1、引言

深冷处置（Cryogenic Treatment）是一种用于改善金属资料微观组织及力学机能的成熟的后处置工艺，温度通常在-130 ℃以下，也被称为超冷处置或者超低温处置[1]


。深冷处置是通例热处置的延长工艺，由于其对金属资料起到怪异的机能机造，在资料科学钻研领域中拥有特殊的钻研意思


。深冷处置是通过固态二氧化碳、液氮、液氧等冷却介质造作的远低于室温的温度，进而扭转资料的微观组织，从而提高硬度、强度、韧性以及委顿寿命等一系列沉要机能


。出格值得指出的是，深冷处置过程中不会产生环境传染物质，并且操作单一，不受零件尺寸及状态的限度，是一种经济环保的技术，拥有较为辽阔的利用远景


。

深冷处置的钻研发源于 20 世纪，最初是但愿通过低温环境改善金属资料的机械机能


。随着钻研的逐步深刻，科学家们逐步揭示了深冷处置对金属资料微观组织的影响机理，蕴含细化晶粒、组织转变、位错密度等


。近年来，随着资料科学钻研领域的进一步发展，深冷处置已经从单一的低温处置发展为一种复杂且成熟的资料后处置工艺，不仅利用于传统玄色金属资料，还扩大到了有色金属资料的机能改善


。为了梳理和总结深冷处置对金属资料组织和机能影响法规，本文综述了当前的钻研进展，蕴含深冷处置的根基道理、深冷处 理对金属资料微观组织的影响、深冷处置对资料机能的影响以及这些改善对工业利用的具体意思


。

2、深冷处置技术的发展

冷处置的概想最早成形于 19 世纪中叶，瑞士钟表匠将易磨损的腕表零件置于高岩穴窟使其处于低温状态以提高其不变性和耐磨性


。1939 年，苏联科学家提出了深冷处置技术，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置在提升金属资料机能方面的巨大价值


。1965 年，美国Boyer教授[2]发现经过深冷处置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℃保温的资料耐磨性比-84℃保温后高2.6倍


。前苏联科学家也通过深冷处置改善高速钢刀具的耐磨性，提升刀具使用 寿命


。随着科学技术的不休发展与进取，多多钻研者对冷处置技术的不休钻研与改善，使深冷处置技术日益成熟


。当前的深冷处置技术重要集中于对金属资料微观组织及机能的影响，并对大无数金属资料的影响机理已经报路了成熟且深刻的钻研进展


。

3、深冷处置工艺

深冷处置设备道理如图 1 所示


。该设备以存储在液氮罐中的液氮为造冷剂，电磁阀节造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置腔内，处置腔中的空气在低温氮气的作用下产生热量互换后，渣滓的温度较高的气体味通过上方排气口排到大气中，通过节造液氮流量能够调节处置腔内的温度


。

深冷处置重要的工艺参数蕴含：低温介质、降温方式、处置温度、冷却速度、保温功夫以及回温速度


。对于分歧的金属资料，选择适当的深冷处置工艺至关沉要


。

深冷处置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分歧，就要凭据分歧的金属资料仔细衡量


。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，不足安全性


。

降温方式通？煞治禾褰泡法和气体控温法，液体浸泡法就是直接将待处置资料浸泡在低温介质中，然而这种方式会使资料受到的热冲击过大，对部门资料而言，这种步骤会导致低温脆性


