形变热处理知识点分析与优化

形变热处理是对过冷奥氏体进行塑性变形，并使它转变成马氏体，即把压力加工和热处理相结合，得到较高的强度和良好的韧性，使材料性能得到综合提高的工艺方法，是形变强化和相变强化相结合的一种综合强化工艺。它包括金属材料的塑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。形变热处理的主要优点是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；与普通热处理比较，能在获得较高的强度同时能保持高的韧性，主要是综合了位错强化、固溶强化、第二相沉淀和弥散强化以及马氏体晶体细化强化四种机构的结果。由于形变热处理可以获得优异的强韧性，所以已经在宇航、飞机、武器、汽车、工具、机械制造等工业中用来处理螺栓、滚珠轴承、齿轮、充气瓶、冷凿、钻头、铣刀、丝锥、冲模、冷墩模等。表6-4为形变热处理工艺及应用。

表6-4 形变热处理工艺及应用

（续）

1.低温形变热处理

如图6-11所示，把钢加热至奥氏体状态并保持一定时间，急冷却至Ac₁～Ms点的某一中间温度，进行塑性变形，在不发生奥氏体再结晶的情况下，随后立即淬火获得马氏体组织，为低温形变热处理，也称亚稳奥氏体形变淬火。过冷奥氏体应具有足够的稳定性，使其在亚稳奥氏体的形变和随后的冷却过程中不产生非马氏体组织，可以获得强度和韧性的良好配合。

这种形变热处理主要是利用组织和相遗传原理，对奥氏体进行塑性变形，引进高密度位错，遗传给淬火马氏体。与经普通回火处理的相比，钢材经奥氏体塑性变形、淬火后，再经适当的回火处理，可以在大幅度提高强度情况下，不降低甚至还可以提高塑性和韧性。

图6-11 低温形变热处理示意图

低温形变热处理工艺的优化取决于影响形变热处理效果的各工艺参数的选择。这些工艺参数是：奥氏体化温度、形变温度、形变前后的停留和再加热、形变量、形变方式、形变速度和形变后的冷却。在保证淬火后获得马氏体组织的情况下，影响形变热处理效果最大的因素是塑性变形温度和形变量。

在其他条件相同时，形变温度越高，形变储存能越小，再结晶将难于进行。但是，在钢的热形变过程中，形变温度相当于再结晶退火的保温温度，而保温温度对再结晶形核率和长大速率的影响，都是随温度的升高呈指数上升。温度越高，再结晶进行得越快，产生一定体积分数的再结晶所需时间也越短。在低温形变淬火时，应尽量采取较低的奥氏体化温度。形变温度越低，强化效果越大，但塑性和韧性下降较大。(www.xing528.com)

形变量是影响形变储存能的最重要因素。形变量越大，储存的能量越多，再结晶的驱动力也越强。因而，再结晶的形核率和长大速率也越高，不但再结晶温度降低，再结晶速度也加快。一般情况下，形变量越大，对金属材料的强化效果越好。

钢经低温形变后，奥氏体内有较高的位错密度使马氏体内具有较高的位错密度，从而强化了马氏体。形变又使奥氏体晶粒细化，提高了马氏体强度，并且使析出的碳化物呈弥散分布在强化基体上。

低温形变热处理常用于合金结构钢，在不降低韧性的情况下，可显著提高钢的强度和屈服极限（通常强度可提高300～700MPa，屈服极限可提高300～900MPa）。低温形变热处理对工具钢也有明显效果，如W18Cr4V高速工具钢经适当低温形变热处理后，硬度增加两个HRC单位，强度增加42%，塑性增加43%。

2.高温形变热处理和混合形变热处理

图6-12及图6-13所示分别为高温形变热处理和混合形变热处理，将钢加热到稳定奥氏体区，保温一段时间并进行形变，然后进行淬火获得马氏体的工艺方法。高温形变热处理增加钢中的位错密度不多，但可以细化奥氏体晶粒，从而细化马氏体，高温形变淬火可以提高钢的抗拉强度和屈服强度，同时能改善塑性和韧性。高温形变奥氏体所处的不同组织状态及形成的各种结构缺陷，不仅对随后淬火产生一定的影响，且在一定程度上被转变的马氏体所继承。

图6-12 高温形变热处理图

图6-13 混合形变热处理

此方法可用于各种结构钢和工具钢，适当改善工具钢的综合机械性能。生产中已经广泛采用锻热淬火和控制轧制工艺等高温形变热处理工艺方法，获得强韧化的组织与性能。对于9SiCr钢试验的结果表明，在900℃进行形变热处理（变形度40%），并经200℃回火后，其弯曲强度可由2000MPa提高到3000MPa，高温形变热处理可显著提高该钢的强度和塑性。

将钢在奥氏体稳定范围内形变，接着冷至中温奥氏体亚稳定区再进行形变，然后进行淬火。经混合形变热处理后的钢，强度最高，韧性最好，但操作比较复杂。