金属的韧化方法及工艺
1、金属材料的韧化
• 各种工程结构，如桥梁、船艇、飞机、电站设备、压力容器、输气管道等，都曾出现过不少低于材料屈服强度下重大的脆性断裂事故
• 促使人们认识到片面追求提高金属材料强度，而忽视韧性的做法是片面的
• 为了满足高新技术发展的需求，对于金属材料不仅要设法提高其强度，而且也需要提高其韧性
韧化原理
• 断裂韧性：材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高
• 提高断裂韧性增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性
• 断裂韧性是材料的一项力学性能指标，是材料的成分和组织结构在应力和其他外界条件作用下的表现，在外界条件不变时，只有通过工艺改变材料的成分和组织结构，材料的断裂韧性才
能提高
沿晶断裂与晶粒度
• 由于晶界两边的晶粒取向不同，穿过晶界比较困难，穿过后，滑移方向要改变，起了强化和韧化的作用
• 晶粒愈小，则晶界面积愈大，这种强化和韧化作用也愈大
• 细化晶粒是达到既强化又韧化目的的有效措施
• 合金钢回火脆性时，断裂易于沿晶界进行
• 如En24钢的奥氏体晶粒度由5~6级细化到12~13级，KIC值则由141MPam1/2提高到266MPam1/2。
• KIC值：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
• 它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。它是材料固有的特性，只与材料本身、
热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
• 通过晶粒细化，单位晶界面积偏聚的杂质含量相应减少，细化晶粒对于韧性有益
2、脆性相
• 脆性相对材料韧性的影响很复杂
• ① 少量的塑性变形若能使脆性相断裂或与基体分开，则会产生裂纹，降低断裂强度，脆性相愈大降低愈多
• ② 晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界区的塑性松驰，起到硬化作用，可以通过位错塞积机理在晶界产生裂纹而降低韧性
• ③ 晶内脆性相，如排列较密，则可缩短位错塞积距离，使解理断裂不易发生，从而可提高解理断裂强度，也可阻止裂纹伸展，并使裂纹尺寸限于颗粒间距，从而提高解理断裂强度，若脆性相与基体结合较弱，则在缺口下的形变较均匀，减少应力三向性，也可提高韧性
• ④ 脆性相也可通过影响晶粒度而间接地影响韧性，脆性相大小对于晶粒度有不同的影响
脆性相各种几何学参量对韧性影响
• ① 含量(fv)：一般说来，fv愈高，则塑性和韧性越低
• ② 大小(D) ： D愈大，韧性下降愈多
• ③ 间距(λ)：韧性断裂时，λ愈大，则韧性愈高，解理断裂时则相反；λ愈小，韧性反而愈高
• ④ 形状：球形时，韧性最高，尖角状时材料的韧性下降较多，夹杂物沿纵向的总长度愈大，则横向韧性愈差
• ⑤ 类型：塑性较好而与基体结合又较弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形变过程中较早地沿脆性相与基体的界面开裂，塑性较差而与基体结合又较强的脆性相（如钢中TiC）在形变过程中，应力集中到一定程度可使其发生解理或破碎，使韧性降低
3、韧性相对韧性的影响
• ① 裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不易解理断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻止
• ② 裂纹伸展到韧性相，由于直接前进受阻，被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松驰能量，提高韧性
• ③ 复合结构例如多层板，可以使各组元在平面应力状态下分别承担负荷。平面应力下的断裂韧性比平面应变下的断裂韧性要高
• 用奥氏体作为韧性相可提高钢的韧性
如对于AFC77不锈钢，通过改变奥氏体化温度来调整残余奥氏体的含量，对KIC值有很大影响。
在强度基本上不变的情况下，可使KIC提高4倍左右。对于这种PH不锈钢，加入1%Ni及调整热处理工艺来控制残余奥氏体含量，可以获得很好的强度和韧性的组合
