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1、钢的强化手段及应用的探讨随着工业革命和现代科技的进步，钢材在社会的发展过程中起到的作用达到 了前所未有的重要程度，成为国家建设和现代化推进必不可少的重要物资。其广 泛应用于矿山、建筑、机械、交通运输、桥梁、石油化工、轻工和电子工业等领 域。而且品种繁多，一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类。大部分钢材加工都是钢材通过压力加工，使被加工的钢（坯、锭等）产生塑 性变形，由于在很多领域有特殊的工艺要求，所以钢材需要进一步的强化。通 过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为强化。钢的强化 主要是指加强抵抗塑性变形的能力。强化的途径一般分为两种，一种是尽量消除 位错等晶体缺陷，获得近
2、乎理想的单品材料。另一种是增加位错密度和移动阻力。 因此钢的强化分为晶界强化、位错强化、固溶强化、沉淀和弥撒强化、相变强化、 调幅分解强化等。晶界强化是指向界两侧原子的取向不同中加入一些微量的表面活性元素，如 硼和稀土元素等，产生内吸附现象让钢浓集于晶界，从而使钢的蠕变极限和持久 强度显著提高的方法。如珠光体耐热钢12Cr2MoWVB，即利用硼的晶界强化作用， 提高了钢的蠕变极限和持久强度。晶界强化中经常用到一种方法一一细品强化。品界是位错运动的最大障碍之 一，品位错集中在晶界附近晶粒越细，这种阻碍作用就越强。近年来，用控制奥 氏体再结品技术，获得超奥氏体品粒，淬火后得到超细马氏体组织，使其屈
3、服强 度接近2000MPa。同时利用快速循环加热工艺对材料进行超细化处理得到进展， 细品在提高材料强度的同时，也是材料的塑性、韧性得到改善，从而使其具备了 其他强化手段没有的优势。位错强化也是金属材料中最为有效的强化方式之一。自从位错理论提出后， 人们就对位错之间的相互作用进行了大量的研究，在位错强化（加工硬化）方面 取得了长足的进展。增加金属的位错密度，例如冷加工变形。由于位错的交互作 用和缠绕作用，使位错的可动性大大降低，从而提高强度和硬度。这种现象被称 之为“加工硬化”，其强度和位错密度的平方根成正比例提高。有实验研究了碳和锰含量对淬火中锰马氏体钢的位错密度、残余奥氏体含 量、品粒尺寸等
4、组织结构以及室温力学性能的影响。借助于SEM、EBSD、TEM和 XRD表征了材料的微观组织，探讨了马氏体钢的强化机制。结果表明，随着碳含 量增加，淬火中锰钢的位错密度和残余奥氏体体积分数逐渐增加,板条束和板条 块尺寸逐渐细化，大角晶界百分数逐渐增加，强度逐渐升高；增加锰含量能够提高 马氏体钢的位错密度和抗拉强度。通过分析可知，位错强化和细品强化是淬火中 锰马氏体钢的主要强化机制。马氏体板条尺寸是马氏体抗拉强度的结构控制单元, 而原奥氏体品粒尺寸则是马氏体屈服强度的结构控制单元。固溶强化是把融入固溶体中的溶质原子造成品格畸变，品格畸变增大了位错 运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强
5、度与硬度增加。在溶质原 子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，但是其韧性和塑性却有所下降。离子 注入技术是应用固溶强化的典范。该技术试将选定元素的离子在高压电场中加 速，以极快的速度穿透金属的表面，挤占原子空隙，改变原子的排列方式。阻碍 位错运动，从而提高金属的强度和硬度。例如向不锈钢中注入氧、铝离子，可使 其磨损率降低到原来的二十分之一至一百分之一，模具经离子注入处理可使寿命 提高210倍。固溶强化是钢最重要的的强化手段。溶质原子融入基体后，无论占据空隙位 置形成间隙固溶体，还是占据置换位置形成置换固溶体，都将与其基体形成共价 键。如果固溶体结构单元中最强键上的共价电子对数比基体的大，则溶质
