过热与过烧的研究

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钢的过热与过烧

       张菊水 编著 上海科学技术出版社 1984

1.1定义

钢一般都要进行热加工和热处理，以获得较高的强韧性或其他特殊性能。但是，加热温度过高，反而会导致钢的机械性能的恶化，甚至造成材料的报废。钢的这种现象不仅在经过高温加热的钢材中经常出现，而且也在钢锭、铸钢或焊接件中常常遇到。

钢的过热定义为钢在加热到某一温度（称作过热温度）以上是，由于粗大奥氏体晶粒晶界的化学成分发生了明显变化（偏析），或在冷却后发生了第二相的沉淀，导致了这种晶界脆化现象的发生，从而会显著地降低钢的拉伸塑性和冲击韧性。如果采用正常热处理方法可使钢免受晶间断裂，并使其机械性能得以恢复，钢这种过热称作钢的不稳定过热。否则，称作钢的稳定过热。按照这个定义，钢在临界点以上加热时，当仅仅产生晶粒粗化现象，尽管此时钢的屈服强度也有所降低，但还不属于过热的范畴。

钢的过烧定义为钢在固——液相线温度范围内的某一温度（称作过烧温度）以上加热时，奥氏体晶界上不仅产生了化学成分的变化（偏析），而且局部或整个晶界出现烧熔现象。此时在晶界上形成了富硫、磷的淳朴，在随后的冷却过程中，或者由于这种晶界上存在着单纯的富硫、磷的熔化层;或者伴随着形成硫化物、磷化铁或低熔点共晶组织，导致高温奥氏体晶界结合力降低，造成灾难性破坏，从而严重降低了钢的拉伸塑性和冲击韧性。这种机械性能的恶化，是不能用热处理或热加工方法来补救的。

钢的过热与过烧现象通常都可以采用特殊的化学试剂侵蚀技术、冲击断口试验、断裂表面的化学成分分析和微观断口观察等多种研究方法予以鉴别。

应当指出，过去一般都以经过热处理的钢是不出现石状断口作为钢的过热与过烧的重要判据。然而，这个观点至少在解释高碳钢、高合金钢以及钢锭和铸钢等的过热与过烧现象时遇到了困难。例如，高速钢、轴承钢以及某些合金结构钢在经受过热与过烧后，即使在状态下，有时也往往不出现石状断口，而是形成结晶状断口、瓷状断口或萘状断口;在经过热处理的铸钢中形成的典型晶间断口也不一定全都属于钢的过热与机理引起的。此外，以往认为MnS在高温奥氏体晶界常常是过热的标准特征，但是，上述观点不能解释诸如经过稀土金属处理过的钢，即使MnS夹杂完全消失，也依然存在过热现象的事实。同样，也不能解释硼钢的过热现象的。因此，在论述钢的过热与过烧现象时，本书着重注意到高温加热过程以及随后的冷却过程中奥氏体晶界成分的变化、第二相的溶解与沉淀以及对钢的机械性能影响的程度，而并不拘泥于某些钢在过热与过烧过程中出现的某种特殊现象。

1.2历史

钢的过热与过烧现象引起人们注意可追朔到十九世纪末叶。但是，人们对于这些现象由重视到进行系统而深入的研究，则是从本世纪初开始的。钢的过热与过烧现象研究课题的提出，毫无例外地依赖于钢与合金的冶金工艺、热加工工艺、铸造工艺、焊接技术，以及包括飞机发动机、宇航和其他空间技术在内的各种机器制造工业的发展。一切关于钢的过热与过烧研究成果的取得，又是宏观断口研究技术、金相技术和各种现代电子光学微观分析仪器成功应用的结果。大量的事例表明，钢的过热与过烧的科研成果极大地推动了钢铁和机器制造工业的发展，尤其是对于降低冶金和机械产品成本、节省能源、提高劳动生产率，以及保证产品质量、防止突然破坏事故的发生等等，起着重要的作用。

首先，让我们回顾一下研究钢的过热与过烧的先驱者Stansfield和Stead的工作，他们首先注意到钢在上临界点和固相线之间进行高温加热后，对于钢的组织和机械性能的影响。他们的发现具有十分重要的价值。据此，能够解释锻件和焊接件中的许多质量问题。随后，Joming和Austin就高温加热对机械性能的影响进行了更多的研究。特别是Austin提出鉴定钢过热的最著名的金相试剂之一——10%硫硝酸试剂（即10%浓硫酸和10%浓硝酸水溶液）。然而，直到本世纪三十年代末期，人们对于钢的过热与过烧现象尚未引起足够的重视，未进行系统的研究。因而那时还不了解过热与过烧现象的本质。只是在第二次世界大战期间，由于急需生产大量武器，并迅速发展了航空工业，特别是飞机发动机生产的需要，当时一方面采用提高加热温度的方法强化生产来提高劳动生产率，加之那时加热炉缺乏良好的炉温控制技术;另一方面，开始大量应用含硫量较低的碱性电炉钢，这样，便使钢的过热与过烧现象普遍存在，造成大量的钢材报废和飞机发动机的损坏，由此，促进了对钢的过热与过烧本质的研究。四十年代中期，这方面的研究成果开始大量发表出来，一致呼吁控制加热与锻造工艺，严格控制钢加热的上限温度。由于当时在生产中，很快采取了相应的工艺措施，并随着高温仪表工业的迅速发展，终于显著减少了钢的过热与因此，人们对过热与过烧进行较系统的研究，是在第二次世界大战期间开始的。

