1、 鋼鐵材料的強(qiáng)化手段及其應(yīng)用 趙剛領(lǐng) （化學(xué)工程學(xué)院 化學(xué)工程與工藝 ）摘要： 隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對鋼鐵材料的性能提出了越來越高的要求。特別是在航空、國防以及高科技領(lǐng)域，一般的金屬材料已不能滿足它們的要求。因此，對鋼鐵材料進(jìn)行強(qiáng)化應(yīng)用已變得刻不容緩。本文主要概述了人們目前對鋼鐵材料強(qiáng)化的方法，并介紹了強(qiáng)化鋼在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鋼鐵材料 強(qiáng)化手段 應(yīng)用 金屬是通過合金化、塑性變形和熱處理等手段提高材料的強(qiáng)度。所謂強(qiáng)度是指材料對塑性變形和斷裂的抗力，用給定條件下材料所能承受的應(yīng)力來表示。 鋼鐵材料的強(qiáng)度是其抵抗變形和斷裂的能力，而要滿足鋼鐵材料高強(qiáng)度的要求，就必須對它進(jìn)行

2、強(qiáng)化處理。強(qiáng)化鋼鐵材料的手段,一般可加入合金元素(加入微量元素如V、Nb、Ti等)通過調(diào)質(zhì)處理使其析出強(qiáng)化、控制軋制及冷卻方法等 對工程材料來說，一般是通過綜合的強(qiáng)化效應(yīng)以達(dá)到較好的綜合性能。具體方法有固溶強(qiáng)化、分散強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化、細(xì)化晶粒強(qiáng)化、擇優(yōu)取向強(qiáng)化、復(fù)相強(qiáng)化、纖維強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等，這些方法往往是共存的，強(qiáng)化一般伴隨著韌性、塑性的降低，但有時(shí)也不會降低甚至有所提高。而在工程上更加切實(shí)有效的方法是在晶體中引入大量缺陷及阻止位錯的運(yùn)動來提高金屬的強(qiáng)度。 由于各種強(qiáng)化方法對鋼鐵材料強(qiáng)度的不同影響，采用不同強(qiáng)化手段后可使鐵的強(qiáng)度提高，這些手段包括固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)

3、化、馬氏體強(qiáng)化、形變一相變強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和脫溶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化方法，形變熱處理和冷拔高碳鋼絲的強(qiáng)度已接近晶須的強(qiáng)度。 1、 固溶強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化是將合金元素加入到鋼鐵材料基體金屬中形成固溶體以達(dá)到強(qiáng)化金屬的方法。一般來說,固溶體總是比組成基體的純金屬有更高的強(qiáng)度和硬度,隨著合金元素含量的增加,鋼的強(qiáng)度和硬度提高。但是當(dāng)合金元素的含量適當(dāng)時(shí),固溶體不僅具有高的強(qiáng)度和硬度,而且有良好的塑性和韌性。它是利用固溶的置換式溶質(zhì)原子或間隙式溶質(zhì)原子來提高基體金屬的屈服強(qiáng)度的方法。絕大多數(shù)鋼材的基體鐵都免不了用固溶強(qiáng)化方法強(qiáng)化。 2、分散強(qiáng)化 分散強(qiáng)化是在鋼鐵材料中第二相以細(xì)小彌散的顆粒均勻分布于基體金屬中產(chǎn)生

4、顯著的強(qiáng)化作用,使鋼鐵材料的強(qiáng)度提高。分散強(qiáng)化分為沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化二種。如果鋼鐵材料經(jīng)時(shí)效處理或回火后,沉淀析出細(xì)小彌散的第二相粒子,這種強(qiáng)化作用稱為沉淀或時(shí)效強(qiáng)化。如果第二相細(xì)微顆粒借助于粉末冶金方法加入起強(qiáng)化作用,則稱為彌散強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化在一般鋼鐵材料中常用。3、細(xì)晶強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化是是鋼鐵材料的晶粒更細(xì),晶界更多,使晶界對位錯的運(yùn)動阻力更大,從而使鋼鐵材料的強(qiáng)度提高,并改善塑性和韌性。細(xì)晶強(qiáng)化還可使鋼鐵材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度降低,使鋼件能適應(yīng)寒冷地區(qū)的工作性能要求。它并且是可以提高鋼材強(qiáng)度而不惡化韌性的一種強(qiáng)化方式。 4、冷變形強(qiáng)化 冷變形強(qiáng)化是指金屬隨著冷塑性變形程度的增大,強(qiáng)度和硬度逐漸

