形变强化热处理工艺和应用技术

1、形变强化热处理工艺和应用技术摘要:近几十年来，形变热处理工艺得到了进一步的发展。本文简单的介绍了形变热处理的发展历史 ，同时对这种工艺的特点、分类、理论研究成果做了进一步阐述，并对这种工艺在社会生产中的进行了概括关 键 词:形变;热处理 奥氏体 应用 1 引言： 所谓形变热处理就是将形变强化与相变强化有效结合起来使金属材料强韧化的方法,也就是将热加工成型工艺与热处理工艺结合起来的一种新工艺。 自从1954年LIPs等人发现形变热处理的强韧化效果之后,形变热处理就受到人们的重视 在五十年代,人们对于材料的认识主耍是根据传统设计的观点,认为材料强度愈高愈好,因而当时形变热处理的主要研究工作集中在强

2、化效果最显著的亚稳奥氏体区形变,即低温形变热处理,又称奥氏体成型法。七十年代以后,形变热处理又得到了迅速的发展。由于断裂力学的发展,人们认识到对于结构材料来说,虽然希望它具有高强度,但又必须具有足钩的韧性,这就是说耍从强韧性的观点来评定材料,所以苏联、美国日本等国家的形变热处理研究者转而研究强韧化效果较佳的高温形变热处理。高温形变热处理实质上是普通轧制和热加工变形的延伸,在美国和苏联均进行了大量的研究工作,尤其是近十年来对高温形变热处理中的一些理论问题进行了较深入的研究,一些生产线相继投入生产,收到了明显的经济效果。2、形变热处理的种类2形变热处理工艺方法按照形变温度及相变方式和其它的不同,种

3、类较多。按照相变方式的不同,分形变在形变前进行和形变在相变中进行及形变在相变后进行的形变热处理;按照形变温度的不同,分为高温形变热处理和低温形变热处理;另外还有其它的形变热处理。高温形变热处理与低温形变热处理的主要不同点就是形变温度。形变在Ac,以下而高于Ms的某一温度称为低温形变热处理;在Ac,以上变形则称为高温形变热处理。现将其种类归纳如下:1、高温形变淬火:包括“锻热淬火”和“轧热淬火”,分别利用锻造余热和轧制余热直接淬火,可提高零件的强度并改善其塑性韧性等,主要用于调质的各种零件以及锻造和建筑用钢材。2、高温形变正火:在锻(轧)时适当降低终锻(轧)温度,然后空冷,可提高钢材的韧性,适用

4、于以微量元素(V、Nb、Ti等)强化的建筑及结构钢材以及大型形状复杂的锻件。3、高温形变等温淬火:利用锻(轧)余热进行珠光体区域或贝氏体区域的等温淬火,可以使零件获得高强度与高塑性的良好配合,适用于中、高碳钢丝等的生产。4、亚温形变淬火:在临界温度区域(Ac3Ac,之间)进行形变,然后淬火,能够改善合金结构钢的冷脆性能,降低冷脆温度,适于在寒冷地区工作的结构件。5、低温形变淬火:将钢材加热至奥氏体区域,然后急冷至最大转变孕育期(500一600)之间形变,然后淬火,可在保证塑性的条件下,大大提高零件的强度及耐磨性,适于要求强度很高的合金钢零件。6、低温形变等温淬火:将钢材加热至奥氏体区域后,急冷

5、至最大转变孕育期形变,然后在贝氏体区域等温淬火,可得到较高的强度和塑性,适于热作模具等。7、等温形变淬火:在等温淬火中于奥氏体发生分解的过程中形变,可在提高强度的同时,得到很高的冲击韧性,适于通常进行等温淬火的小型零件.8、连续冷却形变处理:在奥氏体连续冷却转变中形变,可得到强度及塑性的良好配合,适于小型轴类、齿轮等零件。9、诱发马氏体的室温(或零下)形变:对室温下稳定的奥氏体钢进行室温(或零下)轧制形变,然后时效,可在保证塑性的条件下提高零件的强度,主要用于各种奥氏体不锈钢的强化等.10、过饱和固溶体形变时效:在合金固溶处理之后进行室温或较高温度下形变,然后时效,能提高室温强度,适用于时效强

