钢的时效

在生产中曾发现，低碳钢板材经热加工或冷形变后在室温下放置一定时间，其机械性能会发生变化，即强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。又如马氏体时效钢淬火后，加热至某一温度（通常是480℃）并一定时间保温，在室温下同样可获得类似的性能变化规律。人们通常把金属材料的性能随时间而变化的现象称为时效。时效现象不仅在钢中存在，在许多有色合金中也普遍存在。
一． 时效过程的一般原理
钢（或合金）经固溶处理（加热固溶后快冷，也称淬火）后，其固溶体中的溶质元素（合金元素）将处于过饱和状态，如果在室温或某一定高温下溶质原子仍具有一定的扩散能力，那么随时间的延续，过饱和固溶体中的溶质元素将发生脱溶（或析出），从而使钢（或合金）的性能发生变化，此即时效。如果这一变化过程是在室温下发生的就称为自然时效，如果是在某一高温下发生的就称为人工时效。
时效过程就其本质来说是一个由非平衡状态由平衡状态转化的自发过程。
二． 影响时效的因素
1． 时效温度和时效时间
时效温度是影响时效过程的重要因素，这主要表现在对时效机理、动力学以至对合金的显微、亚组织和性能产生影响。时效时间虽对时效过程也产生影响，但却占次要地位。
2． 碳及合金元素
钢中固溶的间隙元素是引起时效的基本元素。在铁素本中固溶的碳量愈多，时效强化效果就愈显著。实践表明，当碳含量为0.025%左右时可获得最大的时效效果。钢的碳含量继续增高，时效效果反而减小，当碳含量达到0.6%时，钢实际上已不产生时效现象。这是因为钢的碳含量愈高，其铁素体量就愈少，其时效只是在铁素体中发生，因而使时效效果愈趋减小。
氮与碳的性能相近，因而也是引起时效的基本元素。如果炼钢时采用铝脱氧，则必然有残余的铝保留在钢中，并与氮结合成AlN。由于在轧前的加热温度较高，AlN可全部溶入奥氏本中，如果轧后冷却速度较快（如空冷），AlN则来不及析出，此时氮和铝由原来固溶于奥氏体中变为固溶于铁素体中，并处于过饱和状态，因此在随后的人工时效时，将发生AlN析出。但在轧后采取缓冷或轧后重新加热退火，则AlN将充分析出，从而使铁素体中氮的过饱和度降低，以致大大降低对时效的敏感性。
除铝之外，当钢中含有铬、钛、钼、铌等碳、氮化合物形成元素时，如轧后缓冷，将同样由于碳、氮化物的析出而降低对时效的敏感性。合金元素的存在还直接影响铁素体中碳、氮的溶解度和碳、氮原子的扩散速度，这些也都将对碳、氮的时效效果产生影响。
3． 固溶处理后、时效前的冷形变
冷形变会使钢的位错密度增大，易于形成更多的柯氏气团，同时形变还能加速扩散，因此冷形变不仅可加速过程，还可使时效后的硬度升高。
三． 低碳钢的形变时效
对低碳钢来说，即使从高温状态缓慢冷却下来得来平衡组织，如经冷形变后，在室温或较高一些的温度下，随时间延续，也会引起性能的变化，这种现象称为形变时效。形变时效后所发生的性能规律同淬火时效相似，即强度、硬度增高，塑性、韧性降低。
形变时效的产生也与固溶于铁素体中的碳、氮原子的作用密切相关，因为冷变形使铁素体中的位错密度增加，因而其中的碳、氮原子可以以更短的路径扩散至位错处而形成柯氏气团，从而使强度、硬度升高。一般用硅脱氧的半镇静钢与沸腾钢中，由于不含铝，不存在AlN的析出过程，故钢中固溶的氮量较高。正因如此，，它们比用铝脱氧的镇静钢更易于发生形变时效脆化，同时因其在形变时效时不发生AlN的析出和聚集长大过程，故随时效时间的延续，不会出现强度、硬度降低的现象。
四． 马氏体时效钢的时效
马氏体钢是指一类超低碳钢（≤0.03%）高镍（18~25%）并另有某些能引起强化的合金元素的高合金超高强度钢。这种钢含有大量的镍，奥氏体非常稳定，故淬透性极好。