鋼材的控制軋制和控制冷卻(1)

1、控制軋制與控制冷卻控制軋制與控制冷卻 昆明理工大學多媒體課件昆明理工大學多媒體課件 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 材料加工工程系材料加工工程系 任課教師：王華昆任課教師：王華昆 2012年年9月月 0 0 緒論緒論（Introduction） v課程簡介課程簡介 v教學要求教學要求 v學習內(nèi)容學習內(nèi)容 v教學安排教學安排 v參考書目參考書目 v控軋和控冷的概念控軋和控冷的概念 v控軋和控冷技術的發(fā)展過程控軋和控冷技術的發(fā)展過程 v我國控軋和控冷發(fā)展概況我國控軋和控冷發(fā)展概況 課程簡介課程簡介 控制軋制冷卻技術是近十多年來國內(nèi)外新控制軋制冷卻技術是近十多年來國內(nèi)外新 發(fā)展起來的軋鋼新技術

2、，已成功而廣泛地應發(fā)展起來的軋鋼新技術，已成功而廣泛地應 用于生產(chǎn)過程中，能明顯改善鋼材組織結構，用于生產(chǎn)過程中，能明顯改善鋼材組織結構， 提高鋼材的強韌性和使用性能。學生通過學提高鋼材的強韌性和使用性能。學生通過學 習課程，能進一步理解壓力加工過程不僅是習課程，能進一步理解壓力加工過程不僅是 解決成型及尺寸精度問題，而且成型過程本解決成型及尺寸精度問題，而且成型過程本 身也能影響金屬材料的組織轉變，最終影響身也能影響金屬材料的組織轉變，最終影響 產(chǎn)品性能，通過控制工藝過程的影響因素能產(chǎn)品性能，通過控制工藝過程的影響因素能 在一定條件下獲得所需的組織結構及產(chǎn)品性在一定條件下獲得所需的組織結構及

3、產(chǎn)品性 稱。稱。 課程簡介課程簡介 本課程作為金屬材料加工方向本課程作為金屬材料加工方向 選修課，可使學生擴大和加深本專選修課，可使學生擴大和加深本專 業(yè)的知識，掌握材料加工的前沿技業(yè)的知識，掌握材料加工的前沿技 術。術。 控制軋制的核心就是將軋制的動控制軋制的核心就是將軋制的動 態(tài)過程和熱處理的動態(tài)過程相結合，態(tài)過程和熱處理的動態(tài)過程相結合， 來提高產(chǎn)品的綜合性能。來提高產(chǎn)品的綜合性能。 教學要求教學要求 v理解通過對金屬加熱制度、變形制度和溫理解通過對金屬加熱制度、變形制度和溫 度制度的合理控制，使熱塑性變形與固態(tài)度制度的合理控制，使熱塑性變形與固態(tài) 相變結合，以獲得細小晶粒組織，使鋼材相

4、變結合，以獲得細小晶粒組織，使鋼材 具有優(yōu)異的綜合力學性能。具有優(yōu)異的綜合力學性能。 v了解控制冷卻的工藝作用，控制軋制和控了解控制冷卻的工藝作用，控制軋制和控 制冷卻技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。制冷卻技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。 v掌握鋼的強韌化理論，變形條件下再結晶掌握鋼的強韌化理論，變形條件下再結晶 和相變的組織行為理論，典型微合金元素和相變的組織行為理論，典型微合金元素 在控制軋制中的作用機理及控制冷卻中的在控制軋制中的作用機理及控制冷卻中的 強化冷卻方式等控軋控冷的基本知識。強化冷卻方式等控軋控冷的基本知識。 學習內(nèi)容學習內(nèi)容 v第一篇：控制軋制及控制冷卻理論第一篇：控制軋制及控制冷卻理論

