馬氏體時效鋼

 時效鋼是超高強度鋼中的一種。這種鋼突出的優點是熱處理工藝簡單方便，固溶后*行機械加工再進行時效，熱處理變形小，加工性能及焊接性能都很好。時效鋼的熱處理工藝及性能見下表。近年來，國外用時效鋼制作模具較為廣泛；但在國內，由于時效鋼含Ni、Co等貴重金屬元素，且含量高，價格昂貴，尚難以廣泛應用。該類鋼主要用于精密鍛模及塑料模具。

常用的典型時效鋼是按強度級別分類的

18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)和18Ni(350)是得到廣泛實際應用的鋼種。

近年來一些國家研制出許多時效鋼的變異鋼種，特別是開發出了不少具有良好性能的無鈷時效鋼。

由于時效鋼不是靠碳的過飽和固溶或碳化物沉淀，而是靠某些合金元素在時效時產生金屬間化合物析出而強化的，因此，鋼中的碳，與硫，磷一樣，為有害雜質元素。要求碳含量愈低愈好，一般不應超過0.03%(對于重要用途，應低于0.01%)。鋼中主要合金元素為鎳，鈷，鉬，鈦，

鉻和錳在時效鋼中可用來部分代替鎳和鈷，在近期發展的無鈷鋼種中還用鎢代鉬或用釩代鈷。硅為雜質元素，其含量不應超過0.1%。鋁一一般是作為煉鋼時的脫氧劑而加入的，其殘余量在0.05%～0.2%范圍。此外還可用硼、鋯、鈣、鎂和稀土元素等進行微量元素處理，以改善鋼的某些性能。

 馬氏體時效鋼

既具有高的延性、韌性又能產生超高強度的鋼種是時效鋼，研發這種鋼的材料學思路是高純凈、高鎳、超低碳的鋼。這樣，即使在較小的冷卻速度下也能淬火獲得馬氏體組織和具有優良的沖擊抗力及斷裂韌性。三種主要馬氏體的時效鋼是：
Nil8時效鋼
這種鋼有三種型號，其屈服強度分別為1350MPa、1650MPa和1950MPa，這類鋼的雜質含量很低，需要經一次或二次真空冶煉。并含有0.003%B、0.002%Zr和0.005%Ca以清除雜質并幫助改善熱塑變加工性能。
熱處理工藝包括850℃～870℃固溶處理，空冷或水淬，再在480℃時效3h。除了Co之外，加入的合金元素都降低Ms點，但可保持Mf點高于室溫，這樣固溶化后淬冷下來都能*轉化為馬氏體。時效析出硬化相主要是小片狀，但也有一些。嚴重過時效也能生成，Co的作用是加強引起析出硬化，而Mo則是時效硬化的主要元素。

調整時效溫度、時間，可獲得不同的強度。時效溫度過高(>600℃)，因鋼的點低，會引起奧氏體形成，這種奧氏體由于高度合金化，使Ms點降低到室溫以下，而穩定的保留下來。如果需要高強度，可以在時效前對原低碳馬氏體進行50%形變量的冷塑性變形加工。
在高抗拉強度下，這種鋼仍具有優良的沖擊韌性，而且具有強化缺口的作用，其缺口強度與抗拉強度之比在1．35～1．65之間。時效前進行50%的冷變形加工，可將上述名義強度提高到1700 MPa、2000 MPa和2100MPa。
Ni20時效鋼
鋼的雜質含量與Nil8鋼相似，但Ni含量較高，時效硬化元素不用Mo和Co，而是用1．5%Ti、0．25%A1和0．5%Nb來產生。這種鋼的Ms點比Nil8鋼低，但固溶處理淬冷到室溫后仍可充分發生馬氏體轉變。如果相變不*，可在一78℃下冷卻處理或通過冷塑性變形(冷塑性變形可提高Ms點)來完成，這種鋼正常的時效硬化相是和。

