鋼材金屬材料的混晶問題
在機械制造行業當中，熱處理工序過后金相觀察時，經常會發現混晶現象。讓熱處理工作者感到非常擔憂。今天我們就來聊一聊混晶問題。
混晶，顧名思義，就是晶粒度大小不一的混雜在一起。晶粒度是表征金屬材料韌性好壞一個指標；晶粒度級別越高，材料韌性越高；反之韌性越差。如果在高級別晶粒的區域中混入低級別的晶粒，就會拉低金屬材料整體的性能；低級別晶粒所占比例越大，材料的整體性能越不穩定。一般情況下，我們把相差3-4級晶粒度的晶粒同時出現在組織當中的情況，就認為發生了混晶。當大晶粒所占比例超過10%時，我們就不得不重視大晶粒可能造成機械零件的早期失效。混晶所產生的不穩定因素，讓我們無法預知機械零件可能在什么時候失效。所以混晶對于我們熱處理工作者來講，是非常不愿意看到的。作為熱處理工作十幾年的技術人員，不敢高談闊論。只是通過這些年的積累，把我所認為的可能產生混晶的起因分享一下，不當之處還請大家指教！我們都知道鋼材冶煉過程，就是用鐵礦石和各種原料經過復雜工藝最終冶煉成鋼水，然后澆鑄形成鋼錠。鋼水的形成過程鋼廠是最專業的，并且作為液相的鋼水來講，均勻程度自然不在話下，所以此處不做評價。我們只說鋼水冷凝成為鋼錠的過程。
鋼錠偏析是我們最為常見的一種偏析形式。用通俗的話來講，鋼錠產生偏析原因很簡單，就是合金元素在凝固過程中，容易先凝固，而合金元素少的地方會稍后凝固；這樣就造成了合金元素的分布不均勻的現象。最典型的金相組織是枝晶偏析。還有一些雜質，夾渣隨著鋼液的翻滾冷卻過程，也會在特定的位置聚集。偏析最大的問題就是會導致合金元素的分布不均勻。也就是說會導致碳、鉻、鎳、鉬、鋁等等合金元素的分布不均勻。這些元素的分布不均勻就會形成一個個相對獨立的小區域，這個區域內有著不同的化學成分。嚴重一點說，每一個區域都是一個鋼種。在這個階段，我們僅僅看到了這樣的晶粒，還和混晶說不上。大家不要著急，我慢慢解釋。
從鋼錠到鋼材出廠，需要一個過程，這個過程就是軋制。鋼錠變成我們需要的棒材、板材、線材、型鋼等等，需要對鋼錠再加熱，然后經過N道軋制，最終滿足我們的需求。軋制前一般會對鋼材進行擴散退火，擴散退火的目的就是為了讓鋼材合金元素均勻化，就是我在1中提到的，凝固過程中合金元素的偏聚導致了成分不均勻，這樣的鋼材會有很大的問題，所以通過擴散退火，溫度在1200℃左右，這時候合金元素活性增加，活動范圍加大，會在鋼鐵內部做擴散運動，也就是從濃度高的地方跑到濃度低的地方，這樣就可以提升鋼材的均勻性了。同時，我還是要強調，畢竟這個鋼鐵還是固體的，沒有變成液相，雖然合金元素發生了移動，只是對鋼材均勻性進行了改善，不能達到完全消除的目的。軋制的過程就相當于我們鍛造和擠壓的過程。在這個過程中，鋼材經受了加熱、鍛打、擠壓、降溫、再結晶、退火、再擠壓等等工序；原始鋼材的一些缺陷在這個過程中被逐步縮小，合金元素的偏聚程度也逐步降低。如果這個兩個過程是完美的，那么就不存在后邊的問題了。但是現實是殘酷的。為了節約費用、降低成本，鋼廠在這兩個環節會提高生產效率，就有可能會擴散退火溫度不足、時間不足；軋制過程省去退火工序、加大鍛造比等等手段來提升生產效率。這樣一來，原材料的缺陷有可能會被掩蓋，但是沒有根除，甚至在軋制過程中會越演越烈。這個變化，我們在3中講述原因。
機械加工廠拿到鋼材以后，形狀結構復雜的一般情況下會采用熱鍛造、冷擠壓的方式，讓工件預成型，然后在精加工，熱處理，磨削最后做成成品。那么在這個過程中，問題來了。其實加熱鍛造和2所講的鋼材軋制是一個道理，只是設備不同，壓縮比不同，產品結構不同而已。冷擠壓是在不加熱的情況下，利用鋼材本身的韌性產生塑性變形來成型的工藝。這兩個工藝都牽扯了一個問題那就是塑性變形。我們知道金屬的韌性就是指他的形變能力，通俗的說就是拉伸或者壓縮的能力，能夠被拉伸的越長說明韌性越好，能夠壓縮的越短，說明韌性越好。在拉伸或者壓縮的過程中，晶粒發生了什么變化呢？我們想想一下橡皮筋。一開始橡皮筋的直徑是10mm的話，如果你拉伸了長度的10倍，那么他的直徑變成了多少？肯定不是1mm，但是為了說明問題，大家都知道他會變細，繼續拉，他會更細，直到你拉斷他。金屬的變形就是晶粒發生變化的過程。沒有發生形變以前的晶粒雖然形狀不規則，但是大家還都相安無事，基本上是以團狀存在，大家摟在一起還是比較溫暖的。隨著外力到來，大家就像橡皮筋一樣被拉扯，生存空間被擠壓，只能隨著外力變細，不斷變細。