5、鋼的強化和韌化鋼的強化和韌化 鋼的奧氏體形變與再結晶鋼的奧氏體形變與再結晶 在變形條件下的相變在變形條件下的相變 微合金元素在控制軋制中的作用微合金元素在控制軋制中的作用 鋼材控制冷卻理論基礎鋼材控制冷卻理論基礎 v第二篇：控制軋制及控制冷卻技術的應用第二篇：控制軋制及控制冷卻技術的應用 控制軋制及控制冷卻技術在鋼板生產(chǎn)中的應用控制軋制及控制冷卻技術在鋼板生產(chǎn)中的應用 控制軋制及控制冷卻技術在型鋼生產(chǎn)中的應用控制軋制及控制冷卻技術在型鋼生產(chǎn)中的應用 控制軋制及控制冷卻技術在鋼管生產(chǎn)中的應用控制軋制及控制冷卻技術在鋼管生產(chǎn)中的應用 教學安排教學安排 v教學：教學：本課程本課程2 2學分，總課時為

6、學分，總課時為3232學時，每學時，每 周周2 2學時，學時，1-161-16周上課。周上課。 v考核考核：總成績平時成績：總成績平時成績( (30%30%) )期末大作期末大作 業(yè)業(yè)( (70%70%) ) 平時成績：考勤課堂提問課堂討論平時成績：考勤課堂提問課堂討論 等等 期末大作業(yè)作為考試期末大作業(yè)作為考試 無故缺課達到學校規(guī)定的次數(shù)者，不無故缺課達到學校規(guī)定的次數(shù)者，不 能獲得本課程學分。能獲得本課程學分。 參考書目參考書目 v教材：王有銘，鋼材的控制軋制和控制冷教材：王有銘，鋼材的控制軋制和控制冷 卻，冶金工藝出版社，卻，冶金工藝出版社，2008.62008.6 v劉永銓，鋼的形變熱

7、處理，冶金工業(yè)出版劉永銓，鋼的形變熱處理，冶金工業(yè)出版 社社 v李曼云，鋼的控制軋制和控制冷卻技術手李曼云，鋼的控制軋制和控制冷卻技術手 冊，冶金工業(yè)出版社冊，冶金工業(yè)出版社 v田中智夫，鋼的微合金化及控制軋制，冶田中智夫，鋼的微合金化及控制軋制，冶 金工業(yè)出版社金工業(yè)出版社 v鋼鐵冶金學報鋼鐵冶金學報 控制軋制和控制冷卻概念控制軋制和控制冷卻概念 v控制軋制（控制軋制（Controlled Rolling)：在熱：在熱 軋過程中通過對金屬加熱制度、變形制度和軋過程中通過對金屬加熱制度、變形制度和 溫度制度的合理控制，使塑性變形與固態(tài)相溫度制度的合理控制，使塑性變形與固態(tài)相 變結合，以獲得細小

8、晶粒組織，使鋼材具有變結合，以獲得細小晶粒組織，使鋼材具有 優(yōu)異的綜合力學性能的軋制新工藝。優(yōu)異的綜合力學性能的軋制新工藝。 對低碳鋼和低合金鋼來說，采用控制軋制對低碳鋼和低合金鋼來說，采用控制軋制 工藝主要通過控制工藝參數(shù)，細化變形工藝主要通過控制工藝參數(shù)，細化變形晶晶 粒，經(jīng)過粒，經(jīng)過向向和和P的相變，形成細化的的相變，形成細化的和和 較為細小的較為細小的P球團，從而達到提高鋼的強度、球團，從而達到提高鋼的強度、 韌性和焊接性能的目的。韌性和焊接性能的目的。 控制軋制和控制冷卻概念控制軋制和控制冷卻概念 v控制冷卻（控制冷卻（Controlled Cooling)：控：控 制軋制后鋼材的冷

9、卻速度達到改善鋼材組制軋制后鋼材的冷卻速度達到改善鋼材組 織和性能的目的。織和性能的目的。 控制軋制和控制冷卻相結合能將熱軋鋼控制軋制和控制冷卻相結合能將熱軋鋼 材的兩種強化效果相加，進一步提高鋼材材的兩種強化效果相加，進一步提高鋼材 的強韌性和獲得合理的綜合力學性能。的強韌性和獲得合理的綜合力學性能。 目前，控制軋制和控制冷卻工藝已應用目前，控制軋制和控制冷卻工藝已應用 到中、高碳鋼和合金鋼的軋制生產(chǎn)中，取到中、高碳鋼和合金鋼的軋制生產(chǎn)中，取 得了明顯的經(jīng)濟效果。得了明顯的經(jīng)濟效果。 控軋控冷技術發(fā)展過程控軋控冷技術發(fā)展過程 v20世紀世紀20年代開始研究鋼在熱加工時，年代開始研究鋼在熱加工

