钢铁材料的强化手段与应用

四川大学 化工设备的材料选择

钢铁材料的强化手段及其应用

赵刚领

（化学工程学院 化学工程与工艺 1143084077）

摘要： 随着现代工业和科学技术的不断发展,人们对钢铁材料的性能提出了越来越高的要

求。特别是在航空、国防以及高科技领域，一般的金属材料已不能满足它们的要求。因此，对钢铁材料进行强化应用已变得刻不容缓。本文主要概述了人们目前对钢铁材料强化的方法，并介绍了强化钢在不同领域的应用。 关键词：钢铁材料 强化手段 应用

金属是通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高材料的强度。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。

钢铁材料的强度是其抵抗变形和断裂的能力，而要满足钢铁材料高强度的要求，就必须对它进行强化处理。强化钢铁材料的手段,一般可加入合金元素(加入微量元素如V、Nb、Ti等)通过调质处理使其析出强化、控制轧制及冷却方法等

对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、分散强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的，强化一般伴随着韧性、塑性的降低，但有时也不会降低甚至有所提高。而在工程上更加切实有效的方法是在晶体中引入大量缺陷及阻止位错的运动来提高金属的强度。

由于各种强化方法对钢铁材料强度的不同影响，采用不同强化手段后可使铁的强度提高，这些手段包括固溶强化、细晶强化、冷变形强化、马氏体强化、形变一相变强化、形变强化和脱溶强化等多种强化方法，形变热处理和冷拔高碳钢丝的强度已接近晶须的强度。 1、 固溶强化

固溶强化是将合金元素加入到钢铁材料基体金属中形成固溶体以达到强化金属的方法。一般来说,固溶体总是比组成基体的纯金属有更高的强度和硬度,随着合金元素含量的增加,钢的强度和硬度提高。但是当合金元素的含量适当时,固溶体不仅具有高的强度和硬度,而且有良好的塑性和韧性。它是 利用固溶的置换式溶质原子或间隙式溶质原子来提高基体金属的屈服强度的方法。绝大多数钢材的基体铁都免不了用固溶强化方法强化。 2、分散强化

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分散强化是在钢铁材料中第二相以细小弥散的颗粒均匀分布于基体金属中产生显著的强化作用,使钢铁材料的强度提高。分散强化分为沉淀强化和弥散强化二种。如果钢铁材料经时效处理或回火后,沉淀析出细小弥散的第二相粒子,这种强化作用称为沉淀或时效强化。如果第二相细微颗粒借助于粉末冶金方法加入起强化作用,则称为弥散强化。沉淀强化在一般钢铁材料中常用。 3、细晶强化

细晶强化是是钢铁材料的晶粒更细,晶界更多,使晶界对位错的运动阻力更大,从而使钢铁材料的强度提高,并改善塑性和韧性。细晶强化还可使钢铁材料的脆性转变温度降低,使钢件能适应寒冷地区的工作性能要求。它并且是可以提高钢材强度而不恶化韧性的一种强化方式。 4、冷变形强化

冷变形强化是指金属随着冷塑性变形程度的增大,强度和硬度逐渐升高,而塑性和韧性逐渐降低的现象。生产上对一些不能用热处理来提高强度的金属或合金,如某些不锈钢、黄铜等常用此方法来提高强度。但冷变形强化是以牺牲金属塑性和韧性为代价的,而且会给随后的加工带来困难,往往需要采用再结晶退火等措施来改善金属塑性以利于随后继续加工。 5、马氏体强化

马氏体强化又叫相变强化,是将钢淬火获得马氏体组织以达到强化钢铁材料的目的。马氏体中的含碳量过饱和,使马氏体产生严重的晶格畸变,造成非常大的应力场,严重阻碍位错运动,从而使钢强化,这相当于固溶强化。固溶强化是一般马氏体强化的主要原因,但对低碳马氏体来说,细晶强化和位错强化却是马氏体强化的决定因素。钢的最重要的强化方式。 钢中马氏体的强度主要决定于碳的固溶强化以及自回火的脱溶强化。马氏体的亚结构也有附加强化作用。原始奥氏体的晶粒大小及马氏体晶体的尺度对强度也有一定的影响。马氏体中置换式溶质原子(通常加入的合金元素)的固溶强化作用远小于间隙式溶质原子(碳、氮)的作用。未经脱溶的铁一镍一碳合金位错马氏体与孪晶马氏体的压力强度(能正确反映高碳马氏体的强度)与碳浓度的平方根成正比；而且随碳浓度的增多，孪晶马氏体压力强度增加的斜率大于位错马氏体。马氏体中过饱和碳导致的固溶强化和脱溶强化共约占总强化效果的85％～90％。这两种强化作用，在马氏体点(Ms)高于室温的钢中，表现为淬火过程中和淬火以后碳原子和位错再分布对马氏体的强化。 6、形变一相变强化

