好久没出来露脸了,你不会忘记我的。
这么久没出来,主要是因为最近在忙项目。
此外,还要考虑后续文章的连续性,即先写什么,再写什么。
几天前,一些朋友看到了我朋友圈发送的五一节风景照片,称赞我,对我说,你已经很久没有更新日记了,我想你没有更新。
我说,怎么可能,我会更新,这个月会更新。
这不,今天,我就来了。
虽然有点晚了,但我想说,我想死你。
言归正传。
上周五,当我选择洁净室使用的微导轨时,其中一个是材料的选择。
导轨供应商表示,使用马氏体不锈钢具有耐腐蚀性,然后表示使用奥氏体不锈钢具有较高的耐腐蚀性。
我看了看手册,找到了以下不锈钢性能列表,就像导轨供应商说的一样。
事实上,奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢经常用于机械设计,因为它们具有良好的物理和力学性能。
例如,常用的奥氏体不锈钢AISI303和AISI304,弹性模量200Gpa屈服强度约为190Mpa-230Mpa。
常用的马氏体不锈钢 AISI420和AISI440C,弹性模量为215Gpa,420淬火和回火热处理后,屈服强度可达345Mpa-1420Mpa,440C热处理后,屈服强度甚至可以达到1900Mpa。
淬火(Quenching),将工件加热到奥氏体化的临界温度超过30-50℃保温后取出,在水或油中快速冷却。过去,铁、镰刀、砍刀等都会淬火,使刀具硬而不脆(需要回火)。
为了便于理解和记忆,淬火可以理解为蘸,即将烧红的金属元件蘸在水中,就像蘸辣椒酱一样。蘸金属有点重。
回火(Tempering),将淬火工件再次加热至727℃以下是在空气、油或水中冷却的过程中,保温后取出。回字体现了再次的含义,这是在淬火后,一般淬火后都需要做回火,以消除内应力,使组织稳定。
马氏体不锈钢系统
奥氏体不锈钢系统
众所周知,奥氏体不锈钢无磁性,耐腐蚀性好,如刚才提到的303、304、316、202等。
马氏体不锈钢具有磁性,但其耐腐蚀性不如奥氏体,如420、440、410、403等。
那么问题来了,什么是奥氏体不锈钢?什么是马氏体不锈钢?为什么磁性和耐腐蚀性不同?应用有什么区别?
这些问题经常出现在我的脑海中,每次我去查询,但一段时间后,我不记得两者之间的区别,甚至经常逆转马氏体和奥氏体的性质,你有吗?
所以这两天我重新梳理了两者的区别。今天我就来分享一下。如果有错误,欢迎指出,共同进步。
既然是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢,首先什么是奥氏体,什么是马氏体?
说到马奥体,我想我们必须从纯铁开始。
因为马氏体和奥氏体本质上是在纯铁的基础上,在一定温度下形成不同浓度的碳。
众所周知,当纯铁加热到熔点1538度以上时,纯铁变成液体。
纯铁在液体冷却过程中,在不同的温度范围内结晶成不同组织的晶体。
结晶是指液体变固体。
晶体是指原子在空间中定期排列的物体。
这里有几个关于晶体的概念,需要释。
为了便于理解,我打了个比喻,把原子当成苹果。现在我们想给客户发一批苹果。我们不会直接把苹果扔在卡车上,而是先装箱,每个盒子都按照一定的规则放置。一盒一盒的苹果是晶胞。
几盒苹果装满一辆车后,称为晶粒。不同尺寸的汽车可以装不同数量的盒子,形成不同尺寸的晶粒。所有的汽车都装满了,运输给客户,形成晶体。
所以晶体是由晶粒组成的,晶粒是由这些盒子堆在车里的苹果组成的,晶胞是由原子组成的。
例如,铁结晶成体心的立方结构,从熔点到1394度δ-Fe,从1394到912度,结晶成面心立方结构,称为γ-Fe,当温度降至912度以下时,又有体心立方结构,称为α-Fe。
晶体结构:体心、面心、密排六方
众所周知,水可以溶解糖、盐等易溶物,这叫液溶。
同样,上述三种温度范围的铁,δ-Fe,γ-Fe,α-Fe,也可溶解碳,但能溶解碳的能力不同,称为固溶。
碳溶于α-Fe称为铁素体Ferrite=F,或者保持体心立方结构,碳溶于γ-Fe称为奥氏体Austenite=Au,奥氏体塑性好,易变形,仍有面心立方结构。
但是,因为γ-Fe原子间隙比α-Fe因此,它能溶解的碳浓度大于α-Fe大。
奥氏体最大溶解2.铁素体最大溶解01%碳.0218%的碳。
如果碳的质量分数超过两者的溶解度极限,会发生什么?