。气体控温法令是通过气体低温介质的流量，使其在液化过程中的吸热成效节造温度，从而实现深冷的成效


。气体控温法的降温速度可控，有效预防资料骤冷骤热受到冷、热冲击


。

冷却速度和回温速度的审慎选择对于金属资料来说是至关沉要的，冷却及回温的速度过高会导致资料受到的冷、热冲击过大，造成资料脆性增长，甚至产生断裂或变形


。

保温功夫重要凭据资料自身的性质来选择，深冷处置过程持续低温，金属组织产生相变过程缓慢，因而适当耽搁保温功夫能够使资料的微观组织得到充分转变


。然而深冷功夫过长，超过了资料相变过程，则会造成功夫和经济成本增长


。

4、深冷处置对玄色金属资料的影响

近年来，深冷处置通常作为改善金属资料组织和机能的一种后处置工艺


。对于玄色金属，深冷处置通过推进残存奥氏体向马氏体转变、析出藐幼碳化物以及形成残存压应力等方式，有效改善资料的力学机能


。

深冷处置对玄色金属的组织及机能影响的重要机理重要有如下几种：

4.1残存奥氏体转造成马氏体

在深冷处置过程中，低温环境能够诱导玄色金属的残存奥氏体组织向马氏体组织转变，进而提高了资料的硬度及强度


。然而玄色金属在深冷处置后的残存奥氏体含量若何尚且没有达成共识


。部门学者以为，深冷处置睬使玄色金属中的残存奥氏体全数转化为马氏体


。蒋正行等人[4]钻研冷冲模钢（Cr12、Cr12MoV）在深冷处置时的相变，了局发现，深冷处置不仅使资猜中的残存奥氏体齐全转变为马氏体，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]钻研深冷处置对W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2微观组织和力学机能的影响，尝试了局批注，深冷处置过程中齐全马氏体转变及超渺小碳化析出是高速钢刀具使用寿命显著提高沉要原因


。另一部门学者以为，深冷处置并不能齐全解除资猜中的残存奥氏体


；聘艿热薣6]钻研 LD钢经分歧工艺处置时的组织转变及委顿断口，了局证实，在淬火后的深冷处置过程中，马氏体产生分化，有藐幼碳化物析出，仅有部门残存奥氏体转造成马氏体


。

4.2弥散强化

深冷处置过程中，玄色金属中的马氏体味析出藐幼的碳化物颗粒，起到弥散强化的成效，进而改善了玄色金属的力学机能


。通常情况下，深冷处置使残存奥氏体转造成马氏体的过程中也会伴随产生藐幼碳化物的析出，因而在尝试表征的过程中，这两种机理通常同时被发现


。Senthilkumar 等人[7]通过对 EN31 钢进行深冷处置，资料的抗拉强度和屈服强度得到显著的提升，发现残存奥氏体转变为马氏体及藐幼碳化物的析出是深冷处置导致资料机能改善的原因


。Wang 等人[8]钻研了淬火-深冷-低温回火处置对CrWMn 工具钢的影响，得到资料的抗拉强度、韧性及硬度均有所提高，同样以为深冷处置诱导马氏体转变及碳化物析出是资料强化的重要原因


。然而，无论是相变的原因，还是弥散强化的原因，城市导致玄色金属资料机械机能得到有益的改善


。

4.3降低残存应力

在深冷处置过程中，资料由于热胀冷缩的性质，在超低温下会产生体积收缩，这相当于对资料施加了很高的压应力，长功夫低温处置后，资料原始的参加拉应力被抵消，甚至形成了残存压应力，从而实现了资料力学机能的改善


。Singh等人[9]将AISI 304L奥氏体不锈钢焊缝在-185℃深冷处置，发现深冷诱发马氏体相变，焊接件处的残存拉应力转化为残存压应力，委顿寿命得到了显著改善


。Senthilkumar 等人[10]钻研深冷处置对4140 钢残存应力的影响，了局批注在-196℃深冷处置时会产生残存压应力


。David等人[11]通过低温冷冻步骤将电子束处置工具钢中的残存奥氏体转变为马氏体，降低残存拉应力，使其残存拉应力降低了28%


。

5、深冷处置对有色金属的影响

深冷处置对有色金属如铝、镁和钛合金的微观组织及力学机能的影响也有大量钻研


。对于有色金属而言，深冷处置通过推进不不变相分化、细化晶粒、增长位错密度和诱导孪晶等方式提高资料的力学机能


。深冷处置对有色金属的组织及机能影响的重要机理重要有如下几种：

5.1优化相成分

Bhale 等人[12]对 AE42 镁合金进行分歧功夫的深冷处置，发现未经过深冷处置的 AE42 镁合金 Al4RE 相含量高，而Al4RE相脆性较大，易产生断裂；经过深冷处置后 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，并且随着保温功夫耽搁，资料的机能改善越发显著