5、升高,而塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象。生產(chǎn)上對一些不能用熱處理來提高強(qiáng)度的金屬或合金,如某些不銹鋼、黃銅等常用此方法來提高強(qiáng)度。但冷變形強(qiáng)化是以犧牲金屬塑性和韌性為代價(jià)的,而且會給隨后的加工帶來困難,往往需要采用再結(jié)晶退火等措施來改善金屬塑性以利于隨后繼續(xù)加工。5、馬氏體強(qiáng)化 馬氏體強(qiáng)化又叫相變強(qiáng)化,是將鋼淬火獲得馬氏體組織以達(dá)到強(qiáng)化鋼鐵材料的目的。馬氏體中的含碳量過飽和,使馬氏體產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變,造成非常大的應(yīng)力場,嚴(yán)重阻礙位錯運(yùn)動,從而使鋼強(qiáng)化,這相當(dāng)于固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是一般馬氏體強(qiáng)化的主要原因,但對低碳馬氏體來說,細(xì)晶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化卻是馬氏體強(qiáng)化的決定因素。鋼的最重要的強(qiáng)化方式。 鋼中馬

6、氏體的強(qiáng)度主要決定于碳的固溶強(qiáng)化以及自回火的脫溶強(qiáng)化。馬氏體的亞結(jié)構(gòu)也有附加強(qiáng)化作用。原始奧氏體的晶粒大小及馬氏體晶體的尺度對強(qiáng)度也有一定的影響。馬氏體中置換式溶質(zhì)原子(通常加入的合金元素)的固溶強(qiáng)化作用遠(yuǎn)小于間隙式溶質(zhì)原子(碳、氮)的作用。未經(jīng)脫溶的鐵一鎳一碳合金位錯馬氏體與孿晶馬氏體的壓力強(qiáng)度(能正確反映高碳馬氏體的強(qiáng)度)與碳濃度的平方根成正比；而且隨碳濃度的增多，孿晶馬氏體壓力強(qiáng)度增加的斜率大于位錯馬氏體。馬氏體中過飽和碳導(dǎo)致的固溶強(qiáng)化和脫溶強(qiáng)化共約占總強(qiáng)化效果的8590。這兩種強(qiáng)化作用，在馬氏體點(diǎn)(Ms)高于室溫的鋼中，表現(xiàn)為淬火過程中和淬火以后碳原子和位錯再分布對馬氏體的強(qiáng)化。6、形

7、變一相變強(qiáng)化 形變熱處理是形變一相變強(qiáng)化鋼材的重要手段之一。形變熱處理有很多種方法，按形變所處的工藝位置可歸結(jié)為3類：相變前形變類、相變途中形變類和相變后形變類。相變的類型可以是非擴(kuò)散型的馬氏體相變，也可以是擴(kuò)散型的脫溶轉(zhuǎn)變或珠光體轉(zhuǎn)變。在工業(yè)用鋼的強(qiáng)化中，以相變前形變類最為突出。這種方法就是將鋼在奧氏體狀態(tài)下形變，接著淬火和回火的一種綜合強(qiáng)化工藝。 按形變溫度的不同，這類工藝又可分為：高溫形變熱處理，即將鋼在奧氏體的穩(wěn)定溫度范圍(Ac3)形變后立即淬火、回火；低溫形變熱處理，即將鋼在奧氏體的亞穩(wěn)溫度范圍(低于Ac1但高于Ms)進(jìn)行形變(不產(chǎn)生珠光體或貝氏體相變)，然后立即淬火、回火；以及混合

