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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 金属 » 基础研究 » 【求助】马氏体耐热钢(高合金)淬火硬度为什么与碳钢和低合金钢不一样(含碳量一样)
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weldingpeng

木虫 (小有名气)

[交流] 【求助】马氏体耐热钢(高合金)淬火硬度为什么与碳钢和低合金钢不一样(含碳量一样)

一般来说，碳钢或者低合金钢淬火后得到完全的淬火马氏体，其硬度取决于含碳量(符合Krass总结的淬火马氏体与含碳量的关系图)。
在高合金情况下，尤其是马氏体耐热钢，同样含碳量，同样条件下得到完全的淬火马氏体，其硬度却要比普通碳钢高出好多。
这是为什么？ 本来想解释成合金元素提供了这部分硬度，但是碳当量公式却不适用于高合金钢，如何能够定量的用合金元素来解释上面这一现象那？
有没有高手给指点一下，多谢！
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1楼 2010-10-13 09:31:37
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sourbing

木虫 (正式写手)
weldingpeng(金币+1): 2010-10-17 13:34:30
引用回帖:
Originally posted by weldingpeng at 2010-10-15 10:42:08:


首先非常感谢你的指点。
第一，首先热处理方法一样，试样尺寸一样。
第二，我通过光镜，SEM，TEM确认都确实是完全淬火马氏体。
确实像你所说的，有很多因素在影响硬度差，但是我逐个排除影响因素，最后只剩 ...

对，马氏体内的弥散析出强化确实可以提高强度，影响硬度。而且就是特有的，我看的少，但锅炉管的基本上都会有。

弥散析出强化相尺寸应该小于几十个nm的颗粒，所以TEM因为基体的存在很难打出衍射光斑。至于萃取，我目前也正在做相关的工作，除非大量存在，否则很难萃取出并观察，目前类似Mo2C等可以萃取出，但更细的就无能为力了，这需要专业的化学人才，采用不同的电解液，或是萃取，或是分离，总之很难。。希望你成功！
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17楼2010-10-15 19:03:31
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dongdong8679

新虫 (小有名气)
★
weldingpeng: 金币+1 2013-08-03 16:20:30
碳当量公式不适用于高合金钢是因为这些高合金钢的加工工艺不同于普通合金钢，比如说P91P92P122E911这些钢，他们的冶金方式与普通合金钢是有显著区别的，他们的强化工艺包括降低含碳量，降低SP等杂质的含量，另外微合金化和控轧控冷的加工工艺也和他的强度有很大的关系，想要定量评价这类钢的硬度只能亲自做实验
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26楼2013-07-30 23:20:18
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普通回帖

weldingpeng

木虫 (小有名气)

补充

是不是这个问题只能定性的说合金元素提供了这个硬度增值，而无法量化。
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2楼2010-10-13 09:38:45
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comma

专家顾问 (知名作家)
weldingpeng(金币+1):谢谢参与 2010-10-13 15:18:03
碳当量是指块材整体情况。合金成分并不是如我们想象那样均匀分布。
淬火条件不同，合金成分微观差异，使得马氏体的微观碳含量以及马氏体形态都有差别，甚至分布也有差别，就会造成力学性能不同。
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3楼2010-10-13 14:31:44
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weldingpeng

木虫 (小有名气)

仍然有疑问

举个例子， 马氏体耐热钢《含10%Cr，0.2%C》，固溶后淬火，得到完全淬火马氏体，硬度为600HV； 但是，普通碳钢《0.2%C》，固溶后淬火，得到完全的淬火马氏体，硬度为500HV。还要说明一下，这些硬度值多次不同位置打点得到的是平均值。
这样比较一下，不难发现，马氏体耐热钢得到完全淬火马氏体的硬度要比普通碳
钢高出100HV， 我认为，这仅仅用合金元素微观分布差别造成马氏体微观含碳量差别，进而造成这100HV差别来解释，使有些牵强的。
那么，用碳当量公式时，发现该公式只适用于低合金钢，对于马氏体耐热钢，得到的结果是碳当量2.5%〉〉0.2%， 所以无法解释。
这种情况下，是不是就要修正一下该公式那？
期望你的指点！
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4楼2010-10-13 15:32:41
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sourbing

