为什么淬火会改变金属性能?

为什么淬火会改变金属性能?

知乎用户,御氘术九级

以钢的淬火为例,淬火的过程中会发生快速 fcc->bcc 相变,这个相变过程涉及原子间的切变,因此会带来很大的局部变形,产生大量位错,从而带来强化效果。

淬火时的冷却速度很高,带来很高的过冷度,因此 bcc 相的形核速度会非常高,大量的形核点带来高密度的界面,起到类似细晶强化的作用。以下图[1]中的板条马氏体为例,相比于淬火前的奥氏体晶粒(最大的六边形),淬火后的马氏体中新生成了很多次级晶粒(packets/blocks/laths),这些细小的次级晶粒能够将塑性变形均匀的分散开来,避免大量位错赛积在单个晶界附近产生应力集中,从而提高强度。

另外钢中多多少少都含有一些 C 原子,由于淬火过程中的冷却速度很快,C 原子来不及扩散,不会形成热力学上最稳定的 carbide,而是以过饱和固溶体的亚稳态形式残留下来。这些弥散的 C 原子会对材料产生明显的固溶强化。

此外,由于 C 原子的尺寸远远小于 Fe 原子,通常情况下,C 会占据 Fe 原子之间的间隙位置[2]

大球代表 Fe 原子(边角处的 Fe 原子仅显示了一部分),小球代表 C 原子

如上图所示,在间隙位置的 C 离上下两个 Fe 原子较近,因此 C 会对这两个 Fe 原子产生较大的挤压。这样的间隙 C 可以有三个不同的方向,分别对 x/y/z 方向的 Fe 原子产生明显的挤压[2]

C 对 Fe 的挤压会带来明显的晶格畸变,从而产生一个长程的应变场[3]。这个应变场会促使周围的 C 占据同方向的间隙位置。如果 C 浓度比较高,大量的 C 占据同一方向的间隙,会使得 Fe 基体在该方向上产生可观的变形,令正常情况下的 bcc-Fe(铁素体)变成 bct-Fe (马氏体)。

由于对称性的降低,马氏体中位错的开动会更加困难,从而提高材料的硬度和强度。此外,也正因为马氏体的 bct 结构,它和铁素体以及其他马氏体之间的晶格常数往往不匹配,从而产生大量非共格界面,这些界面也会带来位错和缺陷,提供一定的强化作用。