10、時， 溫度和變形條件對顯微組織和力學性能的溫度和變形條件對顯微組織和力學性能的 影響；影響； v二戰(zhàn)時，荷蘭等國采用二戰(zhàn)時，荷蘭等國采用“低溫大壓下低溫大壓下”細細 化低碳鋼的化低碳鋼的晶粒，提高強韌性；晶粒，提高強韌性； v50年代末和年代末和60年代初，美國和原蘇聯(lián)等年代初，美國和原蘇聯(lián)等 國開展鋼的形變熱處理工藝與鋼材組織和國開展鋼的形變熱處理工藝與鋼材組織和 性能關系的理論研究工作，為控制軋制和性能關系的理論研究工作，為控制軋制和 控制冷卻的機理研究和工藝的實踐奠定了控制冷卻的機理研究和工藝的實踐奠定了 基礎；基礎； 控軋控冷技術發(fā)展過程控軋控冷技術發(fā)展過程 v20世紀世紀20年代開始

11、研究鋼在熱加工時，年代開始研究鋼在熱加工時， 溫度和變形條件對顯微組織和力學性能的溫度和變形條件對顯微組織和力學性能的 影響；影響； v二戰(zhàn)時，荷蘭等國采用二戰(zhàn)時，荷蘭等國采用“低溫大壓下低溫大壓下”細細 化低碳鋼的化低碳鋼的晶粒，提高強韌性；晶粒，提高強韌性； v50年代末和年代末和60年代初，美國和原蘇聯(lián)等年代初，美國和原蘇聯(lián)等 國開展鋼的形變熱處理工藝與鋼材組織和國開展鋼的形變熱處理工藝與鋼材組織和 性能關系的理論研究工作，為控制軋制和性能關系的理論研究工作，為控制軋制和 控制冷卻的機理研究和工藝的實踐奠定了控制冷卻的機理研究和工藝的實踐奠定了 基礎；基礎； 控軋控冷技術發(fā)展過程控軋控冷

12、技術發(fā)展過程 v60年代中期，英國鋼鐵研究會對鋼的成分年代中期，英國鋼鐵研究會對鋼的成分 與鋼的力學性能之間的關系進行了系列研與鋼的力學性能之間的關系進行了系列研 究，提出了相應的控制軋制理論；究，提出了相應的控制軋制理論； v在開發(fā)控制軋制工藝時，人們致力于降低在開發(fā)控制軋制工藝時，人們致力于降低 終軋溫度；終軋溫度； v近些年來，控制冷卻工藝已經(jīng)成功地運用近些年來，控制冷卻工藝已經(jīng)成功地運用 到棒材、螺紋鋼、鋼管及型鋼生產(chǎn)和合金到棒材、螺紋鋼、鋼管及型鋼生產(chǎn)和合金 鋼生產(chǎn)中，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社鋼生產(chǎn)中，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社 會效益。會效益。 我國控軋控冷技術概況我國控軋控冷技

13、術概況 v我國控制控冷起步于我國控制控冷起步于60年代初，并取得了年代初，并取得了 初步成果，例如對含有初步成果，例如對含有Cr、Ni、V的超高的超高 強度鋼德形變熱處理工藝研究，軸承鋼軋強度鋼德形變熱處理工藝研究，軸承鋼軋 后快冷工藝研究等；后快冷工藝研究等； v1978年開始對控制控冷進行系統(tǒng)研究；年開始對控制控冷進行系統(tǒng)研究； v武鋼、鞍鋼、重鋼、太鋼等鋼鐵企業(yè)采用武鋼、鞍鋼、重鋼、太鋼等鋼鐵企業(yè)采用 控制控冷技術生產(chǎn)高強度、高韌性的造船、控制控冷技術生產(chǎn)高強度、高韌性的造船、 鍋爐及壓力容器用各種鋼材，開發(fā)了新鋼鍋爐及壓力容器用各種鋼材，開發(fā)了新鋼 種，填補了國內(nèi)鋼材的部分空白。種，填