木虫 (正式写手)
weldingpeng(金币+2):非常感谢你的提问，我可以从基本知识考虑一下 2010-10-13 17:01:54
这个问题你要从几方面入手
1.硬度是什么？
2.马氏体是什么？
3.耐热钢和普通碳钢淬火后的马氏体组成？
4.不同马氏体结构与硬度的关系？
楼主，硬度不只是和C有关，加了合金后形成的马氏体与碳钢的完全不是一回事啊
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5楼2010-10-13 16:04:57
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comma

专家顾问 (知名作家)
我提到的是合金成分的微观不同，不仅仅是C的存在。合金钢之所以有比碳钢好的性能，就是还有其他合金成分其作用。
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6楼2010-10-13 16:18:36
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weekend.ba

木虫 (正式写手)
★
jic8417(金币+1):谢谢参与 2010-10-14 16:38:37
合金元素对马氏体本身也有很大影响，不光是C。碳当量对于马氏体硬度没什么对应关系。如果非得抓住硬度提高的本质原因不放，那估计要做很多高分辨和原子尺度元素分布了。
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7楼2010-10-13 16:40:16
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weldingpeng

木虫 (小有名气)

一点想法

上面几位都强调了合金元素对硬度的重要性，下面我也谈谈我的看法。

硬度本质上是位错的多少以及其受阻碍程度，如果材料中本身硬度就高，例如淬火马氏体由于晶格畸变产生大量的位错；另外就是有弥散分布的析出相或者细晶粒，能够有效阻碍位错运动，那么该材料硬度就高。
马氏体是C在alfa铁素体中的过饱和间隙固溶体，由于碳的固溶造成晶格畸变，产生大量位错，进而得到较高的硬度；但是合金元素作为置换式固溶体，对晶格畸变的贡献不大，所以可以认为马氏体的硬度主要取决于含碳量。
低碳高合金钢和低碳碳钢所得到淬火马氏体都是板条马氏体，并且各种晶粒都差不多，所以可以认为，合金对淬火马氏体硬度的影响是不大的。
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8楼2010-10-13 17:17:38
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长临河

铜虫 (正式写手)
是不是可以考虑一下，碳钢并没有生成100%马氏体；
而高合金钢近似可以得到100%马氏体的缘故？
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9楼2010-10-13 17:26:54
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沐星人

金虫 (初入文坛)
weldingpeng(金币+1):谢谢参与 2010-10-14 11:20:01
应该要考虑合金的固溶强化和形成碳化物后的细晶强化因素
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10楼2010-10-14 09:50:57
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weldingpeng

木虫 (小有名气)
我采用了Hall-petch 公式计算了一下，结果经理细化提供的硬度值还不到20HV。看来只能笼统说合金元素固溶强化提供了这部分硬度，但是我个人认为没有说服力。根本找不出强有力的证据。真是郁闷！
另外就是，这本身就不需要解释，或许这也是没有人来解释的原因。搞不懂。
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11楼2010-10-14 11:18:56
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sourbing

木虫 (正式写手)
★ ★
jic8417(金币+2):谢谢专家解答 2010-10-14 16:37:56
引用回帖:
Originally posted by weldingpeng at 2010-10-13 17:17:38:
上面几位都强调了合金元素对硬度的重要性，下面我也谈谈我的看法。

硬度本质上是位错的多少以及其受阻碍程度，如果材料中本身硬度就高，例如淬火马氏体由于晶格畸变产生大量的位错；另外就是有弥散分布的析出相 ...

道理没错，但你考虑的只是少量合金元素的影响较小，但如果高合金的话，就影响很大了，虽然合金元素主要是置换Fe，位置没有太大的变化，但合金元素和铁原子形成的晶格与单纯的铁是不同的，你能说金银铜铁锡铬钼等硬度一样么？这里面还有原子间作用力等问题。
C的间隙造成晶格畸变，增强硬度，同样同结构不同类型的晶体组成也必然要改变硬度，至于位错，相对宏观，但产生位错后周围的粒子是什么，结合力多少，这同样是影响位错能力的因素。
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12楼2010-10-14 13:36:28
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weldingpeng

木虫 (小有名气)
★
jic8417(金币+1):谢谢参与 2010-10-14 16:38:02
引用回帖:
Originally posted by sourbing at 2010-10-14 13:36:28:


道理没错，但你考虑的只是少量合金元素的影响较小，但如果高合金的话，就影响很大了，虽然合金元素主要是置换Fe，位置没有太大的变化，但合金元素和铁原子形成的晶格与单纯的铁是不同的，你能说金银铜铁锡铬钼 ...

