金属材料强化与韧化手段

钢的韧化方法

钢的韧化方法包括：

(1) 细化晶粒法；

(2)合金化法；

(3)纯净化法；

(4) 位错板条马氏体韧化；

(5) 高温形变热处理；

(6) 利用稳定奥氏体使钢韧化；

(7) 利用介稳奥氏体使钢韧化；

(8) 回火和其他方法。

(1)细化晶粒法 常温或低温下，在利用细化晶粒提高钢的强度的同时，还可改善钢的韧性，特 别是低温韧性。这是细化晶粒方法的突出优点。因为细化晶粒不仅增大钢的屈服强度 (@),而且增大钢

的断裂强度Ob)。这样，随着晶粒的不断细化，钢从脆性断裂过渡到韧性断裂 (沪os)，如图3所示。

晶粒尺寸

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图3新裂强度s和屈服强度6

与晶粒尺寸M的关糸

（2） 合金化法 合金元素锰和镍能使钢的韧性提高。锰因为能减少晶界碳化物，细化珠光体，相 应也细化铁素体晶粒，从而提高铁素体一珠光体钢的韧性。镍是提高钢的韧性最有效的元素，这是因为 镍能提高铁素体基体的韧性，并使晶粒细化的缘故。

（3） 纯净化法 除去钢中夹杂、气体及有害元素，尽可能降低钢的碳含量是提高钢韧性的有效方 法。钢中非金属夹杂物是断裂的裂纹源。在冶炼上采用真空除气，电渣重熔、真空白耗重熔和各种炉外 精炼技术，提高钢的纯净度，可显著改善钢的韧性。钢中磷、硫、砷、锑等有害元素的去除，也能改善 钢的韧性。钢中的碳，虽然在很多情况下是不可缺少的元素，但碳却使钢的韧性显著恶化，因此，在可 能的条件下，应尽量降低钢的碳含量。

（4） 位错板条马氏体韧化 铁碳合金中，碳含量＜0. 30%时，淬火马氏体的形态主要为位错板条 马氏体；碳含量＞0. 6%时，主要为内孪晶马氏体。一般认为，化学成分相同，位错马氏体与内孪晶马 氏体的强化效果相当，而位错马氏体具有较好的韧性。原因可能是位错马氏体的板条尺寸很小，类似于 非常细的晶粒，可阻止裂纹的传播；而孪晶片状马氏体，厚度较大，且内部孪晶取向相同，类似于粗大 的晶粒，从而韧性较差。另外，位错马氏体板条之间的残留奥氏体塑性良好，使得钢的韧性改善。

（5） 高温形变热处理 将钢在高于临界点AC3以上的较高温度（如在奥氏体的再结晶温度以上）奥氏

体化，然后预冷到稍高于A。。的温度形变，接着淬火、回火的方法。这种方法属于形变一相变综合强

韧化方法。它一方面使钢的强度增加，另一方面也使钢的塑性增加，或至少在强度增加的同时塑性不降 低。由于韧性是强度和塑性的综合表现，在相同强度的条件下，提高塑性就是提高韧性的一个途径；或 者在塑性相同的条件下，提高强度也就等于提高了韧性。高温形变热处理使马氏体晶体细化，马氏体内 亚结构（如内孪晶）细化，且内孪晶马氏体的量减少等，改善了钢的韧性。这种工艺适用于那些把成型工 艺（诸如轧制、锻造、扭拉、挤压等）与强韧化结合在一起的产品，如扭制钻头，板、卷弹簧，模具，高 强度螺栓，挖掘机的锻件，装甲板等。

（6） 利用稳定奥氏体使钢韧化 稳定奥氏体是韧性良好的合金相。最典型的例子就是高锰钢 Mn13 这种钢经1050 r加热水冷后，为单相奥氏体。使用时受到冲击、摩擦作用，表面层产生层错导致强加工 硬化，而内部仍是高韧性的奥氏体，因而它具有高硬度高耐磨性 （表层）和整体的高韧性。此外，低温钢、 马氏体时效不锈钢等钢中，以镍、锰等元素高度合金化的奥氏体钢，也具有优良的韧性。