会形成化合物Fe3C,称为渗碳体:Cementite,碳含量可达6.69%。
在这里,我们有奥氏体的概念。
但上述奥氏体在高温912-1394度之间,如果低于912度,γ-Fe会向α-Fe因此,单个奥氏体不存在。
当温度低于727度时,奥氏体会与其他组织混合形成新的组织,而我们通常使用的不锈钢大多在室温下。
在室温下,不同浓度的碳溶解在铁中形成的组织是不同的。
铁碳相图
铁碳相图微组织
例如,当碳含量小于0时.在0218%,在室温下形成的组织是铁素体。
当含碳量为0.77%时,室温下形成的组织是铁素体和渗碳体的混合物,即珠光体Pearlite,用P表示。
当含碳量是4.3%时,室温组织是奥氏体和渗碳体的混合物,即莱氏体Ledeburite,用Ld表示。
但没有单独的奥氏体存在。
奥氏体不锈钢从何而来?
说到这里,我们不得不谈谈碳钢的加热和冷却过程。
碳钢是以铁和碳为主要成分的合金,碳的质量分数为0.0218%-2.铁碳合金的11%称为钢。其中,碳含量小于0.25%的碳钢叫低碳钢。碳含量为0.25%-0.6%的碳钢也叫中碳钢。碳含量大于0.6%时,叫高碳钢。
合金是指一种金属元素和其他元素结合在一起,形成有金属特性的物质。例如,家里的铝合金窗户是铝与镁及硅组成的合金,厨房水龙头主体一般是铜合金,主要是铜与锌,还含有少量的铅。
像锂铝合金AL-Li由于强度和密度比大,8090和钛合金常用于飞机结构。
在室温下,不同质量分数的碳钢在加热到临界温度以上后会形成奥氏体。奥氏体的一个特点是,它在不同的温度范围或不同的冷却速度下形成不同的组织。
铁碳相图中临界温度为A3,Acm和A1线对应的温度表示不同质量分数的碳在加热时开始转化为奥氏体。例如,当室温组织为珠光体碳钢时,当加热到727度时,奥氏体开始形成。
例如,碳含量为0.77%的碳钢(又称共析钢)在727度到560度的临界温度下等温,在560度到560度之间形成珠光体Ms等温会形成贝氏体Ms-Mf等温形成马氏体。
奥氏体等温转换图
奥氏体等温转换图可能存在的组织
当奥氏体在727-560度之间保温时,首先会在奥氏体晶体边界(晶粒边界)形成渗碳体,渗碳体生长缓慢,使周围的奥氏体缺碳,因此两侧会形成铁素体,形成小珠光体单元,许多小单元扩散交错叠加,最终使整个奥氏体成为珠光体,因此珠光体的基本组织是铁素体和渗碳体的混合物。
560到奥氏体Ms温度范围保温,首先在奥氏体晶体边界沉淀过饱和铁素体,然后在铁素体中沉淀小渗碳体,因此贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。
Ms马氏体开始改变温度,即Martensite Start,碳钢质量分数不同,对应Ms不同,Ms变化在150-310度左右。Mf表示马氏体转换结束温度,即Martensite Finish,也是根据碳质量分数变化的量,在-100到50度之间变化。
因为马氏体在Ms-Mf转换温度低,速度快,只发生铁素体晶体结构变化,碳原子没有时间重新分布,保留在马氏体中,碳质量分数与母奥氏体相同,因此马氏体是碳α-Fe过饱和固溶体。
OK,在这里,我们终于有了马氏体的概念,奥氏体在这里Ms-Mf由温度范围转换形成的组织是碳α-Fe过饱和固溶体。
