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什么是钢材的混晶?今天 我们就来聊一聊:混晶问题 !

钢材金属材料的混晶问题

在机械制造行业当中,热处理工序过后金相观察时,经常会发现混晶现象。让热处理工作者感到非常担忧。今天我们就来聊一聊混晶问题。


一、什么是混晶
混晶,顾名思义,就是晶粒度大小不一的混杂在一起。晶粒度是表征金属材料韧性好坏一个指标;晶粒度级别越高,材料韧性越高;反之韧性越差。如果在高级别晶粒的区域中混入低级别的晶粒,就会拉低金属材料整体的性能;低级别晶粒所占比例越大,材料的整体性能越不稳定。

一般情况下,我们把相差3-4级晶粒度的晶粒同时出现在组织当中的情况,就认为发生了混晶。当大晶粒所占比例超过10%时,我们就不得不重视大晶粒可能造成机械零件的早期失效

混晶所产生的不稳定因素,让我们无法预知机械零件可能在什么时候失效。所以混晶对于我们热处理工作者来讲,是非常不愿意看到的。

混晶金相图片如下图所示:
二、混晶的起因:
作为热处理工作十几年的技术人员,不敢高谈阔论。只是通过这些年的积累,把我所认为的可能产生混晶的起因分享一下,不当之处还请大家指教!

我认为混晶产生的根本原因有两个大类:
A、合金元素偏析(合金元素分布不均匀)
B、临界变形度(钢铁发生了变形,晶粒发生变化)

围绕这两个原因,我们从钢材冶炼开始谈起:
1、钢材冶炼
我们都知道钢材冶炼过程,就是用铁矿石和各种原料经过复杂工艺最终冶炼成钢水,然后浇铸形成钢锭。钢水的形成过程钢厂是最专业的,并且作为液相的钢水来讲,均匀程度自然不在话下,所以此处不做评价。我们只说钢水冷凝成为钢锭的过程。


钢锭偏析是我们最为常见的一种偏析形式。用通俗的话来讲,钢锭产生偏析原因很简单,就是合金元素在凝固过程中,容易先凝固,而合金元素少的地方会稍后凝固;这样就造成了合金元素的分布不均匀的现象。最典型的金相组织是枝晶偏析。还有一些杂质,夹渣随着钢液的翻滚冷却过程,也会在特定的位置聚集。

偏析最大的问题就是会导致合金元素的分布不均匀。也就是说会导致碳、铬、镍、钼、铝等等合金元素的分布不均匀。这些元素的分布不均匀就会形成一个个相对独立的小区域,这个区域内有着不同的化学成分。严重一点说,每一个区域都是一个钢种。

在这个阶段,我们仅仅看到了这样的晶粒,还和混晶说不上。大家不要着急,我慢慢解释。


2、钢材轧制
从钢锭到钢材出厂,需要一个过程,这个过程就是轧制。钢锭变成我们需要的棒材、板材、线材、型钢等等,需要对钢锭再加热,然后经过N道轧制,最终满足我们的需求。

轧制前一般会对钢材进行扩散退火,扩散退火的目的就是为了让钢材合金元素均匀化,就是我在1中提到的,凝固过程中合金元素的偏聚导致了成分不均匀,这样的钢材会有很大的问题,所以通过扩散退火,温度在1200℃左右,这时候合金元素活性增加,活动范围加大,会在钢铁内部做扩散运动,也就是从浓度高的地方跑到浓度低的地方,这样就可以提升钢材的均匀性了。同时,我还是要强调,毕竟这个钢铁还是固体的,没有变成液相,虽然合金元素发生了移动,只是对钢材均匀性进行了改善,不能达到完全消除的目的

轧制的过程就相当于我们锻造和挤压的过程。在这个过程中,钢材经受了加热、锻打、挤压、降温、再结晶、退火、再挤压等等工序;原始钢材的一些缺陷在这个过程中被逐步缩小,合金元素的偏聚程度也逐步降低

如果这个两个过程是完美的,那么就不存在后边的问题了。但是现实是残酷的。

为了节约费用、降低成本,钢厂在这两个环节会提高生产效率,就有可能会扩散退火温度不足、时间不足;轧制过程省去退火工序、加大锻造比等等手段来提升生产效率。这样一来,原材料的缺陷有可能会被掩盖,但是没有根除,甚至在轧制过程中会越演越烈。这个变化,我们在3中讲述原因。


3、变形问题(锻造、挤压)
机械加工厂拿到钢材以后,形状结构复杂的一般情况下会采用热锻造、冷挤压的方式,让工件预成型,然后在精加工,热处理,磨削最后做成成品。那么在这个过程中,问题来了。

其实加热锻造和2所讲的钢材轧制是一个道理,只是设备不同,压缩比不同,产品结构不同而已。冷挤压是在不加热的情况下,利用钢材本身的韧性产生塑性变形来成型的工艺。这两个工艺都牵扯了一个问题那就是塑性变形

我们知道金属的韧性就是指他的形变能力,通俗的说就是拉伸或者压缩的能力,能够被拉伸的越长说明韧性越好,能够压缩的越短,说明韧性越好。在拉伸或者压缩的过程中,晶粒发生了什么变化呢?我们想想一下橡皮筋。一开始橡皮筋的直径是10mm的话,如果你拉伸了长度的10倍,那么他的直径变成了多少?肯定不是1mm,但是为了说明问题,大家都知道他会变细,继续拉,他会更细,直到你拉断他。