14、補了國內(nèi)鋼材的部分空白。 第一篇第一篇 控制軋制及控制軋制及 控制冷卻理論控制冷卻理論 1 鋼的強化和韌化鋼的強化和韌化 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 金屬材料的機械性能是指金屬材料在外力金屬材料的機械性能是指金屬材料在外力 （載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能，包括強度、（載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能，包括強度、 塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。 載荷的形式載荷的形式 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 材料機械性能指標材料機械性能指標 1 鋼的強化和韌化鋼的強化和韌化 對于鋼材來說，在大多數(shù)情況下其力學性對于鋼材來說，在大多數(shù)情況下其力學性 能是最重要的，其中能是最重要

15、的，其中強度強度性能又居首位。性能又居首位。 除了強度之外，鋼材還要求一定的除了強度之外，鋼材還要求一定的韌性韌性和和 可焊性能可焊性能，這兩個指標和強度是相互關聯(lián)甚，這兩個指標和強度是相互關聯(lián)甚 至互相矛盾的，很難單方面改變某一指標而至互相矛盾的，很難單方面改變某一指標而 其它不變。其它不變。 結構鋼的最新發(fā)展方向是高強、高韌和結構鋼的最新發(fā)展方向是高強、高韌和 良好的焊接性能，良好的焊接性能，控制控冷控制控冷是滿足這一要求是滿足這一要求 的一種較好的工藝。的一種較好的工藝。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 強度：強度：金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的 能力，用給定

16、條件下所能承受的應力來能力，用給定條件下所能承受的應力來 表示。表示。 圓形拉伸試樣圓形拉伸試樣 拉伸前拉伸前 拉伸后拉伸后 應變 應力 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 低碳鋼和鑄鐵的拉伸曲線低碳鋼和鑄鐵的拉伸曲線 彈性變形階段 屈服階段 強化階段 頸縮階段 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 v彈性極限（彈性極限（e）：）：表示材料保持彈性變形，表示材料保持彈性變形， 不產(chǎn)生永久變形的最大應力，是彈性零件的不產(chǎn)生永久變形的最大應力，是彈性零件的 設計依據(jù)。設計依據(jù)。 v屈服極限（屈服極限（ 屈服強度屈服強度s）：）：表示金屬開始表示金屬開始 發(fā)生明顯塑性變形的抗力，鑄鐵等材料沒有發(fā)生明顯塑性

17、變形的抗力，鑄鐵等材料沒有 明顯的屈服現(xiàn)象，則用條件屈服點（明顯的屈服現(xiàn)象，則用條件屈服點（0.2 ） 來表示：產(chǎn)生來表示：產(chǎn)生0.2%殘余應變時的應力值。殘余應變時的應力值。 v強度極限（抗拉強度強度極限（抗拉強度b ）：）：表示金屬受拉表示金屬受拉 時所能承受的最大應力。時所能承受的最大應力。 e 、s 、b 是機械零件和構件設計和選是機械零件和構件設計和選 材的主要依據(jù)。材的主要依據(jù)。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 金屬強度的影響因素金屬強度的影響因素 v化學成分：化學成分：W(C) 0.9%時，碳鋼隨含時，碳鋼隨含 碳量的增加，其強度增加。碳量的增加，其強度增加。 v加工工藝過程：

