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好久没出来露脸了，你不会把我忘了吧。 这么久没出来，主要是因为最近在忙项目。 另外，就是在考虑后续文章的连续性，就是先写什么，再写什么的问题。 前几天，还有朋友看到我朋友圈发的五一风景照，赞美了一下，对我说，你很久没更新日记了，我以为你不更新了。 我说，怎能呢，我会更新的，这个月就更新。 这不，今天，我就来了。 虽然有点晚，但是，我想说，我想死你了。 哈，言归正传。 上周五，我在选择洁净房使用的微型导轨时，其中有一项是材料的选择。 导轨供应商说，使用马氏体不锈钢，具有抗蚀功效，然后又说，使用奥氏体不锈钢，具有高抗蚀功效。 我随手翻阅了一下手册，找到了如下的不锈钢性质列表，和导轨供应商说的一摸一样。 其实，在机械设计中，我们经常会用到奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢，因为它们具有良好的物理和力学性能。 例如，常用的奥氏体不锈钢AISI303和AISI304，其弹性模量在200Gpa左右，屈服强度在190Mpa－230Mpa。 而常用的马氏体不锈钢 AISI420和AISI440C，弹性模量为215Gpa，其中420淬火和回火热处理后，屈服强度可达345Mpa－1420Mpa，440C热处理后，屈服强度甚至可以达到1900Mpa。 淬火（Quenching），就是把工件加热到奥氏体化的临界温度以上30-50℃，保温后取出，在水或者油中极速冷却的过程。以前打铁，做镰刀，砍刀等都会用淬火，使得刀具硬而不易脆断（需要回火）。 为了方便理解和记忆，淬可以理解为蘸，就是将烧红的金属元件，到水里蘸一下，就像蘸辣椒酱，蘸金属这口味有点重。 回火（Tempering），就是把淬火后的工件再次加热到727℃以下，保温后取出，在空气，油或水中冷却的过程。回字体现了再次的意思，这个再次是在淬火以后，一般淬火后都需要做回火，以消除内应力，使组织稳定。 马氏体不锈钢体系 奥氏体不锈钢体系 我们知道，奥氏体不锈钢没有磁性，有很好的抗腐蚀性能，如刚才提到的303，304，还有316，202等不锈钢。 而马氏体不锈钢有磁性，但是其抗腐蚀能力没有奥氏体好，如420，440，410，403等不锈钢。 那么问题来了，什么是奥氏体不锈钢？什么是马氏体不锈钢？为什么两者磁性和抗腐蚀能力不一样？应用上有什么差别? 这几个问题，经常在我脑海中闪现，每一次我都去翻阅查询，但是过一段时间后，我又不记得两者有什么区别了，甚至常常把马氏体和奥氏体性质弄反，你有没有？ 所以这两天，我重新梳理了一下这两者的区别。今天我就来分享一下，如果有说得不对的地方，也欢迎你指出，一起进步。 既然是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢，那么首先，什么是奥氏体，什么是马氏体？ 说起马奥体，我觉得不得不从纯铁开始说起。 因为无论是马氏体，还是奥氏体，本质都是在纯铁的基础之上，参入不同浓度的碳，在一定温度下形成的。 我们知道，当把纯铁加热到熔点1538度以上时，纯铁变成了液体。 而在纯铁以液态开始冷却的过程中，在不同的温度范围内，会结晶成具有不同组织的晶体。 结晶是指液体变固体。 晶体，是指其原子在空间有规律排列的物体。 关于晶体，这里有几个概念，需要说明一下。 为了便于理解，我打个比喻，把原子看成苹果，现在要给客户发一批苹果，我们不会直接把苹果仍在卡车上，而是要先装箱，而且每一箱都按照一定的规律放置苹果，一箱一箱的苹果就是一个晶胞。 若干箱苹果装满一车后，就叫晶粒，不同大小的车，能够装下不同数目的箱子，组成不同大小的晶粒，所有车装满，全部运输到客户那里，就组成了晶体。 所以晶体就是由晶粒组成的，晶粒就是由这些一箱一箱堆在车上的苹果组成的，而晶胞是由原子组成的。 例如，从熔点到1394度之间，铁结晶成体心立方结构，叫δ-Fe，在1394到912度之间，结晶成面心立方结构，叫γ-Fe，当温度降至912度以下后，又具有体心立方结构，称为α-Fe。 