[科普中国]-形变热处理

介绍

形变强化和相变强化相结合的一种综合强化工艺。它包括金属材料的范性形变和固态相变两种过程，并将两者有机地结合起来，利用金属材料在形变过程中组织结构的改变，影响相变过程和相变产物，以得到所期望的组织与性能。

形变热处理的分类形变热处理工艺分类有多种，主要有低温形变热处理、高温形变热处理、变塑钢形变热处理和预先形变热处理等。

（1）低温形变热处理。主要分为低温形变淬火 （亚稳奥氏体的形变淬火） 和低温形变等温淬火。（1） 低温形变淬火。将钢加热到奥氏体状态，保持一定时间，然后急冷至Ar1（奥氏体分样温度线）以下，而高于Ms（上马氏体点） 的温度 （约500～600℃），待温度均匀后，进行形变 （压力加工），随后淬冷，得到马氏体组织。此法主要用于结构钢、工具钢、合金元素含量较高，过冷奥氏体比较稳定的钢种。（2） 低温形变等温淬火。与低温形变淬火工艺前段相似，但形变、等温在下贝氏体区域进行，淬冷后得到下贝氏体组织。与低温形变淬火相比，可用于合金元素含量略低的钢种。低温形变热处理可以使钢在塑性基本保持相近的情况下，保持工件具有较好的强度、韧性，并提高其寿命。其工艺特点是形变在相变之前完成。

（2）高温形变热处理 （稳定奥氏体的形变热处理）。主要分为高温形变淬火和高温形变等温淬火。（1） 高温形变淬火。将钢加热到稳定奥氏体状态，在该状态下形变，随后淬冷，得到马氏体组织。此法应用广泛，对材料无特殊要求，一般碳钢、低合金钢均可应用。（2） 高温形变等温淬火。将钢加热到稳定奥氏体状态并发生形变后，在珠光体或下贝氏体区域进行等温转变，得到珠光体或下贝氏体组织。此法应用也较广泛。高温形变热处理的形变过程也在相变前完成。

（3）变塑钢形变热处理。利用具有形变诱发相变和相变诱发塑性的变塑钢种，通过固溶化处理，奥氏体化后，进行形变、深冷处理等一系列过程，继而发生马氏体转变的热处理工艺。此法形变在相变中进行，比较复杂。

（4）预先形变热处理。将处于退火、正火或调质状态的钢件，在室温或室温下适当温度形变强化，中间回火后，再快速加热进行淬火和最终回火的热处理工艺 。形变发生在室温。对结构钢、工具钢预先形变热处理，可达到提高强度，改善塑性的目的。1

主要优点①将金属材料的成形与获得材料的最终性能结合在一起，简化了生产过程，节约能源消耗及设备投资。

②与普通热处理比较，形变热处理后金属材料能达到更好的强度与韧性相配合的机械性能。有些钢特别是微合金化钢，唯有采用形变热处理才能充分发挥钢中合金元素的作用，得到强度高、塑性好的性能。由于以上原因，形变热处理已广泛应用于生产金属与合金的板材、带材、管材、丝材，和各种零件如板簧、连杆、叶片、工具、模具等。

形变工艺形变热处理工艺中的塑性变形（范性形变），可以用轧、锻、挤压、拉拔等各种形式；与其相配合的相变有共析分解、马氏体相变、脱溶等。形变与相变的顺序也多种多样：有先形变后相变；或在相变过程中进行形变；也可在某两种相变之间进行形变。

实际应用形变热处理工艺时，不仅要结合材料的成分与性能要求，确定形变后的热处理工艺参数，更重要的是要根据母相形变后的组织结构及其对相变和相变产物的作用规律，正确确定形变的工艺参数，才能得到所期望的母相组织结构及转变后的组织，达到所需要的性能。

形变作用形变对母相的作用形变热处理中，形变使相变前的母相的组织结构甚至成分都起变化，形变后或形变过程中的相变在相变动力学和相变产物的类型、形貌等方面，都不同于一般热处理，从而得到良好的性能。

形变对母相组织结构带来的变化随形变条件（形变温度、道次形变量、总形变量、形变速度等）及金属材料成分的不同而有差异，根据对相变的作用，母相形变后的组织结构基本上属于三类：

①在再结晶温度以上形变，道次形变量如超过再结晶临界变形量，则母相发生动态或静态的再结晶，使晶粒得到细化；如进行多道次形变，则发生多次再结晶，母相的晶粒显著细化（见回复和再结晶）。

②在材料的再结晶温度以下形变，母相不发生再结晶，而产生大量晶体缺陷，或仅发生回复过程，形成多边化亚结构。

③形变诱发第二相由母相中析出，析出的第二相又与位错交互作用，使母相的成分与结构皆发生变化。

形变对相变的作用形变热处理中，形变后的母相组织经常是以上几类的综合。现以钢的奥氏体为例，说明形变后的奥氏体对以后的相变及相变产物的作用。

对铁素体－珠光体型相变的作用

形变后产生了再结晶的细奥氏体晶粒，使冷却转变后的铁素体也相应得到细化。形变后未发生再结晶的奥氏体中的大量晶体缺陷，为此后铁素体的转变提供了大量形核位置，并使铁素体形核的热激活过程更容易进行，这两者使转变后的铁素体晶粒细化；此外形变的奥氏体有加速扩散过程，加速铁素体转变速度，提高铁素体形成的温度等作用（见附表中类型2）。

