深冷处理在金属材料中的应用与研究进展

1、引言

深冷处理（Cryogenic Treatment）是一种用于改善金属材料微观组织及力学性能的成熟的后处理工艺，温度通常在-130 ℃以下，也被称为超冷处理或者超低温处理[1]。深冷处理是常规热处理的延伸工艺，因为其对金属材料起到独特的性能机制，在材料科学研究领域中具有特殊的研究意义。深冷处理是通过固态二氧化碳、液氮、液氧等冷却介质制造的远低于室温的温度，进而改变材料的微观组织，从而提高硬度、强度、韧性以及疲劳寿命等一系列重要性能。特别值得指出的是，深冷处理过程中不会产生环境污染物质，并且操作简单，不受零件尺寸及形状的限制，是一种经济环保的技术，具有较为广阔的应用前景。

深冷处理的研究起源于 20 世纪，最初是希望通过低温环境改善金属材料的机械性能。随着研究的逐渐深入，科学家们逐渐揭示了深冷处理对金属材料微观组织的影响机理，包括细化晶粒、组织转变、位错密度等。近年来，随着材料科学研究领域的进一步发展，深冷处理已经从简单的低温处理发展为一种复杂且成熟的材料后处理工艺，不仅应用于传统黑色金属材料，还扩展到了有色金属材料的性能改善。为了梳理和总结深冷处理对金属材料组织和性能影响规律，本文综述了当前的研究进展，包括深冷处理的基本原理、深冷处 理对金属材料微观组织的影响、深冷处理对材料性能的影响以及这些改善对工业应用的具体意义。

2、深冷处理技术的发展

冷处理的概念最早成形于 19 世纪中叶，瑞士钟表匠将易磨损的手表零件置于高山洞穴使其处于低温状态以提高其稳定性和耐磨性。1939 年，苏联科学家提出了深冷处理技术，随机引起了科学界和工业领域的高度关注。在20世纪60年代，美国科学家发现了深冷处理在提升金属材料性能方面的巨大价值。1965 年，美国Boyer教授[2]发现经过深冷处理的模具钢在硬度和耐磨性方面都有大幅度的提升，且经过-190℃保温的材料耐磨性比-84℃保温后高2.6倍。前苏联科学家也通过深冷处理改善高速钢刀具的耐磨性，提升刀具使用 寿命。随着科学技术的不断发展与进步，众多研究者对冷处理技术的不断研究与改善，使深冷处理技术日益成熟。当前的深冷处理技术主要集中于对金属材料微观组织及性能的影响，并对大多数金属材料的影响机理已经报道了成熟且深入的研究进展。

3、深冷处理工艺

深冷处理设备原理如图 1 所示。该设备以存储在液氮罐中的液氮为制冷剂，电磁阀控制液氮进入液氮分散器分散均匀，风机将分散均匀的液氮汽化并吹入处理腔内，处理腔中的空气在低温氮气的作用下发生热量交换后，剩余的温度较高的气体会通过上方排气口排到大气中，通过控制液氮流量可以调节处理腔内的温度。

深冷处理主要的工艺参数包括：低温介质、降温方式、处理温度、冷却速率、保温时间以及回温速率。对于不同的金属材料，选择恰当的深冷处理工艺至关重要。

深冷处理的低温介质通常有固态二氧化碳（干冰）、液氮、液氧等。每种低温介质的最低温度及安全性不同，就要依据不同的金属材料仔细衡量。固态二氧化碳的温度-78 ℃，难以实现超低温环境；液氮可实现-196 ℃低温，并且液氮对环境无害；液氧可实现-183 ℃低温，然而液氧易爆炸，缺乏安全性。

降温方式通常可分为液体浸泡法和气体控温法，液体浸泡法就是直接将待处理材料浸泡在低温介质中，然而这种方式会使材料受到的热冲击过大，对部分材料而言，这种方法会导致低温脆性。气体控温法则是通过气体低温介质的流量，使其在液化过程中的吸热效果控制温度，从而实现深冷的效果。气体控温法的降温速率可控，有效避免材料骤冷骤热受到冷、热冲击。

