鋼的強韌化(strengthening and toughening of steel)
在給定外界條件下，通過不同的工藝過程，改變鋼的內部構造，使鋼的強度和韌性得以提高和改善的方法和效果。這里所說的外界條件包括溫度、應力、磁場、電場、輻照和化學介質等；不同的工藝過程包括冶煉、鑄造、熱形變、冷形變、焊接、激光照射和熱處理等。在不同的外界條件下，相同的材料也會有不同的性能。強度，這是一個相當廣義的概念，它是指材料在宏觀上抵抗形變(彈性形變或塑性形變)的能力。在工程上人們規定了不同的強度指標(單位是MPa)來限定它的具體涵義。諸如室溫拉伸(或壓縮)條件下的短時屈服強度、長時(譬如1000h等)屈服強度、抗拉強度，由屈服強度或抗拉強度派生出來的比強度(屈服強度對材料密度的比值或抗拉強度對密度的比值)；各種溫度(室溫以上)及斷裂時間下的持久強度，一定溫度、一定時間、一定允許形變量下的蠕變強度(或蠕變極限)；各種化學介質環境下的應力腐蝕斷裂強度；在低溫或高溫各種循環應力下的疲勞強度(或疲勞極限)等等。韌性，也是一個相當廣義的概念。它是材料斷裂能量的判據，是強度和塑性的綜合表征。在缺口斷裂力學及裂紋斷裂力學中，分別有缺口韌性和裂紋韌性之分。缺口韌性指標包括梅氏U形缺口沖擊功Ak值(單位是J)，夏氏V形缺口沖擊功Cv值(單位是J)。裂紋韌性指標包括適用于高強度和超高強度鋼的平面應變斷裂韌性KIc(量綱是MN%26bull;m-2)，適用于中高強度鋼的、在彈性和彈塑性范圍內的裂紋擴展力GIc和JIc(量綱是MN／m)，以及適用于中低強度鋼的臨界裂紋張開位移COD或%26zeta;c(單位是mm)，等等。一般來說，結構材料的強度和韌性是一對矛盾。通常提高強度，就降低韌性。或者反過來，韌性改善了，強度就下降。合理的辦法是，在滿足給定要求強度的前提下，設法提高鋼的韌性，以保證材料的可靠使用。或者反過來，在保證給定要求韌性的前提下，設法提高強度。統一協調這一對矛盾，得到又強又韌的鋼材，就是鋼強韌化的目的。
鋼的強化方法 鋼的強化方法包括：(1)形變強化；(2)固溶強化；(3)脫溶強化；(4)細化晶粒強化；(5)復合強化(上述各種強化方式的復合)；(6)馬氏體強化；(7)形變一相變綜合強化(形變熱處理強化)；(8)其他強化方法。
形變強化 利用形變使鋼強化的方法。也稱應變強化或加工硬化。因為通常把硬度和強度都看作是材料的%26ldquo;強度性質%26rdquo;。強度是材料在宏觀上(或者說是整體上)抵抗形變的能力(或稱流變應力)。硬度是材料局部抵抗塑性形變的能力(不論是顯微硬度、維氏硬度、洛氏硬度，還是布氏硬度)。二者在不少情況下有近似的相應關系。材料的強度越高，塑性形變抗力越大，硬度值也越高。反之，材料的硬度越高，可能因材料脆性增大，其強度未充分反映出來，使得強度指標數值并不高。對于不再經受熱處理，并且使用溫度遠低于材料再結晶溫度的金屬材料(譬如低碳低合金鋼)，經常利用冷加工(冷形變)手段使之通過形變強化來提高強度。因而，形變強化的實質就是在材料的再結晶溫度以下進行冷形變，隨著形變程度(應變量)的增大，在晶體內產生高密度的位錯(晶體缺陷)，位錯密度越高，強化的程度越大，即流變應力值越高。形變后金屬的流變應力應當等于未形變前的流變應力加上形變強化的流變應力的增量。流變應力增量與位錯密度的高低有關：%26tau;=%26tau;0+%26alpha;%26mu;b%26rho;n1. 