（7） 亚稳奥氏体使钢韧化 利用亚稳奥氏体或亚稳残余奥氏体使钢韧化。最典型的例子就是具有 TRIP效应的钢种（见相变诱导塑性钢）。

（8） 回火和其他方法钢材的韧化，意味着不发生脆化。因而抑制脆化现象即可提高钢的韧性。一 般来说，淬火钢的回火是用得最广泛的韧化措施。它可减小马氏体的碳过饱和度，减少淬火时产生的内 应力，改善钢的韧性。因而淬火、回火就是钢的最普遍的强韧化方法。然而，淬火钢回火时，又会在不 同的温度范围产生低温回火脆性或高温回火脆性。它们的本质不同，改善或消除它们的方法也不同。利 用硅合金化可使低温回火脆性发生的温度范围上移，以保证钢的强度和韧性的综合要求。利用钼合金化 可显著改善钢的高温回火脆性。利用高温形变热处理或高纯度钢，可同时改善低温和高温回火脆性。

回火又称配火。金属热处理工艺的一种。将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度， 保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。或将淬火后的合金工件加热到适当温度， 保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力， 或降低其硬度和强度， 以提高其延性或韧性。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火。通常随着回火温度的升 高，硬度和强度降低，延性或韧性逐渐增高。钢铁工件在淬火后具有以下特点：①得到了马氏体、贝氏 体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。②存在较大内应力。③力学性能不能满足要求。因此，钢 铁工件淬火后一般都要经过回火。

作用 回火的作用在于：①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几 何尺寸和性能保持稳定。②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。③调整钢铁的 力学性能以满足使用要求。

回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的 原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平 衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提 高。回火温度越高，这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火 时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化。

要求 用途不同的工件应在不同温度下回火，以满足使用中的要求。①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表 面淬火零件通常在250C以下进行低温回火。低温回火后硬度变化不大，内应力减小，韧性稍有提高。 ②弹簧在350〜500C下中温回火，可获得较高的弹性和必要的韧性。③中碳结构钢制作的零件通常在 500〜600 r进行高温回火，以获得适宜的强度与韧性的良好配合。淬火加高温回火的热处理工艺总称为 调质。

钢在300C左右回火时，常使其脆性增大，这种现象称为第一类回火脆性。一般不应在这个温度区间回 火。某些中碳合金结构钢在高温回火后，如果缓慢冷至室温，也易于变脆。这种现象称为第二类回火脆 性。在钢中加入钼，或回火时在油或水中冷却，都可以防止第二类回火脆性。将第二类回火脆性的钢重 新加热至原来的回火温度，便可以消除这种脆性。离子渗氮和渗硼都能提高材料的红硬性

1淬火温度的高低取决于材料成份，当合金元素较高时，一般要提高温度，因为合金元素可以改变

材料的相变温度，使组织转变温度提高，更重要的是要使材料中的金属化合物溶解， 起到其应有的作用。 当淬火温度低时，金属化合物不溶解，合金元素就白加了。

2这是因为高速钢淬火后大部分转变为马氏体，残留奥氏体量是 20—25%甚至更高。第一次回火

后，又有15流右的残留奥氏体转变为马氏体。还有 10流右的残留奥氏体，15流右新转变未经回火的 马氏体，还会产生新的应力，对性能还有一定的影响。为此，要进行二次回火，这时又有 5—6%勺残留

奥氏体转变为马氏体，同样原因为了使剩余的残留奥氏体发生转变，和使淬火马氏体转变为回火马氏体 并消除应力，需进行第三次回火。经过三次回火残留奥氏体约剩 1 — 3%左右。

