钢的强韧化处理机制

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。

摘要：Cr12MoV钢制模具经高温调质、等温淬火等主要工序后，得到下贝氏体、回火马氏体和少量残余奥氏体的复合组织，可获得良好强度和韧性的匹配，其强韧性明显高于常规的热处理方法。

应用于我公司使用的两种模具，其耐用度明显提高。

前言:Cr12MoV钢经热处理后具有高的硬度、强度、耐磨性和良好的淬透性能而被广泛应用于冷作模具。

我们自制的滚丝模具(见图1)和异形冲子(见图2)两种模具使用材料均为Cr12MoV钢。

用常规热处理方法处理后，滚丝模具在使用过程中齿部崩齿而报废，每副模具平均加工零件约1560件。

异形冲子在加工零件500件时，尖角部位出现脆性掉块现象，虽经几次修磨后平均加工零件仅为3000件左右。

这无疑严重影响了每月几十万件零件的生产数量和进度。

因此，解决和提高两种模具耐用度是摆在我们面前的一项研究课题。

1 模具的服役条件和失效分析1.1服役条件滚丝模具是在滚丝机床上加工冷态35钢零件的外螺纹，零件螺纹精度达6级，加工零件外螺纹时由于挤压变形量较大，要求该模具具有较高的抗变形能力、耐磨性和韧性。

异形冲子是在100T冲床上挤压退火态的硬铝零件成型，零件塑性变形量较大，并且零件成型后不再进行后序的机械加工，要求模具工作部位尺寸一致性好，应具有较高的耐压强度、耐磨性和韧性。

1.2失效形式及分析我们对已报废的两种模具逐一进行硬度检测，均为60～62HRC，符合图纸要求，抽样切块经金相检查组织为回火马氏体+少量残留奥氏体+碳化物，碳化物偏析级别为3.5～4.5级不等。

两种模具除少量滚丝模具由于产生磨削裂纹时在使用时又沿原裂纹扩展而报废外，其余模具失效形式的共同特点均为脆性崩齿或掉块，未发现因强度和硬度不足产生的工作部位挤压变形或磨损。

将两种模具硬度降至58～60HRC时，脆性崩齿或掉块现象没有改善，由此可看出：模具工作部位脆性大、韧性不足是造成模具耐用度低的主要原因，保证模具良好强度和韧性的匹配是提高模具耐用度的主要措施。