式中%26tau;為金屬的流變切應力%26tau;0為退火態金屬的流變切應力(它表示除了位錯相互作用以外其他因素對位錯運動的摩擦阻力)；%26alpha;為常數；%26mu;為切變彈性模量；b為位錯柏氏矢量； %26rho;為位錯密度；指數n1=0.5。利用形變強化達到高強度的鋼鐵制品，典型的就是高碳鋼冷拉鋼絲和低碳低合金雙相鋼冷拉鋼絲。隨著形變程度的增大，材料的強度和硬度越來越高，但它的塑性和韌性卻往往越來越低，脆性越來越大，這就需要采取相應韌化措施來加以改善。在馬氏體型相變過程中引起的內部相變冷作硬化，就其物理實質來說，也屬于形變強化，只不過這時的形變并非來自外部，而是來自馬氏體相變過程中晶體自身切變所產生的高密度位錯。
固溶強化 利用固溶的置換式溶質原子或間隙式溶質原子來提高基體金屬的屈服強度的方法。它是一種常用的強化方法。絕大多數鋼材的基體鐵都免不了用固溶強化方法強化。這種強化方法的實質是，溶質原子使基體的點陣(或稱晶格)發生畸變，位錯運動受到阻礙，從而有效地提高了合金的強度。在合金元素濃度不高的固溶體中，合金屈服流變應力隨溶質濃度的變化關系為：%26sigma;=%26sigma;0+Kcn2。式中%26sigma;為合金的屈服流變應力；%26sigma;0為基體金屬的流變應力；K為常數，決定于基體與合金元素的性質；c為溶質的原子濃度；指數n2為常數，強化能力較弱的合金元素(置換式元素)n2=1，強化能力較強的間隙式元素n2=0.5。鐵基合金中，屈服流變應力與置換溶質元素濃度間呈線性關系(常用元素中，磷、硅、銅強化效果較大，錳、鉬、鎳、鋁強化效果較小，鉻倒有軟化效果)；而與間隙溶質元素(如碳)濃度的平方根成正比。間隙溶質強化的效果比置換溶質的強化效果高得多，前者是后者的10～100倍。然而，碳在%26alpha;-鐵中的最大溶解度卻只有0．0218％，這樣就使得強化的總效果有限。不過，利用鐵基固溶體的多形性轉變這一重要現象，把鋼加熱到高溫%26gamma;相區，這樣就可以有大量的碳溶在%26gamma;-鐵中，例如Fe%26mdash;C合金中，%26gamma;-鐵的最大溶碳量可高達2．11％(是%26alpha;-鐵中最大溶碳量的近100倍)，然后再用淬火的方法使%26gamma;相轉變成具有同樣碳含量的馬氏體(非擴散型相變)。這樣，碳的固溶強化就成了淬火馬氏體強化的主要因素。這是結構鋼和工具鋼中最基本、最常用的強化方法。同樣，當固溶強化效果過大導致材料脆性增大時，也需要采取韌化措施(如回火)來加以改善。
脫溶強化 通過高溫加熱的固溶處理，將多量的合金元素的化合物溶入%26gamma; -鐵中，淬火后形成馬氏體，即過飽和的鐵基固溶體，然后再在較低溫度(固溶度線以下)加熱，依靠過飽和固溶體的脫溶產生的強化稱脫溶強化。這種強化方式也稱時效強化或沉淀強化。鐵基過飽和固溶體的脫溶分解，按脫溶后期形成的平衡相的不同(間隙式化合物或金屬間化合物)可分作兩種情況：(1)在低碳、中碳或高碳低合金鋼(或高合金鋼)中，利用過飽和的碳和鈮、釩、鈦、鉬、鎢、鉻等合金元素，在鋼脫溶過程中碳化物的析出導致強化。例如低碳工程結構鋼中，碳機械結構鋼以及高碳工具鋼中碳化物脫溶的強硬化。(2)在微碳(%26lt;0．03％)的高合金鋼中，例如馬氏體時效鋼，則是利用固溶的置換式合金元素鎳、鉬、鈦、銅等，在脫溶過程中析出金屬間化合物導致強化。鐵基合金中，不論脫溶后期的平衡相是碳化物還是金屬間化合物，在脫溶的早期階段(一般在較低溫度)，則都是先形成尺寸很小的溶質原子(間隙原子或置換原子)的偏聚區，通稱為GP區(Guinier Preston zone)，GP區與基體之間是共格的，沒有明顯的分界。