金属的变形就是晶粒发生变化的过程。没有发生形变以前的晶粒虽然形状不规则,但是大家还都相安无事,基本上是以团状存在,大家搂在一起还是比较温暖的。随着外力到来,大家就像橡皮筋一样被拉扯,生存空间被挤压,只能随着外力变细,不断变细。原来是一堆土豆,现在变成了一束麦子。大概就是这样子。

在这个过程中,大家还是相安无事,没有太多的事情发生。甚至你会惊奇的发现,晶粒度超级好。从土豆粗细,变成麦秆大小,确实细了不少。但是我们要擦亮眼睛,不要被表象迷惑。

4、热处理:
热处理作为中间工序,看不见摸不着,不能即时检测,过程中无法调整,只能通过过程控制和最终检验确定产品状态。所以在整个机械制造行业内部就一直扮演着一个受气的小媳妇的角色。

前边的所有工序所产生的问题都在热处理集中爆发了。
热处理的渗碳、淬火工艺,都要求加热到钢材的奥氏体化温度以上才能进行。这就不得不将工件加热到AC3温度以上进行作业,在这个过程中,发生了很多奇妙的转变。体心立方的铁素体晶格转变为面心立方的奥氏体晶格,溶碳量增加,合金元素融入量增加,合金元素的扩散等等都在这个过程要发生。晶粒之间的界限也会被打破,重新结晶,原始晶粒要发生变化,晶粒要重组

晶粒重组的过程,说的简单点就是比拼能量的过程,有点恃强凌弱的意思。就比如我们目前的国际形势一样。高科技、核武器、作战能力等决定了国家的大小,能力越强国家越大;能力越小,国家越容易分裂。合金元素所形成的碳化物就像一个一个据点一样,扎在这些国家当中,阻碍晶粒的长大;而另外一方面,在合金元素稀少的地方,所到之处,所向披靡,版图不断扩大,晶粒逐渐长大。

为了保证产品的变形尺寸,加热温度不能太高,就会导致合金元素的扩散行为收到牵制,加热温度太低,不能满足奥氏体化,就会导致相变无法进行,所以热处理的加热问题属于中温加热,大大受到制约。

一般情况下,渗碳温度在900-940℃左右,淬火温度一般在AC3温度以上30-50℃进行。这些都是教科书给我留下的数据。那现在我们就讨论一下在这个温度下,1、2、3可能会给我们带来什么后果。

a、合金元素的偏析的影响
随着奥氏体化的进行,存在不同区域的合金元素含量不同,会导致这些区域的奥氏体化温度高低不同,在工件达到同样温度的前提下,有的区域已经开始了奥氏体的转变,有些区域还在准备过程中;有的区域已经奥氏体转变完了,有的区域还没有结束;这就势必导致那些先转变为奥氏体的区域的晶粒不断长大,而那些还没有转变完了的区域的晶粒细小。如果此时,终止奥氏体化,快速冷却,就会产生大小晶粒的并存,严重的话就会产生混晶。

合金元素当中大多数元素都会阻碍晶粒长大:如V、Ti、Nb等;有合金元素会减慢奥氏体形成速度,如Cr、Mo、W等;这样的元素会影响晶粒度变大,起到细化晶粒的作用。同时也有少数元素会促进晶粒长大:如Mn、P等。如果这些元素在钢材中偏析严重,就可能发生混晶。

b 、轧制过程和锻造过程以及冷加工过程的形变的影响
这个过程中晶粒受到拉扯和挤压导致的晶粒变形,使得原本的晶界虽然存在,但是能量降低。

随着加热温度上升,到了钢材本身的再结晶温度的时候,晶粒就会重组。此时合金元素的能量越来越大,两个相邻的细条状的晶粒。原本只能在晶粒内活动的元素,突破两个晶界之间变得更加容易,他们就会走捷径,两个细条状晶粒就会在极短时间内合并形成一个大晶粒。随着加热温度和加热时间的变化,这些晶粒不断的长大,直到没有能量再去突破晶界的约束的时候才会停下来。此时已经形成了很多的大晶粒。这样的形变晶粒并不是所有的都会产生这种情况,只有当达到临界变形的晶粒才会长大,这样还存在一些正常的晶粒,与是就产生了混晶。

C、温度的影响
锻造过程、热处理过程温度和时间的影响对于晶粒的影响也非常大。当温度较高时候,保温时间较长的情况下,晶粒也会长大。这个温度根据材质而定,不同的材质的极限温度不同。

热处理的温度一般比较固定,常规渗碳温度一般不会超过950℃,这个温度下,大多数的本质细晶粒钢不会发生较大变化。但是也不排除,参数错误,或者温度不准确导致的超温,而使钢材发生晶粒粗大。

锻造超温发生的晶粒粗大,一般会在锻造后的金相中发现魏氏组织。可以通过多次正火来消除魏氏组织。从本质上来讲,温度造成的晶粒变化,可以通过正火来弥补。但是现实中,如果出现魏氏组织,一般不建议使用。

小结:
综上所述,我认为混晶产生的最重要的原因就是元素偏析,并且在后续的过程中很难通过热处理方法来消除。

其次,就是能够产生形变的每一道工序,需要注意晶粒的大小;纯粹的因为形变导致的晶粒度混晶,是可以通过热处理工艺来进行改善的。如果晶粒已经长大,并且状态稳定,合金元素已经在晶界上析出的,处理起来也会比较麻烦的。
 
以上内容,不当之处,还望各位同行批评指正,不吝赐教!

来源:青岛丰东

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