钢的压延加工与热处理技术

压延加工是将钢锭（或钢材）在加热条件下或室温条件下，进行压延加工来改变钢材外形的工艺。钢材经过压延加工后，其微观组织及力学性质都会发生变化。热处理是将钢材进行加热、冷却等处理的工艺，以达到改善钢材组织和性能的目的。在冷热加工过程中及加工后钢材性能发生的延时性变化，称为钢的时效硬化。本节仅介绍压延加工、热处理及时效硬化的一些基本知识。

（1）压力热加工。

压力热加工是生产钢材或制造零件的一种常用方法。将加热到900～1200℃的钢锭（或钢材）通过碾轧或锻压，以获得一定大小或形状的钢材或零件。压力热加工可消除钢锭中的某些缺陷，如使粗大晶粒破碎变为相对均匀的细晶，使气孔焊合而增大密实性，从而带来机械性能的提高。这是热轧薄钢板或较小截面型钢的强度较高的重要原因之一。锻造工艺使钢材机械性能提高，其原理也在于此。

（2）冷加工及冷加工强化。

冷加工工艺是常温下钢材的冷拉、冷拔、冷轧等工艺的总称。在冷加工过程中，钢材产生了塑性变形，并引起其强度和硬度的提高，塑性和韧性降低，称为冷加工强化。产生冷加工强化的原因是钢材在塑性变形过程中，晶粒破碎而细化、晶格发生拉长、压扁或歪扭等畸变，晶界处位错密度增大。低碳钢经冷拉后的应力—应变曲线如图6.11所示。

（3）钢的热处理。

钢的热处理是通过对钢进行加热、保温、冷却等手段，来改变钢材组织结构，以达到改善性质的一种工艺。基本的热处理工艺如下。

1）退火。将钢材加热到一定温度，保温若干时间，而后缓慢冷却，以获得接近图6.5状态图的金相组织，称为退火。根据加热温度不同分为完全退火、不完全退火及低温退火。完全退火是将钢材加热到铁碳合金状态图的GSK线以上20～30℃，而后缓慢冷却。它可以消除钢材成分偏析、均匀组织、细化晶粒、消除内应力，使钢材硬度降低，便于切削加工。

低温退火的加热温度一般为600～650℃，其目的是减少钢的晶格畸变、消除内应力和降低硬度。

2）淬火。将钢材加热到铁碳合金状态图的GSK线以上30～50℃，保温一段时间后，在盐水、冷水或油中急速冷却的处理过程，称为淬火。淬火的目的是要获得更高强度和硬度的钢材。钢材经淬火后强度和硬度提高的原因是，钢材中奥氏体在速冷的情况下，不能按状态图生成铁素体和珠光体等，而是生成了C在α-Fe中的过饱和固溶体，并产生晶格畸变。

图6.11　低碳钢经冷加工、时效后的应力—应变曲线变化图

含C过多的钢，淬火后钢材太脆；含C过少的低碳钢，淬火后性能变化不显著；最适宜淬火的钢，其含C在0.9%左右。

3）回火。将淬火处理后的钢，再进行加热、冷却处理，称为回火。回火的目的是消除钢件的内应力，增加其韧性。回火温度一般在150～650℃范围内。回火温度越高，其硬度降低和韧性提高越显著。对刀具、钻头等一般使用较低的回火温度。(www.xing528.com)

4）正火。将钢材加热到铁碳合金状态图的GSK线以上30～50℃ （或更高温度），保持足够时间，然后静置于空气中冷却，称为正火。对于断面尺寸较大的钢件，正火相当于退火的效果。低碳钢退火后硬度太低，改用正火可提高硬度，以改善其切削加工性能。高碳钢正火处理后，可使其具有较好的综合力学性质。

5）调质处理。对钢材进行多次淬火、回火等多种处理的综合热处理工艺，称为调质处理。其目的是使钢材具有所需的晶体组织（奥氏体、索氏体等）及均匀的细晶结构，从而得到强度、硬度、韧性等力学性质均较满意的钢材。

（4）钢材的时效。

钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降的现象叫时效。时效包括冷时效和热时效两种。由于时效过程中内应力的消减，故可使钢材的弹性模量得到基本恢复。钢材的时效是一个极长的缓慢过程，有些未经冷加工的钢材，长期存放后也会出现时效现象。

钢材经冷加工后，在常温下放置15～20d，或加热至100～200℃保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度都会得到进一步提高，而塑性及韧性则会持续降低，前者称为自然时效，后者称为人工时效。冷加工可以加速时效的发展。所以在实际工程中，冷加工和时效常常被一起采用。进行冷拉时，一般须通过试验来确定冷拉控制参数和时效方式。通常，强度较低的钢材宜采用自然时效，强度较高的钢材则应采用人工时效。

热时效又称淬火时效，是低碳钢由高温快速冷却后，其塑性和韧性会随静置时间延长而不断降低的现象。如某些钢材的焊接焊缝，它相当于局部淬火处理，放置3个月后，其冲击韧性可显著降低，有时仅为放置前的40%，当在低温下静置时，这种现象更为严重。若没有焊缝，该钢材放置时间很长，其冲击韧性也不会有显著变化。

产生淬火时效的原因是钢中的微量元素C、N在淬火过程中形成了在α-Fe中的过饱和固溶体，这种固溶体是不稳定的，随着时间的延长，其C、N原子在晶界或晶格缺陷处聚集，使钢材变得硬脆。沸腾钢的淬火时效倾向较大；镇静钢使用Al、Mn等作脱氧剂，可消除N对淬火时效的作用。

焊接的钢结构及承受动荷或冲击荷载的钢结构 （如桥梁），应对钢材提出时效冲击韧性值的要求。

钢材经冷加工后，将发生冷加工强化现象 （如前述），静置一段时间后，又会发生冷加工时效。低碳钢冷拉及时效后的应力—应变曲线如图6.11所示。

如图所示，冷拉后钢材应力—应变曲线为o1zde，屈服点自a提高到z，屈服平台消失。时效后应力—应变曲线为o1z′d′e′，钢材强度进一步提高，塑性及韧性进一步降低，并在z′处可以重新出现屈服平台。

产生冷加工时效的原因是冷加工的塑性变形使钢中位错数增加，并降低了C、N原子在α-Fe中的溶解度。C、N原子较未受冷加工者更易于在位错线附近聚集。由于C、N原子在位错线附近聚集，使钢材强度进一步提高，韧性进一步降低；另外，存在C、N原子在位错线附近聚集的钢材，当发生某种程度的塑性变形时，C、N原子可与位错分离，从而使位错运动的阻力突然减小，塑性变形突然增大，即重新出现屈服平台。

时效可引起船舶、桥梁及受动荷的水工钢结构（如受水击作用的压力钢管）发生突然断裂，从而失事，尤其在低温下工作的结构，这种影响更为严重。因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经时效后，其冲击韧性、塑性改变较大。承受振动、冲击荷载作用的重要性结构，应选用时效敏感性小的钢材。

建筑工程中，将钢筋通过冷加工强化和时效，来提高钢筋的屈服强度，达到节约钢材的目的。