钢铁材料超细化组织处理

钢铁材料的强度和韧性是相互矛盾的两个性能，一般地，要提高强度必然降低其韧性，要提高韧性必然降低其强度。但材料组织的细化处理是同时提高其强度和韧性的最有效途径。通常认为小于4μm的细晶属于超细晶组织，4～1．0μm为微米级超细晶，100～0．1nm为纳米级超细晶。

1）微米级晶粒细化技术

微米级晶粒细化技术主要有形变诱导铁素体相变、循环热处理、形变热处理、磁场或电场热处理和合金化细化技术等。

（1）形变诱导相变细化。形变诱导相变是将低碳钢加热到稍高于奥氏体相变（Ac3）温度以上，对奥氏体施加连续快速大压下量变形，从而可获得超细的铁素体晶粒。在形变过程中，形变能的积聚使奥氏体向铁素体转变的相变温度上升，在形变的同时发生铁素体相变，形变后进行快速冷却，以保持在形变过程中形成的超细铁素体晶粒。

在形变诱导相变细化技术中，形变温度和形变量很重要，随形变温度的降低及形变量的增加，应变诱发铁素体相变的转变量增加，同时铁素体晶粒变细。

通过低温轧制变形和应变诱导铁素体相变，可在碳素结构钢中获得晶粒尺寸小于5μm的超细晶粒。对微合金钢，应用应变诱导相变技术可得到晶粒尺寸为1μm左右的2mm厚超细晶粒钢带。如Q235钢在Ar3以下10℃范围内，经80%大形变量多次变形，可获得2μm的超细晶铁素体。

（2）循环加热淬火细化。多次循环加热淬火是将钢由室温加热至稍高于Ac3的温度，在较低的奥氏体化温度下短时保温，然后快速淬火冷却至室温，再重复此过程。每循环一次，奥氏体晶粒就获得一定程度的细化，从而获得细小的奥氏体晶粒组织。一般循环3～4次细化效果最佳。如利用快速循环淬火方法在65Mn钢中获得4μm的奥氏体晶粒。(www.xing528.com)

（3）形变热处理细化。形变热处理大致可分为两种：第一种工艺是将钢加热到稍高于Ac3温度，保持一段时间，达到完全奥氏体化，然后以较大的压下量使奥氏体发生强烈变形，之后等温保持一段时间，使奥氏体进行起始再结晶，并于晶粒尚未长大之前淬火，从而获得较小（5μm左右）的淬火组织。第二种工艺是将淬火以后的钢，加热到相变点以下的低温进行大压下量的变形，然后加热到Ac3以上温度短时保温，奥氏体化后迅速淬火，由于变形是在低温、马氏体组织状态下进行，材料的变形抗力较大。如把低、中碳钢的回火马氏体经过80%压缩变形，再奥氏体化可得到0．91μm的奥氏体晶粒，淬火后可获得非常细小的马氏体组织。

（4）合金化细化。通过对钢铁材料合金化也可有效细化晶粒。其原因是有些固溶强化合金元素（如W、Mo等）可提高钢的再结晶温度，同时降低在一定温度下晶粒长大的速度；而有些强碳化物形成元素（如Nb、V、Ti等）可与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级的化合物，强烈阻碍晶粒的长大。

2）纳米级晶粒细化技术

纳米级晶粒细化技术主要有大塑性变形技术、机械合金化细化和提纯技术等。

（1）大塑性变形细化。利用特殊方法使金属材料在室温产生严重变形，晶粒可得到明显细化。如对纯Ti、纯Cu等合金利用等径角挤压，当应变量达到5%～7%时，可获得纳米晶组织。如利用喷丸或深度轧制方法对304不锈钢进行处理，在试样表面可获得一层纳米晶组织。因为喷丸处理在材料表面反复施加多方向的高速机械载荷粒子，在局部接触的材料内部引起很大的塑性变形，改变了近表面的微观组织，使其产生局部切变，该切变又使更深层和其周围的材料产生塑性变形，从而在表面形成一层纳米晶。

（2）机械合金研磨细化。它是一种用来制备具有可控微结构的金属基或陶瓷基复合粉末的高能球墨技术。即在干燥的球形装料机内，在真空Ar气保护下，通过机械研磨过程中的高速运行的硬质钢球与研磨体之间的相互碰撞，对粉末粒子反复进行熔结、断裂，在熔结过程中使晶粒不断细化达到纳米尺寸；然后，纳米粉再采用热挤压、热等静压等技术加压制得块状纳米材料。此法在研磨过程中易产生杂质污染、氧化及应力，难以得到洁净的纳米晶界面。