鋼的強韌化(strengthening and toughening of steel)
在給定外界條件下，通過不同的工藝過程，改變鋼的內(nèi)部構(gòu)造，使鋼的強度和韌性得以提高和改善的方法和效果。這里所說的外界條件包括溫度、應(yīng)力、磁場、電場、輻照和化學(xué)介質(zhì)等；不同的工藝過程包括冶煉、鑄造、熱形變、冷形變、焊接、激光照射和熱處理等。在不同的外界條件下，相同的材料也會有不同的性能。強度，這是一個相當(dāng)廣義的概念，它是指材料在宏觀上抵抗形變(彈性形變或塑性形變)的能力。在工程上人們規(guī)定了不同的強度指標(單位是MPa)來限定它的具體涵義。諸如室溫拉伸(或壓縮)條件下的短時屈服強度、長時(譬如1000h等)屈服強度、抗拉強度，由屈服強度或抗拉強度派生出來的比強度(屈服強度對材料密度的比值或抗拉強度對密度的比值)；各種溫度(室溫以上)及斷裂時間下的持久強度，一定溫度、一定時間、一定允許形變量下的蠕變強度(或蠕變極限)；各種化學(xué)介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕斷裂強度；在低溫或高溫各種循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強度(或疲勞極限)等等。韌性，也是一個相當(dāng)廣義的概念。它是材料斷裂能量的判據(jù)，是強度和塑性的綜合表征。在缺口斷裂力學(xué)及裂紋斷裂力學(xué)中，分別有缺口韌性和裂紋韌性之分。缺口韌性指標包括梅氏U形缺口沖擊功Ak值(單位是J)，夏氏V形缺口沖擊功Cv值(單位是J)。裂紋韌性指標包括適用于高強度和超高強度鋼的平面應(yīng)變斷裂韌性KIc(量綱是MN%26bull;m-2)，適用于中高強度鋼的、在彈性和彈塑性范圍內(nèi)的裂紋擴展力GIc和JIc(量綱是MN／m)，以及適用于中低強度鋼的臨界裂紋張開位移COD或%26zeta;c(單位是mm)，等等。一般來說，結(jié)構(gòu)材料的強度和韌性是一對矛盾。通常提高強度，就降低韌性?；蛘叻催^來，韌性改善了，強度就下降。合理的辦法是，在滿足給定要求強度的前提下，設(shè)法提高鋼的韌性，以保證材料的可靠使用。或者反過來，在保證給定要求韌性的前提下，設(shè)法提高強度。統(tǒng)一協(xié)調(diào)這一對矛盾，得到又強又韌的鋼材，就是鋼強韌化的目的。
鋼的強化方法 鋼的強化方法包括：(1)形變強化；(2)固溶強化；(3)脫溶強化；(4)細化晶粒強化；(5)復(fù)合強化(上述各種強化方式的復(fù)合)；(6)馬氏體強化；(7)形變一相變綜合強化(形變熱處理強化)；(8)其他強化方法。
形變強化 利用形變使鋼強化的方法。也稱應(yīng)變強化或加工硬化。因為通常把硬度和強度都看作是材料的%26ldquo;強度性質(zhì)%26rdquo;。強度是材料在宏觀上(或者說是整體上)抵抗形變的能力(或稱流變應(yīng)力)。硬度是材料局部抵抗塑性形變的能力(不論是顯微硬度、維氏硬度、洛氏硬度，還是布氏硬度)。二者在不少情況下有近似的相應(yīng)關(guān)系。材料的強度越高，塑性形變抗力越大，硬度值也越高。反之，材料的硬度越高，可能因材料脆性增大，其強度未充分反映出來，使得強度指標數(shù)值并不高。對于不再經(jīng)受熱處理，并且使用溫度遠低于材料再結(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化來提高強度。因而，形變強化的實質(zhì)就是在材料的再結(jié)晶溫度以下進行冷形變，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)力加上形變強化的流變應(yīng)力的增量。流變應(yīng)力增量與位錯密度的高低有關(guān)：%26tau;=%26tau;0+%26alpha;%26mu;b%26rho;n1. 