1、材料的强韧化,主讲人：邵红红,强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能。,调整化学成分 细化晶粒金属材料的强韧化 形变热处理 复相热处理 下贝氏体强韧化,复习,强度是材料抵抗变形和断裂的能力。塑性表示材料断裂时总的塑变程度。,韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少表示韧性的高低,小结： 金属强化基本原理,1固溶强化 （1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大（3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用,（4）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。2
2、细晶强化霍尔-佩奇公式：s=+Kyd-1/2,3、位错强化,（1） 晶体中的位错达到一定值后，位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力。可以有效地提高金属的强度。流变应力 和位错密度的关系：,培莱-赫许公式,（2）加工硬化,4、沉淀相颗粒强化,（1）可变形微粒的强化作用切割机制适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。主要有以下几方面的作用：A 位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能。B 若共格的粒子是一种有序结构，位错切过之后，沿滑移面产生反相畴，使位错切过粒子时需要附加应力。,C 由于粒子的点阵常数与基体不一样，粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场，阻碍位错运动。,D 由于粒子的层错能与基
3、体的不同，扩展位错切过粒子时，其宽度会产生变化，引起能量升高，从而强化。E 由于基体和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而割阶会妨碍整个位错线的移动。增大粒子尺寸或增加体积分数有利于提高强度。,（2）不可变形微粒的强化作用奥罗万机制,适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形。使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为 =Gb/（2R）设颗粒间距为 则=Gb/ Rmin=/2只有当外力大于Gb/ 时，位错线才能绕过粒子。减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数，都使合金的强度提高。,（3）粗大的沉淀相群体的强化作用,由两个相混合组成的组织的强化主要是由于： 一个相对另
4、一个相起阻碍塑性变形的作用，从而导致另一个相更大的塑性形变和加工硬化，直到末形变的相开始形变为止。在沉淀相之间颗粒可由不同的位错增殖机制效应引入新的位错。,金属韧化的原理,改善金属材料韧性断裂的途径是：1 减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量。2 提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗,3 增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中4 避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展。,金属材料的强韧化性能,从学术的角度对材料性能分类主要有两种：（1）结构不敏感的性能由原子本身的基本特性决定的因素，如元素的熔点、弹性模量、线膨胀系数、磁特性等结构不敏感的性能表示了原子核的性质。,
5、（2）结构敏感性能,它们与材料的组织形态、晶粒大小、加工经历等密切相关。强韧化主要是解决结构敏感的性能。性能是衡量材料和判定材料的依据。从工程应用的角度来讲，常提到的性能是使用性能和工艺性能。,强度是在变形及断裂过程中表现出来的特性，因此研究变形及断裂是研究强度的重要手段和过程。 相变和形变是研究材料的两大领域，不合理的相变和变形不均匀时，会造成应力集中，达到一定程度就形成裂纹。,金属强韧化从机理上划分可分为三种：,物理强韧化 金属内部晶体缺陷的作用和通过缺陷之间的相互作用，对晶体的力学性能产生一定的影响，进而改变金属性能的现象。,(2)化学强韧化,指的是元素的本质决定的因素以及元素的种类不同