从本世纪三十年代至五十年代初的二十年间，过热与过烧的研究取得了如下几方面重大成果：

1.             确认了钢加热到过热温度以上，会产生过热。其过热温度一般随钢的化学成分不同而异，与钢中非金属夹杂物的含量有密切关系，夹杂物含量愈低，过热温度也愈低，即钢的过热敏感性增大。例如，已提出电炉钢较平炉钢具有更低的过热温度。此外，还发现钢的过热受到从高温到过热温度的范围内的冷却速率的控制。确认以中等冷却速率（10-400℃/分）进行冷却时，较更快或更慢的速率冷却的钢具有更低的过热温度。

2.             提出能够利用金相试剂浸蚀技术鉴定钢的过热与过烧现象。并找到了一系列化学浸蚀剂，用于提示过热钢与过烧钢的原始奥氏体晶界网络。其中最有价值、使用最广泛的是10%硫硝酸试剂和饱和硝酸铵试剂两种。了过热与过烧钢中原始奥氏体晶界衬度的反转现象是相应晶界化学成分变化的结果。

3.             利用金相技术，发现过热钢处于一定条件下会导致MnS的魏氏型析出，并对此现象进行了初步诠释。

4.             采用光学显微镜直接研究了石状断口表面，证实了低合金钢石状断面上沉淀着大量微细MnS粒子，并指出这种微细夹杂物的存在是经过热处理的过热钢原始奥氏体晶界弱化而形成石状断口的原因。

5.             采用金相研究方法和宏观断口观察法基本上确定部分碳钢和低合金钢的过热与过烧形成机理，以及过热与过烧现象对其机械性能的影响。

6.             明确地提出，为了防止钢材发生过热与过烧，必须严格控制高温加热炉的温度，还指出了改善钢材过热现象的方法，其中包括热处理和用大锻压比锻造两种途径。

这些成果的取得，是同一些卓越的金属学家分不开的。我国的柯俊教授在五十年代初期发表过许多论文，也为钢的过热与过烧的研究做出了重要贡献。

可以说，以上的成就是基于宏观断口观察、宏观断口特征与常规机械性能关系的研究，以及利用金相研究方法探讨过热断口的形成机理。限于当时的实验技术，那时就连第二相的定性分析，也主要是信赖金相鉴定的结果。

此后，在工业生产中钢的过热与过烧现象便显著减少了。但是，由于宏观断口研究技术的局限性，还存在着许多争论的问题。特别是在如何从冶金工艺因素方面来控制与过烧的研究中，几乎没有取得任何重要进展。另外，那时所研究的钢种几乎只限于普通碳钢和低合金钢。由于光学显微镜分辨率较低（<2000埃）,放大倍率不高（<2000倍），并考虑到金相定性分析夹杂物不准确等，因此对过热与过烧现象的分析与判断有时缺乏令人信服的实验依据，曾导致了一些不确切、乃至产生了错误的观点。长期以来，甚至连钢的过热与过烧的定义也没有取得一致的见解。

1.3意义

直到现在，世界各国冶金工业和机械工业仍有相当多的产品因为浇注或加热温度过高而报废，运转的机器零件由于过热与过烧导致机器失效，引起灾难性的破坏。因此，避免或最大限度地减少金属材料的过热与过烧现象的发生，是摆在金属材料科学工作者和生产者面前的一个重大的研究课题。

我们研究过热与过烧现象的本质，其目的首先在于从生产过程中有效地防止金属材料生产的每个环节中产生过热与过烧;其次，是寻找矫正或最大限度地减少金属材料过热与过烧的危害程度的工艺途径。

随着金属材料加工的新工艺、新技术、设计的新材料的不断出现，关于过热与过烧方面的新课题将有待我们去探索。已有的证据充分表明，钢的过热与过烧现象，几乎关联到材料科学的各个领域，例如，冶炼、浇注、热加工、焊接、表面科学、显微组织、微观缺陷、微量元素的作用、钢中的第二相、晶界理论、断裂机理以及强度与韧性等等。

在金属材料研究中，人们也往往把过热与过烧作为达到研究其他问题的一种实验途径。例如，通过故意使材料过热而获得粗大的原始奥氏体晶粒，以有利于研究钢的魏氏析出机理、马氏体的形态与亚结构、显露原始奥氏体晶体以及微量元素的晶界偏析与晶间断裂的关系等。

目前国内外对过热与过烧的研究还有分歧意见，有的尚处初始阶段。今后，钢的过热与过烧的研究动向，将主要是涉及到如下几个重要内容：

1.             钢中硫化物形态及其控制;

2.             高温加热与晶界化学的研究，利用现代晶粒间界理论详细解释过热与过烧的机理;

3.             钢的显微组织、微观缺陷与过热、过烧断口形态之间关系的研究;

4.             钢中微量元素合金化对过热与过烧的影响及其机理;

5.             钢锭、铸钢和焊接件的过热与过烧的研究;

6.             过热、过烧断口与回火脆性断口区别的研究;

7.             某些合金结构钢以及工具钢、弹簧钢、不锈钢、耐热钢、高温合金等高合金钢与合金的过热、过烧现象;

8.             过热、过烧钢中的定量计算与过热敏感性的关系;

9.             电渣钢、真空——电弧重熔钢以及其他先进炼钢工艺生产的高纯净钢的过热与过烧的研究;

10.         准确评价过热断口与材料使用性能之间的关系，开发迅速而准确地鉴定钢的过热与过烧的新实验技术以及矫正过热现象的新工艺等。



  


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高频没有温控仪，很容易过热，希望大家有所收获