18、加工工藝過程：純純Cu和純和純Al的的s分別為分別為 60MPa和和40MPa，經(jīng)過冷加工后強度明，經(jīng)過冷加工后強度明 顯增加。顯增加。 v熱處理工藝：熱處理工藝： W(C) 0.4%的碳鋼經(jīng)淬的碳鋼經(jīng)淬 火和高溫回火（火和高溫回火（調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理）后，其強度由）后，其強度由 500MPa增至增至700800MPa。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 v強化：強化：通過合金化、塑性變形和熱處理等通過合金化、塑性變形和熱處理等 手段提高金屬強度的方法。手段提高金屬強度的方法。 v屈服強度：屈服強度：指金屬抵抗塑性變形的抗力，指金屬抵抗塑性變形的抗力， 來源于金屬原子間的結合力，理論值為來源于金

19、屬原子間的結合力，理論值為 G/2，奧羅萬修正值為，奧羅萬修正值為G/30（G為晶為晶 體的彈性模量）。由于實際金屬中存在各體的彈性模量）。由于實際金屬中存在各 種晶體缺陷，特別是存在位錯，位錯很容種晶體缺陷，特別是存在位錯，位錯很容 易運動，因而不能充分發(fā)揮原子間結合力易運動，因而不能充分發(fā)揮原子間結合力 的作用，故的作用，故金屬的實際強度遠低于理論值金屬的實際強度遠低于理論值 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 金屬和合金塑性變形包含晶內(nèi)變形金屬和合金塑性變形包含晶內(nèi)變形 和晶間變形。晶內(nèi)變形是通過各種位和晶間變形。晶內(nèi)變形是通過各種位 錯運動而實現(xiàn)的晶內(nèi)一部分相對于另錯運動而實現(xiàn)的晶內(nèi)一部

20、分相對于另 一部分的剪切運動，最基本的是滑移、一部分的剪切運動，最基本的是滑移、 孿生和扭折。孿生和扭折。 v在在T0.5Tm時，可能出現(xiàn)晶間變形時，可能出現(xiàn)晶間變形 和晶界滑移，這類變形不僅同位錯運和晶界滑移，這類變形不僅同位錯運 動有關，而且擴散過程也起重要作用動有關，而且擴散過程也起重要作用. . 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 v室溫時，金屬的塑性變形實質(zhì)上就是室溫時，金屬的塑性變形實質(zhì)上就是 位錯運動（或者更全面的說是晶體缺位錯運動（或者更全面的說是晶體缺 陷運動，但位錯運動是基本的，主要陷運動，但位錯運動是基本的，主要 的）。的）。提高位錯源開動所需要的應力提高位錯源開動所需要的

21、應力 和位錯運動的阻力，就提高了金屬材和位錯運動的阻力，就提高了金屬材 料的屈服強度，也就提高了金屬材料料的屈服強度，也就提高了金屬材料 的強度的強度，故提高鋼的強度首先要提高故提高鋼的強度首先要提高 鋼的屈服強度。鋼的屈服強度。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 一、冷變形強化一、冷變形強化( (strainstrengthening) ) （或應變硬化、應變強化、冷作硬化、（或應變硬化、應變強化、冷作硬化、 加工硬化、加工硬化、位錯強化位錯強化) ) 1 1、基本概念、基本概念 v冷變形：金屬材料在再結晶溫度以下冷變形：金屬材料在再結晶溫度以下 的變形。的變形。 v冷變形強化：金屬材料在冷

22、塑性變形冷變形強化：金屬材料在冷塑性變形 過程中，隨著變形程度增加，其強度過程中，隨著變形程度增加，其強度 和硬度提高而塑韌性顯著降低的現(xiàn)象和硬度提高而塑韌性顯著降低的現(xiàn)象 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 2 2、強化機理、強化機理 v冷變形使金屬內(nèi)位錯大量增殖冷變形使金屬內(nèi)位錯大量增殖, ,密度增大密度增大; ; v位錯運動過程中彼此交截，形成割階，使位錯運動過程中彼此交截，形成割階，使 位錯的可動性減??；位錯的可動性減??； v許多位錯經(jīng)交互作用后纏結在一起，形成許多位錯經(jīng)交互作用后纏結在一起，形成 位錯纏結，使位錯運動更困難，以致需要位錯纏結，使位錯運動更困難，以致需要 更大的力才能使位