式中%26tau;為金屬的流變切應(yīng)力%26tau;0為退火態(tài)金屬的流變切應(yīng)力(它表示除了位錯相互作用以外其他因素對位錯運動的摩擦阻力)；%26alpha;為常數(shù)；%26mu;為切變彈性模量；b為位錯柏氏矢量； %26rho;為位錯密度；指數(shù)n1=0.5。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，就其物理實質(zhì)來說，也屬于形變強化，只不過這時的形變并非來自外部，而是來自馬氏體相變過程中晶體自身切變所產(chǎn)生的高密度位錯。
固溶強化 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度的方法。它是一種常用的強化方法。絕大多數(shù)鋼材的基體鐵都免不了用固溶強化方法強化。這種強化方法的實質(zhì)是，溶質(zhì)原子使基體的點陣(或稱晶格)發(fā)生畸變，位錯運動受到阻礙，從而有效地提高了合金的強度。在合金元素濃度不高的固溶體中，合金屈服流變應(yīng)力隨溶質(zhì)濃度的變化關(guān)系為：%26sigma;=%26sigma;0+Kcn2。式中%26sigma;為合金的屈服流變應(yīng)力；%26sigma;0為基體金屬的流變應(yīng)力；K為常數(shù)，決定于基體與合金元素的性質(zhì)；c為溶質(zhì)的原子濃度；指數(shù)n2為常數(shù)，強化能力較弱的合金元素(置換式元素)n2=1，強化能力較強的間隙式元素n2=0.5。鐵基合金中，屈服流變應(yīng)力與置換溶質(zhì)元素濃度間呈線性關(guān)系(常用元素中，磷、硅、銅強化效果較大，錳、鉬、鎳、鋁強化效果較小，鉻倒有軟化效果)；而與間隙溶質(zhì)元素(如碳)濃度的平方根成正比。間隙溶質(zhì)強化的效果比置換溶質(zhì)的強化效果高得多，前者是后者的10～100倍。然而，碳在%26alpha;-鐵中的最大溶解度卻只有0．0218％，這樣就使得強化的總效果有限。不過，利用鐵基固溶體的多形性轉(zhuǎn)變這一重要現(xiàn)象，把鋼加熱到高溫%26gamma;相區(qū)，這樣就可以有大量的碳溶在%26gamma;-鐵中，例如Fe%26mdash;C合金中，%26gamma;-鐵的最大溶碳量可高達2．11％(是%26alpha;-鐵中最大溶碳量的近100倍)，然后再用淬火的方法使%26gamma;相轉(zhuǎn)變成具有同樣碳含量的馬氏體(非擴散型相變)。這樣，碳的固溶強化就成了淬火馬氏體強化的主要因素。這是結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中最基本、最常用的強化方法。同樣，當(dāng)固溶強化效果過大導(dǎo)致材料脆性增大時，也需要采取韌化措施(如回火)來加以改善。
脫溶強化 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%26gamma; -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)生的強化稱脫溶強化。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)致強化。例如低碳工程結(jié)構(gòu)鋼中，碳機械結(jié)構(gòu)鋼以及高碳工具鋼中碳化物脫溶的強硬化。(2)在微碳(%26lt;0．03％)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鎳、鉬、鈦、銅等，在脫溶過程中析出金屬間化合物導(dǎo)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(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)造成的彌散強化類同。