钢的强韧化处理机制

钢的强韧化处理机制王立洲（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院阜新123000）本文根据钢的淬火组织特点,归纳了提高钢强韧性的途径,介绍了一些强韧化处理工艺。随着工业的发展,各种机械对钢铁材料的机械性能要求逐渐增高。材料及热处理工艺的研究得到迅速的发展。其中,利用现有材料,通过调整一般的热处理方法,在同时改善钢的强度和韧性指标方面的工作取得了显著的进步。它对充分发挥材料的性能潜力有着重要的意义。这些工艺方法通称为强韧化处理,是热处理发展的一个值得注意的方向。强韧化处理的发展是建立在我们对钢中各种组织的特点,形成条件,机械性能,以及在外力作用下的破断过程的认识不断深入的基础之上的。透射电子显微镜技术的应用,使我们对各种组织超显微精细结构的认识跨进了一大步,开始有可能比较深入地研究组织和机械性能的关系。另一方面,从材料断裂过程的研究中知道,在各种应力作用下,材料的破断是通过微裂纹的形成及扩展的方式进行的。钢铁材料的各种组织形态在各种应力状态下,抵抗微裂纹的形成和扩展的能力是不同的,因此表现出不同的性能指标。但是无论哪一种组织,只要它形成微裂纹的倾向比较小,或者微裂纹一旦形成后,在这类组织中扩张时消耗的功愈大,它就会有较高的强韧性。这样,我们就有可能采用适当的热处理工艺方法和调整工艺参数,能动地控制钢的组织,充分利用对钢强韧化有利的因素,排除不利的因素,更充分地发挥材料的强度和韧性的潜力。目前发展的强韧化处理工艺有多种多样,归结起来,它们大多通过一种或几种途径达到强韧化效果的。(1)充分利用位错型马氏体和下贝氏体组织形态,尽量减少或避免片状孪品马氏体的出现。(2)细化钢的奥氏体晶粒和细化过剩碳化物。(3)获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织。(4)形变热处理。下面将简要介绍这些强化处理的机理。一位错型马氏体的扩大应用很久以来就知道,在保证淬、回火零件强度指标的前提下,选用含碳量较低的钢,能够使零件热处理后获得较高的韧性。改变热处理工艺参数,可以在中碳及高碳钢中获得以板条马氏体为主的淬火组织,显著改善中碳钢及高碳钢的强韧性。这种控制淬火组织形态的方法,已成为中、高碳钢强韧化的一条重要途径。1、中碳钢的高温淬火一般含碳量为0.35%一0.55%之间的中碳钢经正常温度淬火,获得片状和板条马氏体的混合组织。这两种淬火马氏体对钢强韧性的贡献是不同的。钢的含碳量愈高,正常淬火组织中片状马氏体的比例愈高,钢的强度虽然有所增加,但断裂韧度不断减小。断裂韧度的这种变化是韧性较高的板条马氏体相对量减少的结果。但是,提高中碳钢淬火温度和延长淬火保温时间,则有利于在淬火后得到较多数量的板条马氏体,提高钢的断裂韧度。例如,将40CrNIMo钢的淬火温度从570℃提高到1200℃,淬火后得到了板条马氏体和极少量残留奥氏体。在淬火不回火状态下,钢的断裂韧度提高70%,在淬火和低温200℃回火状态下,可提高20%。我们将5CrMnMo热锻模具钢的淬火加热温度从830~850提高到900℃,淬火后将获得近乎单一的板条马氏体组织,图1给出了在500一520℃的高温回火状态下,淬火温度对强度、塑性和断裂韧度的影响。从图中可以看出,在能够得到比较完全板条马氏体的900℃淬火和高温回火状态下,这种钢的强度、塑性和断裂韧度都达到最大值。同普通加热淬火相比,断裂韧度增高10%,达360公斤/毫米23,如果适当增加回火时间,可使断裂韧度达418公斤/毫米23,比普通温度淬火者提高30%左右。这就是使5CrMnMO钢的断裂韧度优于经正常工艺处理的同样强度40CrNIMo钢的断裂韧度。2高碳钢的低温短时间加热淬火高碳钢一般都在淬火低温回火的高硬度状态下使用。用普通的加热淬火工艺处理的高碳钢,得到片状马氏体组织,往往表现出很高的脆性。