形變熱處理是壓力加工與熱處理相結合的金屬熱處理工藝，在金屬材料上有效地綜合利用形變強化和相變強化、將壓力加工與熱處理操作相結合、使成形工藝同獲得最終性能統一起來的一種工藝方法。形變熱處理不但能夠得到一般加工處理所達不到的高強度、高塑性和高韌性的良好配合，而且還能大大簡化鋼材或零件的生產流程，從而帶來相當好的經濟效益。
基本介紹
- 中文名：形變熱處理
- 外文名：thermomechanical treatment
- 分類：低溫、高溫形變熱處理
- 優點：提高金屬強度
- 類別：金屬熱處理工藝
- 學科：材料學
介紹,形變熱處理的分類,主要優點,形變工藝,形變作用,形變對母相的作用,形變對相變的作用,套用情況,
介紹
形變強化和相變強化相結合的一種綜合強化工藝。它包括金屬材料的範性形變和固態相變兩種過程，並將兩者有機地結合起來，利用金屬材料在形變過程中組織結構的改變，影響相變過程和相變產物，以得到所期望的組織與性能。
形變熱處理的分類
形變熱處理工藝分類有多種，主要有低溫形變熱處理、高溫形變熱處理、變塑鋼形變熱處理和預先形變熱處理等。
（1）低溫形變熱處理。主要分為低溫形變淬火 （亞穩奧氏體的形變淬火） 和低溫形變等溫淬火。（1） 低溫形變淬火。將鋼加熱到奧氏體狀態，保持一定時間，然後急冷至Ar1（奧氏體分樣溫度線）以下，而高於Ms（上馬氏體點） 的溫度 （約500～600℃），待溫度均勻後，進行形變 （壓力加工），隨後淬冷，得到馬氏體組織。此法主要用於結構鋼、工具鋼、合金元素含量較高，過冷奧氏體比較穩定的鋼種。（2） 低溫形變等溫淬火。與低溫形變淬火工藝前段相似，但形變、等溫在下貝氏體區域進行，淬冷後得到下貝氏體組織。與低溫形變淬火相比，可用於合金元素含量略低的鋼種。低溫形變熱處理可以使鋼在塑性基本保持相近的情況下，保持工件具有較好的強度、韌性，並提高其壽命。其工藝特點是形變在相變之前完成。
（2）高溫形變熱處理 （穩定奧氏體的形變熱處理）。主要分為高溫形變淬火和高溫形變等溫淬火。（1） 高溫形變淬火。將鋼加熱到穩定奧氏體狀態，在該狀態下形變，隨後淬冷，得到馬氏體組織。此法套用廣泛，對材料無特殊要求，一般碳鋼、低合金鋼均可套用。（2） 高溫形變等溫淬火。將鋼加熱到穩定奧氏體狀態並發生形變後，在珠光體或下貝氏體區域進行等溫轉變，得到珠光體或下貝氏體組織。此法套用也較廣泛。高溫形變熱處理的形變過程也在相變前完成。
（3）變塑鋼形變熱處理。利用具有形變誘發相變和相變誘發塑性的變塑鋼種，通過固溶化處理，奧氏體化後，進行形變、深冷處理等一系列過程，繼而發生馬氏體轉變的熱處理工藝。此法形變在相變中進行，比較複雜。
（4）預先形變熱處理。將處於退火、正火或調質狀態的鋼件，在室溫或室溫下適當溫度形變強化，中間回火後，再快速加熱進行淬火和最終回火的熱處理工藝 。形變發生在室溫。對結構鋼、工具鋼預先形變熱處理，可達到提高強度，改善塑性的目的。
主要優點
①將金屬材料的成形與獲得材料的最終性能結合在一起，簡化了生產過程，節約能源消耗及設備投資。
②與普通熱處理比較，形變熱處理後金屬材料能達到更好的強度與韌性相配合的機械性能。有些鋼特別是微合金化鋼，唯有採用形變熱處理才能充分發揮鋼中合金元素的作用，得到強度高、塑性好的性能。由於以上原因，形變熱處理已廣泛套用於生產金屬與合金的板材、帶材、管材、絲材，和各種零件如板簧、連桿、葉片、工具、模具等。
形變工藝
實際套用形變熱處理工藝時，不僅要結合材料的成分與性能要求，確定形變後的熱處理工藝參數，更重要的是要根據母相形變後的組織結構及其對相變和相變產物的作用規律，正確確定形變的工藝參數，才能得到所期望的母相組織結構及轉變後的組織，達到所需要的性能。
形變作用
形變對母相的作用
形變熱處理中，形變使相變前的母相的組織結構甚至成分都起變化，形變後或形變過程中的相變在相變動力學和相變產物的類型、形貌等方面，都不同於一般熱處理，從而得到良好的性能。
形變對母相組織結構帶來的變化隨形變條件（形變溫度、道次形變數、總形變數、形變速度等）及金屬材料成分的不同而有差異，根據對相變的作用，母相形變後的組織結構基本上屬於三類：
③形變誘發第二相由母相中析出，析出的第二相又與位錯互動作用，使母相的成分與結構皆發生變化。
形變對相變的作用