当然,由于工件在实际热处理中经常连续冷却,而不是保温,最终常温组织一般采用冷却速度进行估计。
奥氏体连续冷却图
例如,退火(Annealing),相当于炉冷,冷却速度很慢,通常是10?5 - 10?3K/s,由于组织在缓慢冷却的过程中会慢慢生长,因此得到的组织是粗片状珠光体。
又如正火(Normalizing),在空气中冷却,冷却速度快,得到细珠光体,又称索氏体,非常小的珠光体称为托氏体。
最后在水中淬火,快速冷却,得到马氏体组织,所以淬火的目的是得到马氏体。
如上所述,马氏体是碳α-Fe中间的过饱和固溶体保持了铁素体的体心立方体结构,但由于内部有大量过饱和碳原子,原子排列拥挤,产生较大的内应力,因此马氏体具有较高的强度和硬度。如果碳含量增加,强度和硬度也会增加,但会变得非常脆弱,必须回火以消除内应力。
说到这里,我觉得有必要谈谈退火和正火热处理的含义。
退火(Annealin g),就是将工件加热到临界点,也就是相图中的A1,A3,Acm线以上,或者在临界点以下某一温度保温一定时间后,十分缓慢地冷却的过程,例如炉冷,坑冷等,目的是改善组织,细化晶粒,降低硬度,改善加工性能,减小应力等。
退火可以理解为退去工件内部的“火”,金属和人一样也有火,比如内部的热应力就是一种火。退火时不能太急,必须慢慢来,才能见效,就像人上火了,可以通过喝茶慢慢降火一样。
正火(Normalizing),和退火有点类似,不同的是,正火是在空气中冷却,冷却速度要快一些,目的是细化组织,适当提高硬度和强度,可加工性等。
正火,从单词Normalize演化而来,可以理解为正常化,什么叫正常化,在空气中冷却就叫正常化,因为在炉中或者在水中冷却,都是人为控制,而在空气中冷却不需要人为控制,可以看成是正常冷却。
所以,正火要比退火便宜。
应用上,低碳钢和低碳合金钢,常以正火做预备热处理,而高碳钢一般用退火做预备热处理,因为碳含量高,硬度也高,不容易加工,退火以降低硬度,提高加工性能。
OK,到这里,我们终于把马氏体和奥氏体的来历给弄清楚了,但是什么又是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢呢?
从奥氏体和马氏体得到奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢,还需要一步。
哪一步呢?
上面说过,在室温下,奥氏体不单独存在,且其在钢中的成分不高,所以不能称为奥氏体钢。
但是,当钢中加入某些足够多的合金元素时,就会扩大奥氏体相区,例如加入9%的镍,或者13%的锰等,则可使A3线下降,使得奥氏体稳定在室温,形成奥氏体钢。
所以奥氏体钢,其实是一种合金钢。
为什么要在碳钢中加入合金元素呢?
因为碳钢虽然有良好的力学和加工性能,价格也便宜,但是它存在不容易完全淬透,强度不够高,不具有耐腐蚀,耐高温,耐磨等特殊性能。
合金元素的加入,刚好可以弥补这些缺点,所以实际工程中,大量使用的是合金钢。
当然,并不是每一种合金元素都使得奥氏体区域扩大,有的合金元素的加入会减小奥氏体区域,甚至使奥氏体区域消失。
例如,Si、Cr、AL、Ti等的加入,当加入的铬元素达到17%-28%,常温下奥氏体区域消失,钢在室温下呈单相铁素体组织,称为铁素体钢。
那么,什么是奥氏体不锈钢呢?为什么不生锈?