第二相顆粒的強化作用是由于它們阻礙晶體中位錯的運動。位錯運動受阻或者是由于位錯線必須切割第二相顆粒，或者是必須繞過第二相顆粒。假定顆粒是不形變的圓球，則鋼的屈服強度與第二相顆粒間距的關(guān)系為：%26sigma;y=%26sigma;0+Kd%26lambda;-n3式中%26sigma;y為鋼的屈服強度；%26sigma;0為基體的屈服強度；Kd為常數(shù)；%26lambda;為顆粒間距；Kd為常數(shù)，約等于0.5-1.0。
細化晶粒強化 常溫下，鋼的強度受基體組織的晶粒尺寸影響。通常用晶粒號(也稱為晶粒度或晶粒級別)來表示晶粒的平均大小。表中給出了晶粒號(N)與晶粒平均直徑d的對應(yīng)關(guān)系
這一對應(yīng)關(guān)系是由Z=2(N+3)變換而來，式中Z為lmm2中的平均晶粒數(shù)目，N為晶粒號。由此可得每一晶粒平均所占的面積(截面)及每一晶粒的平均直徑。一般工業(yè)用鋼中，晶粒號通常表示的是奧氏體的晶粒大小，也可特指鐵素體的晶粒大小。例如，以鐵素體為基體的工程結(jié)構(gòu)鋼可特指鐵素體的晶粒大??；淬火回火鋼則指淬火前奧氏體的晶粒大小。工業(yè)用鋼細晶粒號的通常范圍為N5～10，N%26lt;5稱為粗晶粒，N%26gt;10則稱為超細晶粒。霍爾一佩奇關(guān)系式可描述鋼的屈服強度和晶粒尺寸的關(guān)系：%26sigma;y=%26sigma;0+Kgd-n4. 式中%26sigma;y為鋼的屈服強度；%26sigma;0為常數(shù)，大體相當(dāng)于單晶鐵的屈服強度，與溫度、成分有密切關(guān)系；Kg為表征晶界對強度影響程度的常數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與溫度關(guān)系不大；d為晶粒大小，可以是鐵素體晶粒大小、奧氏體晶粒大小，也可以是亞晶的大小；指數(shù)n4=0.5。例如O．11％碳鋼的下屈服應(yīng)力與鐵素體晶粒大小的關(guān)系如圖1所示。
可以看出，隨晶粒細化值增大)，鋼的強度線性增高。直線的斜率即上式中的Kg值。常溫及低溫下晶粒細化之所以提高鋼的強度，是因為晶界阻礙位錯運動的結(jié)果。在這個意義上，也可把晶粒細化強化稱為晶界強化。當(dāng)把晶粒進一步超細化以后，可使鋼的強度大幅度升高。通過形變熱處理，在近于鋼的臨界點Ac3的溫度強烈形變，恒溫或慢冷一段時間使形變奧氏體再結(jié)晶，然后快速冷卻阻止再結(jié)晶的晶粒長大；或者通過快速反復(fù)奧氏體化和淬火的方法(反復(fù)次數(shù)的多少視鋼種而定)，均可獲得超細奧氏體晶粒(晶粒號大于13)。這樣超細的奧氏體晶?？墒逛摰膹姸蕊@著升高，如圖2所示。
上述霍爾一佩奇關(guān)系式是一個普遍的關(guān)系式，它可作為流變應(yīng)力與晶粒大小的關(guān)系(塑性材料)，也可作為斷裂應(yīng)力與晶粒大小的關(guān)系(脆性材料)，還可作為疲勞強度與晶粒大小的關(guān)系。這一經(jīng)驗關(guān)系式可由位錯塞積模型導(dǎo)出。當(dāng)晶粒尺寸外推到4nm時，這一關(guān)系不再適用(工業(yè)中尚難達到這么小的晶粒。
復(fù)合強化 工業(yè)用鋼很少由單一方式強化。把固溶強化、形變強化、晶界強化和彌散強化簡單疊加的復(fù)合強化可表示為：%26sigma;y=%26sigma;0+%26alpha;%26mu;b%26rho;n1+Kcn2+Kd%26lambda;-n3+Kgd-n4。式中各符號的涵義已如上述。