一、概述金属材料一直以来都是工程领域中广泛应用的材料之一，其强韧性一直是研究的热点之一。

随着科学技术的不断发展，人们对金属材料强韧化机理及超高强钢的研究也越发深入。

本文将从金属材料强韧化的概念和机理入手，探讨目前超高强钢的开发及应用情况，并对未来的发展方向进行展望。

二、金属材料强韧化的概念及机理1. 强韧化的概念强韧化是指在不同的外力作用下，材料能够保持其在应力下的强度和韧性。

强韧化材料具有抗拉伸、抗弯曲和抗扭转等性能较强的特点。

强韧化的目的是提高材料的使用安全系数，延长材料的使用寿命。

2. 强韧化的机理强韧化的机理包括晶界强化、位错强化和析出强化等。

晶界强化是指通过控制晶界的特性来增强材料的强韧性；位错强化是通过引入位错来增强材料的韧性；析出强化是指通过固溶体中析出出特定的固溶体来增强材料的性能。

三、超高强钢的开发及应用1. 超高强钢的研究历程超高强钢的研究始于二十世纪六十年代，经过多年的发展，目前已经取得了一系列重要的突破。

超高强钢具有高强度、高韧性和良好的冷成型性能，广泛应用于汽车、桥梁和建筑等领域。

2. 超高强钢的应用情况目前，超高强钢在汽车轻量化领域的应用较为广泛，能够显著提高汽车的安全性能和燃油利用率。

超高强钢还被应用于船舶制造、航空航天和军工等领域，取得了良好的效果。

四、未来发展方向展望1. 现代材料加工技术的发展随着现代材料加工技术的不断进步，越来越多的新型金属材料被开发出来。

未来，随着3D打印、激光焊接等新技术的应用，超高强钢的研究和生产将更加多样化和精细化。

2. 新材料的研究与应用未来，人们将更加注重绿色环保型材料的研究与开发，以满足社会可持续发展的需求。

对于高温、高压等复杂工况下的材料需求也将逐渐增加，超高强钢在这些领域的研究与应用将会成为重点。

3. 国际合作与交流未来，随着国际合作与交流的深入，超高强钢的研究与应用将会更加国际化。

通过与国际先进技术的合作，可以更好地借鉴和吸收先进的技术和经验，推动超高强钢的发展。

钢的强韧化机理及其在热轧板带钢生产中的应用郭雅楠2013.7.05目录目录 (I)1.钢的强韧化机理 (1)1.1 钢的强化机制 (1)1.1.1固溶强化 (2)1.1.2形变强化 (2)1.1.3 沉淀强化与弥散强化 (2)1.1.4 细晶强化 (2)1.1.5 亚晶强化 (3)1.1.6 相变强化 (3)1.2 材料的韧性 (3)1.2.1韧性的定义及表示 (3)1.2.2钢的韧化方法 (4)2.控制轧制和控制冷却技术 (6)2.1控制轧制 (6)2.1.1控轧轧制定义 (6)2.1.2控制轧制工艺 (6)2.1.3控制轧制特点 (6)2.2控制冷却 (7)3.钢的强韧化在热轧板带钢生产中的应用 (7)3.1热轧带钢用途分类 (7)3.2热轧带钢工艺流程 (8)3.3再结晶控制轧制 (10)3.4单相强制对流换热形式的冷却技术 (11)3.5加速冷却 (11)3.6生产实例—水电站用高强压力钢管用钢 (12)3.7生产实例—含铌微合金化热轧多相钢的控轧控冷工艺 (13)3.8小结 (13)4.结论 (14)参考文献 (14)1.钢的强韧化机理材料通常通过各种指标来确定它的加工性能和使用性能，对于钢材来说，力学性能是其最基本、最重要的，其中强度性能居首位。

同样，我们不能忽视韧性性能，这方面的指标和强度性能指标息息相关，研究某材料的力学性能的时候通常将二者一同考虑。

结构钢材的最新发展方向就是要求材料的强度、韧性等方面有较好的结合，控轧控冷工艺满足这一要求。

下面给出几个定义。

1.强度强度是工程结构用钢的最基本的要求。

强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下所能承受的应力来表示。

2.强度指标屈服强度σs和抗拉强度σb是强度的主要指标。

还包括抗压强度、抗剪强度、疲劳强度、蠕变强度。

3.强化通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。

4.韧性韧性是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力。

强韧化热处理工艺嘿，朋友！咱们今天来聊聊这听起来有点专业，实际上超级有趣的强韧化热处理工艺。

你知道吗？这强韧化热处理工艺就像是给金属材料来了一场“魔法变身”。

比如说，一块普通的钢材，经过这神奇的工艺，就能变得又强又韧，就像一个瘦弱的人经过锻炼，变成了大力士还兼具柔韧性。

这工艺的原理呢，其实就是通过控制温度、时间和冷却速度这些因素，来改变金属材料内部的组织结构。

这就好比是给一个班级的学生重新排座位，不同的排列方式会让整个班级呈现出不同的风貌。

在进行强韧化热处理的时候，加热温度可得拿捏得准准的。

温度太低，就像火候不够，达不到想要的效果；温度太高，又可能把材料给“烧糊”了，性能反而下降。

这多像做饭呀，火候大了小了都不行。

还有那冷却速度，也是至关重要。

快速冷却能让材料变得坚硬，可要是冷却太快，又容易产生裂纹，这可就麻烦啦。

就像跑步，跑得太快容易摔跤受伤。

那具体怎么操作呢？比如说淬火，把加热后的金属迅速放到冷却介质中，就像把烧热的铁块丢进冷水里，“呲啦”一声，材料的性能就发生了变化。

还有回火，淬火后的材料再加热到一定温度然后冷却，这能消除淬火产生的内应力，让材料更稳定。

这强韧化热处理工艺在工业生产中的应用那可广泛了。

汽车的零部件，要是没有经过这样的处理，怎么能承受住复杂的路况和高强度的使用？飞机的发动机零件，不经过这工艺，怎么能在高温高压的环境下稳定工作？而且呀，这工艺还在不断发展和改进。