形變熱處理中，形變後的母相組織經常是以上幾類的綜合。現以鋼的奧氏體為例，說明形變後的奧氏體對以後的相變及相變產物的作用。
對鐵素體－珠光體型相變的作用
形變後產生了再結晶的細奧氏體晶粒，使冷卻轉變後的鐵素體也相應得到細化。形變後未發生再結晶的奧氏體中的大量晶體缺陷，為此後鐵素體的轉變提供了大量形核位置，並使鐵素體形核的熱激活過程更容易進行，這兩者使轉變後的鐵素體晶粒細化；此外形變的奧氏體有加速擴散過程，加速鐵素體轉變速度，提高鐵素體形成的溫度等作用（見附表中類型2）。
如果在奧氏體中存在有形變誘發析出的第二相，則對細化鐵素體晶粒更為有效。低碳，含有微量（〈0.01%）的Nb、V、 Ti合金元素的微合金化鋼，就屬於這類情況。形變使奧氏體產生多邊化亞晶，在奧氏體晶界堆積較多的位錯，形變又誘發析出Nb（CN）或其他合金元素的碳、氮化物。細小的第二相首先在奧氏體晶界處及亞晶界上析出，並釘扎亞晶界及晶界，使亞晶的長大和晶界的遷移都受到阻礙，造成奧氏體再結晶核心難以在該處產生，即使產生了也不易長大，從而抑制了奧氏體再結晶的發生。只有給予更大變形量，進一步提高再結晶的驅動力時，才會發生再結晶，結果，使再結晶後的奧氏體晶粒比普通低碳鋼細小。大約在950℃以下，形變誘發析出的第二相，能完全阻止奧氏體發生再結晶，這樣就相對地擴大了奧氏體未再結晶的溫度範圍，有利於增大未再結晶區的形變數，使奧氏體產生更大量的晶體缺陷。在奧氏體再結晶區及未再結晶區連續變形，得到的是細小的奧氏體晶粒及高密度的晶體缺陷。這樣的奧氏體轉變後形成的鐵素體晶粒細小而均勻，生產上可得到 5μm直徑的鐵素體（實驗室可得到2μm直徑的鐵素體）。
形變熱處理
形變熱處理奧氏體中的大量晶體缺陷使以共格方式長大的馬氏體、貝氏體晶體長大受阻，使轉變後的組織得到細化。奧氏體中的晶體缺陷可被其轉變的馬氏體、貝氏體所繼承，使轉變後的馬氏體或貝氏體組織的位錯密度高於一般熱處理形成的馬氏體和貝氏體的位錯密度。當奧氏體在形變過程產生形變誘發第二相析出時，這種現象尤為突出。形變誘發析出的第二相質點，釘扎了奧氏體已有的可動位錯；在進一步形變時，促進奧氏體增殖大量新的位錯，大大增加奧氏體中的位錯密度，相應地增加轉變後的馬氏體的位錯密度。馬氏體、貝氏體中位錯密度提高，是形變淬火得以提高鋼的強度的主要原因。這樣的馬氏體組織在回火時，由於位錯密度高，為碳化物提供了大量形核位置，結果使回火馬氏體中的碳化物質點更細小，分布更均勻。形變誘發由奧氏體中析出第二相，降低奧氏體中碳和合金的含量，有利於減少孿晶馬氏體，增多板條狀馬氏體的數量。馬氏體組織的細化、孿晶馬氏體的減少，以及回火時均勻的碳化物分布，是形變淬火鋼韌性好的原因。
形變誘發馬氏體相變 在Ms～Md溫度範圍內形變能誘發奧氏體轉變為馬氏體，而在Ms溫度以上就發生馬氏體轉變。Md稱為形變誘發馬氏體開始轉變點。形變誘發馬氏體可提高鋼的強度，更重要的是，在奧氏體基體中的應力集中，由於形變誘發馬氏體的產生而得以弛豫，避免微裂紋的產生與擴展，提高鋼的塑性。
上述奧氏體的形變對相變的作用的規律對於其他合金也基本適用。
套用情況
形變熱處理是在金屬材料上有效地綜合利用形變強化和相變強化、將壓力加工與熱處理操作相結合、使成形工藝同獲得最終性能統一起來的一種工藝方法。形變熱處理不但能夠得到一般加工處理所達不到的高強度、高塑性和高韌性的良好配合，而且還能大大簡化鋼材或零件的生產流程，從而帶來相當好的經濟效益。因此，形變熱處理得到了冶金工業、機械製造業和尖端部門的普遍重視，發展極為迅速。各國在這方面的理論研究和實際套用日益廣泛深入。中國自20世紀60年代初期以來，特別是80年代，不少工廠、研究單位和高等工業院校也在形變熱處理工藝方案、實際套用效果和強韌化機理等方面做了不少的研究工作，已開始在鋼板、鋼絲、管材、板簧、連桿、葉片、工模具和農機具零件等生產中套用。
儘管80年代以來各國對各種形變熱處理工藝進行了不少的研究工作，但有些形變熱處理工藝只是進行了積極的探索，在生產中尚未達到普遍套用的階段。實際套用的主要困難在於：有些形變熱處理工藝的套用和發展，在很大程度上取決於材料成形技術的進展；還需要製成某些專用的、強力而有效的形變加工設備。儘管如此，某些形變熱處理工藝由於其在材料性能和經濟方面具有許多優點而得到工業套用。
