摘 要：复合强化是钢铁材料强化的主要方式之一，但复合强化属于多种强化结合的一种强化手段。复合强化通过向金属中加入各种微量元素，制作具有较高性能的合金。在钢铁材料的制作过程中，也可以对轧钢进行冷却，形成含有马氏体、铁素体、珠光体等的固态相变结构。本文主要对钢铁材料复合强化的可行性展开研究，通过分析提升钢铁材料疲劳强度的方法，提出马氏体固态相变与形变强化的可行性途径。
关键词：钢铁材料；复合；固态相变；形变强化；可行性
中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）12-0061-03
The Feasibility Analysis of Steel Material Compound Strengthening
Sun Jian Chen Shoudong Chen Zipan
（College of Mechanical Engineering， Tongling University，Tongling Anhui 244061）
Abstract： Compound strengthening is one of the main ways of strengthening steel materials. However， compound strengthening is a kind of strengthening method combining multiple strengthening. Complex strengthening by adding various trace elements to the metal， to produce alloys with higher performance. In the production of steel materials， the steel can also be cooled to form a solid phase transformation structure containing martensite， ferrite and pearlite. In this paper， the feasibility of composite strengthening of steel materials was studied. By analyzing the method of improving the fatigue strength of steel materials， the feasibility of martensitic solid phase transformation and deformation strengthening is proposed.
Keywords： steel materials；composite；solid phase transformation；deformation strengthening；feasibility
钢铁复合材料中加入密度低的刚性元素，能有效提升金属本身的强度和韧性。此外，钢铁材料复合过程中，其固态相变、形变强化所耗费的成本低，形成的材料结构更加均匀。因此，本文以钢铁材料疲劳强度作为复合强化的主要关注点，展开钢铁材料制备与加工的可行性方式探讨。
1 复合强化钢铁材料的选择
复合强化钢铁材料包括连续相和分散相两个部分，连续相就是经常说的钢铁基体，分散相为增强材料。其中，钢铁基体的组织结构关系到复合材料承受外加载荷能力的优劣。高速钢是钢铁材料基体的一种，其具有高硬度、高耐磨性、高耐热性等性能。高速钢是用金属粉末等混合物烧制而成，主要成分为C、Si、Mn、Cr、TiC、Al2O3和TiN等。由于利用金属粉末制作钢材的工艺存在较大限制，其要求在高速鋼粉末中，增加磷化亚铜和石墨等合金组成的基本单元。加入磷化亚铜和石墨后，高速钢粉末在压制过程中，其密度和柔韧程度会逐渐增强。除此之外，某些复合强化钢也会使用铁加入混合石墨的组合来进行钢铁材料基体的制作。由金属粉末添加其他混合物制作的高速钢，其化合物相组成物的硬度和强度都非常高，耐磨性与切割性能也非常卓越。
复合强化钢铁材料的另一部分为增强材料，增强材料也是决定复合强化钢铁力学抗压性的主要因素之一。钢铁材料基体、增强体的有效融合，能促进复合材料各项性能的提升。钢铁材料增强体一般选用硬度较高的气固混合物来完成与钢铁材料基体的相容活动。目前，SiC是复合强化钢铁材料中最常用的增强体，其主要使用方法为铁与15%SiC组合，烧制温度控制在1 100℃左右。在Fe中加入SiC后，复合强化钢铁材料的强度、柔韧度会有所降低，但其耐磨损性能会提升20倍左右。此外，由于其工艺制作成本较低，因此在工业生产中得到了大规模应用。
2 马氏体形变强化与固态相变的原理
钢铁材料在使用丸粒进行工件表面轰击后，工件疲劳强度会受到残余压应力的影响，从而提升相应性能；或者通过一定形式的滚压工具加工后，钢铁材料的物理特性会显著增强。在碾压过程中，钢铁材料的表层结构、机械特性和形状尺寸等，也会发生相应改变。例如：某钢铁材料20CrNiM0经过高频淬火、低温回火等工序后，再进行工件表面的滚压工作。检测表明：滚压后20CrNiM0工件光洁度为▽9，粗糙程度为1.6～3.2μm[1]。而对工件进行丸粒表面轰击后，钢铁材料光洁程度会大大降低，硬度△HV则会相应提高。钢铁材料在经过工件滚压后，其形变硬化层组织结构的亚晶粒细化增大，单位体积位错密度开始增加，晶格畸变程度也逐渐增大。与此同时，GCr15钢经过高频淬火、滚压操作之后，钢铁材料镶块会显著缩小，其单位体积位错密度会增大为原来的300%。钢铁材料工件滚压的程度增强后，将工件置于900℃高温的活性渗碳介质中，再经过高频淬火的处理，使单相奥氏体逐渐向马氏体的方向发生相变。通过电子显微镜可以发现，细针型马氏体开始发生破碎，其单位体积位错密度、镶块等物理量显著缩小，可见，马氏体强度△HV逐渐增强。同时，钢铁材料在发生形变强化的过程中，钢铁表面仍旧存在残余压应力[2]。因此可以说，钢铁材料的疲劳强度与单位体积位错密度、镶块、马氏体相变等存在较大关联，其关联公式如式（1）和式（2）所示：