对于合金结构钢，少量的残余奥氏体也是KIC提高的原因之一
如4340钢通过1200℃奥氏体化处理，虽然晶粒粗大，但KIC显著提高
原因1：这种处理得到条板状马氏体，没有孪生马氏体
原因2：这种处理后，在马氏体片间有100~200Å的残余奥氏体薄膜
4、基体相对韧性的影响
• 裂纹主要在基体中扩展，因而基体的特征显然会影响裂纹伸展途径，从而改变多晶金属材料的断裂韧性
• 此外，基体的特征还通过工艺影响相变产物及其组织结构，从而间接地影响材料的整体断裂行为
奥氏体基体对钢材断裂韧性的影响
• 奥氏体基体的淬透性，Ms温度，层错能和强度等对钢材断裂韧性的影响如下
• 韧性断裂① 细化奥氏体晶粒(d)，从而可细化转变产物，对提高韧性有利
• ② 一般地说，转变温度愈低，则回火后的韧性愈高，因而对淬火一回火的钢材，要求有足够的淬透性
• ③ 先共析铁素体对韧性是不利的，而针状的危害性又大于等轴状的，调整成分和工艺，细化针状铁素体，可以改善韧性
• ④ 珠光体片是应力和应变集中点，有利于解理和脆断的形成和伸展，应该设法避免
• ⑤ 孪生马氏体的韧性低于条板状马氏体，调整奥氏体的成分，改变奥氏体的Ms、层错能USF及σS，可以改变马氏体的形貌
• ⑥ 上贝氏体类似片层间距较小的珠光体，它们对于韧性是不利的，下贝氏体貌似自回火的条板状马氏体，它的韧性高于孪生马氏体，而低于条板状马氏体，在条板状马氏体形成之前先形成约10~20%的下贝氏体，由于分割了奥氏体晶粒，对韧性是有益的
5、韧化工艺
• （1）熔炼铸造
• （2）压力加工
• （3）热处理
1）熔炼铸造韧化工艺
• ①成分控制
• 实际情况成分波动和存在一定的杂质是不可避免的
• 从提高韧性出发，提高合金纯度是有效的途径
• ②气体和夹杂物
• 控制气体（氢、氧、氮）和夹杂物（主要是氧化物和硫化物等）是冶炼和铸造工艺的重要问题
• a.氢是有害气体，引起白点和氢脆，材料强度愈高，危害性愈大
• b.氮易于引起低碳钢的蓝脆，是一种有害气体；在普通低合金钢中若有钒存在形成氮化物，
则能提高强度；在奥氏体不锈钢中，它能够代替一部分镍，氮是有益的合金元素
• c.氧以氧化物类型的夹杂物存在，使韧性降低
• d. 夹杂物是脆性相，一般夹杂物含量愈多，则韧性愈低
2）压力加工韧化工艺
• 依靠压力加工控制晶粒大小和取向，可改变材料韧性
• 细化晶粒是重要的韧化措施
• 热加工时，形变和再结晶同时进行，终轧温度和终轧后冷却速度会影响晶粒大小
① 在较低温度，连续而较快地施加大变形量，可以获得细晶
• 对钢材而言有以下几条规律
② 高温停留时间愈长，则奥氏体晶粒愈大
③ 快速通过Ar3~Ar1区，可获得较细的铁素体晶粒
④ 快速冷却，可防止铁素体晶粒长大
• 采用愈来愈低的终轧温度，如在Ar3以上、γ+α区及低于Ar1温度连续轧制，由于晶粒细化和位错胞块细小而使热轧钢板的强度和韧性提高
• 连续轧制时，终轧温度愈低及变形量大，则板材的{111}<110>织构愈强，韧性愈高
3）热处理韧化工艺
热处理是改变金属材料结构，控制性能的重要工艺
① 超高温淬火
以淬火、回火和时效以及形变热处理为例，讨论提高断裂韧性的一些概念和思路对于中碳合金结构钢，采用比一般淬火温度高300多度的1200~1255℃超高温奥氏体化处理，虽然奥氏体晶粒从7~8级提高到1~0级，但KIC却提高70~125%原因可能是由于合金碳化物完全溶解，减少了第二相在晶界的形核，减少了脆性，提高了韧性
②临界区淬火当钢加热到Ac1~Ac3临界区，淬火回火后可以得到较好的韧性，这种热处理叫临界区热处理，或部分奥氏体化处理临界区处理的作用a 组织和晶粒细化：  临界区处理时，
在原始奥氏体晶界上形成细小奥氏体晶粒，并且复相区内形成的α/γ界面比一般热处理的奥氏体晶界面积大10~50倍，较大的晶界及相界面使杂质偏析程度减小b 杂质元素在α及γ晶粒的分配：P(Sn、Sb)等杂质可富集在α晶粒，α晶粒这种清除杂质的作用，对于降低回火脆性有利c 碳化物形态：临界区热处理后的碳化物要比一般热处理的粗大，如V4C3的沉淀析出可作为回火时形核中心，从而减少晶界碳化物的沉淀
③ 回火和时效
钢材的回火是一种时效过程，是过饱和固溶体一马氏体的脱溶沉淀过程。
合金结构钢有两种回火脆性，即高温回火脆性和低温回火脆性。

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