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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,如果适当增加回火时间,可使断裂韧度达418公斤/毫米,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