对于铸造成形或塑性加工成形的固态金属资料，，，要进一步提升其力学机能，，，常用的步骤是固溶时效处置。深冷处置技术作为通例热处置技术的拓展，，，在金属资料改性方面阐发杰出。起初是苏联科学家发现军刀在大雪中埋藏后会变得越发耐用和敏感，，，此处置方式成为了深冷处置（Deep cryogenic treatment，，，DCT）的雏形并在1939 年正式提出这种技术伎俩的概念。深冷处置是将试样置于低温场中，，，通常以液氮作为低温介质，，，在–130℃以下对资料进行处置的一种步骤，，，并通过调控处置温度T、、、处置功夫t、、、降温速度V 和冷热循环次数N 等参数实现试样的组织机能改善。

1、、、深冷处置设备

图1 是深冷处置设备的结构示意图，，，通过推算机节制电磁阀来调节深冷箱内部的降温速度，，，通过箱体中的风箱来达到箱体内部的温度均匀。选取对流换热冷却系统，，，在工作过程中，，，液氮罐中的液态氮不休地气化，，，通过输入管道进入箱体中，，，利用气化潜热和低温下氮气的吸热成效使得资料达到低温下的机能改善成效。

2、、、 深冷处置对金属资料的改性成效

20 世纪80 年代后，，，随着国内外液氮深冷设备的出现，，，通过深冷处置技术改善资料组织和机能的钻研也变得越发宽泛和深刻[1]，，，30 余年来我国科研工作者对深冷处置技术、、、设备和机理都做了肯定钻研，，，前期钻研对象集中在工具钢、、、轴承钢和高速钢方面，，，近年来逐步过渡到有色金属及其复合伙料方面如铝合金、、、铜合金、、、镁合金、、、钛合金及非金属资料。

深冷处置的利用显著地改善了钢铁的资料机能，，，最早被使用于提高工具钢的耐磨性。大量钻研批注，，，经深冷处置后的工具钢，，，其磨损抗力得到了显著提高，，，且深冷的温度越低成效越好[1–2]。通过促使组织中的残存奥氏体转变为马氏体并在马氏体基体上析出弥散散布的碳化物颗粒以实现资料硬度、、、强度、、、韧性、、、耐磨性的提升。东北大学的艾峥嵘[3] 对304 奥氏体钢选取了深冷轧制与急剧退火处置，，，钻研批注这两种技术伎俩相结合能够使得强韧性得到显著提升；；在循环退火后晶粒进一步细化，，，为钢材及有色合金加工新技术提出了一种钻研思路。

对于铝合金来讲，，，通常通过固溶时效进行强化处置以达到提高其综合力学机能的主张。深冷处置作为传统热处置的补充，，，通常必要与传统热处置进行有效共同，，，从而改善合金的机能。Nazarian 等[4] 钻研了分歧深冷处置温度对 2042 铝合金拉伸机能和委顿机能的影响，，，了局发现深冷处置后的铝合金在拉伸强度和屈服强度均提升的同时，，，委顿机能却有所降落。李桂荣等[5] 钻研了深冷处置颗粒加强铝基复合伙料的残存应力变动法规，，，发现经过循环深冷处置之后残存应力产生显著变动，，，第2 次循环后残存应力起头降落；；资料的均匀显微硬度为 91.5HV，，，较之未深冷处置样品（ 63.7HV）提高44%，，，随着循环次数的增长，，，资料的显微硬度显著提升；；同时深冷处置后资料内的晶界析出物更弥散，，，使得资料理论硬质相上的压力散布越发均匀。