冷却速率和回温速率的谨慎选择对于金属材料来说是至关重要的，冷却及回温的速率过高会导致材料受到的冷、热冲击过大，造成材料脆性增加，甚至发生断裂或变形。

保温时间主要依据材料本身的性质来选择，深冷处理过程持续低温，金属组织发生相变过程缓慢，因此适当延长保温时间可以使材料的微观组织得到充分转变。然而深冷时间过长，超过了材料相变过程，则会造成时间和经济成本增加。

4、深冷处理对黑色金属材料的影响

近年来，深冷处理通常作为改善金属材料组织和性能的一种后处理工艺。对于黑色金属，深冷处理通过促进残余奥氏体向马氏体转变、析出细小碳化物以及形成残余压应力等方式，有效改善材料的力学性能。

深冷处理对黑色金属的组织及性能影响的主要机理主要有如下几种：

4.1残余奥氏体转变成马氏体

在深冷处理过程中，低温环境可以诱导黑色金属的残余奥氏体组织向马氏体组织转变，进而提高了材料的硬度及强度。然而黑色金属在深冷处理后的残余奥氏体含量如何尚且没有达成共识。部分学者认为，深冷处理会使黑色金属中的残余奥氏体全部转化为马氏体。蒋正行等人[4]研究冷冲模钢（Cr12、Cr12MoV）在深冷处理时的相变，结果发现，深冷处理不仅使材料中的残余奥氏体完全转变为马氏体，还能析出碳化物颗粒，进而提高了钢的硬度和耐磨性。林晓娉等人[5]研究深冷处理对W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2微观组织和力学性能的影响，实验结果表明，深冷处理过程中完全马氏体转变及超微细碳化析出是高速钢刀具使用寿命显著提高重要原因。另一部分学者认为，深冷处理并不能完全消除材料中的残余奥氏体。黄根哲等人[6]研究 LD钢经不同工艺处理时的组织转变及疲劳断口，结果证实，在淬火后的深冷处理过程中，马氏体发生分解，有细小碳化物析出，仅有部分残余奥氏体转变成马氏体。

4.2弥散强化

深冷处理过程中，黑色金属中的马氏体会析出细小的碳化物颗粒，起到弥散强化的效果，进而改善了黑色金属的力学性能。通常情况下，深冷处理使残余奥氏体转变成马氏体的过程中也会伴随发生细小碳化物的析出，因此在实验表征的过程中，这两种机理通常同时被发现。Senthilkumar 等人[7]通过对 EN31 钢进行深冷处理，材料的抗拉强度和屈服强度得到明显的提升，发现残余奥氏体转变为马氏体及细小碳化物的析出是深冷处理导致材料性能改善的原因。Wang 等人[8]研究了淬火-深冷-低温回火处理对CrWMn 工具钢的影响，得到材料的抗拉强度、韧性及硬度均有所提高，同样认为深冷处理诱导马氏体转变及碳化物析出是材料强化的主要原因。然而，无论是相变的原因，还是弥散强化的原因，都会导致黑色金属材料机械性能得到有益的改善。

4.3降低残余应力

在深冷处理过程中，材料由于热胀冷缩的性质，在超低温下会发生体积收缩，这相当于对材料施加了很高的压应力，长时间低温处理后，材料原始的参与拉应力被抵消，甚至形成了残余压应力，从而实现了材料力学性能的改善。Singh等人[9]将AISI 304L奥氏体不锈钢焊缝在-185℃深冷处理，发现深冷诱发马氏体相变，焊接件处的残余拉应力转化为残余压应力，疲劳寿命得到了显著改善。Senthilkumar 等人[10]研究深冷处理对4140 钢残余应力的影响，结果表明在-196℃深冷处理时会产生残余压应力。David等人[11]通过低温冷冻方法将电子束处理工具钢中的残余奥氏体转变为马氏体，降低残余拉应力，使其残余拉应力降低了28%。

5、深冷处理对有色金属的影响

深冷处理对有色金属如铝、镁和钛合金的微观组织及力学性能的影响也有大量研究。对于有色金属而言，深冷处理通过促进不稳定相分解、细化晶粒、增加位错密度和诱导孪晶等方式提高材料的力学性能。深冷处理对有色金属的组织及性能影响的主要机理主要有如下几种：