奥氏体不锈钢是在低碳钢的基础上,加入了17%-25%的铬元素,和8%-29%的镍元素,例如典型的18-8型奥氏体不锈钢,就是铬≥18%,镍≥8%的合金钢。
镍元素的加入使钢在常温下呈单相奥氏体组织,减少了金属内部因为组织的不同,而形成的微电池数量,从而也就提高了抗电化学腐蚀的能力。
什么是电化学腐蚀?例如,钢中的珠光体是铁素体α和渗碳体F3C层片相间的组织,在硝酸酒精溶液中,构成无数个微电池。α电位低,形成微电池的阳极,不断析出铁离子,也就是被腐蚀,F3C电位高,形成微电池的阴极,把电子传给溶液中氢离子,形成氢气。
电位越高越不容易被腐蚀,例如用来制作散热器的黄铜,是铜锌合金,使用中容易脱锌,因为铜的电极电位比锌的电位高,所以,一般会加入铝,硅,镍等微量元素,防止脱锌。
同时,铬元素的加入,提高了基体的电极电位,并在钢的表层形成了致密的氧化膜Cr2O3,从而使得钢在一定的介质中不容易生锈,所以叫奥氏体不锈钢。
类似地,在含碳量为0.1%-1%的碳钢中,加入12%-18%的铬,并空冷可以形成马氏体不锈钢。
因为合金元素单一,马氏体不锈钢只在非氧化介质中,例如大气,水蒸气中有较好的耐腐蚀性能,而在非氧化介质中,例如盐酸溶液中,耐腐蚀能力变得很低。
所以奥氏体不锈钢的耐腐蚀能力比马氏体不锈钢高,如果对耐腐蚀能力有要求,最好选用奥氏体不锈钢。
到这里,我们终于清楚奥氏体和马氏体不锈钢的概念了。
但是,回到我们最初还剩下的问题,为什么奥氏体不锈钢没有磁性?而马氏体不锈钢有磁性呢?
按照磁铁吸铁的原理,是马氏体和铁素体能够被磁化,而奥氏体不能被磁化。
但是更近一步,为什么呢,我查阅了很多资料,到目前,没有看到很好的解释。
反正结果就是马氏体和铁素体有磁性,但是奥氏体没有磁性或者仅有弱磁性。
如果你有很好的解释,也欢迎在下面留言探讨。
有时奥氏体呈现磁性,一般有两个原因。
一是由于冶炼时成分偏析或热处理不当,会造成奥氏体不锈钢中有少量马氏体或铁素体组织存在。
另外,奥氏体不锈钢经过冷加工,组织结构也会向马氏体转化,冷加工变形度越大,马氏体转化越多,钢的磁性也越大。
对于不锈钢的应用,我们用得最多的还是303和304,但是因为304相对于303来说,可加工性差点,因为304粘刀具,所以用303的时候更多。
另外,我们的钣金件,一般是用304钢板弯折的,用得最多的厚度是1mm,1.5mm,2mm和3mm。当然,有时候只做遮盖用时,也用铝板弯折,并做发黑表面处理,防止生锈。
420的应用也比较多,因为有时候工件太大了,303和304原材料没那么大,就换成420的加工,不过都要做表面处理,如镀锌镀铬等,以防止生锈。
420和440C因为做调质后(淬火加高温500-650度回火),屈服强度很高,所以也常常用于对于强度要求高的设计中,例如我之前提到的,机器人快换装置中的柔性定位销。
鸭,夜深了,明天还要工作,今天就写到这里吧。
洗洗睡了。
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