形變熱處理

形變熱處理

形變熱處理:是形變強化和相變強化相結合的一種綜合強化工藝。它包括金屬材料的範性形變和固態相變兩種過程,並將兩者有機地結合起來,利用金屬材料在形變過程中組織結構的改變,影響相變過程和相變產物,以得到所期望的組織與性能。

形變熱處理

正文

形變強化和相變強化相結合的一種綜合強化工藝。它包括金屬材料的範性形變固態相變兩種過程,並將兩者有機地結合起來,利用金屬材料在形變過程中組織結構的改變,影響相變過程和相變產物,以得到所期望的組織與性能(見金屬的強化)。形變熱處理的主要優點是:
①將金屬材料的成形與獲得材料的最終性能結合在一起,簡化了生產過程,節約能源消耗及設備投資。
②與普通熱處理比較,形變熱處理後金屬材料能達到更好的強度與韌性相配合的機械性能。有些鋼特別是微合金化鋼,唯有採用形變熱處理才能充分發揮鋼中合金元素的作用,得到強度高、塑性好的性能。例如09MnNb鋼正常軋制後屈服強度(σs)為39kgf/mm2,-40℃梅氏(Mesnager)衝擊值(αK)為0.63kgf·m/cm2;經正火後,-40℃的αK可提高到6~8kgf·m/cm2,而σs下降5kgf/mm2;如採用控制軋制(形變熱處理工藝之一),強度與韌性都可進一步提高:αs約45kgf/mm2,-40℃的αK可達6~12kgf·m/cm2。
由於以上原因,形變熱處理已廣泛套用於生產金屬與合金的板材、帶材、管材、絲材,和各種零件如板簧、連桿、葉片、工具、模具等。
形變熱處理工藝中的塑性變形(範性形變),可以用軋、鍛、擠壓、拉拔等各種形式;與其相配合的相變有共析分解馬氏體相變脫溶等。形變與相變的順序也多種多樣:有先形變後相變;或在相變過程中進行形變;也可在某兩種相變之間進行形變。
較普遍採用的形變熱處理工藝列於附表中。