形变热处理是形变一相变强化钢材的重要手段之一。形变热处理有很多种方法，按形变

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所处的工艺位置可归结为3类：相变前形变类、相变途中形变类和相变后形变类。相变的类型可以是非扩散型的马氏体相变，也可以是扩散型的脱溶转变或珠光体转变。在工业用钢的强化中，以相变前形变类最为突出。这种方法就是将钢在奥氏体状态下形变，接着淬火和回火的一种综合强化工艺。

按形变温度的不同，这类工艺又可分为：高温形变热处理，即将钢在奥氏体的稳定温度范围(>Ac3)形变后立即淬火、回火；低温形变热处理，即将钢在奥氏体的亚稳温度范围(低于Ac1但高于Ms)进行形变(不产生珠光体或贝氏体相变)，然后立即淬火、回火；以及混合型形变热处理，即将钢先在奥氏体稳定温度范围形变，接着在其亚稳温度范围形变，然后立即淬火、回火。除了在奥氏体状态下进行形变外，还可在α+碳化物状态下进行形变，然后再淬火、回火，这种类型的工艺叫做预形变热处理。显然，其形变过程也是在马氏体相变之前完成的。由于形变是在冷状态下进行的，它与随后的热处理过程相对独立，二者不需立即衔接，工艺的灵活性大。所以，形变热处理是形变强化、马氏体强化和脱溶强化的综合强化法。 7、形变强化

利用形变使钢强化的方法。也称应变强化或加工硬化。对于不再经受热处理，并且使用温度远低于材料再结晶温度的金属材料(譬如低碳低合金钢)，经常利用冷加工(冷形变)手段使之通过形变强化来提高强度。

因而，形变强化的实质就是在材料的再结晶温度以下进行冷形变，随着形变程度(应变量)的增大，在晶体内产生高密度的位错(晶体缺陷)，位错密度越高，强化的程度越大，即流变应力值越高。形变后金属的流变应力应当等于未形变前的流变应力加上形变强化的流变应力的增量。利用形变强化达到高强度的钢铁制品，典型的就是高碳钢冷拉钢丝和低碳低合金双相钢冷拉钢丝。随着形变程度的增大，材料的强度和硬度越来越高，但它的塑性和韧性却往往越来越低，脆性越来越大，这就需要采取相应韧化措施来加以改善。在马氏体型相变过程中引起的内部相变冷作硬化，就其物理实质来说，也属于形变强化，只不过这时的形变并非来自外部，而是来自马氏体相变过程中晶体自身切变所产生的高密度位错。 8、脱溶强化

脱溶强化是通过高温加热的固溶处理，将多量的合金元素的化合物溶入γ -铁中，淬火后形成马氏体，即过饱和的铁基固溶体，然后再在较低温度(固溶度线以下)加热，依靠过饱和固溶体的脱溶产生的强化。

这种强化方式也称时效强化或沉淀强化。铁基过饱和固溶体的脱溶分解，按脱溶后期形成的平衡相的不同(间隙式化合物或金属间化合物)可分作两种情况：

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(1)在低碳、中碳或高碳低合金钢(或高合金钢)中，利用过饱和的碳和铌、钒、钛、钼、钨、铬等合金元素，在钢脱溶过程中碳化物的析出导致强化。例如低碳工程结构钢中，碳机械结构钢以及高碳工具钢中碳化物脱溶的强硬化。

(2)在微碳(<0．03％)的高合金钢中，例如马氏体时效钢，则是利用固溶的置换式合金元素镍、钼、钛、铜等，在脱溶过程中析出金属间化合物导致强化。

铁基合金中，不论脱溶后期的平衡相是碳化物还是金属间化合物，在脱溶的早期阶段(一般在较低温度)，则都是先形成尺寸很小的溶质原子(间隙原子或置换原子)的偏聚区，通称为GP区(Guinier Preston zone)，GP区与基体之间是共格的，没有明显的分界。然后由GP区进一步发展为过渡相，然后再由过渡相发展而成最后的平衡相。依合金成分及处理工艺的不同，在脱溶的不同阶段，会有不同的强化效应。在脱溶后期，平衡相长大后就形成了弥散粒子的强化，这与人为地加入弥散的第二相，以及与粉末冶金法中复相粒子烧结造成的弥散强化类同。第二相颗粒的强化作用是由于它们阻碍晶体中位错的运动。

以上介绍的只是比较单一的强化方式，实际应用中人们对钢材的要求往往是多方面的，因此要满足工程需要必须要由多个强化机构叠加而获得，只不过是在某种特定条件下，某种强化机制起主要作用而已。

随着现代工业和科学技术的不断发展和人们对金属材料应用要求的越来越高，相信在未来，人们将会创造出更好，更完美的金属强化手段，来不断建设和完善我们美好的家园。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n9zv.html