钢的强韧化处理机制

钢的强韧化处理机制钢的强韧化处理机制 王立洲王立洲 （辽宁工程技术大学材料科学与工程学院（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院 阜新阜新 123000123000）） 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 33 2,如果适当增加回火时间,可使断裂韧度达418公斤/毫米2,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:  s  0 kd 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 -1 2 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