馬氏體時效鋼

 時效鋼是超高強(qiáng)度鋼中的一種。這種鋼突出的優(yōu)點(diǎn)是熱處理工藝簡單方便，固溶后*行機(jī)械加工再進(jìn)行時效，熱處理變形小，加工性能及焊接性能都很好。時效鋼的熱處理工藝及性能見下表。近年來，國外用時效鋼制作模具較為廣泛；但在國內(nèi)，由于時效鋼含Ni、Co等貴重金屬元素，且含量高，價格昂貴，尚難以廣泛應(yīng)用。該類鋼主要用于精密鍛模及塑料模具。

常用的典型時效鋼是按強(qiáng)度級別分類的

18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)和18Ni(350)是得到廣泛實際應(yīng)用的鋼種。

近年來一些國家研制出許多時效鋼的變異鋼種，特別是開發(fā)出了不少具有良好性能的無鈷時效鋼。

由于時效鋼不是靠碳的過飽和固溶或碳化物沉淀，而是靠某些合金元素在時效時產(chǎn)生金屬間化合物析出而強(qiáng)化的，因此，鋼中的碳，與硫，磷一樣，為有害雜質(zhì)元素。要求碳含量愈低愈好，一般不應(yīng)超過0.03%(對于重要用途，應(yīng)低于0.01%)。鋼中主要合金元素為鎳，鈷，鉬，鈦，

鉻和錳在時效鋼中可用來部分代替鎳和鈷，在近期發(fā)展的無鈷鋼種中還用鎢代鉬或用釩代鈷。硅為雜質(zhì)元素，其含量不應(yīng)超過0.1%。鋁一一般是作為煉鋼時的脫氧劑而加入的，其殘余量在0.05%～0.2%范圍。此外還可用硼、鋯、鈣、鎂和稀土元素等進(jìn)行微量元素處理，以改善鋼的某些性能。

 馬氏體時效鋼

既具有高的延性、韌性又能產(chǎn)生超高強(qiáng)度的鋼種是時效鋼，研發(fā)這種鋼的材料學(xué)思路是高純凈、高鎳、超低碳的鋼。這樣，即使在較小的冷卻速度下也能淬火獲得馬氏體組織和具有優(yōu)良的沖擊抗力及斷裂韌性。三種主要馬氏體的時效鋼是：
Nil8時效鋼
這種鋼有三種型號，其屈服強(qiáng)度分別為1350MPa、1650MPa和1950MPa，這類鋼的雜質(zhì)含量很低，需要經(jīng)一次或二次真空冶煉。并含有0.003%B、0.002%Zr和0.005%Ca以清除雜質(zhì)并幫助改善熱塑變加工性能。
熱處理工藝包括850℃～870℃固溶處理，空冷或水淬，再在480℃時效3h。除了Co之外，加入的合金元素都降低Ms點(diǎn)，但可保持Mf點(diǎn)高于室溫，這樣固溶化后淬冷下來都能*轉(zhuǎn)化為馬氏體。時效析出硬化相主要是小片狀，但也有一些。嚴(yán)重過時效也能生成，Co的作用是加強(qiáng)引起析出硬化，而Mo則是時效硬化的主要元素。

調(diào)整時效溫度、時間，可獲得不同的強(qiáng)度。時效溫度過高(>600℃)，因鋼的點(diǎn)低，會引起奧氏體形成，這種奧氏體由于高度合金化，使Ms點(diǎn)降低到室溫以下，而穩(wěn)定的保留下來。如果需要高強(qiáng)度，可以在時效前對原低碳馬氏體進(jìn)行50%形變量的冷塑性變形加工。
在高抗拉強(qiáng)度下，這種鋼仍具有優(yōu)良的沖擊韌性，而且具有強(qiáng)化缺口的作用，其缺口強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比在1．35～1．65之間。時效前進(jìn)行50%的冷變形加工，可將上述名義強(qiáng)度提高到1700 MPa、2000 MPa和2100MPa。
Ni20時效鋼
鋼的雜質(zhì)含量與Nil8鋼相似，但Ni含量較高，時效硬化元素不用Mo和Co，而是用1．5%Ti、0．25%A1和0．5%Nb來產(chǎn)生。這種鋼的Ms點(diǎn)比Nil8鋼低，但固溶處理淬冷到室溫后仍可充分發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。如果相變不*，可在一78℃下冷卻處理或通過冷塑性變形(冷塑性變形可提高M(jìn)s點(diǎn))來完成，這種鋼正常的時效硬化相是和。