晶体结构：体心，面心，密排六方 我们知道，水可以溶解糖，盐等易溶物，这叫液溶。 同样地，上述三种温度区间的铁，δ-Fe，γ-Fe，α-Fe，也可以溶解碳，只不过能够溶解碳的能力是不一样的，这叫固溶。 碳溶于α-Fe称为铁素体Ferrite=F，还是保持体心立方结构，碳溶于γ-Fe称为奥氏体Austenite＝Au，仍然具有面心立方结构，奥氏体塑性很好，容易变形。 但是，因为γ-Fe原子间隙比α-Fe大，所以它能够溶解的碳浓度要比α-Fe大。 奥氏体中最大溶解2.11%的碳，铁素体最大溶解0.0218%的碳。 如果碳的质量分数超过了两者的溶解度极限，会发生什么呢？ 会形成化合物Fe3C，称为渗碳体：Cementite，其含碳量可达到6.69%。 好了，到这里，我们有了奥氏体的概念。 但是，上面所说的奥氏体，是在高温912-1394度之间，如果是在912度以下，γ-Fe会向α-Fe的转变，所以单独的奥氏体不存在了。 当温度低于727度时，奥氏体会和其他组织混合，形成新的组织，而我们平时用的不锈钢，大都在常温下。 常温下，不同浓度的碳溶于铁中形成的组织，是不一样的。 铁碳相图 " H- p" K4 A/ w4 t6 y6 V4 R4 a% ^
铁碳相图微组织 # R& Q, M- z* \+ E; k/ q; L0 H( W
例如，当含碳量小于0.0218%时，在室温下形成的组织是铁素体。 当含碳量为0.77%时，在室温下形成的组织，是铁素体与渗碳体的混合物，即珠光体Pearlite，用P表示。 当含碳量是4.3%时，室温下组织是奥氏体与渗碳体的混合物，即莱氏体Ledeburite，用Ld表示。 但是没有单独的奥氏体存在。 所以，奥氏体不锈钢从何而来？ 说到这里，不得不说起碳钢的加热并冷却的转变过程。 碳钢是以铁和碳为主要成分的合金，把碳的质量分数为0.0218%-2.11%的铁碳合金叫钢。其中，含碳量小于0.25%的碳钢叫低碳钢。含碳量为0.25%-0.6%的碳钢又叫中碳钢。含碳量大于0.6%时，叫高碳钢。 合金是指一种金属元素和其他元素结合在一起，形成有金属特性的物质。例如，家里的铝合金窗户是铝与镁及硅组成的合金，厨房水龙头主体一般是铜合金，主要是铜与锌，还含有少量的铅。 像锂铝合金AL-Li8090，及钛合金因为强度和密度的比值大，常常用于飞机结构中。 室温下，不同质量分数的的碳钢，将其加热到临界温度以上后，就会形成奥氏体，这个奥氏体有个特点，就是它在不同的温度范围等温，或者是在不同的冷却速度下冷却，会形成成不同的组织。 临界温度就是铁碳相图中的A3，Acm和A1线对应的温度，表示不同质量分数的碳，加热时，开始转变成奥氏体的温度，例如室温组织是珠光体的碳钢，加热到727度时，开始形成奥氏体。 例如，对于含碳量为0.77%的碳钢（也叫共析钢），在临界温度727度到560度之间等温，会形成珠光体，在560度到Ms之间等温会形成贝氏体，在Ms-Mf之间等温就形成马氏体。 共析钢的奥氏体等温转变图
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共析钢的奥氏体等温转变图可能存在的组织 7 i# h% `' j2 n- E- N& c
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当奥氏体在727-560度之间保温时，首先会在奥氏体晶界处（晶粒交界处）形成渗碳体，渗碳体慢慢长大，使得周围的奥氏体缺碳，于是在其两侧又会形成铁素体，这样就组成了一个珠光体小单元，很多小单元扩散交错叠加，最后使得整个奥氏体变为珠光体，所以珠光体的基本组织是铁素体和渗碳体的混合物。 把奥氏体在560到Ms温度区间保温，首先在奥氏体晶界处析出过饱和的铁素体，然后在铁素体中析出细小的渗碳体，所以，贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。 