你说的很对，高合金条件下，即使是置换式固溶的情况下，也会对硬度产生较大影响。但是我查了一下高铬钢文献，，固溶后淬火得到完全的马氏体的情况下，《都是0.2%C 和9%Cr》晶粒大小差不多，都是完全的淬火马氏体，有的人得到最高硬度是511，而有的人却是600HV，《这些都是取得平均值》为什么差别这么大？ 这用合金元素是解释不通的。
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13楼2010-10-14 13:58:15
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weldingpeng

木虫 (小有名气)
我考虑唯一的解释只能考察这两种钢中淬火之后，有没有析出相，然后利用OROWAN来解释他们之间的差别。不知道你是否同意，还请多多指点，谢谢！
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14楼2010-10-14 14:01:25
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sourbing

木虫 (正式写手)
weldingpeng(金币+1): 2010-10-15 10:42:27
如果是完全的淬火马氏体，那么是没有析出相的，你说的硬度差，有没有调查一下试样的厚度和硬度位置？厚试样的淬火处理内中外都是不一样的。
而且你说的完全淬火马氏体，有没有通过金相观察？有没有取硬度部位进行过TEM观察？有没有考虑到两个同成分的处理工艺是否有差？也就是说可能会有偏析等产生。。。其实因素很多
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15楼2010-10-15 10:19:01
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weldingpeng

木虫 (小有名气)
引用回帖:
Originally posted by sourbing at 2010-10-15 10:19:01:
如果是完全的淬火马氏体，那么是没有析出相的，你说的硬度差，有没有调查一下试样的厚度和硬度位置？厚试样的淬火处理内中外都是不一样的。
而且你说的完全淬火马氏体，有没有通过金相观察？有没有取硬度部位进行 ...

首先非常感谢你的指点。
第一，首先热处理方法一样，试样尺寸一样。
第二，我通过光镜，SEM，TEM确认都确实是完全淬火马氏体。
确实像你所说的，有很多因素在影响硬度差，但是我逐个排除影响因素，最后只剩下合金元素和析出相，首先，合金元素无法定量分析； 所以我只能把注意力投向析出相，这里有个问题，高合金钢中得到的完全淬火马氏体，在板条内部分布着很多细小的《10到30nm》析出相，但是通过TEM和萃取都得不到具体的diffraction pattern, 比较郁闷。这是不是马氏体高合金钢特有的现象。是不是由于这些细小颗粒造成了硬度高，搞不懂。
想请教一下，要想萃取这么细小的析出相，又没有和好的方法，因为我试了很多次，都萃取不到，不知道这里面是真没有，还是我的技术不到家，希望你能给与指点，谢谢！
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16楼2010-10-15 10:42:08
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火山石

木虫 (小有名气)
weldingpeng(金币+1):谢谢参与 2010-10-19 00:21:00
在高合金情况下，尤其是马氏体耐热钢，同样含碳量，同样条件下得到完全的淬火马氏体，其硬度却要比普通碳钢高出好多。

耐热钢中有熔点高的合金元素，与碳元素一起，增加硬化析出相，当然硬度会比普通碳钢高出好多。
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18楼2010-10-15 22:51:09
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火山石

木虫 (小有名气)
用SEM中背散射加能谱分析既可
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19楼2010-10-15 22:56:57
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Frank0903

金虫 (正式写手)
weldingpeng(金币+1):谢谢参与 2010-10-19 00:21:35
我估计，楼主提到的高合金马氏体耐热钢应该是P91、P92之类的。这类钢淬火后的硬度，你可以从他的强化机理来分析。其合金成分来看，除了C外，还有Cr、Mo、Nb、N等，其中N也是重要的间隙固溶原子，可以产生明显的固溶强化，此外，其他置换固溶原子也有一定的固溶强化作用。所以，高合金马氏体耐热钢的淬火硬度高于碳钢。
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20楼2010-10-16 22:40:29
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weldingpeng

木虫 (小有名气)
引用回帖:
Originally posted by sourbing at 2010-10-15 19:03:31:


对，马氏体内的弥散析出强化确实可以提高强度，影响硬度。而且就是特有的，我看的少，但锅炉管的基本上都会有。

弥散析出强化相尺寸应该小于几十个nm的颗粒，所以TEM因为基体的存在很难打出衍射光斑。至于 ...

