强韧性控制(strength-toughness control)

金属的强韧性能包括强度(屈服强度σ_s和抗拉强度σ_b)、塑性(延伸率δ和断面收缩率ψ)和韧性(脆性转变温度T_c和冲击功A_k)，它们之间是互相牵连又是相互矛盾的，很难使其中的某一项性能单独地发生变化。结构钢材的发展方向是要获得高强韧性的材料，因此，控制钢材的强韧化是钢材生产中重要的一环。
     钢材强韧化机制

钢材强韧化机制主要包括有变形强化、晶界强化、析出强化、亚晶强化、相变强化和织构强化几种。不同的强韧化机制可以通过不同的控制手段加以实现。

变形强化     多晶体的塑性变形可以导致金属的力学、物理及化学性能改变，随着变形程度的增加，σ_s、σ_b、硬度都将增加，塑性指标下降，电阻增加，抗腐蚀性和导热性下降。金属在塑性变形过程中产生的这种综合现象称为变形强化。变形强化现象可以用位错理论来解释。晶体中存在的各种缺陷、障碍物等作为变形初期的位错源，增殖出更多的位错，位错边缠结边移动(见位错缠结)。然而，由于析出相、晶界等障碍物的作用，位错运动逐渐被阻止。在同一滑移面上依次移动过来的位错在障碍物前停止，并塞积起来(见位错塞积)。塞积位错不能运动，其反作用应力同时抑制住位错源的活动。位错从析出物之间通过时，即使能通过，在析出物的周围也要留下位错环，它与析出物间隔变小具有相同的效果，使得通过越来越困难，即需要更大的应力才能通过。不仅如此，位错的互相交截(见位错交截)、互相反应(见位错反应)，造成割阶、空位，形成更多的妨碍位错运动的因素。随着变形的进行，位错运动更加困难，位错密度增加，位错源的活动也受到抑制，需要更大的应力才能继续变形，这就形成了变形强化。

控制变形强化的因素有：

(1)调整钢的化学成分、减少钢中的杂质都可以降低变形强化效果，从而提高钢的塑性和韧性；

(2)调整变形温度和变形程度的大小，改变加工硬化程度；

(3)控制应变速率的大小，应变速率的提高会使变形强化加剧，但是当其超过临界值后，由于变形热效应的作用，变形强化作用反而减弱。

晶界强化   也称为晶粒细化强化。由于晶界具有能阻止金属变形时的位错运动，造成位错在晶界上塞积，细化晶粒使晶界面积加大，在晶界处造成的应力集中变小，要开动位错源就得施加更大的外加应力，这就是晶界强化。晶界强化的效果通常用霍尔一佩奇(Hall-Petch)公式表示：

式中σ_i为位错滑移的阻力，又称为内摩擦阻力；K₁为常数，一般理解为晶界强化系数；D为晶粒直径。

晶粒细化在提高钢材的强度的同时，还具有韧化作用，其韧化效果用科特雷尔一佩奇(Cottrell-Petch)公式计算：

式中T_c为钢材的脆性转变温度；T₀为钢材晶体本身的韧化项；A为晶粒韧化系数；d为晶粒尺寸。

晶界强化的手段就是力图细化晶粒，它是实现钢材强韧化控制的首选手段。控制因素有：

(1)细化钢的奥氏体晶粒，采用控制轧制工艺，在钢的奥氏体再结晶温度区域内使钢坯经过多次变形再结晶达到奥氏体晶粒细化的目的；

(2)在钢的奥氏体未再结晶温度区域内给予较大的变形量，造成奥氏体晶界面积增加，晶内形成亚晶(见亚结构)和变形带，增加相变铁素体形核率，达到相变细化铁素体晶粒的目的；

(3)也可以将变形延伸到(γ+α)两相区，进一步细化铁素体晶粒；(4)在不出现上贝氏体组织的前提下，提高钢材轧后冷却速度，也可以进一步细化铁素体晶粒，达到钢材强韧化的目的。

析出强化   加热过程中固溶到钢中的合金元素，在随后的热轧变形过程中，由于溶解度积的不断降低，以M(C，N)形式从奥氏体中沉淀析出出来，保持与奥氏体的(100)_M(C，N)∥(100)，取向关系。从奥氏体中析出M(C，N)是以在奥氏体晶界上形核的方式进行的。析出的M(C，N)有效地阻碍了奥氏体晶界的迁移，使奥氏体晶粒细化，并使晶界变得平直，大大地增加了单位体积中的奥氏体晶界面积，给以后的相变铁素体形核提供了大量的理想位置，最终使铁素体细化。最后残留在铁素体中的M(C，N)将在铁素体中析出，引起铁素体的附加强化。M(C，N)与铁素体基体取向为(100)_M(C，N)∥(100)_αoM(C，N)的折出也可能发生在α／γ的相界面而成为相间析出，此时M(C，N)与铁素体之间仍然保持着上述取向关系。析出的M(C，N)呈薄片状，成行排列，排列面就是沉淀发生时α／γ相界面的位置。通常用奥罗万-阿什(OrowanAshgy)公式表示析出强化对钢材强度的贡献：