然后由GP區進一步發展為過渡相，然后再由過渡相發展而成最后的平衡相。依合金成分及處理工藝的不同，在脫溶的不同階段，會有不同的強化效應。在脫溶后期，平衡相長大后就形成了彌散粒子的強化，這與人為地加入彌散的第二相，以及與粉末冶金法中復相粒子燒結造成的彌散強化類同。第二相顆粒的強化作用是由于它們阻礙晶體中位錯的運動。位錯運動受阻或者是由于位錯線必須切割第二相顆粒，或者是必須繞過第二相顆粒。假定顆粒是不形變的圓球，則鋼的屈服強度與第二相顆粒間距的關系為：%26sigma;y=%26sigma;0+Kd%26lambda;-n3式中%26sigma;y為鋼的屈服強度；%26sigma;0為基體的屈服強度；Kd為常數；%26lambda;為顆粒間距；Kd為常數，約等于0.5-1.0。
細化晶粒強化 常溫下，鋼的強度受基體組織的晶粒尺寸影響。通常用晶粒號(也稱為晶粒度或晶粒級別)來表示晶粒的平均大小。表中給出了晶粒號(N)與晶粒平均直徑d的對應關系
這一對應關系是由Z=2(N+3)變換而來，式中Z為lmm2中的平均晶粒數目，N為晶粒號。由此可得每一晶粒平均所占的面積(截面)及每一晶粒的平均直徑。一般工業用鋼中，晶粒號通常表示的是奧氏體的晶粒大小，也可特指鐵素體的晶粒大小。例如，以鐵素體為基體的工程結構鋼可特指鐵素體的晶粒大小；淬火回火鋼則指淬火前奧氏體的晶粒大小。工業用鋼細晶粒號的通常范圍為N5～10，N%26lt;5稱為粗晶粒，N%26gt;10則稱為超細晶粒。霍爾一佩奇關系式可描述鋼的屈服強度和晶粒尺寸的關系：%26sigma;y=%26sigma;0+Kgd-n4. 式中%26sigma;y為鋼的屈服強度；%26sigma;0為常數，大體相當于單晶鐵的屈服強度，與溫度、成分有密切關系；Kg為表征晶界對強度影響程度的常數，與晶界結構有關，而與溫度關系不大；d為晶粒大小，可以是鐵素體晶粒大小、奧氏體晶粒大小，也可以是亞晶的大小；指數n4=0.5。例如O．11％碳鋼的下屈服應力與鐵素體晶粒大小的關系如圖1所示。
可以看出，隨晶粒細化值增大)，鋼的強度線性增高。直線的斜率即上式中的Kg值。常溫及低溫下晶粒細化之所以提高鋼的強度，是因為晶界阻礙位錯運動的結果。在這個意義上，也可把晶粒細化強化稱為晶界強化。當把晶粒進一步超細化以后，可使鋼的強度大幅度升高。通過形變熱處理，在近于鋼的臨界點Ac3的溫度強烈形變，恒溫或慢冷一段時間使形變奧氏體再結晶，然后快速冷卻阻止再結晶的晶粒長大；或者通過快速反復奧氏體化和淬火的方法(反復次數的多少視鋼種而定)，均可獲得超細奧氏體晶粒(晶粒號大于13)。這樣超細的奧氏體晶粒可使鋼的強度顯著升高，如圖2所示。
上述霍爾一佩奇關系式是一個普遍的關系式，它可作為流變應力與晶粒大小的關系(塑性材料)，也可作為斷裂應力與晶粒大小的關系(脆性材料)，還可作為疲勞強度與晶粒大小的關系。這一經驗關系式可由位錯塞積模型導出。當晶粒尺寸外推到4nm時，這一關系不再適用(工業中尚難達到這么小的晶粒。
復合強化 工業用鋼很少由單一方式強化。把固溶強化、形變強化、晶界強化和彌散強化簡單疊加的復合強化可表示為：%26sigma;y=%26sigma;0+%26alpha;%26mu;b%26rho;n1+Kcn2+Kd%26lambda;-n3+Kgd-n4。式中各符號的涵義已如上述。