对于铜合金的钻研既关注力学机能的改进，，，也致力于提升导电性和耐侵蚀性以达到铜合金在电池电极上的利用需要。李智超等[6] 钻研了深冷处置对H62 黄铜组织和机能的影响，，，了局批注深冷处置能够提高组织中β 相的相对含量，，，从而使组织趋向不变，，，能够显著提高H62 黄铜的硬度和强度，，，有利于削减变形，，，不变尺寸并且改善加工机能。大连理工大学的丛吉远等[7] 钻研发现，，，对铜铬触头资料进行–196℃深冷处置后，，，其组织显著细化，，，铜铬散布更趋于均匀，，，机械强度得以提高。在可拆真空灭弧室中进行的电试验证明，，，经深冷处置后的电极触头耐电弧烧蚀得到极大改善。天津大学的蒋俊亮[8] 钻研了深冷功夫对Cr–Zr–Cu 合金点焊电极及软硬态纯铜导线的影响法规，，，发现铜合金的各项指标蕴含电导率、、、电极寿命和力学机能都有提升。张文达等[9] 钻研了深冷处置工艺对黄铜组织和力学机能的影响，，，了局显示在深冷处置之后，，，黄铜的晶粒得到细化，，，硬度和弹性回复系数得到提升，，，同时摩擦系数减小，，，改善了资料的耐磨机能和抗压痕形变能力。

深冷处置在镁合金中也有利用，，，湖南大学的陈鼎等[10]钻研发现，，，深冷处置能够显著提高镁合金的力学机能并改善其显微组织，，，同时深冷处置能够引起镁合金的晶粒动弹景象。Cai 等[11] 钻研了深冷处置对镁合金AZ31 和AZ80 各项机能的影响，，，发现经过深冷处置后，，，镁合金的晶粒尺寸显著削减，，，组织得到细化，，，均匀晶粒尺寸只有4μm；；对 AZ31 的最佳深冷处置工艺为降温速度 5℃/min，，，保温温度–196℃，，，保温功夫 24h，，，循环次数为1 次，，，经过这种工艺后AZ31 的显微硬度从55HV 增大到222HV，，，提高了304% ；；AZ80 经过深冷处置后资料内部出现大量亚晶和位错，，，并且伴随有大量析出相的出现。易定国等[12] 对铸态 AZ31 镁合金进行了分歧功夫的深冷处置，，，发现深冷处置使试样的组织和机能产生了变动，，，且当深冷处置功夫为12h 的时辰，，，试样的组织产生了显著的细化，，，第二相数量最多，，，耐磨机能和耐侵蚀机能的提高成效也最为显著。

3、、、深冷处置对钛合金的改性成效

钛及钛合金是20 世纪50 年代发展起来的一种重要的结构金属，，，拥有密度低、、、强度高、、、耐侵蚀、、、耐高温、、、低温机能好、、、抗委顿和蠕变机能好、、、无毒、、、无磁性，，，且与碳纤维复合伙料的相容性较好等诸多优异个性。钛合金已大量利用于航空、、、航天、、、刀兵、、、石化、、、海洋和生物医学工程等，，，随着我国高端设备的日趋轻质化、、、高机能化，，，钛合金在各类高精尖领域的需要日益火急，，，对钛合金的机能也提出更高的要求。我国一向以来较为器重新型钛合金研制，，，而国外近年来更器重钛合金机能改进和挖潜，，，我国在钛合金资料设计和改性钻研与国外尚存在差距，，，因而钛合金资料改性和机能挖潜是当前亟须发展的钻研方向之一[13–14]。

3.1 深冷处置对钛合金微观组织的影响

3.1.1 晶粒特点

Li 等 [15] 以轧制态 TC4 钛合金（ Ti–6Al–4V）板材为对象，，，钻研了深冷处置对合金晶粒的细化成效。图2 所示是深冷处置前后的电子背散射衍射（ Electronbackscattered scattering detection，，，EBSD）细晶成效图，，，批注经过深冷处置后合金晶粒细化成效显著，，，未深冷试样均匀晶粒尺寸为3.82μm，，，经过12h、、、–196℃深冷处置后的试样均匀晶粒尺寸为1.61μm。进一步地，，，图2（c）~（f） 讲了然深冷处置前后合金中α 和β 相的晶粒种类。

其中红色是形变晶粒，，，蓝色是再结晶晶粒，，，黄色是亚晶晶粒？Ｄ芄豢闯，，，无论对于α 相还是β 相，，，深冷处置后形变晶粒数量削减，，，再结晶和亚晶晶粒显著增多，，，且不 同种类晶粒尺寸散布均匀性提高。