6、原子与 基体原子的结合力较强，在外力作用下不易发生形变，便显出较高的强度，较低 的塑性。不同的合金元素在钢中的强化效果不同，这与其在钢中形成的固溶体的 价电子结构参数密切相关。固溶强化不仅使常温下的强度增加，而且作为提高高 温强度的方法也是有效的。因此，与其他强化方法相比，受焊接的热影响作用小， 是确保焊接处特性的最佳强化方法。钢材是一种合金，合金通过相变得到的合金元素与基体元素的化合物会引起 合金强化，为沉淀强化。弥散强化则是机械混掺于基体材料中的硬质颗粒引起 的强化。两者的区别是沉淀强化中沉淀相和基体有化学交互作用，而弥散强化沉 淀相和基体无化学交互作用。低碳钢中加入微凉的碳氮化合物形成元
7、素，如V、 Ti、Nb等，使钢的强度大幅度提高。这是由于微合金元素形成的碳氮化合物抑 制形变奥氏体的动态再结品二造成的品粒细化和冷却过程中析出碳氮化合物造 成的沉淀强化所致。这类钢通常在抑制状态下使用，组织为铁素体和少量珠光体， 降低终轧温度可是铁素体品粒细化，并获得较好的沉淀强化效果。但过低的温度 难以实现，故通过选择合理工艺参数，控制再结品和轧后冷速来达到最好效果。我们知道，钢的性能取决于钢的组织结构（或称为钢的组织及微观精细结 构），而组织结构的主导是由相变决定的。最简单的例子是低碳钢在轧后随冷却 条件的变化，有铁素体+珠光体、铁素体+贝氏体、马氏体等几种结构。钢的力 学性能也随之有很大
8、的变化，从而可以生产出不同强度等级的钢材品种，用于各 种不同的作用。这种情况就归属于相变强化。钢的相变强化过程中，钢的化学成分决定要有结构变化的原相（母相），这 是前提。发生相变有一个形核和长大的过程，例如随冷却条件的变化，相变有扩 散与无扩散之别，在较高温下的相变过程由扩散控制，低温下的相变为切变控制 机制。应变和冷却是两个重要的驱动条件，在外力的作用下，如热加工或冷变形； 在冷却或在加热的情况下，状态失去了平衡，由高能量状态向低能量状态转变。 在400MPa级热轧钢筋中，有大角晶界的多边形铁素体与小角晶界的非多边形铁 素体的区分，此外含有微合金化元素溶质的奥氏体转变产物中具有非常高的位错
9、密度。所以高强度钢筋的生产，除了析出强化和品粒细化外，相变强化也是钢筋 强韧化机制的不容忽视的因素。汽车制造用钢，就用到了相变强化手段。双相高强度钢属相变强化高强度钢， 是指通过采用特定的化学成份和生产工艺在钢的铁素体基体上弥散分布一定量 的马氏体，形成以铁素体加马氏体为主的组织，在提高强度的同时改善钢的成形 性能。具有屈强比低、无屈服延伸、应变强化指数高和良好的抗碰撞性能，可以 实现在减轻汽车重量的同时提高安全性能，是近年来发展起来的先进高强钢，主 要用于汽车车轮、保险杠、悬挂系统和加强件，还可用于汽车内外板。调幅分解强化也是钢的强化手段之一。过饱和固溶体在一定温度下分解成 结构相同、成分不
10、同的两个相的过程。首先它是一个自发分解过程。其次，它是 通过上坡扩散来实现成分变化的。同时这个过程不经历形核阶段，不存在明显的 相界面，最重要的是它的分解速度非常快。调幅分解过程中，富区中溶质原子将 进一步富化，贫区中溶质原子则逐渐贫化，两个区域之间没有明显的分界线，成 分是连续过度的。在分解过程中溶质原子由低浓度区向高浓度区扩散，即发生所 谓的上坡扩散。发生调幅分解时，除了热力学条件外，另一个条件是合金中可以 进行扩散，通过扩散使溶质原子A和B分别向各自独立相聚集。因此，调幅分解 是按照扩散-偏聚机制进行的一种固态相变。调幅分解是一种与所谓的形核长大机制相并列的相分解机制。材料发生调幅 分解
11、后可以形成非常均匀而精细的结构，从而可获许多优良的性能。如在Cu-Co 合金中发生调幅分解，可以使合金具有巨磁电阻(GMR)的特性，可以使材料的硬度 增加。许多合金通过时效发生调幅分解，其组织形貌与合金成分和时效时间有关。 块状材料的调幅分解已经有较深入的研究，并且在逐渐发展。上世纪90年代，在 Fe2C马氏体、65Si2MnWA钢下贝氏体、Cu2Ti合金中发现调幅分解与有序化共存 的现象，这种新的现象利用点阵波理论和图形热力学进行了解释。相对于块状材 料，小尺寸材料、低维材料，如纳米颗粒、薄膜材料的研究逐步盛行起来，而这类材 料的表面在结构和相转变中起了不可忽视的作用，表面引起的调幅分解与块状材 料的调幅分解明显不同。
