[科普中國]-沉淀硬化

簡介

沉淀硬化（Precipitationhardening）（析出強(qiáng)化）是指金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化的一種熱處理工藝。如奧氏體沉淀不銹鋼在固溶處理后或經(jīng)冷加工后，在400～500℃或700～800℃進(jìn)行沉淀硬化處理，可獲得很高的強(qiáng)度。即某些合金的過飽和固溶體在室溫下放置或者將它加熱到一定溫度，溶質(zhì)原子會在固溶點陣的一定區(qū)域內(nèi)聚集或組成第二相，從而導(dǎo)致合金的硬度升高的現(xiàn)象。

沉淀硬化熱處理：沉淀硬化的熱處理工藝過程為固溶處理+時效處理；沉淀硬化機(jī)制為彌散強(qiáng)化。

沉淀硬化機(jī)理沉淀硬化機(jī)理是因為金屬材料中第二相粒子從過飽和固溶體里析出而引起應(yīng)變，從而引起金屬點陣的強(qiáng)化。造成最大強(qiáng)化是在形成可見的第二相粒子之前，這個階段稱為析出的孕育階段。在這個階段，要析出來形成第二相的原子，傾向于成群地堆積，它們與母相保持連續(xù)的共格聯(lián)系，就在這個時候發(fā)生了最大的應(yīng)變，從而產(chǎn)生了最大的強(qiáng)化。

沉淀硬化處理有兩個作用。①消除馬氏體的應(yīng)力，增加韌性、塑性和耐蝕性。②通過析出金屬間化合物而增加硬化效果。

不銹鋼的沉淀硬化是復(fù)雜的熱處理過程。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉淀硬化處理加熱時，馬氏體中的鋁以Ni-Al金屬間化合物的形式析出，析出的數(shù)量取決于反應(yīng)的時間和溫度。但是當(dāng)析出群長到臨界尺寸時，在兩相之間形成了界面而與母相失去了共格關(guān)系，從而減弱了點陣的應(yīng)變，降低了強(qiáng)度，這種現(xiàn)象叫“過時效現(xiàn)象”1。

沉淀硬化不銹鋼及其分類沉淀硬化不銹鋼是20世紀(jì)40年代由美國鋼鐵公司等相繼開發(fā)出的鋼種。其經(jīng)過沉淀硬化熱處理后強(qiáng)度高，塑性和耐蝕性優(yōu)于其他不銹鋼。

沉淀硬化不銹鋼根據(jù)其基體的金相組織可以分為馬氏體型、半奧氏體型和奧氏體型3類。

（1）馬氏體型

馬氏體型沉淀硬化不銹鋼通常是在馬氏體狀態(tài)下供應(yīng)，經(jīng)過簡單的時效處理進(jìn)行沉淀硬化。馬氏體沉淀硬化不銹鋼的性能可以通過馬氏體形成與沉淀硬化機(jī)理中的一種或兩種共同作用來獲得，它是沉淀硬化不銹鋼中應(yīng)用最廣泛的鋼種。

（2）半奧氏體型

半奧氏體型不銹鋼的基體是奧氏體且含5%～20%的δ鐵素體，硬化前通過特殊熱處理，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體然后進(jìn)行時效處理。半奧氏體不銹鋼可以加工成各種產(chǎn)品，但主要用于平軋薄板和帶材，此沉淀硬化不銹鋼在閥門產(chǎn)品中一般不采用。

（3）奧氏體型

奧氏體型不銹鋼是在奧氏體狀態(tài)下供應(yīng)，這類鋼極少采用2。

沉淀硬化的研究進(jìn)展沉淀強(qiáng)化仍是開發(fā)超高強(qiáng)度合金最有效的一種方法。它是通過析出彌散的、又能阻礙位錯運動的第二相沉淀顆粒來獲得強(qiáng)化。從1911年Wilm首次在鋁合金中發(fā)現(xiàn)時效硬化已有近一個世紀(jì)，自那時起，沉淀強(qiáng)化機(jī)制和沉淀動力學(xué)就成為人們研究的課題。然而直到1940年Mott和Nabarro提出位錯理論后才真正弄清楚了時效硬化的基本原理。作為此項研究的一個里程碑，Oorwan于1948年推導(dǎo)出了它的平衡方程，被認(rèn)為是彌散強(qiáng)化或用不變形顆粒強(qiáng)化合金理論的基礎(chǔ)。1963年Kelly和Nicholson總結(jié)了早期的沉淀硬化理論。1971年Brown和Ham總結(jié)了對沉淀機(jī)制認(rèn)識的研究進(jìn)展，并著重討論了位錯與沉淀物相互作用的方式。Ardell對到上世紀(jì)八十年為止的相關(guān)研究工作進(jìn)行了全面總結(jié)，并著重研究了位錯與顆粒相互作用和時效硬化機(jī)制的統(tǒng)計學(xué)問題，雖然Ardell提倡在理論上進(jìn)行創(chuàng)新，但此后的沉淀硬化研究并不很活躍。近年來有關(guān)硬化機(jī)制的專門研究或部分研究在很大程度上仍延續(xù)過去Ardell的思路。Martin及Bratland等人對沉淀動力學(xué)的進(jìn)展做了全面總結(jié)。

沉淀硬化的量化研究是一項富有挑戰(zhàn)性的課題，因為它需要沉淀強(qiáng)化機(jī)制和沉淀長大/粗化動力學(xué)方面的綜合知識。很多學(xué)者基于強(qiáng)化機(jī)制及動力學(xué)理論嘗試通過電腦模擬來再現(xiàn)實驗觀測。然而近年來尚未見到理論上的創(chuàng)新3。