]有能量再去突破晶界的約束的時(shí)候才會(huì)停下來(lái)。此時(shí)已經(jīng)形成了很多的大晶粒。這樣的形變晶粒并不是所有的都會(huì)產(chǎn)生這種情況，只有當(dāng)達(dá)到臨界變形的晶粒才會(huì)長(zhǎng)大，這樣還存在一些正常的晶粒，與是就產(chǎn)生了混晶。鍛造過(guò)程、熱處理過(guò)程溫度和時(shí)間的影響對(duì)于晶粒的影響也非常大。當(dāng)溫度較高時(shí)候，保溫時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，晶粒也會(huì)長(zhǎng)大。這個(gè)溫度根據(jù)材質(zhì)而定，不同的材質(zhì)的極限溫度不同。熱處理的溫度一般比較固定，常規(guī)滲碳溫度一般不會(huì)超過(guò)950℃，這個(gè)溫度下，大多數(shù)的本質(zhì)細(xì)晶粒鋼不會(huì)發(fā)生較大變化。但是也不排除，參數(shù)錯(cuò)誤，或者溫度不準(zhǔn)確導(dǎo)致的超溫，而使鋼材發(fā)生晶粒粗大。鍛造超溫發(fā)生的晶粒粗大，一般會(huì)在鍛造后的金相中發(fā)現(xiàn)魏氏組織。可以通過(guò)多次正火來(lái)消除魏氏組織。從本質(zhì)上來(lái)講，溫度造成的晶粒變化，可以通過(guò)正火來(lái)彌補(bǔ)。但是現(xiàn)實(shí)中，如果出現(xiàn)魏氏組織，一般不建議使用。綜上所述，我認(rèn)為混晶產(chǎn)生的最重要的原因就是元素偏析，并且在后續(xù)的過(guò)程中很難通過(guò)熱處理方法來(lái)消除。其次，就是能夠產(chǎn)生形變的每一道工序，需要注意晶粒的大小；純粹的因?yàn)樾巫儗?dǎo)致的晶粒度混晶，是可以通過(guò)熱處理工藝來(lái)進(jìn)行改善的。如果晶粒已經(jīng)長(zhǎng)大，并且狀態(tài)穩(wěn)定，合金元素已經(jīng)在晶界上析出的，處理起來(lái)也會(huì)比較麻煩的。以上內(nèi)容，不當(dāng)之處，還望各位同行批評(píng)指正，不吝賜教！
來(lái)源：青島豐東
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