6、和元素的含量不同造成的材料性能的改变。这里包括了元素之间的相互作用和结合对性能带来的影响，也包括元素的含量不同造成的由量变到质变的许多问题。,(3)机械强韧化,是一个与之完全不同的强韧化机理，除了结构、尺寸、形状方面的机械原因外，主要指界面作用造成的强韧化。在界面上发生的行为和现象，用上述理论不能概括、代替。如两种材料组成复合材料形成了新的界面造成的强韧化和各相的几何尺寸变化造成的强韧化，这正是机械强韧化，它可以构成独立的体系值得进一步研究。,一、物理强韧化,指的是利用金属内部结构因素：即原子排列、晶体结构、相的分布、大小与形状等因素，控制、影响、改善金属材料的力学性能的方法。这里晶体缺陷起了
7、重要作用。,位错的交割,1 刃型位错之间的交割（1）两个位错相互垂直，两个b也相互垂直 即b1b2,交割前,交割后,（2）两个位错相互垂直，两个b相互平行,交割前,交割后,2 螺型位错之间交割,两个相互垂直的螺位错相向运动交割后的情况,位错间相互交割时的变化：,（1）不在同一个滑移上的位错之间相互交割，都发生对方b大小的变化。（2）相互交割后位错线上产生的一段折线，若是扭折会在位错线张力作用下自动消失，而割阶不会。（3）割阶有两种类型：一类可以随位错一起滑移，另一类则不能滑移。,图中阴影区域是23刃位错多余半原子面的区域，如果这段位错沿滑移面移动，必然导致这个多余半原子面扩大或缩小，即发生位错
8、大攀移。,二、化学强韧化,化学强韧化的核心意义是阐述元素以化学相互作用方式强韧化的概念、内涵、化学强化所面对的结合键和材料腐蚀的问题。,空位对位错的作用,从物理意义上讲，晶体中的空位（和间隙原子）在不断的运动状态中存在，位错对空位的吸收和释放，会造成位错自身的攀移，位错吸收一个空位，则位错线在一个原子长度上攀移一个原子间距，反之亦然。,如果晶体中的空位浓度偏离平衡浓度，则这些非平衡的空位由于具有额外的能量，将会对位错造成一种攀移方向的作用力。由于非平衡空位的存在，对位错造成一种作用力，这是一种化学力，称为渗透力。,Fos= （KTb）/Valn（C/Co）C：空位浓度Co：空位的平衡浓度Va：
9、空位体积C Co，即空位过饱和， Fos 0，使正刃型位错向上攀移，负刃型位错向下攀移。C Co，即空位欠饱和， Fos 0，使正刃型位错向下攀移，负刃型位错向上攀移。C= Co， Fos=0，无渗透力。,过饱和空位对正刃位错一个向上攀移的力，这在强烈变形或位错塞积严重的情况下会使应力得到适当的松弛，也因改变位错的分布而使应力得到适当的松弛，这就是空位的韧化（软化）作用，这个作用在适当的温度更明显。,空位对晶体的韧化作用也体现在空位能使扩散加速。塑性变形的本质不仅有位错运动造成的滑移，同时伴随着原子的扩散迁移。原子扩散迁移的最有效机制就是空位扩散机制。,高温时钢的强度损失机理,1 p-N启动自
10、由位错在晶体中运动所需的最小应力。,该应力与温度关系很大，主要体现在晶体的点阵常数随温度变化方面。随温度升高原子的热振动使位错容易短程障碍物发生攀移而流变应力逐渐下降。,2位错攀移与交滑移,常温下，位错滑移被局限在特定的几个滑移面上。在较高温度下，点缺陷的运动可以改变位错的结构或使位错容易攀移。当温度达到（0.50.7）Tm时，点缺陷的数量大幅度增加，原子扩散速度也很高，位错的攀移和交滑移变得非常显著。,3 析出相粗化和长大,在高温若停留时间足够长，析出相粗化以达到稳定状态。弥散析出物的强化效果与其大小和间距密切相关。4 钉扎原子脱离位错高于一定临界温度柯氏气团会蒸发，即消除了位错的钉扎作用。
11、,5 夹杂物粒子和第二相粒子脱离基体,基体屈服后，由于变形机制的不同，夹杂物粒子或第二相粒子脱离基体，降低钢的强度。造成原因：随温度变化而性能的变化不同导致有不同的变形特性；热膨胀系数不同产生热应力，与外力叠加产生脱离。,6 晶界滑移,当温度高于0.5Tm时，晶界滑移变得比较明显。通常有一个内聚温度（也叫等强温度），这个温度晶界强度和晶内强度一样大，高于这个温度，晶界相对较弱，晶界滑动可以产生大量的变形，而变形抗力却不很大。,三、模具选材及强韧化,我国现有模具生产厂点约20000余家，从业人员约50万人，年产值达250亿元左右；商品模具约占13，其余为自产自用。从模具市场看，处于供不应求的状态