Ni25時效鋼
這種鋼含25%Ni和1．5%Ti、0．25%A1或0．5%Nb(亦可Al、Nb并用)，Ms點低于或接近室溫。固溶處理后鋼的組織基本是奧氏體，所以應在時效前將其轉化為馬氏體，為此可以采用兩種方法：
(1)奧氏體時效：加熱到700℃保持4h使其從奧氏體中析出或。于是奧氏體合金含量降低，Ms點上升，隨后冷卻時奧氏體大部分轉化為馬氏體。如在時效硬化處理(480℃，3h)之前進行一78℃冷處理，即可保證馬氏體*轉變。700℃的奧氏體時效，由于形成，使奧氏體硬化。但相在相變時會失去共格性，而且在隨后馬氏體時效硬化時，可以利用的Ti，Al都減小了，所以強度要低些。馬氏體時效處理時的析出相是η-。
(2)冷塑變形加工加冷處理：奧氏體冷塑變形加工，變形量應大于25%，才能提高Ms—的溫度區段，使該鋼在一78℃(干冰)或一196℃(液氮)冷處理時完成馬氏體轉變，這種加工處理充分發揮合金元素的析出硬化作用，可獲得強度高于奧氏體的時效處理。

主要生產工藝有冶煉、熱加工、冷加工、焊接、熱處理和表面處理。
冶煉
一般采用真空感應爐熔煉加真空自耗爐重熔的雙真空冶煉工藝。對于強度級別在1500MPa以下的鋼種，可以采用非真空冶煉，或非真空冶煉加電渣重熔的工藝。但對高強度級別和用途重要的鋼種，必須采用雙真空冶煉工藝。在真空自耗重熔時，應嚴格控制電流和熔池溫度，以免鋼錠產生嚴重的枝狀偏析。
熱加工
時效鋼在高溫下具有良好的熱塑性，其熱加工性與1Crl8Ni9Ti大體相同。對于鈦、鉬含量較高的鋼種，鋼錠凝固時容易發生這些元素的微觀偏析，熱加工后形成各向異性的帶狀顯微結構。減輕或消除微觀偏析的有效措施，是選擇合適的鋼錠尺寸和熱加工時進行充分的高溫均質化處理。為了防止由于Ti(C，N)等化合物沿奧氏體晶界析出引起的高溫緩冷脆性，熱加工后應盡量避免工件在1100～750C溫度區間內緩冷或停留。為了獲得細晶粒和較佳力學性能，終鍛應在較低溫度下(950～850C)，以較大的變形量(大于25%)完成。
冷加工
在固溶狀態下冷加工性非常好。拉拔、冷軋、彎曲、深沖等加工都容易進行。鋼的加工硬化指數為0.02～0.03，與普通鋼相比低一個數量級。因此，加工過程中無需軟化退火即可進行90%以上變形量的冷加工。
焊接
良好的焊接性是時效鋼的優點之一。幾乎所有的焊接工藝都能適用。焊絲成分與被焊鋼成分基本相同，焊前不必預熱，焊后不處理也不會產生裂紋，直接時效后，接頭系數即可超過90%。
熱處理
熱處理工藝簡單是時效鋼的另一重要優點。鋼經熱加工后，在冷加工和時效強化之前應進行固溶處理。目的在于：溶解熱加工后余留的沉淀物；使基體溶有充足的強化元素；并獲得均勻的高位錯密度的全馬氏體組織。固溶溫度通常采用820～840℃，固溶時間為每25ram厚度1h，固溶后空冷，冷卻速度對組織和性能影響不大。時效鋼的高強度是通過時效處理得到的。時效溫度一般為480℃，強度級別高的鋼種可采用510¨C，時效時間為3～6h，時效后空冷。時效后在馬氏體基體上，析出大量彌散的和超顯微的金屬間化合物質點，使材料強度成倍提高而韌性損失較小。
時效鋼的性能還可通過奧氏體形變，或馬氏體形變，或兩者結合得到提高。奧氏體形變處理使奧氏體晶粒尺寸減小到10um以下，從而得到具有一定延性的，強度大于3500MPa的時效鋼。在固溶后和時效前進行的馬氏體形變處理，由于產生更多的位錯，通常可使強度提高200MPa。固溶前的馬氏體形變，能細化奧氏體晶粒并增加鋼時效后的強度。
表面處理
如果不進行表面處理，時效鋼的耐磨性和疲勞強度并不比普通高強鋼好。因此對于這種用途的零件，必須進行表面處理(氣體滲氮、離子氮化或離子注入等)。離子氮化可使18Ni(250)鋼滾動軸承的接觸疲勞壽命提高1倍以上。
應用時效鋼已在包括火箭發動機殼體， 殼體，鈾同位素離心分離機的高速轉簡，直升飛機起落架，高壓容器，轉軸，齒輪，軸承，高壓傳感器，緊固件，彈簧，以及鋁合金擠壓模和鑄件模，精密模具，冷沖模等工模具等方面獲得廣泛的應用。