科研人员们就像一群勤劳的小蜜蜂，不断探索新的方法和技术，让这工艺越来越厉害。

所以说，强韧化热处理工艺可不是什么遥不可及的高深学问，它就在我们的生活中，为我们制造出更优质、更可靠的产品。

你说，这是不是很神奇？总之，强韧化热处理工艺是个了不起的技术，它让金属材料焕发新生，为我们的现代生活提供了坚实的支撑。

摘要 :对含 N b 微合金钢 14M n N b q 钢板进行了模拟控轧控冷试验 。

利用光学显微镜 、透射电子显微镜 、力学 性能试验等手段 ,对试验结果进行了分析和研究 。

证明该钢具有较好的强韧化综合性能 ,能满足大型桥梁用 钢的技术要求 ,并指出了细晶强化是 14M n N b q 钢的主要强韧化机制 。

关键词 :14M n N b q 钢 ;铌 ;细晶强化 ;沉淀强化中图分类号 :TF 841 . 6 ; TG 142141 文献标识码 :A 文章编号 :025426051( 2003) 0520015203Strengthen ing an d T oughen ing Mec han ism of Nb Microall o yed SteelXU E Chun 2f a ng 1 ,WAN G Xin 2hua 1 , X IN Y i 2de 2(11Depart ment of Mechanical Engineering ,A r m o r ed Fo r ce Engineering Instit u te ,Beijing 100072 ,China ;21Depart ment of Materials Science and Engineering ,Cho n gqing U n iversit y ,Cho n gqing 400044 ,China ) Abstract :A simulated co n t r olled rolling and cooling fo r steel 14M n N b q was carried o u t in t h is paper . The role of t he microall oyed element N b and it s carbo n it ride N b ( CN ) in t he p rocess of defo r mat i o n and t heir effect s o n mi 2 cro st ruct ures and mechanical p roperties of 14M nN bq steel was analyzed by means of op t ical micro scope , T E M and mechanical p ropert y tester . The result s show t hat t he 14M nN bq steel po ssesses high st rengt h and to u ghness and can meet t he technical require ment s of heavy bridge steel . Also it is pointed o ut t hat t he fine 2grain st rengt hening is t h e p r ima ry mechanism of st r engt h ening and to u ghening of 14M n N b q steel .K ey w ords :14M n N b q steel ; n i o b ium ;f ine 2grain st r engt h ening ;p r ecipitati o n st r engt h ening14M n N b q 钢是一种新型微合金化桥梁钢 ,是为满足国内制造大跨度桥梁用钢的需要而研制的 。

金属材料的强韧化机制与应用对结构材料来说，最重要的性能指标是强度和韧性。

强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等，各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标；韧性指材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。

以下介绍金属材料的主要强韧化机制。

一、金属材料的强化金属材料强化的类型主要有固溶强化、细晶强化（晶界强化）、第二相粒子强化和相变强化。

（一）固溶强化固溶强化是利用金属材料内部点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使得金属基体（溶剂金属）获得强化的一种方法。

它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。

1. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B 等，作为溶质元素溶入溶剂金属时，形成间隙式固溶体。

C、N等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。

当在螺型位错应力场作用下，C、N原子在位错线附近有规则排列就形成“S nock”气团。

这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生强化效应。

2. 置换式固溶强化：置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，固溶效能比间隙式原子小（约小两个数量级），这种强化效应称为软硬化。

形成置换式固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺寸、电化学性质等因素密切相关，当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电化学性质也愈接近，则溶解度也愈大。

由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差别就会破坏溶剂晶格结点上原子引力平衡，而使其偏离原平衡位置，从而造成晶格畸变，随原子直径差别增加，造成的畸变程度愈大，由此造成的强化效果更大。