。王宏明等人[13]通过 EBSD 检测，发现深冷处置推进了钛合金中 α→β的转变，从而改善钛合金的力学机能；同时发现随着深冷处置功夫的增长，Ti6Al4V合金抗拉强度和延长率出现出先增长再减幼，随后又增长的趋向，并在保温48幼不断获得最佳的拉伸机能


。朱江[14]钻研发现深冷前提能够使 Ti6Al4V 合金电子束焊缝组织中 β 相转变动成α'相，还能细化晶粒并增长网篮组织的密集度，降低残存应力，进而提高接头的委顿寿命；同时也由于在深冷过程中原始β相向α'相转变，使组织中残存应力减幼，网篮状组织增长使 TC4 钛合金组织的强度、韧性、塑性提高


。；峄醄15]发现深冷处置使 V 在 β 相中的溶化度降低，从而导致TC4及TC8板材中亚稳态β相逐步转化为不变的α相和β相，随着深冷功夫的耽搁抗拉强度逐步降落，但伸长率显著提高，在12幼时达到峰值


。

5.2细化晶粒

晶粒细化被以为是深冷处置改善钛合金力学机能的重要成分之一


。Anil Kumar Singla等人[16]通过深冷处置通过获得超细 α 和 β 相，加强资料的抗裂纹扩大能力，从而能够改善钛合金的委顿机能


。顾开选[17]通过试验证明深冷处置能够有效细化晶粒，使资料有高密度的位错和大量孪晶，β 相数量显著削减，导致资料的硬度及塑性显著提高；并且Ti6Al4V合金的硬度随着深冷温度降落而增长


。通过节造深冷处置的最低温杜纂保温功夫，能够使Ti6Al4V获得较幼的摩擦系数和较高的维氏硬度


。Domenico Umbrello 等人[18]在分歧前提下使用PVD TiAlN 涂层刀车削Ti6Al4V合金，并测得每种前提下钛合金的高周委顿寿命，发此刻深冷前提下加工的Ti6Al4V合金会形成更藐幼的晶粒，从而导致加工表表的硬度增长，加强了 Ti6Al4V 合金第抗裂纹的能力，同时低温有助于预防切削时产生的高温引起回复景象，使 Ti6Al4V 合金的藐幼晶粒在加工后得以保留，因而深冷前提下加工迪胙合金高周委顿寿命增长


。

5.3增长位错密度和诱导孪晶

深冷处置也能够通过故障钛合金位错或诱导孪晶来改善委顿机能


。Deng等人[19]对Al-Cu-Li合金进行深冷轧造后时效处置，发此刻深冷前提会抑造动态回复，使资料产生高密度位错，从而提高资料的强度和塑性


。Ali Aamir 等人[20]得出深冷处置睬使 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]通过对深冷处置降温速度、循环次数以及处置功夫对钛合金组织机能所产生的影响进行分析，发现经深冷处置后，TC4 钛合金组织内部的位错密度均呈上升态势，钻研批注，位错密度增长重要是由于深冷处置后的体积收缩效应，导致合金中的晶体结构产生短功夫急剧冷却，资猜中的原子距离变幼，并通过强内应力突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，因而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温度下进行低周委顿试验，了局发此刻77K低温下钛合金形成大量分歧描摹的孪晶，进而提高其委顿强度


。

6、深冷处置的利用

6.1航空航天领域

在航空航天领域，资料的机能会直接关系到飞行器的安全和靠得住性


。由于深冷处置对资料的耐磨性、强度、冲击韧性以及委顿寿命等机械机能都拥有积极的改善作用，因而能够作为航空航天飞行器零部件资料的后处置工艺


。发起机中的涡轮叶片是航空航天领域关键零部件之一，在工作过程中重要受到耐磨性和委顿寿命的限度，通过深冷处置，能够提高资料的耐磨性和委顿寿命，有效削减资料在高温高压环境下的微裂纹萌生，耽搁其使用寿命