23、錯克服障礙而運動。更大的力才能使位錯克服障礙而運動。 變形量越大，材料變形阻力越大，強度變形量越大，材料變形阻力越大，強度 越高。越高。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 3 3、特點、特點 v金屬材料的冷變形強化程金屬材料的冷變形強化程 度隨變形量的增加而增加，度隨變形量的增加而增加， 而塑性隨之減少；而塑性隨之減少； v金屬材料的晶體結構不同，金屬材料的晶體結構不同， 其其加工硬化率加工硬化率（或稱（或稱應變應變 硬化系數(shù)硬化系數(shù)）也不同，）也不同，HCPHCP金金 屬的應變硬化系數(shù)較小，屬的應變硬化系數(shù)較小， 而而BCCBCC特別是特別是FCCFCC金屬的應金屬的應 變硬化系數(shù)較大。變硬

24、化系數(shù)較大。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 原因：原因： BCCBCC和和FCCFCC晶體的滑移系統(tǒng)很多，幾何軟化晶體的滑移系統(tǒng)很多，幾何軟化 現(xiàn)象不會象現(xiàn)象不會象HCPHCP晶體可能出現(xiàn)的那樣強烈；晶體可能出現(xiàn)的那樣強烈； BCCBCC和和FCCFCC晶體滑移系統(tǒng)多，容易出現(xiàn)多系晶體滑移系統(tǒng)多，容易出現(xiàn)多系 滑移和交滑移，也就容易出現(xiàn)較強烈的物滑移和交滑移，也就容易出現(xiàn)較強烈的物 理強化。理強化。 BCCBCC：3 3個個1101104 4個個=12=12個滑移系個滑移系 FCCFCC：4 4個個1111113 3個個=12=12個滑移系個滑移系 HCPHCP：1 1個個00010001

25、3 3個個=3=3個滑移系個滑移系 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 4 4、應用、應用 v特別適用于純金屬及熱處理不強化的合金特別適用于純金屬及熱處理不強化的合金, , 尤其是導電材料（尤其是導電材料（原因：雖然冷變形使延原因：雖然冷變形使延 性、導電性和耐蝕性降低，但與其它方法性、導電性和耐蝕性降低，但與其它方法 如固溶強化相比，其冷變形后的導電性的如固溶強化相比，其冷變形后的導電性的 降低要小得多降低要小得多），故用冷加工方法加工輸），故用冷加工方法加工輸 電銅導線；電銅導線； v在實踐中利用，如冷拔線材、深沖薄板異在實踐中利用，如冷拔線材、深沖薄板異 型件等。型件等。 1.1 鋼的強化

26、機制鋼的強化機制 二、固溶強化二、固溶強化 ( (solidsolutionstrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念 v固溶強化：當合金元素（溶質(zhì)）固溶固溶強化：當合金元素（溶質(zhì)）固溶 到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時，到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時， 合金的強度和硬度則會提高，稱為固合金的強度和硬度則會提高，稱為固 溶強化。如黃銅溶強化。如黃銅(Cu-Zn)(Cu-Zn)強度要高于強度要高于 紫銅。紫銅。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 2 2、強化機理、強化機理 v彈性交互作用：溶質(zhì)原子和位錯周圍均存彈性交互作用：溶質(zhì)原子和位錯周圍均存 在應力場，為了使系統(tǒng)應變能降

27、低，二者在應力場，為了使系統(tǒng)應變能降低，二者 會發(fā)生交互作用（會發(fā)生交互作用（比如溶質(zhì)原子對正刃型比如溶質(zhì)原子對正刃型 位錯的偏聚位錯的偏聚），形成柯氏氣團（），形成柯氏氣團（圍繞位錯圍繞位錯 而形成的溶質(zhì)原子聚集物而形成的溶質(zhì)原子聚集物），阻礙位錯運），阻礙位錯運 運動；運動； v合金元素與基體金屬原子價不同，產(chǎn)生電合金元素與基體金屬原子價不同，產(chǎn)生電 化學交互作用?；瘜W交互作用。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 3 3、影響因素、影響因素 v溶質(zhì)與溶劑的原子半溶質(zhì)與溶劑的原子半 徑差別徑差別越大，強化效越大，強化效 果越好；果越好； v有限固溶體中溶質(zhì)元有限固溶體中溶質(zhì)元 素溶解量素溶解

