摘要:高速鋼經(jīng)過-196℃液氮深冷處理后，硬度、韌性及耐磨性能都得到不同程度的提升，從而使特殊鋼具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能。高速鋼中的殘余奧氏體在深冷條件下發(fā)生馬氏體相變，使特殊鋼的硬度及耐磨性提高，與此同時(shí)，馬氏體在深冷環(huán)境下碳原子析出形成細(xì)小的碳化物，這些細(xì)小的碳化物在特殊鋼基體內(nèi)形成彌散強(qiáng)化，從而使特殊鋼的性能得到進(jìn)一步的提升，除此之外，深冷處理還會(huì)通過影響特殊鋼的殘余應(yīng)力及金屬原子動(dòng)能來影響特殊鋼的性能。

　　關(guān)鍵字:深冷處理、殘余奧氏體、馬氏體、高速鋼深冷處理 

　　深冷處理可以使特殊鋼的硬度、韌性及耐磨性等力學(xué)性能得到提升，研究深冷處理在微觀機(jī)制上如何對(duì)特殊鋼的性能產(chǎn)生影響對(duì)指導(dǎo)深冷處理的使用場(chǎng)合，工藝方法等有著巨大幫助。

　　1 簡述

　　深冷處理是冷處理的一種方式，通常指將材料在-196℃進(jìn)行處理的方法。早在 100 多年前，人們就將深冷處理應(yīng)用干鐘表零件，鑄件等產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)它能提高材料的強(qiáng)度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命。深冷處理最早是 1939 年由俄國人首先提出，但是一直不太成熟。隨著液氮技術(shù)及保溫材料的發(fā)展，1965 年美國將其實(shí)用化。美國的若干個(gè)專業(yè)化深冷公司，如 3xistruments&Toling、Materia Improvement 和 Ame cry 等，分別對(duì)刀具、磨具、齒輪、特殊彈簧、硬質(zhì)合金、高速鋼、鈷基合金進(jìn)行了冷處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，深冷處理對(duì)于上述材料零件的使用壽命有顯著的作用。

　　2 深冷處理的微觀機(jī)制

　　2.1 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變

　　對(duì)合金工具鋼和結(jié)構(gòu)鋼來說，硬度主要取決干內(nèi)部殘余奧氏體的量。在深冷處理過程中，殘余奧氏體的量受兩個(gè)因素制約;一是深冷處理前材料中奧氏體的量;二是材料的馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn) Ms 和馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn) Mf。而馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn) Ms 主要取決于鋼的化學(xué)成份，其中又以碳含量的影響最為顯著。材料中殘余奧氏體的存在，除了降低硬度以外，在使用或保存過程中殘余奧氏體還會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，使材料在磨削過程中可能出現(xiàn)裂縫。從這個(gè)角度來看，殘余奧氏體的存在會(huì)損害材料的耐磨性。但是，經(jīng)深冷處理之后的殘余奧氏體是相當(dāng)穩(wěn)定的組織，此時(shí)殘余奧氏體處于等軸壓應(yīng)力狀態(tài)，而等軸壓應(yīng)力不會(huì)引起塑性變形，這部分殘余奧氏體很少再發(fā)生轉(zhuǎn)變，它在磨損過程中以韌性相出現(xiàn)，起到緩和應(yīng)力，防止接觸疲勞擴(kuò)展的作用，使材料的韌性增加。所以，深冷處理對(duì)降低材料中的殘余奧氏體含量，提高材料的硬度及耐磨性起了很大作用，此外材料中一定量殘余奧氏體的存在對(duì)提高材料的韌性也是有好處的。

　　2.2 細(xì)小碳化物的析出

　　除了殘余奧氏體的原因外，金屬經(jīng)過深冷處理后性能得以改善的第二個(gè)原因是組織中各種碳化物顆粒的析出。馬氏體經(jīng)_196℃深冷，由于體積收縮，F(xiàn)e的晶格常數(shù)有縮小的趨勢(shì)，從而加強(qiáng)了碳原子析出的驅(qū)動(dòng)力，但由于低溫下的擴(kuò)散更為困難，擴(kuò)散距離更短，于是在馬氏體的基體上析出了大量的彌散的超微細(xì)碳化物。

　　材料中的馬氏體與細(xì)小的碳化物結(jié)合在一起，增加了彼此間的結(jié)合強(qiáng)度。在深冷處理過程中被細(xì)化了的碳化物顆粒更填充到材料微孔內(nèi)的殘留空間中，形成了比原來細(xì)密的結(jié)構(gòu)。這和顯微結(jié)構(gòu)也能使特殊鋼增加韌性和耐磨性。

　　2.3 組織細(xì)化

　　深冷處理可以引起和大的馬氏體板條的碎化與細(xì)化，從而引起組織的細(xì)化，有學(xué)者認(rèn)為，馬氏體點(diǎn)陣常數(shù)的改變引起了組織細(xì)化，也有學(xué)者認(rèn)為，馬氏體分解析出微小的碳化物時(shí)造成了組織細(xì)化。組織細(xì)化在提高強(qiáng)度的同時(shí)也提升了材料的韌性，使得材料獲得了較好的強(qiáng)韌性配合，對(duì)材料性能的提升有很大的作用。

　　2.4 殘余應(yīng)力

　　低溫冷卻的收縮可使材料本身存在的微小缺陷(如微孔、應(yīng)力集中部位)產(chǎn)生塑性流變:溫度回升的過程中在空位表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力可以減輕缺陷對(duì)材料局部強(qiáng)度的損害，最終表現(xiàn)為材料抗力的提高;

　　2.5 金屬原子動(dòng)能

　　對(duì)鋼或其他合金來說，深冷處理能部分轉(zhuǎn)移金屬原子的動(dòng)能，原子間既存在使原子緊靠在一起的結(jié)合力，又存在使之分開的動(dòng)能。深冷處理正是部分轉(zhuǎn)移了原子間的動(dòng)能，從而使原子結(jié)合更緊密，提高了金屬性能。

　　3 展望

　　深冷處理作為一種公認(rèn)的能效提高特殊鋼硬度與耐磨性的工藝手段，逐漸為世界各國所采用。深冷處理能穩(wěn)定材料尺寸，改善均勻性，減小變形，三操作值單、不破壞工件、無污染、成本低等,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景。在當(dāng)今建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的理念引導(dǎo)下，采用深冷處理改善鋼鐵材料的性能，提高材料使用壽命，減少鋼材浪費(fèi)是節(jié)約資源，減少浪費(fèi)的有效途徑。

　　但是目前學(xué)界對(duì)深冷處理如何影響性能的微觀機(jī)制尚沒有形成統(tǒng)一的看法。這主要是因?yàn)殇摬母黝惙倍?，從碳鋼到合金鋼，不同元素的添加或多少都可能?duì)深冷處理的效果產(chǎn)生影響，因此，深冷處理對(duì)鋼性能影響的微觀機(jī)制還需要進(jìn)一步完善。

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