式中σ_P为析出强化引起的σ_S值增量；G为切变模量；b为柏氏模量；f_v为析出相的体积分数；x^—互为析出物的平均直径。

析出强化的要点有：

(1)提高钢材加热温度，可使钢中更多地固溶入合金元素，提高它们在随后的热变形及轧后冷却过程中的析出数量，提高析出强化效果；

(2)变形工艺控制，提高终轧温度将减少M(C，N)在变形过程中的析出量，增加轧后冷却时的析出量，增大强化效果。增大奥氏体低温区的变形量，变形诱导析出增多，减少了轧后冷却过程的析出量，降低强化效果，提高韧化效果；

(3)对于析出强化有一个合适的冷却速度，轧后冷速过慢，析出物粗大，降低强化效果；冷速过快，第二相来不及析出，也得不到良好的效果。

亚晶强化     钢材经受变形后，晶内形成有亚晶粒，这些亚晶粒具有很高的位错密度，亚晶界本身形成了位错墙，亚晶晶粒细小，一些亚晶间的位向差较大，也如晶界一样阻止着位错运动，从而造成了亚晶强化。亚晶强化理论目前尚未成熟，通常采用下式描述亚晶强化的程度：

式中σ_S、g为亚晶强化对σ_S的增加量；C为含有亚晶的晶粒占全部晶粒的比例系数；K_s为亚晶界的强化因子；e为亚晶的平均直径。

，亚晶强化的工艺控制要点有：

(1)钢在奥氏体变形时产生的亚晶在随后的淬火过程中可以被其低温产物所继承，具有强化作用；

(2)在(γ+α)两相区和α区变形时，在铁素体中形成的亚晶将保留在室温组织之中，具有强烈的强化作用；

(3)亚晶强化的效果与亚晶尺寸和亚晶数量有关；变形温度越低和变形量越大，形成的亚晶数量越多，亚晶尺寸也越细。

相变强化    钢的室温组织为铁素体和珠光体时，如果考虑到韧性和焊接性能，抗拉强度为600MPa就是它的极限。既不损害这些性能，又可以获得高的强度的方法之一就是通过控制奥氏体的相变过程，使之形成有贝氏体、马氏体、针状铁素体及其复合组织等低温相变产物组织来达到提高钢材的强韧性目的，这就是相变强化。

含铌微合金钢中添加Mn和Mo，采用控制轧制工艺生产时，会使其奥氏体在比通常贝氏体相变稍高的针状铁素体区发生相变，除了生成多边形铁素体(见多边形化)之外，还生成有针状铁素体组织；此外，还有贝氏体、马氏体岛和残余奥氏体。一般组成为铁素体含量70％、马氏体和贝氏体含量5％～10％的钢称为针状铁素体钢。钢中由于存在有变形诱导相变生成的多边形铁素体，因此，可以谋求获得铁素体晶粒自身的韧性和低温相变组织的细化与致密化，所以其韧性的改善程度大于完全单相组织的钢材。

对能产生回火贝氏体(B)的钢进行控制轧制时，通过降低加热温度和加大奥氏体低温区的变形量，来促进γ→α相变向高温短时侧移动、γ→β相变向低温长时侧移动，则造成两相分离型相变，室温组织为多边形铁素体与少量的贝氏体或马氏体。由于后者相变温度很低，形成硬质组织，所以在获得良好的塑性与韧性的同时还具有良好的强度。

织构强化    在钢的奥氏体再结晶温度区域内轧制再结晶奥氏体晶粒时，其取向一般是不规则的，因此γ→α相变后生成的铁素体取向也是不规则的。在奥氏体未再结晶区轧制时，织构开始发达，并以K—S[库尔久莫夫-萨克斯(Sachs)](或N)的关系在γ→α相变后的铁素体中继承下来。如果在(γ→α)两相温度区轧制，由于铁素体直接承受变形，因此出现不同的织构重叠。织构的产生对钢材的强度和韧性的影响存在着明显的各向异性：垂直于轧制方向的织构，强度最高，韧性居中；平行于轧制方向的，韧性最好，强度居中；与轧制方向成45^。的，强度最低，而且韧性也最差。

强韧化控制的应用

综上所述，变形强化有助于提高钢材的强度，而使韧性下降，因此，以韧性为主要指标的钢材生产过程应适当消除变形强化带来的不利影响。晶界强化可以同时提高钢材的强度和韧性，是理想的强韧化手段，应当在钢材生产中充分利用。析出强化和亚晶强化也是有助于提高钢材强度，而不利于提高钢材韧性的手段。因此，在追求钢材韧性指标时尽量不要采用。相变强化可以同时达到提高钢材强韧性的目的，在有可能实现的生产工艺中也应尽量采用。织构强化只在对钢材有特殊性能要求时才加以利用。

钢材生产过程中，通过工艺条件对其强韧性进行控制是个很复杂的问题，多种因素交织在一起，多种强韧化规律同时发生。因此，必须运用上述各种基本规律，首先从产品的性能要求出发，根据组织与性能的关系，确定其生产工艺，达到强韧化控制的目的。