2014 年，，，湖南大学陈振华等[16] 钻研了TA7 钛合金（Ti–5Al–2.5Sn），，，批注深冷处置拥有显著的细晶成效，，，如图3 所示。了局显示，，，钛合金在深冷处置过程中会有形 成亚晶结构的景象，，，从而使得晶粒细化，，，通过细晶强化起到改善强韧性的作用。

3.1.2 位错特点

李月明[17] 钻研了深冷处置参数，，，即降温速度V、、、循环次数N 和处置功夫t 对合金组织机能的影响，，，了局批注，，，深冷处置后TC4 钛合金组织内位错密度有分歧水平的增长趋向。分析位错密度增长的原因重要是深冷处置后的体积收缩效应，，，冷处置后合金的晶格在短功夫内遇冷收缩，，，原子间距减小，，，并产生了强内应力使得合金内部原来的应力平衡被突破。强内应力的产生使晶粒的晶格产生了肯定水平的畸变，，，从而在晶粒内部产生大量位错，，，如图4 所示[17]。

3.1.3 孪晶和亚晶组织

在透射电镜下观察到深冷处置轧制态TC4 钛合金中出现孪晶（ 图 5）和亚晶组织（ 图 6 箭头所示）[17]，，，其中偏白色为钛合金基体，，，平直条纹状即为孪晶。

分析孪晶天生原因：：：低温变形时，，，温度越低，，，晶格收缩越严重，，，晶粒内产生的内应力就越大。而钛合金α 相是密排六方结构，，，滑移系少，，，低温下钛合金中可启动的滑移系数量更少，，，深冷引起的大内应力无法通过位错滑移来开释，，，导致晶粒内部应力集中。而孪生形核正是一个应力激活的过程，，，出格当温度降低到肯定水平以来，，，部门孪生模式的切应力要小于钛合金中非基面滑移的临界应力。此时晶界左近因温度降低和变形能的增长变得越发不不变，，，所以低温下晶界左近严重的应力集中和高的应变能为晶界处钛合金的孪晶形核提供了极度有利的前提。孪晶的天生能够有效地协调合金在低温下的塑性变形，，，使其变形越发均匀。固然孪生变形量不及非基面滑移，，，但是低温下，，，滑移系逐步较少，，，此时孪生对钛合金的塑性变形的作用就越来越大。

分析亚晶天生原因是在深冷处置过程中，，，合金的晶格在短功夫内遇冷收缩，，，原子间距减小，，，并产生了强内应力使得合金内部原来的应力平衡被突破。强内应力的产生使晶粒的晶格产生了严重的畸变，，，晶粒内部产生大量位错。肯定领域内随着深冷功夫的增长，，，晶粒内部应变能在不休增高，，，晶内位错也不休增殖。深冷过程产生的强内应力促使合金晶粒在低温下产生了动态回复再结晶，，，并以此来开释合金内的高应变能，，，图6 中所示亚晶就是回复再结晶的产品。晶内的位错通过滑移或攀移的方式产生同向位错重新分列、、、异向位错相互抵消，，，最终转化为亚晶界并使合金中的晶粒得到了细化。

3.1.4 相转变和相析出

图7 是深冷处置前后轧制态TC4 钛合金中α 和β相的含量和散布图，，，可见深冷处置试样中α 相数量有肯定幅度增长。分析原因是深冷处置产生的内应力推进了β 相向α 相的转变[15]。

Song 等[18] 以β Ti–5Al–3Mo–3V–2Cr–2Zr–1Nb–1Fe钛合金为钻研对象，，，选择“液氮退火”和“水冷+ 液氮浸入”两种处置步骤，，，了局显示液氮退火合金中存在较多 O′ 相和ω 晶胚，，，注明液氮为介质的低温处置能够推进相的析出，，，同时，，，在两种试样中都发此刻β 相中析出尺寸藐小、、、数量众多的α 相，，，批注深冷前提下β 和α 相可 相互转化是不争的事实。