3.这是由于它们各自的工作条件决定的。

对冷作模具钢而言，由于其工作条件要求它应具有较高强度、硬度与耐磨性，所以钢中需要加入大量的 碳元素，呈高碳状态，多数冷作模具钢为高碳钢。

冷作模具钢中的碳元素一方面固溶于铁元素的晶格中造成晶格强烈畸变而强化基体组织（马氏体） ，另

一方面与铁元素及其他合金元素形成各种碳化物，组成钢中的强化相。这些强化相具有较高硬度，若能 呈细小颗粒状弥散地分布于基体组织中，那么基体组织与强化相的联合作用，将使钢呈现出较高强度、 硬度与耐磨性，满足使用要求。韧性的保证是通过细化晶粒的途径来完成的，当然细化晶粒不仅增加韧 性，还提高了强度。而钢中形成的强稳定碳化物却起到细化晶粒作用。冷作模具钢在加热时，往往使钢 处于两相组织状态即奥氏体与碳化物，控制加热温度和保温时间，既使碳化物有部分溶入奥氏体中，增 加奥氏体的含碳量，又使未溶的碳化物呈细小颗粒状弥散分布于奥氏体中，同时还要使奥氏体受限于晶 界处的碳化物而不致使晶粒长大许多，这样在淬火后，就可获得细颗粒状碳化物 +隐晶马氏体与少量残

余奥氏体所组成的基体组织。硬相质点均匀地分布在强韧性极佳的基体组织上，其性能是完全能保障冷 作钢工作条件要求的。对热作模具钢而言，其工作条件中承受的载荷及磨损要远小于冷作模具钢，而承 受的热疲劳相对而言则是主要的。

过高的含碳量会使碳化物增多，这不利于增强钢的韧性和抗热疲劳性能以及导热性。 过低的含碳量会使钢的强度、硬度与耐磨性显得不足，所以保持钢为中碳钢是适宜的。

热作模具钢经淬火+高温回火处理，可获得回之索氏体或屈氏体组织。既保证钢有足够的强度、硬度与 耐磨性，又保证有良好的韧性与抗热疲劳性能以及导热性，满足使用条件。

红硬性是指材料在经过一定温度下保持一定时间后所能保持其硬度的能力。”

对于高速钢，提高淬火温度，可以增加基体合金化程度，也就增加了红硬性。

。要提高刃具的红硬性，要保证工件回火后有较高的硬度。一般要在保证工件淬透的情况下，采用

高淬+正常回火。可提高。一般刃具的红硬性

如果材料已定，可以考虑通过热喷涂等方法在工件表面镀一层高红硬性材料 ，如硼.用此方法也可显

著提高工件红硬性.1 提高淬火温度（估计是最主要因素了）2延长淬火时间3回火温度及时间?（越 高越长就越好吗？要保证一定硬度）4淬油时间及模出油温度，冷却速度5回火次数及温度时间 回火是 将淬火后的钢，在AC1以下加热、保温后冷却下来的热处理工艺。对于高速钢，提高淬火温度，可以增 加基体合金化程度，也就增加了红硬性。高淬高回主要与材质有关，一般含 Co; W Mo元素的钢材，

红硬性能较好！

20号钢的渗碳工艺参数即热处理技术要求

920度渗碳，1.15%CX2h勺强渗，0.9%CX0.5--1H的扩散降温至850度保温后淬火。160--度X2--3H 的回火。

碳氮共渗以渗碳为主也叫氰化处理，处理温度较高 在860摄氏度左右 属于中温处理

而氮碳共渗是以渗氮为主，也叫软氮化，处理温度较低一般在 550摄氏度左右 属于低温处理 高温碳

氮共渗又叫做氰化。由于温度比较高，碳原子扩散能力很强，所以以渗碳为主，形成含氮的高碳奥氏体， 淬火后得到含氮高碳马氏体。由于氮的渗入促进碳的渗入 ,使共渗速度比渗碳快，保温4〜6h可得到

0.5〜0.8mm的渗层，？同时由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，加上共渗温度比较低，奥氏体 晶粒不会粗大，所以钢件碳氮共渗后可直接淬油，渗层组织为细针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量 残余奥氏体。碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但一般 碳氮共渗层比渗碳层浅，所以一般用于承受载荷较轻，要求高耐磨性的零件。