12、，特别是精密、大型、复杂、长寿命模具，缺口更大。模具市场主要集中在汽车、摩托车、家电、电子产品、通讯设备和仪器仪表等行业。另外、通讯设备、PVC门窗和上下水管道及管接头、铝型材加工等都将成为模具的重要市场。,模具的质量包括模具的精度、表面光洁度和模具寿命3个方面。模具的精度和光洁度主要由机加工决定，而模具的寿命取决于设计、加工、材料、热处理和使用操作等多个因素，其中材料和热处理是影响模具使用寿命最重要的内在因素。,1影响模具使用寿命的基本因素,（1）结构设计 不合理的结构设计往往是造成模具早期失效和热处理变形开裂的重要因素。 模具的结构设计应尽量避免尖锐的圆角和过大的截面变化。尖锐圆角引起的应
13、力集中可高达平均计算应力的10多倍。,当由于模具结构的要求，尖锐圆角不允许消除时，可将整体结构改成组合式或将圆角的加工放在最终热处理后进行。如内四方头螺栓，原设计用冷镦模镦制，使用寿命500件，在冲头圆角过渡应力集中部位折断；后来改进设计，加大圆角过渡部位的半径，由R0.127mm增大到0.3810.5mm，寿命提高到1200027000件，仍在圆角过渡处断裂失效；第二次改进设计成组合式，寿命提高到100，000件，最终以磨损失效,（2）模具材料与热处理,模具材料对模具寿命的影响反映在模具材料的选择是否正确、材质是否良好和使用是否合理3个方面。,模具选材原则：,（一）满足工作条件要求 1 耐磨
14、性 坯料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。,硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。,2 强韧性,模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。 模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。,3疲劳断裂性能,模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有
15、小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。 模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度、以及材料中夹杂物的含量。,4 高温性能,当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。,5 耐冷热疲劳性能,有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压交变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。,（二）满足工艺性能
16、要求,模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。,（三）满足经济性要求,模具选材必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。 另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。,塑料模具钢选用时要兼顾其在塑料成形温度下的强度、耐磨性和耐蚀性，同时还应考虑其加工性能和镜面度。热处理不当是导致模具早期失效的重要因
17、素。热处理对模具寿命的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处理质量不良两个方面。统计资料表明，由于选材和热处理不当，致使模具早期失效的约占70。,（3）冷热加工工艺,锻造和机加工对模具寿命的影响，常常被人们忽略，不正确的锻造和机加工往往成为导致模具早期失效的关键。Cr12MoV钢是国内最常用的冷作模具钢之一，属于高碳高铬莱氏体钢，含有大量的一次和二次碳化物，偏析很大。因此，改善其碳化物分布状况成为提高模具寿命的重要环节。,共晶网状碳化物难以通过热处理消除，必须通过锻造使其细化并均匀化。对钢坯从不同方向上进行多次镦粗和拉拔，按“二轻一重”法锻造。锻造比一般控制在22.5。利用锻后余热淬火，低温
18、回火，可获得隐针马氏体加细小弥散分布的碳化物和少量残留奥氏体，可大幅度提高模具的使用寿命。,不正确的机加工可能在以下3个方面导致模具早期失效：,不当的切削，形成尖锐圆角或过小的圆角半径时常造成应力集中，使模具早期失效；表面光洁度不够，存在不允许的刀痕，常常使模具因早期疲劳破坏而失效；机加工没有完全均匀地去除轧制和锻造形成的脱碳层，致使模具热处理后形成软点和过大的残余应力导致模具早期失效。,2 模具的服役条件、失效方式及对模具钢性能的要求,（1）冷镦模 冷镦被广泛地用于生产紧固件，如螺钉和铆钉等。适合冷镦的材料有低碳钢丝或棒材（7578HRB）、铜和铜合金、铝和铝合金、不锈钢及含碳量低于0.44