你说的非常对，弥散析出相，非常小，10-30nm左右，TEM很难得到衍射斑点，萃取也很难得到，并且，我发现在萃取淬火马氏体中的析出相非常难，可能是由于硬度太高，大量的位错和颗粒缠绕在一起造成的，看别人的文献都是在回火状态下做的，所以我现在都怀疑是不是能够得到萃取试样。
另外我也担心，把大量的时间放在重复这种自己都没底的实验上，是不是在做无用功。心情很复杂，不过还是非常感谢你的帮助！谢谢！
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snowffee
21楼2010-10-17 13:40:33
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3106007017

木虫 (小有名气)
weldingpeng(金币+1):谢谢参与 2010-10-19 00:22:01
不仅碳有强化作用，其它合金元素也有强化作用！两都的共同作用可能效果更好！！！
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22楼2010-10-17 14:50:08
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jh381481

铜虫 (小有名气)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
引用回帖:
1081392楼: Originally posted by weldingpeng at 2010-10-13 09:31:37:
一般来说，碳钢或者低合金钢淬火后得到完全的淬火马氏体，其硬度取决于含碳量(符合Krass总结的淬火马氏体与含碳量的关系图)。
在高合金情况下，尤其是马氏体耐热钢，同样含碳量，同样条件下得到完全的淬火马氏体 ...

楼主，你的问题非常值得思考，所以今天问了一下老师。
老师给出的说法：
只要是含碳量相同，完全淬火成马氏体的话，硬度是一样的

你的问题：合金元素碳当量，这里，不用考虑合金元素碳当量，只考虑钢中的碳含量
普碳钢0.2
合金钢中如果加上碳当量=0.2，说明含碳量小于0.2，所以最大硬度有一些差别，是可以理解的

马氏体钢的硬度主要取决于两个因素：1. 碳含量 2. 位错密度
马氏体内，还会生成一些析出相，有强化作用，但是不会很多。

你这里的问题就是，可以不考虑合金的碳当量。碳含量相同的话，完全马氏体的硬度会相同或非常接近。
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23楼2012-04-10 09:35:46
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snowffee

铜虫 (正式写手)
★ ★ ★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
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weldingpeng: 金币+3 2013-08-03 16:24:27
相同C含量情况下，这就要考虑你选择的固溶温度了，如果温度不够，对于高合金钢而言，其中的Cr可能部分以碳化物形式存在，而没有固溶完全；在随后的淬火过程中，如果碳化物较细的话，则可能会有定扎作用，细化晶粒，有强化作用！同时，碳化物也会提高整体硬度。
另外，如果碳化物未固溶完全，则相当于奥氏体中的C含量减少，更易淬火成M；低合金钢和碳钢，可能会有残奥的影响，但是对于0.2%C 可能性不大

不知道理解会不会有错误，请同仁指教
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24楼2013-03-26 13:37:47
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snowffee

铜虫 (正式写手)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
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引用回帖:
1204482楼: Originally posted by weldingpeng at 2010-10-17 13:40:33
你说的非常对，弥散析出相，非常小，10-30nm左右，TEM很难得到衍射斑点，萃取也很难得到，并且，我发现在萃取淬火马氏体中的析出相非常难，可能是由于硬度太高，大量的位错和颗粒缠绕在一起造成的，看别人的文献 ...

相对比的话，要选择适当的固溶温度，保证合金全部固溶完全，否则，确定不了碳化物的固溶程度，分析起来比较困难。

相同碳含量，高低合金钢的固溶温度肯定是不相同的
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25楼2013-03-26 13:40:39
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天外-飞仙

金虫 (初入文坛)
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weldingpeng: 金币+1 2013-08-03 16:19:15
weldingpeng: 金币+3 2013-08-03 16:23:35
其实马氏体耐热钢也可以叫做马氏体时效钢，其硬度高的原因是时效过程中，有第二相生成，也就是金属间化合物，这种东西附在马氏体板条之间，严重阻碍了位错的运动，从而提高了材料的强度，也就提高了硬度。其强化机制跟合金元素有关，但主要原因还是第二相的生成。
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27楼2013-07-31 19:58:10
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