5.1优化相成分

Bhale 等人[12]对 AE42 镁合金进行不同时间的深冷处理，发现未经过深冷处理的 AE42 镁合金 Al4RE 相含量高，而Al4RE相脆性较大，易发生断裂；经过深冷处理后 Al4RE 相体积分数相对降低，从而导致 AE42 镁合金的伸长率、抗拉强度和屈服强度均有提升，并且随着保温时间延长，材料的性能改善更加明显。王宏明等人[13]通过 EBSD 检测，发现深冷处理促进了钛合金中 α→β的转变，从而改善钛合金的力学性能；同时发现随着深冷处理时间的增加，Ti6Al4V合金抗拉强度和延伸率呈现出先增加再减小，随后又增加的趋势，并在保温48小时时获得最佳的拉伸性能。朱江[14]研究发现深冷条件可以使 Ti6Al4V 合金电子束焊缝组织中 β 相转变化成α'相，还能细化晶粒并增加网篮组织的密集度，降低残余应力，进而提高接头的疲劳寿命；同时也因为在深冷过程中原始β相向α'相转变，使组织中残余应力减小，网篮状组织增加使 TC4 钛合金组织的强度、韧性、塑性提高。郑会会[15]发现深冷处理使 V 在 β 相中的溶解度降低，从而导致TC4及TC8板材中亚稳态β相逐渐转化为稳定的α相和β相，随着深冷时间的延长抗拉强度逐渐下降，但伸长率明显提高，在12小时达到峰值。

5.2细化晶粒

晶粒细化被认为是深冷处理改善钛合金力学性能的主要因素之一。Anil Kumar Singla等人[16]通过深冷处理通过获得超细 α 和 β 相，增强材料的抗裂纹扩展能力，从而可以改善钛合金的疲劳性能。顾开选[17]通过试验证明深冷处理可以有效细化晶粒，使材料有高密度的位错和大量孪晶，β 相数量明显减少，导致材料的硬度及塑性明显提高；并且Ti6Al4V合金的硬度随着深冷温度下降而增加。通过控制深冷处理的最低温度与保温时间，可以使Ti6Al4V获得较小的摩擦系数和较高的维氏硬度。Domenico Umbrello 等人[18]在不同条件下使用PVD TiAlN 涂层刀车削Ti6Al4V合金，并测得每种条件下钛合金的高周疲劳寿命，发现在深冷条件下加工的Ti6Al4V合金会形成更细小的晶粒，从而导致加工表面的硬度增加，加强了 Ti6Al4V 合金第抗裂纹的能力，同时低温有助于避免切削时产生的高温引起回复现象，使 Ti6Al4V 合金的细小晶粒在加工后得以保留，因此深冷条件下加工的钛合金高周疲劳寿命增加。

5.3增加位错密度和诱导孪晶

深冷处理也可以通过阻碍钛合金位错或诱导孪晶来改善疲劳性能。Deng等人[19]对Al-Cu-Li合金进行深冷轧制后时效处理，发现在深冷条件会抑制动态回复，使材料产生高密度位错，从而提高材料的强度和塑性。Ali Aamir 等人[20]得出深冷处理会使 AA5083 铝合金强度及硬度略降低，而塑性显著提高，断口处同时观察到沿晶和穿晶断裂。李月明[21]通过对深冷处理降温速度、循环次数以及处理时间对钛合金组织性能所产生的影响进行分析，发现经深冷处理后，TC4 钛合金组织内部的位错密度均呈上升态势，研究表明，位错密度增加主要是由于深冷处理后的体积收缩效应，导致合金中的晶体结构发生短时间快速冷却，材料中的原子间隔变小，并通过强内应力打破金属内部原有的应力平衡；由于存在强内应力，导致晶粒的晶格出现畸变，因此在晶粒内部出现大量位错。Sun 等人[22]对退火后的纯钛和钛合金在293K和77 K温度下进行低周疲劳试验，结果发现在77K低温下钛合金形成大量不同形貌的孪晶，进而提高其疲劳强度。