Li 等[19] 于低温前提下在准β 钛合金中发现应力诱发孪晶并在界面有大量ω 相，，，对冷旋转铸造的Ti–36Nb–2Ta–3Zr–0.35O 的钛合金进行了低温处置，，，批注这种合金机能与处置温度亲昵有关，，，当温度在297~77K 领域内时，，，延长率先增长后降低，，，200K 时强度和延长率同步提高，，，是由于出现了{211}<111> 机械孪晶和孪晶界处的ω 相，，，该钻研批注深冷前提对钛合金改性的有效性。

3.1.5 织构特点

Li 等[15] 钻研批注，，，在冷缩内应力的作用下，，，轧制态TC4钛合金中晶粒产生了动弹，，，弱化了（ 002）方向的晶粒取向，，，强化了（ 100）方向的晶粒取向；；而陈振华等[16] 在钻研TA7 钛合金时发现，，，经11 天深冷处置后的合金试样晶粒产生了向（ 002）晶面取向的偏转。分析以为，，，经深冷钛合金的（ 002）面是弱化还是强化，，，与合金种类 和处置功夫有关系，，，机制还有待深刻探求，，，但能够明确的是深冷处置可能促成晶粒取向。

陈劲松[20] 钻研批注，，，在 TC4 钛合金（ 以及纯钛）的深冷处置中，，，均存在重要衍射晶面相对强度变动景象，，，重要变动晶面有（ 100）、、、（ 002）、、、（ 101），，，且针对分歧金属的分歧深冷处置过程，，，各晶面变动趋向分歧。结合前述可见，，，钛合金中（ 002）晶面是最容易受到深冷处置影响的晶面，，，深冷前提对晶粒动弹和晶面取向的影响机制有待深刻探求以明确其客观性和必然性。

3.2 深冷处置对钛合金力学机能的影响

LI 等[15] 钻研批注，，，经深冷调控处置TC4 钛合金后抗拉强度和延长率提高，，，最高抗拉强度对应的深冷参数为：：：降温速度10℃/min、、、处置功夫36h、、、循环次数3 次；；最优延长率对应的深冷参数为：：：降温速度1℃/min、、、处置功夫36h、、、循环次数3 次，，，可见降温速度对资料机能影响显著，，，同时发现增长循环次数对提高延长率有益。

陈劲松[20] 将再结晶退火与深冷处置相结合，，，钻研批注，，，经过“3h 深冷和750℃+90min 再结晶退火”处置后，，，合金硬度提升18.6% ；；而选取“750℃+90min 再结晶 退火和15h 深冷”处置后，，，强度降落25.25%，，，延长率提升35.43%。该景象批注，，，当深冷处置与退火工艺结合，，，并调控处置秩序时能够实现调控强韧性的主张。

太道理工大学雷达[21] 钻研批注，，，经过“退火处置和45h 深冷”处置后TC4 钛合金屈服强度和抗拉强度都有显著提升，，，提升幅度达到10% 左右。与陈鼎[10] 的处置制度近似，，，但对强度的作用成效却是齐全相反，，，这注明钛合金的深冷改性成效存在表征上的背驰，，，这与合金种类和处置规划的差距等有关，，，更有待基于深刻详细的改性机制进行分析。

Zhou 等[22] 对TC6 钛合金进行了低温激光喷丸加工，，，批注低温场存在时合金的强度和延长率同步提高，，，高温不变性改善，，，证实了低温场对钛合金强韧机能的改善成效。

从机制分析看，，，对于金属资料抗拉和屈服强度会随温度降低而显著增长，，，原因在于BCC（Body-centered cubic，，，体心立方晶格）、、、FCC（Face-centered cubic，，，面心立方晶格）、、、HCP（Hexagonal close-packed，，，密排六方晶格）合金的晶格间摩擦应力增长导致临界剪切应力单调增长，，，出格是在液氮低温区会显著增长机械孪晶[23]，，，低温下孪晶和位错滑移的临界剪切应力也都显著增长，，，只是在分歧金属资猜中会阐发出数量上的差距，，，好比对于Ti–15Mo–2Al 钛合金位错滑移的临界剪切应力远高于孪晶[24]。

4 、、、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，，，对改善钛合金强韧性有显著述用，，，拥有细化晶！、、、提高位错密度、、、推进孪晶和亚晶组织天生、、、推进相转变和相析出并推进织构天生的有益成效，，，通过细晶强化、、、位错强化、、、析出强化、、、织构强化等机制提升了钛合金的强韧机能。综合以为深冷处置钛合金是拥有“高机能、、、高质量、、、低成本、、、低传染”的钛合金固态处置新步骤和新技术。