Ms是马氏体开始转变温度，即Martensite Start，不同质量分数的碳钢，对应的Ms不同，Ms在150－310度左右变化。Mf表示马氏体转变结束温度，即Martensite Finish，也是一个根据碳质量分数而变化的量，在-100到50度之间变化。 因为马氏体在Ms－Mf之间转变，转变温度低，速度快，只发生铁素体的晶体结构转变，碳原子来不及重新分布，被保留在马氏体中，其碳的质量分数和母奥氏体相同，所以马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 OK，到这里，我们终于有了马氏体的概念，它是奥氏体在Ms－Mf温度区间转变形成的一种组织，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 当然，因为工件实际热处理时，常常被连续冷却，而不是保温，所以一般用冷却速度来估计最后的常温组织。
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共析钢的奥氏体连续冷却图
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例如，退火（Annealing），相当于炉冷，冷却速度很慢，通常在10−5 – 10−3K/s，得到的组织是粗片状珠光体，因为缓慢冷却的过程中，组织会慢慢长大。 又如正火（Normalizing），在空气中冷却，冷却速度较快，得到细片状珠光体，也叫索氏体，极细小的珠光体叫托氏体。 最后在水中淬火，快速冷却，得到马氏体组织，所以淬的目的，就是得到马氏体。 上面说了，马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，所以它保持了铁素体的体心立方结构，但是因为内部有大量过饱和的碳原子，使得原子排列拥挤，产生了较大的内应力，所以马氏体有较高的强度和硬度，如果含碳量增高，强度和硬度也增加，但会变得很脆，必须回火消除内应力，才能使用。 说到这里，我觉得有必要说一下退火和正火热处理的含义。 退火（Annealing），就是将工件加热到临界点，也就是相图中的A1，A3，Acm线以上，或者在临界点以下某一温度保温一定时间后，十分缓慢地冷却的过程，例如炉冷，坑冷等，目的是改善组织，细化晶粒，降低硬度，改善加工性能，减小应力等。 退火可以理解为退去工件内部的“火”，金属和人一样也有火，比如内部的热应力就是一种火。退火时不能太急，必须慢慢来，才能见效，就像人上火了，可以通过喝茶慢慢降火一样。 正火（Normalizing）,和退火有点类似，不同的是，正火是在空气中冷却，冷却速度要快一些，目的是细化组织，适当提高硬度和强度，可加工性等。 正火，从单词Normalize演化而来，可以理解为正常化，什么叫正常化，在空气中冷却就叫正常化，因为在炉中或者在水中冷却，都是人为控制，而在空气中冷却不需要人为控制，可以看成是正常冷却。 所以，正火要比退火便宜。 应用上，低碳钢和低碳合金钢，常以正火做预备热处理，而高碳钢一般用退火做预备热处理，因为碳含量高，硬度也高，不容易加工，退火以降低硬度，提高加工性能。 OK，到这里，我们终于把马氏体和奥氏体的来历给弄清楚了，但是什么又是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢呢？ 从奥氏体和马氏体得到奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢，还需要一步。 哪一步呢？ 上面说过，在室温下，奥氏体不单独存在，且其在钢中的成分不高，所以不能称为奥氏体钢。 但是，当钢中加入某些足够多的合金元素时，就会扩大奥氏体相区，例如加入9%的镍，或者13%的锰等，则可使A3线下降，使得奥氏体稳定在室温，形成奥氏体钢。 所以奥氏体钢，其实是一种合金钢。 为什么要在碳钢中加入合金元素呢？ 