如果适当控制高碳钢淬火加热时奥氏体中的含碳量,也可以在淬火后得到以板条马氏体为主的淬火组织,减少片状马氏体可能造成的脆性,使钢在保持高硬度的同时,还具备良好的韧性。采用低温短时间加热或快速加热的工艺,都可以收到满意的效果。当加热温度一定时,加热时间对淬火钢硬度的影响规律见图2在某一较短的淬火保温时间下可以得到最高的硬度[1]。这个硬度一般高于普通加热淬火的水平。淬火组织为板条马氏体加细小碳化物,残留奥氏体数量极少[2]。图2碳量过低强韧化效果不明显。它说明,这种工艺方法的强化作用主要来自马氏体形态的变化。此外,原始组织对高碳钢低温短时间加热淬火的强化效果有重要的影响。原始组织愈细小,按此工艺淬火后的强度和韧性也愈高[3]。图5比较了调质和球化退火组织对快速加热钢强度和韧性的影响。可以看到,调质作为这种处理工艺的予先热处班,高碳钢的强度,特别是韧性的增加幅度非常突出。二等温淬火等温淬火可以显著改善高碳钢的强韧性,即在同样的强度水平，等温淬火钢的塑性、韧性比普通淬火状态有大幅度的增高[16]，图6比较了等温淬火和普通淬火CrWMn钢的强度、塑性和韧性同硬度的关系。从图6中可以看出,在硬度相同时,等温淬火钢的塑性和韧性比普通淬火高出0.5一1倍。而在塑性或韧性相同时,等温淬火状态的硬度要高4~6HRC以上。在硬度相同时,等温淬火高碳钢还有较高的耐磨性[4]。根据对马氏体和贝氏体形态和机械性能的研究可知,等温淬火高碳钢较高的强韧性特点,是因为高碳贝氏体的性能优于高碳片状马氏体,并在等温淬火时取代了片状马氏体,避免了它对钢韧性可能的损害。片状马氏体对淬火钢韧性的损害主要来源于如下三个方面[4],(1)片状马氏体转变时的相互撞击作用,在马氏体片相交的部位或马氏体片内常伴随有显微裂纹的存在。(2)片状马氏体内含有密集的孪晶亚结构,在外力作用下,当运动的位错同孪晶交截时,往往在孪晶界面形成显微裂纹。这些潜在的显微裂纹,增大了淬火钢的脆性破坏倾向。(3)高碳马氏体中固溶的碳量远远高于下贝氏体中的含碳量。间隙原子的固溶量愈大,固溶强化效应愈高,对钢的韧性造成的损害也愈严重。三奥氏体晶粒的超细化和碳化物的超细化细化钢的晶粒可以有效地提高钢的强度。钢的屈服强度s同平均品粒直径d之间有如下的关系:21-0skd称Hall一Patch关系,其中。0和K为常数。细化钢的品粒还有提高室温韧性和降低脆性转变温度的良好作用。晶粒愈细小,在外力的作用下,塑性变形的扩展受到晶界的阻碍作用愈大,有利于提高钢的强度。另一方面,断裂的裂纹穿越晶界扩张消耗的功愈多,钢的韧性也愈好。由于细化品粒可以同时改善钢的强度和韧性,因此,如何在钢热处理后保持细晶粒的问题,一直是热处理工作者的重要研究课题。近年来发展了许多获得十级以上超细晶粒的方法——晶粒的超细化处理。它已经成为一种重要的强韧化手段应用在生产中。此外,考虑到材料破断时,裂纹往往发源于尺寸较大的第二相,如碳化物上。所以,细化高碳钢未溶碳化物的问题也受到愈来愈多的注意,发展了碳化物超细化处理的新方法。1快速循环加热Grange首先提出,利用同图9类似的快速循环加热淬火工艺,可以得到13一14级的超细化晶粒[5]。循环加热淬火的基本方法是将工件以较快的速度从室温（或低于A1的预热温度）加热到高于A3的温度,经短时间停留即行淬火冷却,如此循环数次。它同普通热处理的主要差别在于,①加热速度比较快②在得到奥氏体化的前题下,加热温度尽可能的低③加热时间以工件心部达到予定温度为限,不得过长。加热方式可用感应加热技术,也可采用铅浴加热的方法。对于后一种情况,铅浴温度往往控制得高于工件实际加热温度。然而无论采用什么加热方式,循环加热时工件实际达到的最高温度应低于普通热处理时工件的加热温度。金泽等将12MnMo钢用100KW高频以10℃/秒进行4次快速循环加热,得到平均品粒直径3微米的超细晶粒(相当于13级),提高了这种钢的屈服强度,并使它的脆性转变温度显著下降[6],见图10。2.交替循环加热利用前述快速循环加热淬火的方法,只能使一般合金结构钢的奥氏体晶粒细化到3一5微米(相当于14~13级晶粒度)[7]。