钛合金的独个性质决定了它在高精尖领域的战术职位，，，我国对于高强韧钛合金的钻研依然必要进一步深刻。

如文中提到的将深冷处置与传统热处置步骤相匹配，，，或与铸造、、、轧制等宏观塑性变形步骤相结合，，，充分利用各环节优势来设计更适合的合金改性流程，，，意在持续扩大钛 合金的机能优势，，，使钛合金能在更辽阔领域阐扬作用。

参考文件

[1] 佟晓辉, 陈再良. 残留奥氏体对Cr12 型工具钢耐磨性的影响[J]. 金属热处置, 2000, 25(3): 4–6.

TONG Xiaohui, CHEN Zailiang. Effects of retained austenite onwear resistance of 12%Cr tool steels[J]. Heat Treatment of Metals, 2000,25(3): 4–6.

[2] AMINI K, AKHBARIZADEH A, JAVADPOUR S. Effect ofdeep cryogenic treatment on the formation of nano-sized carbides andthe wear behavior of D2 tool steel[J]. International Journal of Minerals,Metallurgy, and Materials, 2012, 19(9): 795–799.

[3] 艾峥嵘. 深冷工艺在高合金钢中的利用钻研[D]. 沈阳: 东北大学, 2014.

AI Zhengrong. Research on cryogenic technology application inhigh alloy steel[D]. Shenyang: Northeastern University, 2014.

[4] NAZARIAN H, KROL M, PAWLYTA M, et al. Effect ofsub-zero treatment on fatigue strength of aluminum 2024[J]. MaterialsScience and Engineering: A, 2018, 710: 38–46.

[5] 李桂荣, 崔玉华, 王宏明, 等. 深冷时效循环处置铝基原位复合伙料的显微组织和力学机能[J]. 中国有色金属学报, 2015, 25(5):1168–1175.

LI Guirong, CUI Yuhua, WANG Hongming, et al. Microstructure andmechanical properties of in situ aluminum matrix composites treated bycryogenic aging circular treatment[J]. The Chinese Journal of NonferrousMetals, 2015, 25(5): 1168–1175.

[6] 李智超, 李万友, 杨月君. 深冷处置对H62 黄铜组织和机能的影响[J]. 热加工工艺, 1988, 17(2): 3–5.

LI Zhichao, LI Wanyou, YANG Yuejun. The influence of deepcooling treatment on structures and properties of brass H62[J]. Hot WorkingTechnology, 1988, 17(2): 3–5.

[7] 丛吉远, 王毅, 王永兴, 等. 提高铜铬触头电寿命的钻研[J].金属热处置, 1999, 24(11): 27–29.

CONG Jiyuan, WANG Yi, WANG Yongxing, et al. Investigation onincreasing electric life of CuCr contacts[J]. Heat Treatment of Metals, 1999,24(11): 27–29.

[8] 蒋俊亮. 深冷处置对铜及其合金的影响机理探索[D]. 天津:天津大学, 2014.

JIANG Junliang. The influence mechanism of deep cryogenic treatmenton the microstructure and electrical conductivity of Cu alloys[D]. Tianjin:Tianjin University, 2014.

[9] 张文达, 杨晶, 党惊知, 等. 深冷处置对黄铜组织与力学机能的影响[J]. 资料热处置学报, 2013, 34(1): 127–131.

ZHANG Wenda, YANG Jing, DANG Jingzhi, et al. Effects ofcryogenic treatment on microstructure and mechanial properties of brass[J].Transactions of Materials and Heat Treatment, 2013, 34(1): 127–131.

[10] 陈鼎, 夏树人, 姜勇, 等. 镁合金深冷处置钻研[J]. 湖南大学学报( 天然科学版), 2008, 35(1): 62–65.

CHEN Ding, XIA Shuren, JIANG Yong, et al. Study on improvingperformance of magnesium alloy by deep cryogenic treatment[J]. Journalof Hunan University (Natural Sciences), 2008, 35(1): 62–65.