28、量越大，強化越大，強化 效果越好；效果越好； v溶質(zhì)元素在溶劑中的溶質(zhì)元素在溶劑中的 飽和溶解度飽和溶解度越小，強越小，強 化效果越好；化效果越好； 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 v形成形成間隙固溶體間隙固溶體的溶質(zhì)元素（的溶質(zhì)元素（C C、N N、B B等）等） 的的強化效果好于形成置換固溶體強化效果好于形成置換固溶體溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素 （如（如MnMn、SiSi、P P等）。等）。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 4 4、特點、特點 提高合金的屈服強度、抗拉強度和硬度提高合金的屈服強度、抗拉強度和硬度 的同時，對其它影響如下：的同時，對其它影響如下： v幾乎都使合金的塑性低于純金屬，但

29、少數(shù)幾乎都使合金的塑性低于純金屬，但少數(shù) 例外例外( (如如Cu-ZnCu-Zn合金的強度和韌性同時提合金的強度和韌性同時提 高高) )； v使合金的導電性低于純金屬；使合金的導電性低于純金屬； v提高合金的抗蠕變性能，減少高溫下強度提高合金的抗蠕變性能，減少高溫下強度 損失；損失； 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 三、沉淀強化三、沉淀強化( (preciptationstrengthening) ) 或時效強化或時效強化( (agingstrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念 v沉淀強化：沉淀強化：通過對過飽和固溶體的時通過對過飽和固溶體的時 效處理而沉淀析出第二相產(chǎn)生

30、的強化效處理而沉淀析出第二相產(chǎn)生的強化. . 鋼中常加入微量鋼中常加入微量NbNb、V V、TiTi元素，形成元素，形成 碳化物、氮化物或碳氮化合物，在軋?zhí)蓟铩⒌锘蛱嫉衔?，在?制中或軋后冷卻時析出，起到第二相制中或軋后冷卻時析出，起到第二相 沉淀強化作用。沉淀強化作用。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 2 2、沉淀強化條件、沉淀強化條件 v能形成有限固溶體；能形成有限固溶體； v固溶度隨溫度的降低而減小。固溶度隨溫度的降低而減小。 v有析出的位置有析出的位置晶體缺陷。晶體缺陷。 3 3、強化機理、強化機理 v位錯與析出第二相顆粒之間的相互作位錯與析出第二相顆粒之間的相互作 用，包

31、括對提高強度有積極作用的繞用，包括對提高強度有積極作用的繞 過過程和對強度作用較小的剪切過程。過過程和對強度作用較小的剪切過程。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 4 4、沉淀強化影響因素、沉淀強化影響因素 v析出相的顆粒尺寸和其體積百分比析出相的顆粒尺寸和其體積百分比， 質(zhì)點越小，百分比越大，強化效果越質(zhì)點越小，百分比越大，強化效果越 大。但質(zhì)點尺寸又不能過分小，質(zhì)點大。但質(zhì)點尺寸又不能過分小，質(zhì)點 之間的距離也不能過分小，否則位錯之間的距離也不能過分小，否則位錯 不能在質(zhì)點直徑彎曲，變繞過機制為不能在質(zhì)點直徑彎曲，變繞過機制為 切過機制，強化效果下降。根據(jù)計算，切過機制，強化效果下降。根據(jù)

32、計算， 一般的質(zhì)點為一般的質(zhì)點為20-5020-50個原子間距，體積個原子間距，體積 占占2%2%左右時效果最佳。左右時效果最佳。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 v析出相的特性析出相的特性：析出顆粒分布于整個：析出顆粒分布于整個 基體上比晶界析出好；球狀顆粒比片基體上比晶界析出好；球狀顆粒比片 狀好；顆粒彌散度越大，效果越好狀好；顆粒彌散度越大，效果越好; ;比比 如：形變熱處理使基體中位錯密度增如：形變熱處理使基體中位錯密度增 大，甚至形成亞晶，有利于沉淀相的大，甚至形成亞晶，有利于沉淀相的 形核和更彌散析出，增加強化效果。形核和更彌散析出，增加強化效果。 v時效時間時效時間：時間越長，