馬氏體強化 鋼的最重要的強化方式。中國古代冶金史的研究表明，中國在戰(zhàn)國時代(公元前475～前221年間)已掌握了鋼的淬火。西漢時代(公元前206～公元220年間)的鋼劍具有淬火的馬氏體組織。20世紀20年代以來開始的鋼中馬氏體型相變的研究，是金屬學(xué)領(lǐng)域中取得的一系列重大成就之一。鋼中馬氏體的強度主要決定于碳的固溶強化以及自回火的脫溶強化。馬氏體的亞結(jié)構(gòu)也有附加強化作用。原始奧氏體的晶粒大小及馬氏體晶體的尺度對強度也有一定的影響。馬氏體中置換式溶質(zhì)原子(通常加入的合金元素)的固溶強化作用遠小于間隙式溶質(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，孿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(dǎo)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(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化。
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之一。1954年，荷蘭人利浦斯(E．M．H．Lips)和范朱林(H．Van Zuilen)發(fā)表了形變熱處理工藝能提高鋼的強度和塑性的論文。20世紀整個60年代，各國對很多鋼種包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等進行了廣泛的形變熱處理試驗研究，均得到較好的效果。到60年代末，派生出的多種方法，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散型的馬氏體相變，也可以是擴散型的脫溶轉(zhuǎn)變或珠光體轉(zhuǎn)變。在工業(yè)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(tài)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(wěn)定溫度范圍(%26gt;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)下進行形變外，還可在%26alpha;+碳化物狀態(tài)下進行形變，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。結(jié)論是，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。
其他強化方法 晶須和非晶態(tài)強化是兩類特殊的強化方法。晶須是一種人工制成的極細單晶纖維，直徑一般為1～10%26mu;m，長1～10mm。由于晶須表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，在受力時難以形成位錯源，因而具有相當(dāng)高的強度。如直徑為1．6%26mu;m的鐵晶須，強度可達13．4GPa。
1960年，人們第一次用液態(tài)金屬高速冷卻制得非晶態(tài)金屬，又稱金屬玻璃。其原子結(jié)構(gòu)與液態(tài)金屬相似，實質(zhì)上是液態(tài)金屬的過冷態(tài)。非晶態(tài)金屬的強度和硬度，通常比強化的晶態(tài)金屬高。鐵基非晶態(tài)的抗拉強度已超過了現(xiàn)有的超高強度鋼，一般是2～3GPa，有的高達4GPa。
鋼的韌化方法 鋼的韌化方法包括：(1)細化晶粒法；(2)合金化法；(3)純凈化法；(4)位錯板條馬氏體韌化；(5)高溫形變熱處理；(6)利用穩(wěn)定奧氏體使鋼韌化；(7)利用介穩(wěn)奧氏體使鋼韌化；(8)回火和其他方法。
細化晶粒法 常溫或低溫下，在利用細化晶粒提高鋼的強度的同時，還可改善鋼的韌性，特別是低溫韌性。這是細化晶粒方法的突出優(yōu)點。因為細化晶粒不僅增大鋼的屈服強度(%26sigma;s)，而且增大鋼的斷裂強度%26sigma;b)。這樣，隨著晶粒的不斷細化，鋼從脆性斷裂過渡到韌性斷裂(%26sigma;b%26gt;%26sigma;s)，如圖3所示。
