形变热处理(thermomechanical  treatment)

压力加工与热处理相结合的金属热处理工艺。形变热处理是在金属材料上有效地综合利用形变强化和相变强化、将压力加工与热处理操作相结合、使成形工艺同获得最终性能统一起来的一种工艺方法。形变热处理不但能够得到一般加工处理所达不到的高强度、高塑性和高韧性的良好配合，而且还能大大简化钢材或零件的生产流程，从而带来相当好的经济效益。因此，形变热处理得到了冶金工业、机械制造业和尖端部门的普遍重视，发展极为迅速。各国在这方面的理论研究和实际应用日益广泛深入。中国自20世纪60年代初期以来，特别是80年代，不少工厂、研究单位和高等工业院校也在形变热处理工艺方案、实际应用效果和强韧化机理等方面做了不少的研究工作，已开始在钢板、钢丝、管材、板簧、连杆、叶片、工模具和农机具零件等生产中应用。

尽管80年代以来各国对各种形变热处理工艺进行了不少的研究工作，但有些形变热处理工艺只是进行了积极的探索，在生产中尚未达到普遍应用的阶段。实际应用的主要困难在于：有些形变热处理工艺的应用和发展，在很大程度上取决于材料成形技术的进展；还需要制成某些专用的、强力而有效的形变加工设备。尽管如此，某些形变热处理工艺由于其在材料性能和经济方面具有许多优点而得到工业应用。

形变热处理工艺门类繁多，名称也很不统一。形变热处理是形变与相变两种强化方式的结合，因此主要可按形变与相变二者的前后次序、形变温度范围和相变类型分类。此外，还有许多派生的形变热处理工艺。按形变与相变二者安排的前后顺序，形变热处理可分为：(1)形变在相变前进行的。(2)形变在相变中进行的。(3)形变在相变后进行的。在繁多的形变热处理工艺中，研究和应用较多的主要是形变在相变前进行的某些方法：高温形变正火、高温形变淬火(锻热淬火和轧热淬火)、亚温形变淬火和低温形变淬火。

高温形变正火又称控制轧制。最成功的高温形变正火是低碳钢板和钢材生产中采用的控制轧制技术。其主要工艺要点是：在轧制生产中控制轧前加热温度、形变量、形变开始温度(开轧温度)、形变节奏和形变终止温度(终轧温度)。其基本原理是，通过这些轧制工艺参数的合理控制，细化再结晶奥氏体晶粒并在奥氏体晶粒内引入形变带，从而细化轧后铁素体晶粒以提高钢材屈服强度，同时降低其脆性转化温度。热轧和控轧低碳铁素体一珠光体型钢屈服强度一。(MPa)和脆性转化温度FATT(℃)与铁素体晶粒平均直径d之间的定量关系可用以下二式表示：   式中σ_{0 `</sub> k <sub>` ^{A  ，}}A' 和B钢为一常数。σ₀为应力常数，受点阵内摩擦和溶质原子的影响；k为晶粒尺寸系数，与越过位错源所需要的应力集中有关；A为转化温度常数，受钢的冶金质量和所含杂质和合金元素的影响；A’为珠光体量系数，受珠光体形态的影响；B为晶粒尺寸系数，受铁素体内的弥散第二相沉淀的影响；d为铁素体晶粒平均直径，mm；P％为珠光体平均百分数。

控制轧制的主要工艺参数是奥氏体再结晶区(奥氏体再结晶温度以上)的道次形变量、奥氏体未再结晶区(再结晶开始温度到先共析铁素体开始析出温度Ar₃的温度区间)的累计形变量和轧制温度(特别是终轧温度)。

