浅谈残余奥氏体对钢的性能影响

　　摘　要：残余奥氏体是淬火过程中未发生马氏体转变的机变组织，钢中残余奥氏体的存量多少，对钢的性能有着重要影响。含量过多时，会显著降低材料耐磨的寿命，但少量的残余奥氏体又可提高钢的整体强度、韧性。这在不同的淬火介质中表现得更为明显。指出不同的钢材、不同的零部件，要根据相应的技术要求，进行适当的处理来改变钢材组织中的残余奥氏体含量。
　　关键词：残余奥氏体；淬火；冷却速度；相变应力
　　热处理是改变钢材组织性能的有效手段，将钢加热到临界温度（Ac₃或Ac₁）以上的适当温度，经保温后，快速冷却的淬火过程，能使钢材的微观组织由原先的奥氏体转变为马氏体，以提高钢的硬度和耐磨性。但是，淬火过程并不能完全将奥氏体转变为马氏体，即使过冷到M_f以下温度，仍有少量的奥氏体存在，这部分未发生马氏体转变的奥氏体，称为残余奥氏体，通常以A′r表示。
　　钢中A′r的存量多少，对钢的性能有着重要的影响，当A′r含量大于10%时会显著降低齿轮和滚动轴承的寿命，尤其对工具钢，A′r量Z好控制在5%以下，否则显著降低9sicr、Gcr15等材料的耐磨寿命。
　　然而有时少量的A′r存在对提高钢的整体强度、韧性又是有好处的。原因很简单，由于在马氏体间的A′r以薄膜状存在，能够缓解应力集中，防止裂纹源的产生、扩展。可见钢中残余奥氏体有利也有弊。
　　详细分析不难发现，钢中A′r的多少随着合金元素含量的增加而增加，随着含碳量的增大而增多，而且与淬火时的冷却速度有着很大的内在联系。
　　淬火时，加入Cr、Ni、Mn、B等合金元素，就可提高钢的淬透性，而且碳含量一般控制在0.5%～0.9%之间。另外冷却速度快，A′r量少，反之A′r量则多。这可从比较水淬与油淬中得出结论。一般而言，A′r的多少与Ms点以下区域里的冷却速度有很大关系，在Ms点以下缓慢冷却时，过冷的奥氏体处于稳定变化状态，难以向马氏体转变，A′r的量多，钢的硬度提高不大。以水作为冷却介质时，钢在Ms点以下区域冷却较快，奥氏体来不及发生分解，就被转变为马氏体，所以相应的A′r的量就少，故与油淬相比较，钢的硬度就显著提高。
　　另外，过冷奥氏体受到相变应力作用时，也会向马氏体转变，由于水淬时，钢在Ms点以下区域的冷却速度较快，促使马氏体过程加快，与此相应的机变应力就增加，过冷奥氏体向马氏体的转变就增快，故而水淬就比油淬钢材中的A′r量要少。
　　钢材淬火时，总在Ms点以下区域缓慢冷却，显微组织中的A′r量就多，但A′r是一种软质相，能较好地吸收淬火时产生的相变应力，阻止淬火裂纹的产生与扩展，故能有效地防止淬火开裂现象的发生。
　　由此可见，水淬比油淬发生开裂现象的概率要大得多。这就是热处理工艺中为什么要选用分级淬火、热油淬火和等级淬火的原因。
　　通常碳素结构钢和工具钢淬火后，组织中的A′r为12%～15%。而合金工具钢则达20%左右，甚至高达30%，尤其是象高锰钢和奥氏体不锈钢，通过固溶热处理后，奥氏体不再向马氏体转变，而钢中全部组织都是奥氏体，即A′r量达100%，这样的单一奥氏体组织，具有良好的耐蚀性、塑性、焊接性及低温韧性，是制造强腐蚀介质中工作设备的首选材料。
　　将含有A′r的钢冷却到-70%～80%时，会有一部分A′r转变成马氏体，但大约仍有5%的A′r稳定地存在于钢中，起着释放应力的作用，在齿轮转动中能够改善轮齿间的接触状态，提高抗点蚀能力；在滚动轴承中也能改善转动的滚子和滚边间的接触状态，显著提高其皮带寿命。
　　对于工具、模具，特别是切削刀具，为了提高其工作的稳定性，一般要进行冷处理，以尽量减少钢材组织中的A′r含量，这是由于钢中含A′r多时，若进行磨削加工，将因磨削热作用发生A′r向马氏体的转变，甚至出现时效开裂现象，而量具钢中含A′r时，会发生时效变形而影响其尺寸精度。
　　总之，对于各种不同的钢材、不同的零部件，要根据相应的技术要求，进行适当处理来改变钢材组织中的A′r含量。