8、型形變熱處理，即將鋼先在奧氏體穩(wěn)定溫度范圍形變，接著在其亞穩(wěn)溫度范圍形變，然后立即淬火、回火。除了在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行形變外，還可在+碳化物狀態(tài)下進(jìn)行形變，然后再淬火、回火，這種類型的工藝叫做預(yù)形變熱處理。顯然，其形變過程也是在馬氏體相變之前完成的。由于形變是在冷狀態(tài)下進(jìn)行的，它與隨后的熱處理過程相對獨(dú)立，二者不需立即銜接，工藝的靈活性大。所以，形變熱處理是形變強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化和脫溶強(qiáng)化的綜合強(qiáng)化法。7、形變強(qiáng)化 利用形變使鋼強(qiáng)化的方法。也稱應(yīng)變強(qiáng)化或加工硬化。對于不再經(jīng)受熱處理，并且使用溫度遠(yuǎn)低于材料再結(jié)晶溫度的金屬材料(譬如低碳低合金鋼)，經(jīng)常利用冷加工(冷形變)手段使之通過形變強(qiáng)化來提高強(qiáng)

9、度。 因而，形變強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)就是在材料的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行冷形變，隨著形變程度(應(yīng)變量)的增大，在晶體內(nèi)產(chǎn)生高密度的位錯(晶體缺陷)，位錯密度越高，強(qiáng)化的程度越大，即流變應(yīng)力值越高。形變后金屬的流變應(yīng)力應(yīng)當(dāng)?shù)扔谖葱巫兦暗牧髯儜?yīng)力加上形變強(qiáng)化的流變應(yīng)力的增量。利用形變強(qiáng)化達(dá)到高強(qiáng)度的鋼鐵制品，典型的就是高碳鋼冷拉鋼絲和低碳低合金雙相鋼冷拉鋼絲。隨著形變程度的增大，材料的強(qiáng)度和硬度越來越高，但它的塑性和韌性卻往往越來越低，脆性越來越大，這就需要采取相應(yīng)韌化措施來加以改善。在馬氏體型相變過程中引起的內(nèi)部相變冷作硬化，就其物理實(shí)質(zhì)來說，也屬于形變強(qiáng)化，只不過這時(shí)的形變并非來自外部，而是來自馬氏體相變過程

10、中晶體自身切變所產(chǎn)生的高密度位錯。 8、脫溶強(qiáng)化 脫溶強(qiáng)化是通過高溫加熱的固溶處理，將多量的合金元素的化合物溶入 -鐵中，淬火后形成馬氏體，即過飽和的鐵基固溶體，然后再在較低溫度(固溶度線以下)加熱，依靠過飽和固溶體的脫溶產(chǎn)生的強(qiáng)化。 這種強(qiáng)化方式也稱時(shí)效強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。鐵基過飽和固溶體的脫溶分解，按脫溶后期形成的平衡相的不同(間隙式化合物或金屬間化合物)可分作兩種情況： (1)在低碳、中碳或高碳低合金鋼(或高合金鋼)中，利用過飽和的碳和鈮、釩、鈦、鉬、鎢、鉻等合金元素，在鋼脫溶過程中碳化物的析出導(dǎo)致強(qiáng)化。例如低碳工程結(jié)構(gòu)鋼中，碳機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼以及高碳工具鋼中碳化物脫溶的強(qiáng)硬化。 (2)在微碳(0

11、03)的高合金鋼中，例如馬氏體時(shí)效鋼，則是利用固溶的置換式合金元素鎳、鉬、鈦、銅等，在脫溶過程中析出金屬間化合物導(dǎo)致強(qiáng)化。 鐵基合金中，不論脫溶后期的平衡相是碳化物還是金屬間化合物，在脫溶的早期階段(一般在較低溫度)，則都是先形成尺寸很小的溶質(zhì)原子(間隙原子或置換原子)的偏聚區(qū)，通稱為GP區(qū)(Guinier Preston zone)，GP區(qū)與基體之間是共格的，沒有明顯的分界。然后由GP區(qū)進(jìn)一步發(fā)展為過渡相，然后再由過渡相發(fā)展而成最后的平衡相。依合金成分及處理工藝的不同，在脫溶的不同階段，會有不同的強(qiáng)化效應(yīng)。在脫溶后期，平衡相長大后就形成了彌散粒子的強(qiáng)化，這與人為地加入彌散的第二相，以及與粉末冶金法中復(fù)相粒子燒結(jié)造成的彌散強(qiáng)化類同。第二相顆粒的強(qiáng)化作用是由于它們阻礙晶體中