如果在奥氏体中存在有形变诱发析出的第二相，则对细化铁素体晶粒更为有效。低碳，含有微量（〈0.01%）的Nb、V、 Ti合金元素的微合金化钢，就属于这类情况。形变使奥氏体产生多边化亚晶，在奥氏体晶界堆积较多的位错，形变又诱发析出Nb（CN）或其他合金元素的碳、氮化物。细小的第二相首先在奥氏体晶界处及亚晶界上析出，并钉扎亚晶界及晶界，使亚晶的长大和晶界的迁移都受到阻碍，造成奥氏体再结晶核心难以在该处产生，即使产生了也不易长大，从而抑制了奥氏体再结晶的发生。只有给予更大变形量，进一步提高再结晶的驱动力时，才会发生再结晶，结果，使再结晶后的奥氏体晶粒比普通低碳钢细小。大约在950℃以下，形变诱发析出的第二相，能完全阻止奥氏体发生再结晶，这样就相对地扩大了奥氏体未再结晶的温度范围，有利于增大未再结晶区的形变量，使奥氏体产生更大量的晶体缺陷。在奥氏体再结晶区及未再结晶区连续变形，得到的是细小的奥氏体晶粒及高密度的晶体缺陷。这样的奥氏体转变后形成的铁素体晶粒细小而均匀，生产上可得到 5μm直径的铁素体（实验室可得到2μm直径的铁素体）。

仅就晶粒细化这一项，就使钢的屈服强度提高10～15kgf/mm2，同时提高钢的低温韧性，使韧性－脆性转变温度下降到－70℃。铁素体晶粒的细化还可以抵销由于相间沉淀及铁素体中析出的第二相所造成的脆性，保留其沉淀强化作用，在具有良好低温韧性的基础上，进一步提高钢的屈服强度。 对淬火时马氏体、贝氏体相变的作用 再结晶的奥氏体仅能细化所转变的马氏体或贝氏体组织。

奥氏体中的大量晶体缺陷使以共格方式长大的马氏体、贝氏体晶体长大受阻，使转变后的组织得到细化。奥氏体中的晶体缺陷可被其转变的马氏体、贝氏体所继承，使转变后的马氏体或贝氏体组织的位错密度高于一般热处理形成的马氏体和贝氏体的位错密度。当奥氏体在形变过程产生形变诱发第二相析出时，这种现象尤为突出。形变诱发析出的第二相质点，钉扎了奥氏体已有的可动位错；在进一步形变时，促进奥氏体增殖大量新的位错，大大增加奥氏体中的位错密度，相应地增加转变后的马氏体的位错密度。马氏体、贝氏体中位错密度提高，是形变淬火得以提高钢的强度的主要原因。这样的马氏体组织在回火时，由于位错密度高，为碳化物提供了大量形核位置，结果使回火马氏体中的碳化物质点更细小，分布更均匀。形变诱发由奥氏体中析出第二相，降低奥氏体中碳和合金的含量，有利于减少孪晶马氏体，增多板条状马氏体的数量。马氏体组织的细化、孪晶马氏体的减少，以及回火时均匀的碳化物分布，是形变淬火钢韧性好的原因。

奥氏体形变中形成的亚晶粒，比较稳定，不仅可为直接形成的马氏体所继承，还能遗传给重新加热淬火，再次形成的马氏体组织，使形变淬火后再加热淬火的钢的强度仍高于一般淬火钢。

形变奥氏体除可以细化所转变的贝氏体外，还能改变转变的贝氏体组织类型。低碳贝氏体钢未形变的奥氏体转变为上贝氏体组织，形变的奥氏体则转变为颗粒状贝氏体组织，这种组织的塑性、韧性比上贝氏体要好。

形变诱发马氏体相变 在Ms～Md温度范围内形变能诱发奥氏体转变为马氏体，而在Ms温度以上就发生马氏体转变。Md称为形变诱发马氏体开始转变点。形变诱发马氏体可提高钢的强度，更重要的是，在奥氏体基体中的应力集中，由于形变诱发马氏体的产生而得以弛豫，避免微裂纹的产生与扩展，提高钢的塑性。

上述奥氏体的形变对相变的作用的规律对于其他合金也基本适用。

应用情况形变热处理是在金属材料上有效地综合利用形变强化和相变强化、将压力加工与热处理操作相结合、使成形工艺同获得最终性能统一起来的一种工艺方法。形变热处理不但能够得到一般加工处理所达不到的高强度、高塑性和高韧性的良好配合，而且还能大大简化钢材或零件的生产流程，从而带来相当好的经济效益。因此，形变热处理得到了冶金工业、机械制造业和尖端部门的普遍重视，发展极为迅速。各国在这方面的理论研究和实际应用日益广泛深入。中国自20世纪60年代初期以来，特别是80年代，不少工厂、研究单位和高等工业院校也在形变热处理工艺方案、实际应用效果和强韧化机理等方面做了不少的研究工作，已开始在钢板、钢丝、管材、板簧、连杆、叶片、工模具和农机具零件等生产中应用。

尽管80年代以来各国对各种形变热处理工艺进行了不少的研究工作，但有些形变热处理工艺只是进行了积极的探索，在生产中尚未达到普遍应用的阶段。实际应用的主要困难在于：有些形变热处理工艺的应用和发展，在很大程度上取决于材料成形技术的进展；还需要制成某些专用的、强力而有效的形变加工设备。尽管如此，某些形变热处理工艺由于其在材料性能和经济方面具有许多优点而得到工业应用。2