采用冷变形和适当的热处理相结合的方法,可以将奥氏体晶粒细化到2.3微米(相当14~15级)[8],甚至0.3~1.1微米(相当19~16级)的超细晶粒[9]。3.碳化物的超细化处理细化过共析钢的过剩碳化物,对钢的韧性和接触疲劳强度有很好的作用。文[10]指出,在较高的外加应力作用下,高碳钢中直径大于1微米的碳化物是它破断时形成显微裂纹的主要场所。实践证明,细化高碳钢中的碳化物是提高高碳钢强韧性的一个重要途径。四复合组织的利用在淬火钢中,与马氏体组织共存一定数量的第二相,如铁素体,残留奥氏体或下贝氏体等,往往能在不降低强度的情况下,显著提高钢的韧性,减低脆性破坏倾向,现在看来,通过热处理获得复合组织的途径,可以很好地发挥钢的性能潜力,是钢强韧化的一个值得注意的研究方向[16]。这里,将介绍三个方面的问题:获得马氏体和铁素体共存的二相区淬火,残留奥氏体的应用,以及低碳钢中马氏体和下贝氏体复合组织的性能。1.）（二相区加热淬火虽然亚共析钢在淬火时沿晶界形成先共析铁素体会损害钢的强韧性,但是亚共析钢在）（二相区进行不完全加热淬火,得到一定数量铁素体和马氏体的混合组织。它对提高材料的韧性,减小回脆倾向有明显的效果。这种热处理方法在普通低合金钢和大型汽轮机转子用钢等方面的应用都有满意的成效。2.低碳钢中的马氏体和下贝氏体的复合组织低碳低合金钢过去多在热轧状态下使用。为了提高这类钢的强度和韧性,近年来发展了经淬火回火处理得到回火马氏体的调质型高强度钢。它的强度可达80一100公斤/毫米2以上。还保持较高的韧性。3.残留奥氏体的应用Webster在研究超高强度钢AFC77的强韧化问题时发现,适当提高加热温度和减低回火温度,在钢中保留30%~35%的残留奥氏体的情况下,可以显著增加这种钢的断裂韧度[14]在研究了Fe一Cr一C超高强钢的超显微结构时观察到,在淬火得到的板条马氏体之间存在着残留奥氏体薄膜。而且残留奥氏体的存在同这种钢具有较高的断裂韧度有直接的关系[11]五形变热处理形变热处理是将钢的形变强化同相变强化结合起来的一种综合热处理方法[15]。在过去二十多年里,形变热处理作为改善钢机械性能的一种新型手段受到广泛的重视,并在生产上得到一定应用。形变热处理发展之初,人们把主要兴趣放在提高钢的强度方面。通过形变热处理,钢的实际强度已可达350公斤/毫米2以上。形变热处理还能在一定程度上提高钢的韧性,近年来,它已经发展成为改善高强度钢韧性的重要强韧化手段应用在生产上。1形变热处理对钢性能的影晌根据机械形变的温度和在热处理操作中所处的位置,形变热处理有多种类型。其中主要的有高温形变热处理,中温形变热处理,复合形变热处理和等温形变热处理等。这些方法对钢性能的影响规律各不相同。我们可以0.25%C的Ni一Cr一MO钢为例,说明形变量对高温、中温和复合形变热处理钢性能影响的一般规律,如图23[12]。从图23可以得出如下结论。（1）在形变量小于60%时,高温和中温形变热处理钢的强度随着形变量的增加而增高。继续增加形变量,强度变化不明显。在形变量相同时,中温形变热处理的强化效果比高温形变热处理为高。(2)形变量在60%的范围内,中温形变热处理钢的塑性随变形量的增加逐渐减小,高温形变热处理钢的塑性则保持不变或稍有增加。(3)复合形变热处理的强化效果同中温形变热处理相近,塑性则高于中温形变热处理的水平。2.形变热处理的强韧化本质形变热处理的强韧化效果是由形变热处理钢的显微组织和精细结构特点所决定的。形变热处理钢在获得较高强度的同时,还保持着较好的塑性和韧性这一点,也是同这类钢的组织特点分不开的。从显微组织角度来看,形变热处理细化了钢的组织,使它可能同时提高钢的强度和改善团性,如果从超显微结构特点来看,胞状亚结构一方面有细化品粒的作用,同时它内部的位错数量少,使那里的位错具有较大的可动性,有利于应力集中的松弛和提高断裂时的裂纹扩展功[13]。3.综合形变热强化形变热处理不仅是一种独立的强韧化方法,而且可同其他强韧化方法结合在一起,成为综合形变热强化里的一个