[11] CAI Y, LI G R, YUAN X T, et al. Influence of extrusionmethods on microstructure of Mg–Al–Zn alloy[J]. Key EngineeringMaterials, 2013, 575–576: 402–405.

[12] 易定国, 王向杰. 分歧深冷处置功夫对AZ31 镁合金组织及机能的影响[J]. 热加工工艺, 2016, 45(20): 211–213, 217.

YI Dingguo, WANG Xiangjie. Effect of different time of cryogenictreatment on microstructure and properties of AZ31 magnesium alloy[J].Hot Working Technology, 2016, 45(20): 211–213, 217.

[13] 李毅, 赵永庆, 曾卫东. 航空钛合金的利用及发展趋向[J].资料导报, 2020, 34(S1): 280–282.

LI Yi, ZHAO Yongqing, ZENG Weidong. Application anddevelopment of aerial titanium alloys[J]. Materials Reports, 2020, 34(S1):280–282.

[14] 周廉, 赵永庆, 王向东. 中国钛合金资料及利用发展战术钻研[M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.

ZHOU Lian, ZHAO Yongqing, WANG Xiangdong. Researchon titanium alloy materials and application development strategy inChina[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2012.

[15] LI G R, QIN T, FEI A G, et al. Performance and microstructureof TC4 titanium alloy subjected to deep cryogenic treatment and magneticfield[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 802: 50–69.

[16] 陈振华, 谢配孺, 姜勇, 等. 钛合金深冷及冷– 热循环处置钻研[J]. 湖南大学学报( 天然科学版), 2014, 41(7): 1–5.

CHEN Zhenhua, XIE Peiru, JIANG Yong, et al. Study on theperformance improvement of titanium alloy through deep cryogenic andthermal–cold cycling treatment[J]. Journal of Hunan University (NaturalSciences), 2014, 41(7): 1–5.

[17] 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]. 宜昌: 江苏大学, 2015.

LI Yueming. Effect of microplastic deformation on the microstructureand mechanical properties of TC4 titanium alloy[D]. Zhenjiang: JiangsuUniversity, 2015.

[18] SONG B, XIAO W L, WANG J S, et al. Effects of cryogenictreatments on phase transformations, microstructure and mechanicalproperties of near β Ti alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 879:160495.

[19] LI Y K, LIAO Z B, ZHANG W D, et al. Strength-ductilitysynergy in a metastable β titanium alloy by stress induced interfacial

twin boundary ω phase at cryogenic temperatures[J]. Materials (Basel,Switzerland), 2020, 13(21): 4732.

[20] 陈劲松. 工业纯钛及TC4 钛合金的深冷处置钻研[D]. 长沙: 湖南大学, 2011.

CHEN Jinsong. Effect of cryogenic treatment on industrial titaniumand TC4 alloy[D]. Changsha: Hunan University, 2011.

[21] 雷达. 深冷处置对Ti–6Al–4V 钛合金力学机能及摩擦磨损个性的影响[D]. 呼和浩特: 太道理工大学, 2020.

LEI Da. Influence of cryogenic treatment on mechanical propertiesand friction and wear properties of Ti–6Al–4V titanium alloy[D].Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2020.

[22] ZHOU J Z, LI J, HUANG S, et al. Influence of cryogenictreatment prior to laser peening on mechanical properties and microstructuralcharacteristics of TC6 titanium alloy[J]. Materials Science and Engineering:A, 2018, 718: 207–215.

[23] ZHAO B, HUANG P, ZHANG L, et al. Temperature effecton stacking fault energy and deformation mechanisms in titanium andtitanium-aluminium alloy[J]. Scientific Reports, 2020, 10: 3086.

[24] YAO K, MIN X H, EMURA S, et al. Coupling effect ofdeformation mode and temperature on tensile properties in TWIP type Ti–Mo alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2019, 766: 138363.

通讯作者：：：纪志军，，，工程师，，，博士，，，钻研方向为铸造钛合金资料及铸造工艺钻研；；李桂荣，，，教授，，，博士，，，钻研方向为先进金属资料及其新型强韧化技术。