6、深冷处理的应用

6.1航空航天领域

在航空航天领域，材料的性能会直接关系到飞行器的安全和可靠性。由于深冷处理对材料的耐磨性、强度、冲击韧性以及疲劳寿命等机械性能都具有积极的改善作用，因此可以作为航空航天飞行器零部件材料的后处理工艺。发动机中的涡轮叶片是航空航天领域关键零部件之一，在工作过程中主要受到耐磨性和疲劳寿命的限制，通过深冷处理，可以提高材料的耐磨性和疲劳寿命，有效减少材料在高温高压环境下的微裂纹萌生，延长其使用寿命。着陆装置是确保飞行器安全着陆的关键部件，而其中的齿轮和轴承在工作中承受着巨大的冲击载荷，通过深冷处理能够显著提高齿轮和轴承的强度和冲击韧性，使其在工作过程中能够较好的吸收冲击力，增强着陆器装置的安全和可靠性。

6.2汽车制造领域

在汽车制造领域的零部件，特别是在工作过程中承受高载荷和高疲劳的零部件，其耐久性和可靠性极为关键。深冷处理对材料的硬度、韧性、耐磨性及疲劳寿命等机械性能都具有积极的改善作用，因此可以作为汽车制造领域的零部件材料的后处理工艺。 汽车传动系统中包含多个齿轮和轴承，在工作过程中受到摩擦磨损和较高的载荷。通过深冷处理通过改善材料的微观组织，可以提高齿轮和轴承的硬度和耐磨性，进而提高汽车传动系统的可靠性。汽车制动系统的可靠性对汽车整体安全性起到至关重要的作用。深冷处理可以提高制动系统关键零部件的耐磨性，进而确保制动系统在高速制动时的稳定性和可靠性。

6.3模具工业领域

在模具工业领域，模具材料的性能会直接影响到产品的成型质量和生产效率。深冷处理对材料的硬度、耐磨性、冲击韧性以及疲劳寿命起到明显的改善作用，因此可以将深冷处理作为延长模具寿命的后处理工艺。高速钢、硬质合金等材料的模具需要具有较高的硬度和良好的韧性，以便在复杂的加工条件下保持性能稳定。在经过深冷处理后，模具材料可以实现细化晶粒，同时析出细小的碳化物颗粒，起到弥散强化的效果，从而提高模具材料的整体机械性能，在连续冲压、注塑等高负荷作业中表现出更高的稳定性和更长的使用寿命。模具钢材料在经过深冷处理后，调整钢中碳化物的分布和大小，可以提高材料的韧性，从而避免其在高负载加工过程中发生脆断。除此之外，模具在反复加载过程中容易产生疲劳裂纹，深冷处理可以通过改善材料的微观组织，提高材料的抗裂纹萌生和扩展的能力。

6.4精密机械制造

在精密机械制造领域，深冷处理技术同样可以作为材料的处理工艺发挥重要作用。通过对精密机械部件和各种切削工具进行深冷处理，不仅可以提高其硬度和耐磨性，还能提高工具的切削性能和加工精度。在切削加工过程中，刀具的耐磨性是决定其加工精度和使用寿命的关键因素之一。通过深冷处理，可以提高高速钢、合金工具钢等材料的耐磨性，有效提高刀具的使用寿命和加工效率。此外，在高精度要求的机械加工中，零部件的尺寸稳定性和疲劳寿命至关重要。深冷处理能够通过减少材料的残余应力，进而提高加工零部件的尺寸稳定性和使用寿命。

7、结论

深冷处理是改善金属材料微观组织和力学性能的有效方法，对于提高金属材料的硬度、强度、耐磨性以及疲劳寿命等性能指标有着显著效果，然而在不同种类的金属材料中，深冷处理引发的作用机理略有不同。对于黑色金属而言，深冷处理主要通过促进残余奥氏体向马氏体转变、析出细小碳化物以及形成残余压应力等方式，进而有效改善材料的力学性能；对于有色金属而言，如钛合金、铝合金以及镁合金等，深冷处理主要通过促进不稳定相分解、细化晶粒、增加位错密度和诱导孪晶等方式提高材料的力学性能。深冷处理以其

环保、经济以及强化效果显著等特点，深冷处理在航空航天、汽车制造、模具工业、精密机械制造等众多领域具有极为广阔的应用前景。因此，深冷处理不仅为材料科学研究提供了有价值的研究方向，也为工业应用提供了有效改善材料性能的有效途径。

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