原來是一堆土豆，現在變成了一束麥子。大概就是這樣子。在這個過程中，大家還是相安無事，沒有太多的事情發生。甚至你會驚奇的發現，晶粒度超級好。從土豆粗細，變成麥稈大小，確實細了不少。但是我們要擦亮眼睛，不要被表象迷惑。熱處理作為中間工序，看不見摸不著，不能即時檢測，過程中無法調整，只能通過過程控制和最終檢驗確定產品狀態。所以在整個機械制造行業內部就一直扮演著一個受氣的小媳婦的角色。熱處理的滲碳、淬火工藝，都要求加熱到鋼材的奧氏體化溫度以上才能進行。這就不得不將工件加熱到AC3溫度以上進行作業，在這個過程中，發生了很多奇妙的轉變。體心立方的鐵素體晶格轉變為面心立方的奧氏體晶格，溶碳量增加，合金元素融入量增加，合金元素的擴散等等都在這個過程要發生。晶粒之間的界限也會被打破，重新結晶，原始晶粒要發生變化，晶粒要重組。晶粒重組的過程，說的簡單點就是比拼能量的過程，有點恃強凌弱的意思。就比如我們目前的國際形勢一樣。高科技、核武器、作戰能力等決定了國家的大小，能力越強國家越大；能力越小，國家越容易分裂。合金元素所形成的碳化物就像一個一個據點一樣，扎在這些國家當中，阻礙晶粒的長大；而另外一方面，在合金元素稀少的地方，所到之處，所向披靡，版圖不斷擴大，晶粒逐漸長大。為了保證產品的變形尺寸，加熱溫度不能太高，就會導致合金元素的擴散行為收到牽制，加熱溫度太低，不能滿足奧氏體化，就會導致相變無法進行，所以熱處理的加熱問題屬于中溫加熱，大大受到制約。一般情況下，滲碳溫度在900-940℃左右，淬火溫度一般在AC3溫度以上30-50℃進行。這些都是教科書給我留下的數據。那現在我們就討論一下在這個溫度下，1、2、3可能會給我們帶來什么后果。隨著奧氏體化的進行，存在不同區域的合金元素含量不同，會導致這些區域的奧氏體化溫度高低不同，在工件達到同樣溫度的前提下，有的區域已經開始了奧氏體的轉變，有些區域還在準備過程中；有的區域已經奧氏體轉變完了，有的區域還沒有結束；這就勢必導致那些先轉變為奧氏體的區域的晶粒不斷長大，而那些還沒有轉變完了的區域的晶粒細小。如果此時，終止奧氏體化，快速冷卻，就會產生大小晶粒的并存，嚴重的話就會產生混晶。合金元素當中大多數元素都會阻礙晶粒長大：如V、Ti、Nb等；有合金元素會減慢奧氏體形成速度，如Cr、Mo、W等；這樣的元素會影響晶粒度變大，起到細化晶粒的作用。同時也有少數元素會促進晶粒長大：如Mn、P等。如果這些元素在鋼材中偏析嚴重，就可能發生混晶。b 、軋制過程和鍛造過程以及冷加工過程的形變的影響：這個過程中晶粒受到拉扯和擠壓導致的晶粒變形，使得原本的晶界雖然存在，但是能量降低。隨著加熱溫度上升，到了鋼材本身的再結晶溫度的時候，晶粒就會重組。此時合金元素的能量越來越大，兩個相鄰的細條狀的晶粒。原本只能在晶粒內活動的元素，突破兩個晶界之間變得更加容易，他們就會走捷徑，兩個細條狀晶粒就會在極短時間內合并形成一個大晶粒。隨著加熱溫度和加熱時間的變化，這些晶粒不斷的長大，直到沒有能量再去突破晶界的約束的時候才會停下來。此時已經形成了很多的大晶粒。這樣的形變晶粒并不是所有的都會產生這種情況，只有當達到臨界變形的晶粒才會長大，這樣還存在一些正常的晶粒，與是就產生了混晶。鍛造過程、熱處理過程溫度和時間的影響對于晶粒的影響也非常大。當溫度較高時候，保溫時間較長的情況下，晶粒也會長大。這個溫度根據材質而定，不同的材質的極限溫度不同。熱處理的溫度一般比較固定，常規滲碳溫度一般不會超過950℃，這個溫度下，大多數的本質細晶粒鋼不會發生較大變化。但是也不排除，參數錯誤，或者溫度不準確導致的超溫，而使鋼材發生晶粒粗大。鍛造超溫發生的晶粒粗大，一般會在鍛造后的金相中發現魏氏組織。可以通過多次正火來消除魏氏組織。從本質上來講，溫度造成的晶粒變化，可以通過正火來彌補。但是現實中，如果出現魏氏組織，一般不建議使用。綜上所述，我認為混晶產生的最重要的原因就是元素偏析，并且在后續的過程中很難通過熱處理方法來消除。其次，就是能夠產生形變的每一道工序，需要注意晶粒的大小；純粹的因為形變導致的晶粒度混晶，是可以通過熱處理工藝來進行改善的。如果晶粒已經長大，并且狀態穩定，合金元素已經在晶界上析出的，處理起來也會比較麻煩的。以上內容，不當之處，還望各位同行批評指正，不吝賜教！
來源：青島豐東
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