（二）细晶强化晶界分为大角度晶界（位向差大于10o）和小角度晶界（亚晶界，位向差1~2o）。

晶界两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸变状态。

q235钢的强韧化热处理工艺一. 概述：钢材是一种常用的工业材料，广泛应用于船舶、铁路、房屋、桥梁、机械等领域。

而 q235 钢是一种常用的结构钢材，广泛应用于建筑、桥梁、机械等领域。

正是因为 q235 钢在工业生产中起到重要的作用，所以对于其性能的研究也愈发得到关注。

二. q235 钢的强韧化热处理工艺：1. 强韧化热处理的定义：钢材作为一种重要的结构材料，强韧性是其最基本的性能之一。

在日常使用过程中，若钢材缺乏强韧性，容易出现断裂、变形等问题。

因此，为了保证钢材具有较好的强韧性，常常需要进行强韧化处理。

强韧化处理是指通过改变钢材的化学成分和热处理工艺，提高钢材的强度、塑性和韧性的处理方法。

2. q235 钢的性能：q235 钢是一种中碳钢，具有一定的强度和塑性。

但其韧性较差，易出现断裂现象。

3. q235 钢强韧化热处理工艺：(1) 碳氮共渗：通过碳氮共渗来提高钢材的表面硬度，改善其磨损性能和疲劳寿命，并适当提高其韧性。

碳氮共渗的过程分为三个阶段：氮化、碳化和回火。

氮化阶段：在钢材表面进行气体氮化，形成硬度较高的氮化物层。

碳化阶段：在氮化物层上进行碳化处理，形成类似固体溶解物的结构。

回火阶段：通过回火来改变钢材的强度和韧性。

此种方法能够提高钢材的强度、硬度和韧性，其强韧化效果较好。

(2) 淬火和回火：将 q235 钢材加热至淬硬状态，随后迅速冷却来提高钢材的硬度和强度，然后进行回火处理，改变其韧性。

淬火处理会增加钢材的强度和硬度，但同时也会降低其韧性。

通过回火处理来平衡硬度和韧性。

(3) 微合金化：通过加入微量的钒、铌、钛等元素，提高钢材的韧性和强度。

微合金化的方法可以在不降低钢材的强度和硬度的情况下，提高钢材的韧性。

同时也可以改善钢材的加工性。

4. 结论：q235 钢在工业应用中具有重要的作用，其韧性是其最基本性能之一。

通过强韧化热处理工艺来提高其强度、硬度和韧性，对于提高钢材的整体性能起到重要作用。

材料强韧化处理教师：赵满秀博士摘录：李丹彭凤仇才君教学内容：①有关材料的强化和韧化的基本原理②材料表面强化（重点）目录第一部分材料的强化和韧化的基本原理第一章材料的强韧化基本原理一、金属材料强韧化的意义①通过强化处理可以优化材料的力学性能指标，充分挖掘材料的潜力。

②工作表面通过表面强化处理，增加耐磨性、耐蚀性、疲劳强度，提高工件使用寿命。

综上所述，材料的强韧化处理就是在保证材料的强化的同时，尽量提高材料的韧性。

二、实现钢铁材料强韧性的两个阶段1、液态阶段（炼钢者研究的重点）方法：细化晶粒、纯洁钢材、合金化（1）、细化晶粒方法：①快速冷却（增大过冷度）；②加变质剂：减少表面能，提高形核率；抑制晶粒长大；③震动搅动：机械形核；④合金化（用Al、Nb、Ti脱氧）：氧化物熔点高，成为非均匀形核的核心，增加形核率。

Al脱氧的原因：Al与氧的结合力强，生成高熔点的氧化物，成为非均匀形核的核心，提高形核率，细化晶粒。

钢铁冶炼的最后阶段：①脱氧：加Al、Mg、Si与O结合，细化晶粒；②合金化。

（2）纯洁钢材：如模具、刀具（含C 量高、耐磨、高纯净） 方法：去除有害元素S 、P 、O 、H ；去除氧化物、氯化物、硅酸盐；去除有害气体。

2、固态阶段对于固体材料为提高材料的强韧化，常采用常规热处理或者形变两大方法，也可以通过表面强化提高表面强度。

（1）、常规热处理方法：正火、退火、回火、淬火（时效强化、固溶强化、细晶强化、第二相粒子强化）（2）冷变形强化机理：塑性变形使位错密度增加，位错运动受阻。

（3）热加工强化的原因：能焊合某些缺陷、破碎粗大组织、形成纤维组织。

常规热处理与形变工艺如下所示：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧热挤压热轧热锻热加工挤压滚压喷丸冷变形形变淬火回火退火正火常规热处理诱发M 相变，产生孪晶，提高硬度三、强化的两个途径1、晶体的理论强度和实际强度①理论强度：按完整晶体刚性滑移模型计算出的强度 ②实际强度：实验测得的单晶体临界分切应力 2、材料强度和位错密度的关系须晶：接近完整晶体的须状晶体 强化的两个基本途径：①尽可能减少晶体中的位错密度，使其接近完整晶体或者制成无缺陷的完整晶体，是金属的实际强度接近理论强度。