△σw=f（σ_，△HV，△V） （1）
△σW=f（σ_，Me（ρ，D，φ），△V） （2）
从以上数据分析可以看出：相比于其他固态组织而言，钢铁材料经过高频淬火、低温回火的处理操作后，其表面滚压形变的残余压应力、光洁程度和硬度显著增强。因此，通过对钢铁材料进行马氏体形变强化、固态相变的操作后，钢铁材料疲劳强度会相应提升。钢铁材料组成形态与其硬度的关系如图1所示。
3 复合强化提升钢铁材料疲劳强度的力学研究
钢铁材料在循环应力、循环应变的作用下，其内部结构会逐渐发生永久性变化，造成在经历相应次数的循环后形成裂纹或断裂。这种情况发生后，需要对疲劳失效、裂纹发展时间、裂纹扩展时间、疲劳裂纹扩展最值等数据进行分析，从而得出最终的钢铁材料疲劳断裂结果。其中，疲劳裂纹扩展最值包括交变载荷应力强度的最小值、最大值，以及裂纹扩展的速度、深度等参数[3]。钢铁材料疲劳断裂结果的表达式如式（3）和式（4）所示：
△Kth=△K0th（1-R）（△K0th应力比R=0） （3）
da/dN=σ（△K）m （4）
断裂点疲劳裂纹总时限为：Nf=N0+NP=N0+[a0acda/（da/dN）]（化简得出：Nf=f（N0，da/dN，ac））
从上述表达式可以得出：随着N0、ac的增大，以及da/dN数值的缩小，钢铁材料断裂点疲劳裂纹的总时限增长。通过研究发现，中碳钢和中碳合金钢在完成高频淬火、低温退火操作后，其组织的细化晶粒非常均匀，硬度也相应降低。而在恢复到马氏体形变之后，钢铁材料的强度会增大，可塑性与柔韧性会逐渐降低。在马氏体形变状态下，其表面滚压形变的残余压应力、裂纹发展时间数值会显著提升。但钢铁材料的裂纹扩展速度增加，疲劳裂纹扩展最值会迅速降低，对钢铁材料疲劳强度的增强效用会逐渐失效。从上述公式可以看出：经过高频淬火、低温回火的处理后，马氏体表明再施加形变强化的作用，则疲劳裂纹扩展值、扩展半径会迅速降低，裂纹扩展最值会逐渐增大，裂纹扩展速度减小。对20CrNiM0进行高频淬火、低温回火的操作，其形变的残余压应力值达到-220kg/mm2，而且随着钢铁材料硬度、光洁度的增大，裂纹发展时间也会逐渐变长。因此可以说，钢铁材料裂纹扩展的深度，与钢铁材料的可塑性、柔韧性有较大关系。钢铁材料在两个方向往复振动的过程中，若想增加裂纹扩展深度和裂纹断裂柔韧度，则需要通过对材料表面进行高频淬火与化学加热，然后再进行形变强化处理。只有经过上述步骤的处理，其才能获得较高的可塑性与柔韧性[4]。
以上分析表明，钢铁材料在不确定载荷的情况下，对其力学性能的实验能作为材料疲劳抗力评定的依据。上述对钢铁材料疲劳寿命的分析，可以指导今后的钢铁材料复合强化工作。钢铁材料只有经过形变强化、固态相变等加热扩展操作，才能实现疲劳强度失效抗力的提高。
4 钢铁材料局部的形变强化与结果分析
4.1 钢铁材料局部的形变强化
在钢铁材料的工业化生产过程中，大多数钢铁材料零部件都存在相应的形状、缺口，以便于产品的实际使用与推广。此外，某些钢铁材料的载荷会发生大小或方向变化，那么工件缺口处所承受的载荷会增加，直至整个零件由于负载疲劳发生相应的断裂情况。同时，工件缺口处载荷会转化为高应变塑性载荷，钢铁材料的强度也会产生形变强化作用。针对钢铁材料局部的形变强化现象，通常使用强度低、可塑性大的钢铁材料，通过高温加热处理以完成產品的工业化生产。经过实践研究发现，通过使用高强度钢，对局部进行高频淬火、化学加热来产生形变强化的方式，能有效减少钢铁材料零部件缺口处的损坏情况。而且对钢铁材料局部的形变强化后，缺口处的可塑性应变会迅速减小，直至最后消失。此外，通过对钢铁材料表面进行滚压，产生滚压形变的残余压应力，也能提升钢铁材料零部件缺口处的负载能力。通过以上局部形变强化操作后，钢铁材料零部件的疲劳强度会均匀分布于各个部位，再对钢铁材料展开强度理论的设计。
传统钢铁材料的形变强化方式，是进行淬火和高温回火的综合热处理。而局部的形变强化，则是对钢铁材料表面进行滚压，产生滚压形变的残余压应力，从而完成钢铁材料局部的形变强化操作。这种方式通常用于工业化生产中，高强度钢在完成化学加热后，需要进行一道表面滚压形成残余压应力的操作，这是钢铁材料工业化生产的主要工艺。
4.2 结果分析
钢铁材料只有经过形变强化、固态相变等加热扩展操作，才能实现钢铁材料疲劳强度失效抗力的提高。通过对钢铁材料表面进行滚压，产生滚压形变的残余压应力，也能够提升钢铁材料零部件缺口处的负载能力。
5 结语
复合强化钢铁材料包括基体、增强体两个部分，在工艺制作中钢铁材料成本较低，因此在工业生产中得到了大规模应用。在钢铁材料疲劳强度失效抗力、局部的形变强化等方面，可以使用加热扩展、滚压形变等手段来提升钢铁材料的可塑性与柔韧性。因此，钢铁材料的复合强化，在大型工业化生产中具有可行性。
参考文献：
[1]李亚江，魏守征.特种加工技术在某新型微叠层复合材料中的应用[J].航空制造技术，2012（15）：51-55.
[2]张心金，刘会云.金属层状复合材料结合性能的评价方法[J].武汉科技大学学报，2013（3）：195-201.
[3]李龙，祝志超，周德敬.有限元分析在金属层状复合材料开发中的应用[J].南方金属，2015（6）：1-9.
[4]曹文全，徐海峰，翁宇庆.新型低密度高强高韧热轧层状钢研发[J].钢铁，2016（9）：1-10.