6、化型铝合金奥氏体双相耐热钢及镍基高温合金,如各种飞行器及发动机零件。11、珠光体温形变:将退火钢加热至70075。形变,然后慢速冷却至600左右出炉,是一种快速球化工艺,主要适用于球化处理的零件等。12、珠光体冷形变:对珠光体型组织进行室温下的形变,可将片状珠光体型组织细化而强化,常用于钢丝生产,如“铅淬拨丝”.13、马氏体形变时效:对马氏体(或回火马氏体、贝氏体)进行室温形变,然后进行200左右的时效,可获得很高的强度,适用于制造超高强度的中、小零件.14、利用强化效果遗传性的形变热处理:用高温形变淬火或低温形变淬火使毛坯强化,然后进行中间软化回火以便切削,最后进行二次淬火及低温回火,使原来

7、形变淬火的强化效果得以再现,可适于形状复杂、切削量大的高强度零件.15、预先形变热处理:将钢材在室温形变强化,然后中间软化回火,便于切削,最后快速加热淬火、低温回火,效果及应用同利用强化效果遗传性形变热处理。16、多边化强化:将钢材在室温或较高温度下形变,然后在低于再结晶温度下加热一段时间,使金属产生多边化组织,可提高钢材的高温强度,适于高温工作的零件.17、表面形变时效:对钢材进行喷丸或滚压使表面形变之后,再进行时效处理,可提高零件的疲劳强度及耐磨性,适于弹簧、轴类零件。18、表面高温形变淬火:将零件表层加热到临界温度以上,进行表面滚压强化,然后淬火,可提高零件的疲劳强度及耐磨性,适于轴类、

8、套筒等零件.19、复合形变热处理:将高温形变淬火和低温形变淬火联合使用,或者将高温(或低温)形变淬火与马氏体形变时效联合使用,在综合强化方面,超过单一的形变热处理,适于工具钢、冷作模具钢及高锰钢等.20、形变化学热处理:1.锻热渗碳淬火:将零件加热到奥氏体区进行锻造形变,随后放入渗碳炉中渗碳,然后直接淬火,可提高零件的表层硬度及耐磨性,适于中等模数的齿轮及其它渗碳件。2.锻热淬火渗氮:在锻热淬火后,将高温回火过程与渗氮合并进行,可使零件心部充分强化的基础上,进一步提高表层的耐磨性。3.低温形变淬火硫化:在低温形变淬火后,使低温回火与低温电解硫化合并进行,可使零件的心部及表层强化的基础上,减小表

9、面摩擦系数,适于高强度的摩擦偶件.21、化学形变热处理:1.渗碳表面形变时效:在渗碳件上进行喷丸(或滚压),然后低温回火的表面形变时效处理,可使零件表层得到超高硬度及耐磨性,适于耐磨性及疲劳性能要求高的各种零件,如航空发动机齿轮等。2渗碳表面形变淬火;零件渗碳后用高频加热表层并滚压,然后淬火,可使零件表层获得极高的耐磨性,适用于齿轮及其它渗碳零件.3、低温形变热处理3低温形变热处理是美国最先开始研究的。它是将钢加热至适当温度奥氏体化后,迅速冷至Ar,以下的亚稳奥氏体区形变,形变量通常大于70肠,在尚未发生珠光体和贝氏体转变时立即淬火、回火,转变后获得细小的马氏体组织,强韧性明显增加。3.1.低

10、温形变热处理的强韧化机理(1)形变使位错密度增加,相变时产生缺陷遗传 经低温形变热处理后,形变奥氏体中的位错密度大为增加,可达每平方厘米“十的十一次方到十的十三次方条,形变量愈大,位错密度愈高,金属的抗断强度任也随之增高(2)形变造成多边化亚结构和位错胞结构 随着形变程度增加,不但位错密度增加,而且位错排列方式也会发生变化。由于变形温度下,原子有一定的可动性,位错运动也较容易进行,因此在形变过程中及形变后停留时将出现多边化亚结构及位错胞状结构。(3)马氏体组织细化是决定形变热处理效果的关键。 由于亚结构的出现,相变时马氏体成核、长大过程均受到亚晶界的影响,生长的马氏体片尺寸d减小,从而使相界增

11、加,材料强度提高,(4)碳化物弥散析出 由于形变奥氏体内位错密度增加,亚结构细化,从而为碳化物析出提供了处所,为碳的扩散开辟了通道,有利于碳化物弥散析出,起到了弥散硬化的作用,其强化效果与析出粒子间距l成反比:4 高温形变热处理概述4.1高温形变热处理的主要工艺方法 如图1所示,钢的高温形变热处理首先将钢材或零件加热至稳定的奥氏体区保温获得均匀的奥氏体组织1然后在该温度下进行高温塑性形变,改变零件或钢材的形状尺寸;同时通过控制高温形变的方法和形变参数以获得所需的形变后相变前的奥氏体组织2。最后通过控制形变奥氏体的冷却过程(冷却方式、速度)等得到最终所需的组织和性能.。4.2 高温形变热处理的主

