鋼材的時效解析.doc

鋼的時效時效條件在日常生活中常發(fā)現(xiàn)，如低碳鋼板等材料經(jīng)熱加工或冷加工后，在室溫放置一段時間，它的機(jī)械性能發(fā)生了變化，這種金屬材料的性能隨時間的延長而改變的現(xiàn)象稱為時效。時效往往使材料的性能變壞，在生產(chǎn)實際中應(yīng)注意防止，但也可掌握其變化規(guī)律，使其在生產(chǎn)中加以利用。由于鋼材的化學(xué)成分不同，預(yù)先的熱加工或冷加工及使用溫度的不同，鋼的時效也有不同的表現(xiàn)。鋼材經(jīng)固溶處理后急冷至?xí)r效溫度時，合金元素將處于過飽和狀態(tài)，此時，如果合金元素仍具有擴(kuò)散能力，那么隨著時間的延長，鋼材中的合金元素會從固溶體中脫落（或沉淀）致使材料的性能發(fā)生變化，這就叫做時效。時效過程的定義：一切有關(guān)材料性能隨時間變化過程都統(tǒng)稱時效過程。時效的條件：1） 對合金元素具有一定的溶解度；2） 溶解度隨溫度的降低而減??；3） 高溫固溶的合金元素，急冷后成為過飽和狀態(tài)；4） 在低溫狀態(tài)下，合金元素仍具有一定的擴(kuò)散速度。時效現(xiàn)象是一種由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的自發(fā)現(xiàn)象。如果固溶處理后以極緩慢的速度冷卻，以達(dá)到平衡狀態(tài)而又未經(jīng)冷變形，這時時效現(xiàn)象就不會發(fā)生。鋼的時效現(xiàn)象主要由鋼中的碳，氮間隙原子引起的。碳，氮是鋼中間隙原子，間隙原子一般在室溫下都有一定的擴(kuò)散能力，它們的溶解度都隨溫度的降低而減小，因此只要固溶處理后快冷使之造成過飽和狀態(tài)，就能夠產(chǎn)生時效現(xiàn)象。故此，時效現(xiàn)象可以分淬火時效和應(yīng)變時效（形變時效、機(jī)械時效）。淬火時效是固溶體快速冷卻到某一個溫度導(dǎo)致的沉淀硬化。在該溫度下，第二相元素變成過飽和狀態(tài)。較高溫度和多次應(yīng)用時發(fā)生沉淀，并導(dǎo)致屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和硬化的增加。應(yīng)變時效是塑性變形后某些材料中產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。對低碳鋼板，應(yīng)變時效導(dǎo)致不連續(xù)屈服的重現(xiàn)，屈服強(qiáng)度和硬度增加，韌性減少而拉伸強(qiáng)度無明顯變化。時效引起的性能變化由于材料發(fā)生時效，其性能將發(fā)生較大的變化，主要有以下變化:1）材料的硬度增加；2）鋼的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度增加、抗拉強(qiáng)度增加或不變），塑性和韌性（延伸率，斷面收縮比，抗沖擊功）降低；3）某些電學(xué)性能和物理性能也發(fā)生了變化，如使電阻降低，磁矯頑力提高等。影響時效的因素鋼中的碳、氮間隙原子是引起時效的基本元素，這些元素的原子在室溫下仍具有擴(kuò)散能力，因此由于急冷造成的過飽和固溶體處于不平衡狀態(tài)時，必將引起時效現(xiàn)象。淬火時效主要靠碳，氮化物的彌散析出，而形變時效則是碳，氮原子在位錯附近的富集，對位錯起釘扎作用的結(jié)果。位錯的密度隨鋼材的化學(xué)成分，熱處理及冷變形等因素而不同的。曾經(jīng)有人計算過，當(dāng)鋼中碳、氮的過飽和度達(dá)0.0001%以上時就會引起時效現(xiàn)象。鋼中的含碳量越高，固溶在-Fe中的碳量也就越高，時效的效果也就越明顯。但當(dāng)鋼中的含碳量大到在組織中出現(xiàn)滲碳體時，時效效果反而減小。