Ni25時效鋼
這種鋼含25%Ni和1．5%Ti、0．25%A1或0．5%Nb(亦可Al、Nb并用)，Ms點(diǎn)低于或接近室溫。固溶處理后鋼的組織基本是奧氏體，所以應(yīng)在時效前將其轉(zhuǎn)化為馬氏體，為此可以采用兩種方法：
(1)奧氏體時效：加熱到700℃保持4h使其從奧氏體中析出或。于是奧氏體合金含量降低，Ms點(diǎn)上升，隨后冷卻時奧氏體大部分轉(zhuǎn)化為馬氏體。如在時效硬化處理(480℃，3h)之前進(jìn)行一78℃冷處理，即可保證馬氏體*轉(zhuǎn)變。700℃的奧氏體時效，由于形成，使奧氏體硬化。但相在相變時會失去共格性，而且在隨后馬氏體時效硬化時，可以利用的Ti，Al都減小了，所以強(qiáng)度要低些。馬氏體時效處理時的析出相是η-。
(2)冷塑變形加工加冷處理：奧氏體冷塑變形加工，變形量應(yīng)大于25%，才能提高M(jìn)s—的溫度區(qū)段，使該鋼在一78℃(干冰)或一196℃(液氮)冷處理時完成馬氏體轉(zhuǎn)變，這種加工處理充分發(fā)揮合金元素的析出硬化作用，可獲得強(qiáng)度高于奧氏體的時效處理。

主要生產(chǎn)工藝有冶煉、熱加工、冷加工、焊接、熱處理和表面處理。
冶煉
一般采用真空感應(yīng)爐熔煉加真空自耗爐重熔的雙真空冶煉工藝。對于強(qiáng)度級別在1500MPa以下的鋼種，可以采用非真空冶煉，或非真空冶煉加電渣重熔的工藝。但對高強(qiáng)度級別和用途重要的鋼種，必須采用雙真空冶煉工藝。在真空自耗重熔時，應(yīng)嚴(yán)格控制電流和熔池溫度，以免鋼錠產(chǎn)生嚴(yán)重的枝狀偏析。
熱加工
時效鋼在高溫下具有良好的熱塑性，其熱加工性與1Crl8Ni9Ti大體相同。對于鈦、鉬含量較高的鋼種，鋼錠凝固時容易發(fā)生這些元素的微觀偏析，熱加工后形成各向異性的帶狀顯微結(jié)構(gòu)。減輕或消除微觀偏析的有效措施，是選擇合適的鋼錠尺寸和熱加工時進(jìn)行充分的高溫均質(zhì)化處理。為了防止由于Ti(C，N)等化合物沿奧氏體晶界析出引起的高溫緩冷脆性，熱加工后應(yīng)盡量避免工件在1100～750C溫度區(qū)間內(nèi)緩冷或停留。為了獲得細(xì)晶粒和較佳力學(xué)性能，終鍛應(yīng)在較低溫度下(950～850C)，以較大的變形量(大于25%)完成。
冷加工
在固溶狀態(tài)下冷加工性非常好。拉拔、冷軋、彎曲、深沖等加工都容易進(jìn)行。鋼的加工硬化指數(shù)為0.02～0.03，與普通鋼相比低一個數(shù)量級。因此，加工過程中無需軟化退火即可進(jìn)行90%以上變形量的冷加工。
焊接
良好的焊接性是時效鋼的優(yōu)點(diǎn)之一。幾乎所有的焊接工藝都能適用。焊絲成分與被焊鋼成分基本相同，焊前不必預(yù)熱，焊后不處理也不會產(chǎn)生裂紋，直接時效后，接頭系數(shù)即可超過90%。
熱處理
熱處理工藝簡單是時效鋼的另一重要優(yōu)點(diǎn)。鋼經(jīng)熱加工后，在冷加工和時效強(qiáng)化之前應(yīng)進(jìn)行固溶處理。目的在于：溶解熱加工后余留的沉淀物；使基體溶有充足的強(qiáng)化元素；并獲得均勻的高位錯密度的全馬氏體組織。固溶溫度通常采用820～840℃，固溶時間為每25ram厚度1h，固溶后空冷，冷卻速度對組織和性能影響不大。時效鋼的高強(qiáng)度是通過時效處理得到的。時效溫度一般為480℃，強(qiáng)度級別高的鋼種可采用510¨C，時效時間為3～6h，時效后空冷。時效后在馬氏體基體上，析出大量彌散的和超顯微的金屬間化合物質(zhì)點(diǎn)，使材料強(qiáng)度成倍提高而韌性損失較小。
時效鋼的性能還可通過奧氏體形變，或馬氏體形變，或兩者結(jié)合得到提高。奧氏體形變處理使奧氏體晶粒尺寸減小到10um以下，從而得到具有一定延性的，強(qiáng)度大于3500MPa的時效鋼。在固溶后和時效前進(jìn)行的馬氏體形變處理，由于產(chǎn)生更多的位錯，通?？墒箯?qiáng)度提高200MPa。固溶前的馬氏體形變，能細(xì)化奧氏體晶粒并增加鋼時效后的強(qiáng)度。
表面處理
如果不進(jìn)行表面處理，時效鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)度并不比普通高強(qiáng)鋼好。因此對于這種用途的零件，必須進(jìn)行表面處理(氣體滲氮、離子氮化或離子注入等)。離子氮化可使18Ni(250)鋼滾動軸承的接觸疲勞壽命提高1倍以上。
應(yīng)用時效鋼已在包括火箭發(fā)動機(jī)殼體， 殼體，鈾同位素離心分離機(jī)的高速轉(zhuǎn)簡，直升飛機(jī)起落架，高壓容器，轉(zhuǎn)軸，齒輪，軸承，高壓傳感器，緊固件，彈簧，以及鋁合金擠壓模和鑄件模，精密模具，冷沖模等工模具等方面獲得廣泛的應(yīng)用。