19、的中碳钢丝（球化退火）。,冷镦模具表面要求高硬度（60HRC），硬材料的冷镦模具要整体淬硬，以防压塌；在保证不堆塌的前提下，为了使模具有足够的韧性，防止开裂，冷镦模具的心部硬度以4050HRC为宜。,常用的冷镦模具钢有T10A、9SiCr、9Cr2、Cr12MoV等，凹模镶块可用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、WC（含13%25Co）、W18Cr4V钢制造，形状复杂、冲击大的凸模可采用耐冲击钢5CrW2Si、60Si2Mn和基体钢。,（2）冷挤压模,冷挤压冲头承受较大的动载荷，为防止模具早期疲劳失效，应避免过大的应力集中，并应注意冲头的稳定性，冲头的长径比（LD）不能过大，挤压钢件时，L
20、D31，挤压铜及其合金LD51，挤压铝及其合金LD101。,低中碳钢的冷挤压模具要求有高的硬度（5966HRC），高的抗压屈服强度和适当的韧性。常用的模具材料有Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2钢和基体钢等。铝合金冷挤压模可采用T7A、T10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15、9SiCr和CrWMn等钢制造。,3 模具的强韧化热处理与工艺优化,金属模具的失效大部分是由断裂、磨损和变形而引起，其主要原因是热处理不当和模具加工不良。模具热处理包括预先热处理和最终热处理，热处理的最终目的是使模具有良好的表面质量和强度、塑性和韧性的合理配合。,（1）预先热处理,冷作模具钢含碳量较高，最常用的预
21、先热处理是球化退火，以便获得细小、均匀的球形碳化物分布。当常规球化退火工艺效果不理想时，可采用调质取代，也可利用锻后余热直接进行球化退火或循环球化退火工艺。,举例1：,某厂从国外引进了1台先进的轧丝机，用来轧制梯形丝杠，轧丝模用Cr12MoV制造。原模具加工流程为锻造球化退火粗车精加工淬火+回火磨削时效精磨。模具寿命只有几百件，都为脆性开裂而失效。改进工艺是在粗车和精切加工之间增加了一道高温调质工序。并将回火温度由250提高到400。,Cr12MoV钢球化退火工艺,Cr12MoV钢高温调质工艺,Cr12MoV钢轧丝模淬火+回火工艺,举例2：,自行车中接头冷挤成型，冷挤冲头外形尺寸如图9所示。冲
22、头材料为Cr12钢，加工工艺流程如下：锻造球化退火机械加工热处理打光。热处理采用980加热，280回火，硬度为6062HRC。寿命为70008000件，因脆断、崩刃、掉块而失效。采用调质处理取代球化退火、使冲头寿命提高到10万件以上。,（2）工模具的深冷处理,工模具钢的深冷处理可以在淬火和回火工序之间进行或在淬火回火后进行。 当深冷处理在淬火后立即进行时，一方面发生残留奥氏体向马氏体的转变，另一方面热力学不稳定的马氏体将析出大量微细碳化物，使钢的硬度升高，但韧性有所下降。,淬火回火后再进行深冷处理，由于残留奥氏体已经在回火过程中完成了转变，故钢的硬度只略有升高或保持不变，但由于大量的细小分散的
23、碳化物由马氏体中析出，降低了马氏体的过饱和度和内应力，改善了钢的韧性。,深冷处理在提高模具钢的力学性能和延长模具寿命方面效果显著，属于简单易行的强韧性处理工艺。例如：Cr12MoV钢经1030加热淬火，180回火，196深冷处理，200回火，其Ak值比常规热处理提高21，使某扇形冲压模具的寿命提高1.52倍,Cr12MoV钢经1030加热淬火，100回火，160深冷处理2h，500回火两次，与常规热处理相比，其冲击韧度变化不大，硬度提高12HRC，抗弯强度bb提高约5，耐磨性大幅度提高，可使M12螺母冷镦模寿命提高2倍，铝合金挤压模寿命提高1倍以上,深冷处理既可以用于冷作模具，也可以用于热作模
24、具。3Cr2W8V钢制造的轴承套圈热冲模，经1050加热淬火620回火2h深冷处理180回火2h，其使用寿命较常规处理模具提高1倍以上,学者们研究表明：,深冷处理7CrMo2V2Si（LD）过程中，微细碳化物在马氏体的位错线和孪晶面等微观缺陷处析出，认为是从深冷温度（196）到室温，相当于在低温范围内加热过程中析出的微细碳化物，并不是在深冷保温阶段析出的。,在研究深冷处理对高速钢红硬性及耐磨性的影响时，发现在196低温下慢速长时深冷处理的效果优于在相同温度下快速短时深冷处理，表明微细碳化物析出等组织变化也与深冷时间有关，看来碳化物的析出机理尚需进一步研究,（3）模具的降温淬火,W6Mo5Cr4