馬氏體強化 鋼的最重要的強化方式。中國古代冶金史的研究表明，中國在戰國時代(公元前475～前221年間)已掌握了鋼的淬火。西漢時代(公元前206～公元220年間)的鋼劍具有淬火的馬氏體組織。20世紀20年代以來開始的鋼中馬氏體型相變的研究，是金屬學領域中取得的一系列重大成就之一。鋼中馬氏體的強度主要決定于碳的固溶強化以及自回火的脫溶強化。馬氏體的亞結構也有附加強化作用。原始奧氏體的晶粒大小及馬氏體晶體的尺度對強度也有一定的影響。馬氏體中置換式溶質原子(通常加入的合金元素)的固溶強化作用遠小于間隙式溶質原子(碳、氮)的作用。未經脫溶的鐵一鎳一碳合金位錯馬氏體與孿晶馬氏體的壓力強度(能正確反映高碳馬氏體的強度)與碳濃度的平方根成正比；而且隨碳濃度的增多，孿晶馬氏體壓力強度增加的斜率大于位錯馬氏體。馬氏體中過飽和碳導致的固溶強化和脫溶強化共約占總強化效果的85％～90％。這兩種強化作用，在馬氏體點(Ms)高于室溫的鋼中，表現為淬火過程中和淬火以后碳原子和位錯再分布對馬氏體的強化。
形變一相變強化 形變熱處理是形變一相變強化鋼材的重要手段之一。1954年，荷蘭人利浦斯(E．M．H．Lips)和范朱林(H．Van Zuilen)發表了形變熱處理工藝能提高鋼的強度和塑性的論文。20世紀整個60年代，各國對很多鋼種包括結構鋼、工具鋼等進行了廣泛的形變熱處理試驗研究，均得到較好的效果。到60年代末，派生出的多種方法，按形變所處的工藝位置可歸結為3類：相變前形變類、相變途中形變類和相變后形變類。相變的類型可以是非擴散型的馬氏體相變，也可以是擴散型的脫溶轉變或珠光體轉變。在工業用鋼的強化中，以相變前形變類最為突出。這種方法就是將鋼在奧氏體狀態下形變，接著淬火和回火的一種綜合強化工藝。按形變溫度的不同，這類工藝又可分為：高溫形變熱處理，即將鋼在奧氏體的穩定溫度范圍(%26gt;Ac3)形變后立即淬火、回火；低溫形變熱處理，即將鋼在奧氏體的亞穩溫度范圍(低于Ac1但高于Ms)進行形變(不產生珠光體或貝氏體相變)，然后立即淬火、回火；以及混合型形變熱處理，即將鋼先在奧氏體穩定溫度范圍形變，接著在其亞穩溫度范圍形變，然后立即淬火、回火。除了在奧氏體狀態下進行形變外，還可在%26alpha;+碳化物狀態下進行形變，然后再淬火、回火，這種類型的工藝叫做預形變熱處理。顯然，其形變過程也是在馬氏體相變之前完成的。由于形變是在冷狀態下進行的，它與隨后的熱處理過程相對獨立，二者不需立即銜接，工藝的靈活性大。結論是，形變熱處理是形變強化、馬氏體強化和脫溶強化的綜合強化法。
其他強化方法 晶須和非晶態強化是兩類特殊的強化方法。晶須是一種人工制成的極細單晶纖維，直徑一般為1～10%26mu;m，長1～10mm。由于晶須表面和內部結構的完整性，在受力時難以形成位錯源，因而具有相當高的強度。如直徑為1．6%26mu;m的鐵晶須，強度可達13．4GPa。
1960年，人們第一次用液態金屬高速冷卻制得非晶態金屬，又稱金屬玻璃。其原子結構與液態金屬相似，實質上是液態金屬的過冷態。非晶態金屬的強度和硬度，通常比強化的晶態金屬高。鐵基非晶態的抗拉強度已超過了現有的超高強度鋼，一般是2～3GPa，有的高達4GPa。
鋼的韌化方法 鋼的韌化方法包括：(1)細化晶粒法；(2)合金化法；(3)純凈化法；(4)位錯板條馬氏體韌化；(5)高溫形變熱處理；(6)利用穩定奧氏體使鋼韌化；(7)利用介穩奧氏體使鋼韌化；(8)回火和其他方法。
細化晶粒法 常溫或低溫下，在利用細化晶粒提高鋼的強度的同時，還可改善鋼的韌性，特別是低溫韌性。這是細化晶粒方法的突出優點。因為細化晶粒不僅增大鋼的屈服強度(%26sigma;s)，而且增大鋼的斷裂強度%26sigma;b)。這樣，隨著晶粒的不斷細化，鋼從脆性斷裂過渡到韌性斷裂(%26sigma;b%26gt;%26sigma;s)，如圖3所示。