因为碳钢虽然有良好的力学和加工性能，价格也便宜，但是它存在不容易完全淬透，强度不够高，不具有耐腐蚀，耐高温，耐磨等特殊性能。 合金元素的加入，刚好可以弥补这些缺点，所以实际工程中，大量使用的是合金钢。 当然，并不是每一种合金元素都使得奥氏体区域扩大，有的合金元素的加入会减小奥氏体区域，甚至使奥氏体区域消失。 例如，Si、Cr、AL、Ti等的加入，当加入的铬元素达到17%-28%，常温下奥氏体区域消失，钢在室温下呈单相铁素体组织，称为铁素体钢。 那么，什么是奥氏体不锈钢呢？为什么不生锈？ 奥氏体不锈钢是在低碳钢的基础上，加入了17%-25%的铬元素，和8%-29%的镍元素，例如典型的18-8型奥氏体不锈钢，就是铬≥18%，镍≥8%的合金钢。 镍元素的加入使钢在常温下呈单相奥氏体组织，减少了金属内部因为组织的不同，而形成的微电池数量，从而也就提高了抗电化学腐蚀的能力。 什么是电化学腐蚀？例如，钢中的珠光体是铁素体α和渗碳体F3C层片相间的组织，在硝酸酒精溶液中，构成无数个微电池。α电位低，形成微电池的阳极，不断析出铁离子，也就是被腐蚀，F3C电位高，形成微电池的阴极，把电子传给溶液中氢离子，形成氢气。 电位越高越不容易被腐蚀，例如用来制作散热器的黄铜，是铜锌合金，使用中容易脱锌，因为铜的电极电位比锌的电位高，所以，一般会加入铝，硅，镍等微量元素，防止脱锌。 同时，铬元素的加入，提高了基体的电极电位，并在钢的表层形成了致密的氧化膜Cr2O3，从而使得钢在一定的介质中不容易生锈，所以叫奥氏体不锈钢。 类似地，在含碳量为0.1%-1%的碳钢中，加入12%-18%的铬，并空冷可以形成马氏体不锈钢。 因为合金元素单一，马氏体不锈钢只在非氧化介质中，例如大气，水蒸气中有较好的耐腐蚀性能，而在非氧化介质中，例如盐酸溶液中，耐腐蚀能力变得很低。 所以奥氏体不锈钢的耐腐蚀能力比马氏体不锈钢高，如果对耐腐蚀能力有要求，最好选用奥氏体不锈钢。 到这里，我们终于清楚奥氏体和马氏体不锈钢的概念了。 但是，回到我们最初还剩下的问题，为什么奥氏体不锈钢没有磁性？而马氏体不锈钢有磁性呢？ 按照磁铁吸铁的原理，是马氏体和铁素体能够被磁化，而奥氏体不能被磁化。 但是更近一步，为什么呢，我查阅了很多资料，到目前，没有看到很好的解释。 反正结果就是马氏体和铁素体有磁性，但是奥氏体没有磁性或者仅有弱磁性。 如果你有很好的解释，也欢迎在下面留言探讨。 有时奥氏体呈现磁性，一般有两个原因。 一是由于冶炼时成分偏析或热处理不当，会造成奥氏体不锈钢中有少量马氏体或铁素体组织存在。 另外，奥氏体不锈钢经过冷加工，组织结构也会向马氏体转化，冷加工变形度越大，马氏体转化越多，钢的磁性也越大。 对于不锈钢的应用，我们用得最多的还是303和304，但是因为304相对于303来说，可加工性差点，因为304粘刀具，所以用303的时候更多。 另外，我们的钣金件，一般是用304钢板弯折的，用得最多的厚度是从1mm，1.5mm，2mm和3mm。当然，有时候只做遮盖用时，也用铝板弯折，并做发黑表面处理，防止生锈。 420的应用也比较多，因为有时候工件太大了，303和304原材料没那么大，就换成420的加工，不过都要做表面处理，如镀锌镀铬等，以防止生锈。 420和440C因为做调质后（淬火加高温500-650度回火），屈服强度很高，所以也常常用于对于强度要求高的设计中，例如我之前提到的，机器人快还装置中的柔性定位销。 鸭，夜深了，明天还要工作，今天就写到这里吧。 洗洗睡了。 相关阅读： 《机器人末端的快换装置，有哪些设计要点？》 //www.szfco.com/thread-1004402-1-1.html , k9 Y. y$ X- T+ w9 i# k
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发表于 2020-5-20 23:10:19
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