。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接受着巨大的冲击载荷，通过深冷处置可能显著提高齿轮和轴承的强度和冲击韧性，使其在工作过程中可能较好的吸收冲击力，加强着陆器装置的安全和靠得住性


。

6.2汽车造作领域

在汽车造作领域的零部件，出格是在工作过程中接受高载荷和高委顿的零部件，其耐久性和靠得住性极为关键


。深冷处置对资料的硬度、韧性、耐磨性及委顿寿命等机械机能都拥有积极的改善作用，因而能够作为汽车造作领域的零部件资料的后处置工艺


。 汽车传动系统中蕴含多个齿轮和轴承，在工作过程中受到摩擦磨损和较高的载荷


。通过深冷处置通过改善资料的微观组织，能够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靠得住性


。汽车造动系统的靠得住性对汽车整体安全性起到至关沉要的作用


。深冷处置能够提高造动系统关键零部件的耐磨性，进而确保造动系统在高速造动时的不变性和靠得住性


。

6.3模具工业领域

在模具工业领域，模具资料的机能会直接影响到产品的成型质量和出产效能


。深冷处置对资料的硬度、耐磨性、冲击韧性以及委顿寿命起到显著的改善作用，因而能够将深冷处置作为耽搁模具寿命的后处置工艺


。高速钢、硬质合金等资料的模具必要拥有较高的硬度和优良的韧性，以便在复杂的加工前提下维持机能不变


。在经过深冷处置后，模具资料能够实现细化晶粒，同时析出藐幼的碳化物颗粒，起到弥散强化的成效，从而提高模具资料的整体机械机能，在陆续冲压、注塑等高负荷作业中阐发出更高的不变性和更长的使用寿命


。模具钢资料在经过深冷处置后，调整钢中碳化物的散布和大幼，能够提高资料的韧性，从而预防其在高负载加工过程中产生脆断


。除此之表，模具在反复加载过程中容易产生委顿裂纹，深冷处置能够通过改善资料的微观组织，提高资料的抗裂纹萌生和扩大的能力


。

6.4精密机械造作

在精密机械造作领域，深冷处置技术同样能够作为资料的处置工艺阐扬沉要作用


。通过对精密机械部件和各类切削工具进行深冷处置，不仅能够提高其硬度和耐磨性，还能提高工具的切削机能和加工精度


。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成分之一


。通过深冷处置，能够提高高速钢、合金工具钢等资料的耐磨性，有效提高刀具的使用寿命和加工效能


。此表，在高精度要求的机械加工中，零部件的尺寸不变性和委顿寿命至关沉要


。深冷处置可能通过削减资料的残存应力，进而提高加工零部件的尺寸不变性和使用寿命


。

7、结论

深冷处置是改善金属资料微观组织和力学机能的有效步骤，对于提高金属资料的硬度、强度、耐磨性以及委顿寿命等机能指标有着显著成效，然而在分歧种类的金属资猜中，深冷处置引发的作用机理略有分歧


。对于玄色金属而言，深冷处置重要通过推进残存奥氏体向马氏体转变、析出藐幼碳化物以及形成残存压应力等方式，进而有效改善资料的力学机能；对于有色金属而言，如钛合金、铝合金以及镁合金等，深冷处置重要通过推进不不变相分化、细化晶粒、增长位错密度和诱导孪晶等方式提高资料的力学机能


。深冷处置以其

环保、经济以及强化成效显著等特点，深冷处置在航空航天、汽车造作、模具工业、精密机械造作等多多领域拥有极为辽阔的利用远景


。因而，深冷处置不仅为资料科学钻研提供了有价值的钻研方向，也为工业利用提供了有效改善资料机能的有效蹊径


。

参考文件

[1]陈鼎,黄培云,黎文件.金属资料深冷处置发展概况[J].热加工工艺,2001(4):57-59.