合金化法 合金元素錳和鎳能使鋼的韌性提高。錳因為能減少晶界碳化物，細化珠光體，相應也細化鐵素體晶粒，從而提高鐵素體一珠光體鋼的韌性。鎳是提高鋼的韌性最有效的元素，這是因為鎳能提高鐵素體基體的韌性，并使晶粒細化的緣故。
純凈化法 除去鋼中夾雜、氣體及有害元素，盡可能降低鋼的碳含量是提高鋼韌性的有效方法。鋼中非金屬夾雜物是斷裂的裂紋源。在冶煉上采用真空除氣，電渣重熔、真空白耗重熔和各種爐外精煉技術，提高鋼的純凈度，可顯著改善鋼的韌性。鋼中磷、硫、砷、銻等有害元素的去除，也能改善鋼的韌性。鋼中的碳，雖然在很多情況下是不可缺少的元素，但碳卻使鋼的韌性顯著惡化，因此，在可能的條件下，應盡量降低鋼的碳含量。
位錯板條馬氏體韌化 鐵碳合金中，碳含量0．30％時，淬火馬氏體的形態主要為位錯板條馬氏體；碳含量0．6％時，主要為內孿晶馬氏體。一般認為，化學成分相同，位錯馬氏體與內孿晶馬氏體的強化效果相當，而位錯馬氏體具有較好的韌性。原因可能是位錯馬氏體的板條尺寸很小，類似于非常細的晶粒，可阻止裂紋的傳播；而孿晶片狀馬氏體，厚度較大，且內部孿晶取向相同，類似于粗大的晶粒，從而韌性較差。另外，位錯馬氏體板條之間的殘留奧氏體塑性良好，使得鋼的韌性改善。
高溫形變熱處理 將鋼在高于臨界點Ac3以上的較高溫度(如在奧氏體的再結晶溫度以上)奧氏體化，然后預冷到稍高于A。。的溫度形變，接著淬火、回火的方法。這種方法屬于形變一相變綜合強韌化方法。它一方面使鋼的強度增加，另一方面也使鋼的塑性增加，或至少在強度增加的同時塑性不降低。由于韌性是強度和塑性的綜合表現，在相同強度的條件下，提高塑性就是提高韌性的一個途徑；或者在塑性相同的條件下，提高強度也就等于提高了韌性。高溫形變熱處理使馬氏體晶體細化，馬氏體內亞結構(如內孿晶)細化，且內孿晶馬氏體的量減少等，改善了鋼的韌性。這種工藝適用于那些把成型工藝(諸如軋制、鍛造、扭拉、擠壓等)與強韌化結合在一起的產品，如扭制鉆頭，板、卷彈簧，模具，高強度螺栓，挖掘機的鍛件，裝甲板等。
利用穩定奧氏體使鋼韌化 穩定奧氏體是韌性良好的合金相。最典型的例子就是高錳鋼Mn13。這種鋼經1050℃加熱水冷后，為單相奧氏體。使用時受到沖擊、摩擦作用，表面層產生層錯導致強加工硬化，而內部仍是高韌性的奧氏體，因而它具有高硬度高耐磨性(表層)和整體的高韌性。此外，低溫鋼、馬氏體時效不銹鋼等鋼中，以鎳、錳等元素高度合金化的奧氏體鋼，也具有優良的韌性。
亞穩奧氏體使鋼韌化 利用亞穩奧氏體或亞穩殘余奧氏體使鋼韌化。最典型的例子就是具有TRIP效應的鋼種(見相變誘導塑性鋼)。
回火和其他方法鋼材的韌化，意味著不發生脆化。因而抑制脆化現象即可提高鋼的韌性。一般來說，淬火鋼的回火是用得最廣泛的韌化措施。它可減小馬氏體的碳過飽和度，減少淬火時產生的內應力，改善鋼的韌性。因而淬火、回火就是鋼的最普遍的強韌化方法。然而，淬火鋼回火時，又會在不同的溫度范圍產生低溫回火脆性或高溫回火脆性。它們的本質不同，改善或消除它們的方法也不同。利用硅合金化可使低溫回火脆性發生的溫度范圍上移，以保證鋼的強度和韌性的綜合要求。利用鉬合金化可顯著改善鋼的高溫回火脆性。利用高溫形變熱處理或高純度鋼，可同時改善低溫和高溫回火脆性。
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