12、要特点 4 （1)有效地改善钢材或零件的性能组合,即在提高钢材强度的同时大大改善其塑性、韧性,减少脆性。 (2)显著改善钢材的抗冲击、耐疲劳能力;提高其在高接触应力下局部表面的抗力;降低脆性折转温度和缺口敏感性。 (3)对材料无特殊要求,低碳钢、低合金钢甚至中、高合金钢均可应用。 (4)在高温下进行塑性形变,形变抗力小,一般压力加工(如轧制、压缩)下即可采用,并且极易安插在轧制或锻造生产流程中。 (5)大大减化钢材或零件的生产流程,缩短生产周期,减少能耗,降低成本。 (6)高温形变热处理的强化程度不如低温形变热处理,而且较易在截面较小的工件上进行。 (7)高温形变热处理要求比普通热处理更加严格

13、的过程控制,尤其是高温形变参数(决定形变后奥氏体状态)和冷却过程(最终决定材料的组织和性能)的控制1同时由于引入高温形变过程,工艺的复杂性大大增加。4.3.影响高温形变热处理强韧化效果的因素 经过长期研究发现,形变热处理要取得最佳效果,必须严格控制下列工艺参数:1)奥氏体化温度;2)形变的起始和终止温度,3)变形量与变形速度;4)形变后淬火前的停留时间,5)淬火温度、回火温度与时间,6)合金化程度。总之,影响形变热处理效果的参数很多,是一个多因子的问题。但这又是进行形变热处理研究必须首先确定的问题,因为上述参数的变化将直接影响形变奥氏体的强化与软化过程,并影响奥氏体分解动力学,从而道接影响形变

14、热处理工件的组织与性能。为了说明上述参数的影响,就必须了解与此有关的一些金属学问题,即研究奥氏体的形变强化、高温形变过程中及形变后的回复再结晶、形变诱发析出与诱发相变、缺陷遗传等问题,尤其需要了解形变参数与组织参量对上述问题的影响。4.4钢的高温形变再结晶规律4.41.高温形变奥氏体的特点 高温形变奥氏体是在高温区形变,都很容易进行。因此,原子热运动剧烈,位错及晶界的迁移、原子扩散都很容易进行。在高温形变过程中,一方面产生加工硬化,另一方面又会由于回复再结晶而软化。同时高温形变对碳化物析出和r-a,动力学均会产生明显影响,这一切都影响到高温形变热处理的强韧化效果,因此,我们必须首先了解高温形变

15、奥氏体内发生的一系列特殊过程,然后研究如何控制工艺参数来控制这些过程的发展,使之获得最佳的强韧化效果。4.4. 2、钢的高温形变再结晶规律是研究钢高温形变热处理的重要基础。 高温形变热处理在奥氏体再结晶温度以上进行,形变同时奥氏体发生再结晶及其后的晶粒长大过程、动态析出过程,使形变后奥氏体处于不同状态。高温形变参数在此起到重要作用。钢的高温形变再结晶规律研究正是研究不同钢种高温形变和形变奥氏体再结晶行为及规律、奥氏体晶粒长大规律、形变过程中动态析出规律以及形变参数的影响等,最终通过合理选择和控制高温形变参数以获得所需的形变奥氏体组织。4.4.3、 低碳低合金钢的高温形变再结晶规律 最早期的研究

16、大多集中在这类钢中1目前对这类钢的高温形变奥氏体的再结晶行为了解的较为全面12231这类钢含合金元素较少,高温形变再结晶规律较简单.。 3.1.1低碳低合金钢高温形变时典型的R-E曲线具有以下特点: (1)应变最初阶段,应力急剧增大,直至达到一峰值,即产生所谓的热作硬化。 (2)形变温度一定,随形变速率的增加,峰值应力和峰值应力对应的应变数值增大,即热作硬化状态增强;形变速率恒定,随形变温度的下降,情况亦然1 (3)应力超过峰值后随形变量的增大而减少,这是由于在高温下形变奥氏体发生了动态回复和动态再结晶1动态再结晶一般是在加工硬化基体上通过形核和长大过程完成1 (4)形变后期,应力进入一稳定阶