25、V2、W18Cr4V和Cr12MoV等冷作模具钢，在正常淬火加热温度下淬火，由于合金碳化物的溶解，基体中含有较高的碳量及合金元素，强度和硬度高但塑韧性不足，使用中常因断裂而早期失效。例如：W18Cr4V钢在11501200加热淬火，W6Mo5Cr4V2钢在11401160加热淬火，可以改善基体的塑韧性，减小脆性开裂倾向，延长模具使用寿命。,汽车仪表温度补偿片冲裁模原用CrWMn和T10A钢制造。使用过程中常因早期磨损、崩刃、折断失效，寿命平均20003000件，改用W6Mo5Cr4V2高速钢制造，采用1150加热淬火，2001h两次回火的低温淬火和低温回火热处理工艺，使模具具有良好的强度、韧性
26、配合，寿命提高了30多倍。,（4）模具的高温淬火,对于3Cr2W8V、H13、5CrNiMo和5CrMnMo等热作模具钢，采用高于常规淬火温度加热淬火，以减少钢中的碳化物数量，改善碳化物形态、尺寸和分布，获得更多的板条马氏体，能够提高模具的断裂韧度和热疲劳抗力，延长模具的使用寿命。,3Cr2W8V钢的常规淬火加热温度为10751125，淬油，560580回火，硬度为4046HRC。使用中发现许多热挤压模具由于模具工作温度较高，往往因模具的热稳定性不够，工作不久即发生强度、硬度和耐磨性下降，模具因塌陷或早期磨损失效。当承受较大冲击载荷时，又会因为模具热疲劳抗力不良和韧性不足而发生早期开裂。,3C
27、r2W8V钢含有大量Cr、W、V等难熔合金碳化物，这些合金碳化物在较低淬火温度下，不能充分溶解于奥氏体中，如3Cr2W8V钢退火后，含有约12的碳化物，1100加热淬火，只有6左右的碳化物能够溶解，因此，不能充分发挥合金元素提高钢的淬透性和抗回火稳定性的作用。钢的热稳定性随着淬火温度的提高而提高。,从提高模具热稳定性的角度，应该尽可能的提高3Cr2W8V钢的淬火加热温度，但是，问题是钢的晶粒会随着淬火加热温度的升高而长大，导致韧性和热疲劳性能的下降，为此可适当提高回火温度予以补偿。原工艺为1050加热淬火，620回火2次，新工艺1200，680回火2次。,（5）模具的复相强韧化热处理,模具钢得
28、到下贝氏体马氏体复相组织，可以同时提高钢的强度和韧性。Cr12钢采用990加热淬火280分级淬火180低温回火，其C型缺口冲击韧度aK为9.33Jcm2；采用1030加热淬火280等温2h180回火，组织中约含有8左右的下贝氏体，aK值为14Jcm2，710B下M复相显微组织的Cr12钢具有良好的韧性和耐磨性，模具寿命比分级淬火提高34倍。,4Cr5MoSiV1（H13）钢常规热处理工艺为10001010加热淬火，550560回火。采用1030加热250等温10min560回火，得到B下M复相组织，与常规工艺相比，在550下其强度和塑性保持不变和略有升高的情况下，其冲击韧度提高33.4。在管子
29、钳活动钳头热锻模和哈夫模上应用的结果，使用寿命比3Cr2W8V钢制模具提高1.56倍。,（6）工模具钢的第一类回火脆性,传统观念认为钢在回火时应避开第一类回火脆性区，甚至把这一温区视为回火禁区。实践表明这一观点有片面性。因为工件的服役条件和失效方式差异很大，对材料的力学性能指标的要求各不相同，然而在第一类回火脆性区回火，并非所有的力学性能指标均出现低谷，某些力学性能指标反而出现峰值。,T10钢和GCr15钢作为冷作模具钢使用的常规回火温度为180200，其第一类回火脆性分别发生在270和220附近。这两种钢在第一类回火脆性区回火，其拉伸和弯曲屈服极限s和bs均优于常规低温回火；拉伸断面收缩率、
30、弯曲塑性挠度fp、弯曲塑性功Ap等塑韧性指示也显示相同的变化规律,与常规低温回火相比，T10钢和GCr15钢回火脆性区回火后的塑性扭转角p分别降低39和12，塑性扭转功Wp降低51和15，T10钢的KIC和扭转屈服极限s分别降低39和9，而GCr15钢的KIC和s变化不大。,疲劳试验表明，两种钢在第一类回火脆性区回火后，其疲劳抗力均优于常规低温回火。试验结果表明钢的力学性能指标对第一类回火脆性具有不同的敏感程度。主要反映钢的强度的性能指标对回火脆性敏感程度较小，而塑性指标对回火脆性敏感程度较大。,对于应力集中不严重，承受拉伸、压缩或弯曲应力的冷作模具，其寿命主要取决于疲劳裂纹萌生而不是裂纹扩展抗力，选材和制订热处理工艺时，主要应该考虑在保证适当塑韧性条件下，材料应具有尽可能高的强度，即可以不必考虑第一类回火脆性的影响，相反却可以利用该温度出现的强度峰值，来达到充分发挥材料的强度潜力，延长模具寿命的目的。,