钢的强韧性能
金属的强韧性能包括强度(屈服强度σs和抗拉强度σb)、塑性(延伸率δ和断面收缩率ψ)和韧性(脆性转变温度Tc和冲击功Ak)，它们之间是互相牵连又是相互矛盾的，很难使其中的某一项性能单独地发生变化。

结构钢材的发展方向是要获得高强韧性的材料，因此，控制钢材的强韧化是钢材生产中重要的一环。

钢材强韧化机制主要包括有变形强化、晶界强化、析出强化、亚晶强化、相变强化和织构强化几种。

不同的强韧化机制可以通过不同的控制手段加以实现。

变形强化:多晶体的塑性变形可以导致金属的力学、物理及化学性能改变，随着变形程度的增加，σs、σb、硬度都将增加，塑性指标下降，电阻增加，抗腐蚀性和导热性下降。

金属在塑性变形过程中产生的这种综合现象称为变形强化。

变形强化现象可以用位错理论来解释。

晶体中存在的各种缺陷、障碍物等作为变形初期的位错源，增殖出更多的位错，位错边缠结边移动(见位错缠结)。

然而，由于析出相、晶界等障碍物的作用，位错运动逐渐被阻止。

在同一滑移面上依次移动过来的位错在障碍物前停止，并塞积起来(见位错塞积)。

塞积位错不能运动，其反作用应力同时抑制住位错源的活动。

位错从析出物之间通过时，即使能通过，在析出物的周围也要留下位错环，它与析出物间隔变小具有相同的效果，使得通过越来越困难，即需要更大的应力才能通过。

不仅如此，位错的互相交截(见位错交截)、互相反应(见位错反应)，造成割阶、空位，形成更多的妨碍位错运动的因素。

随着变形的进行，位错运动更加困难，位错密度增加，位错源的活动
也受到抑制，需要更大的应力才能继续变形，这就形成了变形强化。

强化韧化机理
强化韧化机理是金属材料科学中的一个重要概念，它涉及到材料性能的改善，尤其是硬度和韧性这两个重要的力学性能指标。

强化与韧化通常是材料改性处理的目的，使其在保持足够强度的同时，提高抵抗断裂的能力。

1. 强化机制：
强化主要通过以下几种方式进行：
- 固溶强化：通过添加合金元素使基体材料内部形成固溶体，阻碍位错运动，从而提高材料的强度。

- 时效强化：通过加热、保温然后冷却的过程，使材料内部析出第二相粒子，位错运动受到阻挡，提高材料强度。

- 应变强化（加工硬化）：通过冷加工（如轧制、锻造等）使材料内部产生大量位错，位错交互作用增加，从而提高材料的抗拉强度。

- 晶粒细化强化：通过控制加工工艺使材料晶粒细化，晶界数量增多，位错运动阻力增大，材料强度提高。

2. 韧化机制：
韧化主要通过以下方式实现：
- 细化晶粒：晶粒越细，晶界越多，晶界能阻止裂纹扩展，从而提高材料韧性。

- 第二相颗粒强化：在材料基体中引入弥散分布的第二相颗粒，如陶瓷颗粒、金属间化合物等，可以阻滞裂纹的扩展，起到钉扎位错的作用，提高材料韧性。

- 亚微观结构调控：通过调整材料内部的层片状、孪晶、位错胞等亚微观结构，使材料在遭受冲击或负载时分散并吸收能量，从而提高韧性。

- 混合韧化：结合多种韧化机制，如相变韧化（马氏体钢的相变）、沉淀强化与韧化并存（航空铝合金的时效处理）等，实现强度和韧性的同步提升。