1、鋼鐵材料的強化手段及其應用趙剛領（化學工程學院 化學工程與工藝1143084077）摘要：隨著現代工業和科學技術的不斷發展，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， 對鋼鐵材料進行強化應用已變得刻不容緩。本文主要概述了人們目前對鋼鐵材料強化的方法, 并介紹了強化鋼在不同領域的應用。關鍵詞：鋼鐵材料強化手段應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度。所謂強度是指材料刈塑 性變形和斷裂的抗力，用給定條件下材料所能承受的應力來表示。鋼鐵材料的強度是其抵抗變形和斷裂的能力，而要滿足鋼鐵材料高強度的要求，就必

2、須 對它進行強化處理。強化鋼鐵材料的手段，一般可加入合金元素（加入微量元素如v、nb、ti 等）通過調質處理使其析出強化、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化效應以達到較好的綜合性能。具體方法有固溶 強化、分散強化、形變強化、沉淀強化和彌散強化、細化晶粒強化、擇優取向強化、復相強 化、纖維強化和相變強化等，這些方法往往是共存的，強化一般伴隨著韌性、塑性的降低， 但有時也不會降低甚至有所提高。而在工程上更加切實有效的方法是在晶體屮引入大量缺陷 及阻止位錯的運動來提高金屬的強度。由于各種強化方法対鋼鐵材料強度的不同影響，采用不同強化手段后可使鐵的強度提高, 這些手段包括固溶強化

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

4、分布于基體金屈中產生顯著的 強化作用，使鋼鐵材料的強度提高。分散強化分為沉淀強化和彌散強化二種。如果鋼鐵材料 經吋效處理或回火后，沉淀析出細小彌散的第二相粒子，這種強化作用稱為沉淀或吋效強化。 如果第二相細微顆粒借助于粉末冶金方法加入起強化作用，則稱為彌散強化。沉淀強化在一 般鋼鐵材料屮常用。3、細晶強化細晶強化是是鋼鐵材料的晶粒更細，品界更多，使晶界對位錯的運動阻力更大，從而使鋼鐵 材料的強度提高,并改善塑性和韌性。細品強化還可使鋼鐵材料的脆性轉變溫度降低,使鋼件 能適應寒冷地區的工作性能要求。它并且是可以提高鋼材強度而不惡化韌性的一種強化方 式。4、冷變形強化冷變形強化是指金屬隨著冷塑性變

5、形程度的增大，強度和硬度逐漸升高，而塑性和韌性逐 漸降低的現象。生產上對一些不能用熱處理來提高強度的金屬或合金，如某些不銹鋼、黃銅 等常用此方法來提高強度。但冷變形強化是以犧牲金屬塑性和韌性為代價的，而且會給隨后 的加工帶來困難，往往需要采用再結晶退火等措施來改善金屬塑性以利于隨后繼續加工。5、馬氏體強化馬氏體強化又叫相變強化，是將鋼淬火獲得馬氏體組織以達到強化鋼鐵材料的目的。馬 氏體中的含碳量過飽和，使馬氏體產生嚴重的晶格畸變，造成非常大的應力場,嚴重阻礙位錯 運動，從而使鋼強化,這相當于固溶強化。固溶強化是一般馬氏體強化的主要原因，但對低碳馬 氏體來說，細晶強化和位錯強化卻是馬氏體強化的決

6、定因素。鋼的最重要的強化方式。鋼中馬氏體的強度主要決定于碳的固溶強化以及口回火的脫溶強化。馬氏體的亞結構也 有附加強化作用。原始奧氏體的品粒大小及馬氏體品體的尺度對強度也有一定的影響。馬氏 體中置換式溶質原子（通常加入的合金元素）的固溶強化作用遠小于間隙式溶質原子（碳、氮） 的作用。未經脫溶的鐵一線一碳合金位錯馬氏體與李晶馬氏體的圧力強度（能正確反映高碳 馬氏體的強度）與碳濃度的平方根成正比；而且隨碳濃度的增多，攣晶馬氏體壓力強度增加 的斜率大于位錯馬氏體。馬氏體中過飽和碳導致的固溶強化和脫溶強化共約占總強化效果的 85%90%。這兩種強化作用，在馬氏體點（ms）高于室溫的鋼中，表現為淬火過程

7、中和淬火 以后碳原子和位錯再分布對馬氏體的強化。6、形變一相變強化形變熱處理是形變一相變強化鋼材的重要手段z。形變熱處理有很多種方法，按形變 所處的工藝位置可歸結為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 型可以是非擴散型的馬氏體相變，也可以是擴散型的脫溶轉變或珠光體轉變。在工業用鋼的 強化中，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下形變，接著淬火和回 火的一種綜合強化工藝。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定溫度 范ffl（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溫度范圉（低于 acl但高于ms）進

8、行形變（不產生珠光體或貝氏體相變），然后立即淬火、回火；以及混合型 形變熱處理，即將鋼先在奧氏體穩定溫度范圍形變，接著在其亞穩溫度范圍形變，然后立即 淬火、回火。除了在奧氏體狀態下進行形變外，還可在a+碳化物狀態下進行形變，然后再 淬火、回火，這種類型的工藝叫做預形變熱處理。顯然，其形變過程也是在馬氏體相變z前 完成的。由于形變是在冷狀態下進行的，它與隨后的熱處理過程相對獨立，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化、馬氏體強化和脫溶強化的綜合強化法。7、形變強化利用形變使鋼強化的方法。也稱應變強化或加工硬化。對于不再經受熱處理，并且使用 溫度遠低于材料再結晶溫度的金屬材

9、料（譬如低碳低合金鋼），經常利用冷加工（冷形變）手段 使之通過形變強化來提高強度。因而，形變強化的實質就是在材料的再結晶溫度以下進行冷形變，隨著形變程度（應變量） 的增大，在品體內產生高密度的位錯（晶體缺陷），位錯密度越高，強化的程度越大，即流變 應力值越高。形變后金屬的流變應力應當等于未形變前的流變應力加上形變強化的流變應力 的增暈。利用形變強化達到高強度的鋼鐵制品，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，這就筒要采収相應韌化措施來加以改善。在馬氏體型相變過程 中引起的內部相變冷作硬化

10、，就其物理實質來說，也屬于形變強化，只不過這吋的形變并非 來白外部，而是來白馬氏體相變過程屮晶體白身切變所產生的高密度位錯。8、脫溶強化脫溶強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甘鐵中，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 固溶體的脫溶產生的強化。這種強化方式也稱時效強化或沉淀強化。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，利用過飽和的碳和鋸、銳、鈦、鉗、 鵠、銘等合金元素，在鋼脫溶過程中碳化物的析出導致強化

11、。例如低碳工程結構鋼中，碳機 械結構鋼以及高碳工具鋼中碳化物脫溶的強硬化。(2) 在微碳(<003%)的高合金鋼中，例如馬氏體時效鋼，則是利用固溶的置換式合金元 素線、鉗、鈦、銅等，在脫溶過程屮析出金屬間化合物導致強化。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原子(間隙原子或置換原子)的偏聚區，通稱為 gp區(guinier preston zone), gp區與基體之間是共格的,沒有明顯的分界。然后由gp區進 一步發展為過渡相，然后再由過渡相發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，會有不同的強化效應。在脫溶后期，平衡相長大后就形成了彌散粒子的 強化，這與人為地加入彌散的第二相，以及與粉末冶金法中復相粒子燒結造成的彌散強化類 同。笫二相顆粒的強化作用是由于它們阻礙品