合金化法 合金元素錳和鎳能使鋼的韌性提高。錳因為能減少晶界碳化物，細化珠光體，相應(yīng)也細化鐵素體晶粒，從而提高鐵素體一珠光體鋼的韌性。鎳是提高鋼的韌性最有效的元素，這是因為鎳能提高鐵素體基體的韌性，并使晶粒細化的緣故。
純凈化法 除去鋼中夾雜、氣體及有害元素，盡可能降低鋼的碳含量是提高鋼韌性的有效方法。鋼中非金屬夾雜物是斷裂的裂紋源。在冶煉上采用真空除氣，電渣重熔、真空白耗重熔和各種爐外精煉技術(shù)，提高鋼的純凈度，可顯著改善鋼的韌性。鋼中磷、硫、砷、銻等有害元素的去除，也能改善鋼的韌性。鋼中的碳，雖然在很多情況下是不可缺少的元素，但碳卻使鋼的韌性顯著惡化，因此，在可能的條件下，應(yīng)盡量降低鋼的碳含量。
位錯板條馬氏體韌化 鐵碳合金中，碳含量0．30％時，淬火馬氏體的形態(tài)主要為位錯板條馬氏體；碳含量0．6％時，主要為內(nèi)孿晶馬氏體。一般認為，化學(xué)成分相同，位錯馬氏體與內(nèi)孿晶馬氏體的強化效果相當(dāng)，而位錯馬氏體具有較好的韌性。原因可能是位錯馬氏體的板條尺寸很小，類似于非常細的晶粒，可阻止裂紋的傳播；而孿晶片狀馬氏體，厚度較大，且內(nèi)部孿晶取向相同，類似于粗大的晶粒，從而韌性較差。另外，位錯馬氏體板條之間的殘留奧氏體塑性良好，使得鋼的韌性改善。
高溫形變熱處理 將鋼在高于臨界點Ac3以上的較高溫度(如在奧氏體的再結(jié)晶溫度以上)奧氏體化，然后預(yù)冷到稍高于A。。的溫度形變，接著淬火、回火的方法。這種方法屬于形變一相變綜合強韌化方法。它一方面使鋼的強度增加，另一方面也使鋼的塑性增加，或至少在強度增加的同時塑性不降低。由于韌性是強度和塑性的綜合表現(xiàn)，在相同強度的條件下，提高塑性就是提高韌性的一個途徑；或者在塑性相同的條件下，提高強度也就等于提高了韌性。高溫形變熱處理使馬氏體晶體細化，馬氏體內(nèi)亞結(jié)構(gòu)(如內(nèi)孿晶)細化，且內(nèi)孿晶馬氏體的量減少等，改善了鋼的韌性。這種工藝適用于那些把成型工藝(諸如軋制、鍛造、扭拉、擠壓等)與強韌化結(jié)合在一起的產(chǎn)品，如扭制鉆頭，板、卷彈簧，模具，高強度螺栓，挖掘機的鍛件，裝甲板等。
利用穩(wěn)定奧氏體使鋼韌化 穩(wěn)定奧氏體是韌性良好的合金相。最典型的例子就是高錳鋼Mn13。這種鋼經(jīng)1050℃加熱水冷后，為單相奧氏體。使用時受到?jīng)_擊、摩擦作用，表面層產(chǎn)生層錯導(dǎo)致強加工硬化，而內(nèi)部仍是高韌性的奧氏體，因而它具有高硬度高耐磨性(表層)和整體的高韌性。此外，低溫鋼、馬氏體時效不銹鋼等鋼中，以鎳、錳等元素高度合金化的奧氏體鋼，也具有優(yōu)良的韌性。
亞穩(wěn)奧氏體使鋼韌化 利用亞穩(wěn)奧氏體或亞穩(wěn)殘余奧氏體使鋼韌化。最典型的例子就是具有TRIP效應(yīng)的鋼種(見相變誘導(dǎo)塑性鋼)。
回火和其他方法鋼材的韌化，意味著不發(fā)生脆化。因而抑制脆化現(xiàn)象即可提高鋼的韌性。一般來說，淬火鋼的回火是用得最廣泛的韌化措施。它可減小馬氏體的碳過飽和度，減少淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，改善鋼的韌性。因而淬火、回火就是鋼的最普遍的強韌化方法。然而，淬火鋼回火時，又會在不同的溫度范圍產(chǎn)生低溫回火脆性或高溫回火脆性。它們的本質(zhì)不同，改善或消除它們的方法也不同。利用硅合金化可使低溫回火脆性發(fā)生的溫度范圍上移，以保證鋼的強度和韌性的綜合要求。利用鉬合金化可顯著改善鋼的高溫回火脆性。利用高溫形變熱處理或高純度鋼，可同時改善低溫和高溫回火脆性。
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