[2]Boyer R R.An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials ence and Engineering A,1996,213(1-2):103-114.

[3]Huang X N,Ding S B,Yue W.Cryogenic treatment on Ti6Al4V alloy fabricated by electron beam melting: mi?crostructure and mechanical properties[J]. Journal of Mate?rials Research and Technology,2022,20:3323-3332.

[4]蒋正行,李玉昌,秘国芳.冷冲模钢深冷处置时的相变[J].河北工业大学学报,1990(3):50-57.

[5]林晓娉,王亚红.高速钢深冷处置及其机理钻研[J].资料热处置学报,1998,19(2):21-25.

[6]黄根哲,郭宝莲 . LD 钢深冷处置的组织转变及委顿断口[J].金属热处置,1992(1):27-31.

[7]Senthilkumar D.Tensile and residual stress behaviour of deep cryogenically treated EN31 steel[J].Advances in Ma?terials and Processing Technologies,2019(1):1-12.

[8]Wang K,Gu K,Misra R D K,et al.On the Optimization of Microstructure and Mechanical Properties of CrWMn Tool Steel by Deep Cryogenic Treatment[J]. Steel Re?search International,2019.

[9]Singh P J,Mannan S L,Jayakumar T,et al.Fatigue life ex?tension of notches in AISI 304L weldments using deep cryogenic treatment[J].Engineering Failure Analysis,2005,12(2):263-271.

[10]Senthilkumar D,Rajendran I,Pellizzari M,et al.Influ?ence of shallow and deep cryogenic treatment on the re?sidual state of stress of 4140 steel[J]. Journal of Materials Processing Technology,2011,211(3):396-401.

[11]David A C,Zhu Y.Alleviating surface tensile stress in e-beam treated tool steels by cryogenic treatment[J].Mate?rials Science and  ngineering:A,2018,722(11):167-172.

[12]Bhale P,Shastri H,Mondal A K,et al.Effect of Deep Cryogenic Treatment on Microstructure and Properties of AE42 Mg Alloy[J].Journal of Materials Engineering & Per?formance,2016,25(9):3590-3598.

[13]王宏明,费爱庚,李桂荣,等.静磁场深冷处置对TC4钛合金机能和组织的影响[J].罕见金属,2019(5):10.

[14]朱江.深冷处置功夫对TC4钛合金电子束焊接接头组织、机能的影响及机理钻研[D].天津大学, 2016.

[15]；峄 . 深冷处置对 TC4,TC18 钛合金板材室温机能的影响[D].吉林大学,2019.

[16]Singla,Singh,Sharma,et al.Impact of Cryogenic Treat?ment on HCF and FCP Performance of β -Solution Treated Ti-6Al-4V ELI Biomaterial[J].Materials,2020,13(3):500.

[17]顾开选 . 深冷处置对钛合金的影响及机理钻研[D].中国科学院大学,2014.

[18]Umbrello D, Rotella G. Fatigue life of machined Ti6Al4V alloy under different cooling conditions[J]. CirpAnnals,2018,67(1):99-102.

[19]Deng Y J,Huang G J,Cao L F,et al.Improvement of strength and ductility of Al-Cu-Li alloy through cryo?genic rolling followed by aging[J].Transactions of Nonfer?rous Metals Society of China,2017,27(9):1920-1927.

[20]Aamir A,Lei P,Lixiang D,et al.Effects of deep cryogen?ic treatment, cryogenic and annealing temperatures on mechanical properties and corrosion resistance of AA5083 aluminium alloy[J].International Journal of Microstructure and Materials Properties,2016,11(5):339-358.

[21]李月明. 微塑性变形对TC4钛合金微观组织及力学机能的影响[D].江苏大学,2015.

[22]Sun Q Y,Song X P,Gu H C.Cyclic deformation be?haviour of commercially pure titanium at cryogenic tem?perature[J]. International Journal of Fatigue, 2001, 23(3):187-191.