可按轧制温度所处温度区间将控制轧制区分为：再结晶区控制轧制(主要是通过形变奥氏体再结晶而细化奥氏体晶粒)、未再结晶区控制轧制(主要是在已通过再结晶而细化了的奥氏体晶粒内引入形变带)和Ar₃。以下的(γ+a)两相区控制轧制(在已形成的铁素体晶粒内形成亚晶增加位错密度)。(1)再结晶控制轧制。控制轧制在奥氏体再结晶区内终轧者，称为再结晶控制轧制。这主要是通过细化再结晶奥氏体晶粒来细化轧后铁素体晶粒，所以细化轧后铁素体晶粒的效果和程度相对较小。它主要适用于低碳钢和低合金钢钢材。对以微量钛微合金化的低碳低合金钢，由于其中存在弥散的碳氮化钛质点阻止轧前加热时奥氏体晶粒长大，其轧前的奥氏体晶粒细小，也适用于再结晶控制轧制。(2)未再结晶控制轧制。含微量铌的低合金钢，其再结晶温度较高，未再结晶区间较大，多半采用未再结晶控制轧制。在此法中再结晶区的轧制也要进行控制，所以此法也称为两段控制轧制。由于铌钢在未再结晶区轧制时可以在通过再结晶而细化了的奥氏体晶粒内引入形变带，增加铁素体形核位臂，使轧后铁素体晶粒细化程度增大，再加上弥散的铌的碳氮化物质点的沉淀强化作用，可以在不提高脆性转化温度的条件下更显形×ing著地提高屈服强度。对未再结晶控制轧制，除控制轧前加热温度、再结晶区道次形变量和终轧温度外，还要控制未再结晶区内的累计形变量，因为后者决定引入的形变带的数量和均匀性，从而决定轧后铁素体晶粒的大小及均匀性，因此决定控轧钢材的强韧性。最重要的是对未再结晶控制轧制，要避免在奥氏体部分再结晶区轧制，以避免发生部分再结晶引起奥氏体晶粒尺寸不均匀性。因此，在钢材的未再结晶控制轧制中，特别是在铌钢未再结晶控制轧制中，往往要待温(在部分再结晶区内暂停轧制，以等待温度进入未再结晶区)，并保证在未再结晶区内有足够的累计形变量(大于40％)。(3)γ+α“两相区控制轧制。在Aγ₃以下终轧的三段控制轧制法，即(γ+a)两相区控制轧制法，能促进在已形成的铁素体晶粒内产生亚晶，增加位错密度，形成亚晶强化，同时也能引起织构形成而产生织构强化。(γ+a)两相区控制轧制法主要应用于要求强度更高的钢材。

钢材的控制轧制可以代替钢材正火；以铌、钒或钛微合金化的低碳低合金钢控轧钢材力学性能指标可以达到部分调质钢材的水平。因此，这些控制轧制钢材可以代替部分调质低合金钢材使用。

高温形变淬火   将钢材加热到稳定的奥氏体区保温一定时间，在奥氏体状态下变形，随后进行淬火以获得马氏体组织的工艺。又称锻热淬火、轧热淬火。高温形变淬火后在适当温度下回火，能够在保持高强度的同时显著地改善钢的塑性和冲击韧性。高温形变淬火和回火工艺与普通淬火和回火工艺比较，能使强度提高10％～30％，塑性提高40％～50％，还可降低脆性转化温度和缺口敏感性。同时，由于取消淬火加热，可以降低热处理成本。高温形变淬火可应用于一般碳素钢和低合金钢锻件和轧材。由于这种工艺形变温度高，形变抗力小，在一般压力加工(锻造和轧制)条件下即可实现，并且很容易安排在锻造或轧制生产流程中。利用锻热淬火和回火可以生产出强度高、韧性好、成本低的连杆、汽轮机叶片等。2Crl3钢汽轮机叶片采用锻热淬火，与常规热处理比较，强度提高5％，韧性提高74％。取得了明显的强韧化效果和经济效益。

低温形变淬火    将钢加热至奥氏体状态，保温一定时间，急速冷却至共析温度Ar₁，以下而高于马氏体转变开始温度M_s的某一中间温度，进行形变，然后淬火得到马氏体组织的工艺。又称亚稳奥氏体形变淬火。为使低温形变淬火易于进行，最好将形变温度选择在亚稳奥氏体最稳定的温度区间之内，但也要考虑形变温度对形变热处理钢性能的影响。与普通淬火一回火工艺比较，低温形变淬火-回火综合处理工艺可使抗拉强度提高290～980MPa，但并不明显降低塑性和冲击韧性或保持原有的水平。力学性能变化与形变温度和形变量有关。在400～700℃之间提高形变温度，使强度有所降低，但使塑性和冲击韧性有所改善。形变量增加使强度明显提高，对不同钢种形变量每增加1％，可使强度提高4.9～39.2MPa。

公认的低温形变淬火的强化机理是：(1)低温形变淬火钢马氏体晶体细化；(2)形变奥氏体中的位错等缺陷大部分为马氏体所继承；(3)马氏体中的高密度位错为碳原子或碳化物所强固钉扎；(4)在含有碳化物形成元素的某些合金钢中，由形变奥氏体中析出的细小碳化物，对其转变产物马氏体产生一定的弥散强化作用，并增加位错增殖速度。马氏体组织细化、马氏体中亚结构细化、孪晶马氏体量减少、回火后碳化物更细小且均匀，是低温形变淬火一回火显著提高强度同时不降低或不明显降低塑性和冲击韧性的重要原因。

低温形变淬火时，因形变温度低，材料形变抗力大，对完成此工艺的压力加工设备要求高。这种工艺主要应用于高强度弹簧钢丝和由合金元素含量较高的钢种制造的喷气发动机支架和火箭发动机支架等。