17、段1其特征是在应力不变的条件下产生极大的应变-热形变的稳定阶段1此时形变硬化和再结晶软化处于动态平衡1 (5)研究表明这类钢高温形变时奥氏体发生再结晶的开始应变(临界应变Ec)通常为峰值应变(峰值应力所对应的应变Ep)的0.7倍左右,即EcU0.7Ep1 如图2所示,其形变后典型的奥氏体组织特征为15:(1) 加工硬化(动态回复)组织:明显特征为原奥氏体晶粒沿形变方向被拉长(如图2(a);(2) 完全动态再结晶(形变过程中发生的再结晶)组织:其特点是原来因形变而被拉长的奥氏体晶粒已不存在,代之以晶粒大小(3) 孪晶(如图2(e);(3)部分动态再结晶组织:其中既有处于加工硬化状态的被拉长的奥氏

18、体晶粒,又有处于动态再结晶状态的小的奥氏体晶粒(如图2(d);(4) 部分静态再结晶(形变后保温停留时奥氏体发生的再结晶)组织:其特点与部分动态再结晶组织基本相同,所不同的是,其中静态再结晶的小晶粒无动态再结晶的特征(如图2(b);(5) 完全静态再结晶组织和续动态再结晶(完全动态再结晶组织在形变结束后保温停留时发生的继续再结晶)组织,其特点是晶粒细小、均匀、晶界平直(如图2(c)、(f)不均、晶粒形状不规则、晶界凹凸不平有时呈锯齿状的动态再结晶晶粒,晶粒内观察不到退3.1.2 中、高合金钢的高温形变再结晶规律 中、高合金钢高温形变再结晶规律,以前涉及得较少1只是到80年代中后期,才对一些典型

19、钢种进行了较系统的研究,对其中的高温形变再结晶规律有了较全面的认识3,4,6,10。这类钢含较多的合金元素,高温形变时发生相当多的动态析出(动态析出在低碳低合金钢中亦可发生,但很少,可不考虑),使再结晶行为复杂。 (1)高温形变参数不仅直接影响钢中再结晶行为,而且通过影响析出过程间接影响再结晶行为。其再结晶规律是高温形变参数综合影响的结果1 (2)高合金钢高温形变动态回复(加工硬化)组织以发达的亚晶为主要特征,无晶粒被拉长的现象,图5(a)所示,R-E曲线上无应力振动(低合金钢中常见)1 (3)高合金钢因形变条件不同存在一般的形核-长大(与低合金钢中相似)和特有的晶粒碎化(由亚晶直接转变成动态

20、再结晶晶粒)两种典型的动态再结晶方式,分别得到两种不同的动态再结晶组织:形核-长大方式的再结晶组织(图(b)、(d)和以晶粒碎化方式形成的相当与亚晶大小的再结晶组织(如图5(c)、(e)(4)热形变参数对热形变奥氏体状态的影响比低碳低合金钢复杂得多1一定的形变温度下,当形变速率达到某一数值时,奥氏体的动态再结晶被强烈推迟,再结晶开始的临界形变量达到最大,再结晶以晶粒碎化方式进行,得到超细的动态再结晶组织1无论大于或小于此值,动态再结晶都较易发生;固定形变速率,随形变温度变化,动态再结晶亦在某一温度下被严重推迟。高于或低于此温度形变,再结晶都较易发生。(5)动态析出在高合金钢的动态再结晶行为中起

21、重要作用1研究表明,当动态析出过程强烈,第二相析出呈细小、均匀、弥散分布时,析出产生的钉扎力钉扎住位错、亚晶界等,使其不能移动,动态再结晶过程受到严重阻碍,表现为再结晶开始的临界形变量增大,动态再结晶按晶粒碎化方式进行1相反,若动态析出过程较弱,析出颗粒较大,数量较少时,则钉扎作用很小,位错,亚晶等都可以进行自由迁移,表现为动态再结晶较易发生,再结晶按一般的形核)长大方式进行;若第二项析出介于上述两者之间,则动态再结晶的两种方式同时存在61由于大量析出的发生,导致基本金属的化学成分改变,Z参数不能用来描述这类钢的动态再结晶6,1015、形变热处理的应用5.1、在钢材生产中的以用 形变热处理在钢材生产中的应用,近年来得到了广泛的重视。利用冶金厂的钢材压力加工工艺及设备,实现热压力加工与相变强化相结合的高温形变热处理,具有良好的条件。在钢板的生产过程中,应用轧热淬火,可将形变强化与相变强化有机地结合起来,不但能节省能源,且可显著地改善钢板的力学性能。例如对25mm厚的锰硅钢板利用轧热淬火,抗拉强度比一般重新加热淬火普遍提高70一80MN/m.对碳钢及低合金钢棒材采用终轧温度在A。以下的轧热淬火,可显著提高其强度,例如对X18HloT钢棒材采用终轧温度为870的轧热淬火,可使as由260MN/m,提高到53。MN/2,ab