形變熱處理形變熱處理
形變對母相的作用 形變熱處理中,形變使相變前的母相的組織結構甚至成分都起變化,形變後或形變過程中的相變在相變動力學和相變產物的類型、形貌等方面,都不同於一般熱處理,從而得到良好的性能。
形變對母相組織結構帶來的變化隨形變條件(形變溫度、道次形變數、總形變數、形變速度……)及金屬材料成分的不同而有差異,根據對相變的作用,母相形變後的組織結構基本上屬於三類:
①在再結晶溫度以上形變,道次形變數如超過再結晶臨界變形量,則母相發生動態或靜態的再結晶,使晶粒得到細化;如進行多道次形變,則發生多次再結晶,母相的晶粒顯著細化(見回復和再結晶)。
②在材料的再結晶溫度以下形變,母相不發生再結晶,而產生大量晶體缺陷,或僅發生回復過程,形成多邊化亞結構。
③形變誘發第二相由母相中析出,析出的第二相又與位錯互動作用,使母相的成分與結構皆發生變化。
形變對相變的作用 形變熱處理中,形變後的母相組織經常是以上幾類的綜合。現以鋼的奧氏體為例,說明形變後的奧氏體對以後的相變及相變產物的作用。
對鐵素體-珠光體型相變的作用 形變後產生了再結晶的細奧氏體晶粒,使冷卻轉變後的鐵素體也相應得到細化。形變後未發生再結晶的奧氏體中的大量晶體缺陷,為此後鐵素體的轉變提供了大量形核位置,並使鐵素體形核的熱激活過程更容易進行,這兩者使轉變後的鐵素體晶粒細化;此外形變的奧氏體有加速擴散過程,加速鐵素體轉變速度,提高鐵素體形成的溫度等作用(見附表中類型2)。
如果在奧氏體中存在有形變誘發析出的第二相,則對細化鐵素體晶粒更為有效。低碳,含有微量(〈0.01%)的Nb、V、 Ti合金元素的微合金化鋼,就屬於這類情況。形變使奧氏體產生多邊化亞晶,在奧氏體晶界堆積較多的位錯,形變又誘發析出Nb(CN)或其他合金元素的碳、氮化物。細小的第二相首先在奧氏體晶界處及亞晶界上析出,並釘扎亞晶界及晶界,使亞晶的長大和晶界的遷移都受到阻礙,造成奧氏體再結晶核心難以在該處產生,即使產生了也不易長大,從而抑制了奧氏體再結晶的發生。只有給予更大變形量,進一步提高再結晶的驅動力時,才會發生再結晶,結果,使再結晶後的奧氏體晶粒比普通低碳鋼細小。大約在950℃以下,形變誘發析出的第二相,能完全阻止奧氏體發生再結晶,這樣就相對地擴大了奧氏體未再結晶的溫度範圍,有利於增大未再結晶區的形變數,使奧氏體產生更大量的晶體缺陷。在奧氏體再結晶區及未再結晶區連續變形,得到的是細小的奧氏體晶粒及高密度的晶體缺陷。這樣的奧氏體轉變後形成的鐵素體晶粒細小而均勻,生產上可得到 5μm直徑的鐵素體(實驗室可得到2μm直徑的鐵素體)。
僅就晶粒細化這一項,就使鋼的屈服強度提高10~15kgf/mm2,同時提高鋼的低溫韌性,使韌性-脆性轉變溫度下降到-70℃。鐵素體晶粒的細化還可以抵銷由於相間沉澱及鐵素體中析出的第二相所造成的脆性,保留其沉澱強化作用,在具有良好低溫韌性的基礎上,進一步提高鋼的屈服強度。
對淬火時馬氏體、貝氏體相變的作用 再結晶的奧氏體僅能細化所轉變的馬氏體或貝氏體組織。形變而未再結晶的奧氏體,對淬火時的馬氏體和貝氏體轉變的作用卻是多方面的(見附表)中類型1、3、5
奧氏體中的大量晶體缺陷使以共格方式長大的馬氏體、貝氏體晶體長大受阻,使轉變後的組織得到細化。奧氏體中的晶體缺陷可被其轉變的馬氏體、貝氏體所繼承,使轉變後的馬氏體或貝氏體組織的位錯密度高於一般熱處理形成的馬氏體和貝氏體的位錯密度。當奧氏體在形變過程產生形變誘發第二相析出時,這種現象尤為突出。形變誘發析出的第二相質點,釘扎了奧氏體已有的可動位錯;在進一步形變時,促進奧氏體增殖大量新的位錯,大大增加奧氏體中的位錯密度,相應地增加轉變後的馬氏體的位錯密度。馬氏體、貝氏體中位錯密度提高,是形變淬火得以提高鋼的強度的主要原因。這樣的馬氏體組織在回火時,由於位錯密度高,為碳化物提供了大量形核位置,結果使回火馬氏體中的碳化物質點更細小,分布更均勻。形變誘發由奧氏體中析出第二相,降低奧氏體中碳和合金的含量,有利於減少孿晶馬氏體,增多板條狀馬氏體的數量。馬氏體組織的細化、孿晶馬氏體的減少,以及回火時均勻的碳化物分布,是形變淬火鋼韌性好的原因。
奧氏體形變中形成的亞晶粒,比較穩定,不僅可為直接形成的馬氏體所繼承,還能遺傳給重新加熱淬火,再次形成的馬氏體組織,使形變淬火後再加熱淬火的鋼的強度仍高於一般淬火鋼。
形變奧氏體除可以細化所轉變的貝氏體外,還能改變轉變的貝氏體組織類型。低碳貝氏體鋼未形變的奧氏體轉變為上貝氏體組織,形變的奧氏體則轉變為顆粒狀貝氏體組織,這種組織的塑性、韌性比上貝氏體要好。
形變誘發馬氏體相變 在Ms~Md溫度範圍內形變能誘發奧氏體轉變為馬氏體,而在Ms溫度以上就發生馬氏體轉變。Md稱為形變誘發馬氏體開始轉變點。形變誘發馬氏體可提高鋼的強度,更重要的是,在奧氏體基體中的應力集中,由於形變誘發馬氏體的產生而得以弛豫,避免微裂紋的產生與擴展,提高鋼的塑性(見附表中類型5)。
上述奧氏體的形變對相變的作用的規律對於其他合金也基本適用。
工藝參數的確定 實際套用形變熱處理工藝時,不僅要結合材料的成分與性能要求,確定形變後的熱處理工藝參數,更重要的是要根據母相形變後的組織結構及其對相變和相變產物的作用規律,正確確定形變的工藝參數,才能得到所期望的母相組織結構及轉變後的組織,達到所需要的性能。

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