實驗表明，當(dāng)含碳量在0.25%左右時，時效后性能的變化最大。氫原子由于擴(kuò)散系數(shù)比較大，如果長時間放置也會從鋼中析出，這就是氫原子引起的時效現(xiàn)象。硼原子在鋼中即可是間隙型又可以是置換型，這對時效起抑制作用。氧原子對時效沒有太大的影響。研究指出，經(jīng)鋁脫氧的鋼能起到減少鋼的時效敏感性的作用，并不在于鋁有很強(qiáng)的脫氧能力使鋼中的含氧量減少，而是在于鋁與氮之間有很強(qiáng)的親和力，真正起作用的并不是與氧結(jié)合的鋁（酸不溶鋁），而是仍剩余鋼液中的鋁（酸溶鋁）。鋼中的鋁與氮會形成AlN，AlN的溶解度也隨溫度的降低而減小。但是由于鋁的存在，與不含鋁時相比，氮在固溶體中的溶解度大大減小，所以鋁對抑制鋼的時效作用十分明顯。除鋁外，合金元素鈦、釩、鉬、鈮、鉻、硅、錳、銅，砷和錫等合金元素都對鋼的時效有影響。過時效總之，時效過程是一種由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的自發(fā)現(xiàn)象，是碳，氮等間隙原子由于處于過飽和狀態(tài)，在低溫時靠擴(kuò)散能力，從固溶體中脫落（或沉淀）致使材料的性能發(fā)生變化的過程。為了保證我們所要求帶鋼的各種性能，我們必須采用相應(yīng)的生產(chǎn)工藝措施，防止帶鋼時效現(xiàn)象的發(fā)生。這些相應(yīng)的生產(chǎn)工藝措施就是所謂的過時效。在連續(xù)退火爐中設(shè)置了過時效段，用于對一些有過時效要求的鋼種（如DQ-AK、DDQ-AK、DP鋼、TRIP鋼）進(jìn)行時效處理，即在鋼種的過時效溫度范圍內(nèi)，使帶鋼保持足夠的過時效時間，使碳、氮等間隙原子充分析出，但是它們的析出與普通低碳鋼的析出有很大的區(qū)別，主要是由于在這類鋼中同時添加了鋁、釩、鈮等合金元素，這部分元素會與氮形成穩(wěn)定的氮化物同時析出，使鐵素體基體強(qiáng)化（稱為第二相的彌散硬化），并且使晶粒細(xì)化，使鋼的強(qiáng)度和韌性均能顯著提高，同時使較低溫度的時效現(xiàn)象受到抑制。如在鋁脫氧的鎮(zhèn)靜鋼中，加入足夠數(shù)量的鋁，使它除去與氧結(jié)合外（鋁作為脫氧劑加入），還剩余相當(dāng)數(shù)量（0.020.04）在固溶體中，利用這部分剩余的鋁來固定氮，即通過軋后緩冷或在700800保溫，使鋁與氮形成穩(wěn)定的AlN，這樣就可以減弱甚至完全消除通常在較低溫度發(fā)生的時效現(xiàn)象。同時高度彌散的AlN質(zhì)點在1000以下（與鋁的濃度有關(guān)）能阻止奧氏體晶粒長大，使鋼成為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。另外，由于合金元素的存在，固化了鋼中的碳、氮。使鋼在經(jīng)過變形后，雖然出現(xiàn)了大量的位錯和空位缺陷，但沒有碳、氮的快速移位而形成柯氏氣團(tuán)，從而降低了形變時效的產(chǎn)生。時效的實際應(yīng)用汽車車身的部件，如前擋泥板，汽車頂板等，如果經(jīng)冷沖壓加工而成，在低碳鋼板存在有物理屈服現(xiàn)象（在不增加應(yīng)力時的屈服現(xiàn)象）的時候，由于局部的突然屈服，鋼板的形變就不均勻，結(jié)果在鋼板表面出現(xiàn)形變帶皺紋。為了避免產(chǎn)生這種缺陷，首先應(yīng)設(shè)法消除物理屈服現(xiàn)象。實踐證明，經(jīng)過退火的鋼板，在沖壓加工前進(jìn)行小變形的軋制（0.8-1.5%的變形量），可以消除物理屈服現(xiàn)象。但是，這種物理屈服現(xiàn)象的消除，只是暫時現(xiàn)象，如果經(jīng)過一定時間的時效后，物理屈服現(xiàn)象又會重新出現(xiàn)。這說明形變時效對深沖鋼板