在金屬材料學中,廣義的“淬火”,是對處于較高溫度的合金進行快速冷卻的熱處理過程。淬火的目的在于得到人們所需的組織以獲得期望力學性能。
一般對于碳鋼及低合金鋼,如含碳量0.77%的共析鋼,加熱到800℃左右即成為單相奧氏體(如下鐵碳相圖中的紫色區域),然后快冷可以得到馬氏體組織,從而可以大大提高該合金的強度和硬度。而這個淬火過程,是狹義上的淬火。
而對于304奧氏體不銹鋼,其使用前一般會進行1050℃左右,水冷的固溶熱處理,該固溶處理也被稱為“淬火”,因為其冷速足夠高,抑制了M23C6等中間相的析出。304不銹鋼之所以快冷也不形成馬氏體,是因為其奧氏體組織在室溫至1000℃都是穩定的。這是由于其中奧氏體形成元素鎳含量較高(約9%左右),使鐵碳相圖中的單相奧氏體區的溫度下限擴展至室溫以下所至。關于奧氏體形成元素對合金相圖的影響,在金屬學的教材上很容易找到。
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不銹鋼按其使用時的組織可分為奧氏體不銹鋼(austenite),鐵素體不銹鋼(ferrite),雙相不銹鋼(austenite+ferrite),馬氏體不銹鋼(martensite),時效強化不銹鋼等。在不銹鋼中,Cr,Ni是主要的合金元素,所以讓我們來看一下Cr-Fe和Fe-Ni二元相圖:
圖中紫色部分為包含奧氏體(FCC)的相區。對比一下很容易看到,Cr-Fe兩元相圖中,包含奧氏體(FCC)的相區所點比例極小;而在Fe-Ni二元相圖中,包含奧氏體(FCC)的相區占據了相圖的絕大部分。這說明不同的合金元素對不銹鋼中的組織影響是不一樣的。在純鐵中加入Cr元素傾向使合金的組織形成鐵素體(BCC),可稱Cr為鐵素體形成元素;加入Ni元素則傾向于使合金的組織形成奧氏體(FCC),可稱Ni為奧氏體形成元素。除了Cr元素,不銹鋼中主要的鐵素體形成元素還有Mo,Ti,Al,Si,Nb,V 等;而除了Ni元素,不銹鋼中主要的奧氏體形成元素有Mn,C,N,Cu等。
然后,上個不銹鋼焊接中經常用到的舍夫勒相圖(schaeffler diagram):
這個圖大體上概括了不銹鋼中主要合金元素對不銹鋼組織的影響。圖中的橫坐標為Cr當量(cr equivalent),其計算公式如圖橫坐標下方所示。鎳當量圖中沒有顯示,一般可認為鎳當量Ni equivalent =Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%。這兩個當量公式都是經驗公式。通常根據此圖就可大致判斷給定合金元素組成下的不銹鋼的組織。