33、析出相顆粒越：時間越長，析出相顆粒越 大，顆粒間距越大，強化效果越差。大，顆粒間距越大，強化效果越差。 在高溫條件下，顆粒有隨時間長大的在高溫條件下，顆粒有隨時間長大的 趨勢。趨勢。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 四、細晶強化四、細晶強化( (grainsizestrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念 v細晶強化：細晶強化：通過細化晶粒來提高材料通過細化晶粒來提高材料 室溫強度的強化方法。室溫強度的強化方法。 2 2、特點、特點 v同時提高金屬材料的室溫強度、塑性同時提高金屬材料的室溫強度、塑性 和韌性，是金屬材料常用的強韌方法和韌性，是金屬材料常用的強韌方法 之一。之

34、一。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 3 3、強化效果、強化效果 vHallPetch公式公式：晶粒度與屈服強度：晶粒度與屈服強度 的關系的關系 式中：式中：s s屈服強度；屈服強度；D D平均晶粒尺寸平均晶粒尺寸; ; i i常數(shù)，相當于單晶的屈服強度；常數(shù)，相當于單晶的屈服強度； K K斜率，表征晶界對強度影響程度的系斜率，表征晶界對強度影響程度的系 數(shù)，和晶界結構有關，而和溫度關系不大。數(shù)，和晶界結構有關，而和溫度關系不大。 21 1 DK is 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 vP30%時，時，HallPetch公式變?yōu)楣阶優(yōu)?式中：式中：s s

35、屈服強度，屈服強度，MPaMPa； 0 0純鐵純鐵單晶單晶的屈服強度，的屈服強度， MPaMPa ； MnMn、SiSi、N N鋼中各元素的重量百分比；鋼中各元素的重量百分比； D D等軸等軸晶粒的平均截線長。晶粒的平均截線長。 由此可知，由此可知，晶粒細化可明顯提高鋼的屈晶粒細化可明顯提高鋼的屈 服強度。服強度。 8 . 9)51. 18 .2913 . 87 . 3( 21 0 DNSiMn s 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 vP30%時，時，HallPetch公式變?yōu)楣阶優(yōu)?式中：式中：s s屈服強度；屈服強度； f fF F、f fP PF F和和P P的體積百分比；的體積百分比

36、； 0.2 0.2、 、 P P純鐵素體鋼和純珠光體鋼的純鐵素體鋼和純珠光體鋼的 屈服強度；屈服強度； 由此可知，鋼中由此可知，鋼中C C含量越低，細化晶粒的含量越低，細化晶粒的 強化效果越大。強化效果越大。 21 2 . 0 KDfff FPPFs 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 4 4、強化機理、強化機理 v晶界對位錯滑動的阻礙：晶界對位錯滑動的阻礙：位錯被晶界阻擋位錯被晶界阻擋 而塞積在晶界前面，從而迫使晶粒內(nèi)的滑而塞積在晶界前面，從而迫使晶粒內(nèi)的滑 移系由易到難都被開動；移系由易到難都被開動； v相鄰晶粒取向不同引起強化：相鄰晶粒取向不同引起強化：滑移帶在位滑移帶在位 錯塞積群頂部產(chǎn)

37、生引力集中，只有外力大錯塞積群頂部產(chǎn)生引力集中，只有外力大 到一定程度才能開動相鄰晶粒內(nèi)的位錯源，到一定程度才能開動相鄰晶粒內(nèi)的位錯源， 滑移才能從一個晶粒傳到下一個晶粒。另滑移才能從一個晶粒傳到下一個晶粒。另 外，相鄰晶粒的取向不一致，還要在此應外，相鄰晶粒的取向不一致，還要在此應 力上乘一個放大系數(shù)。力上乘一個放大系數(shù)。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 5 5、韌化機理、韌化機理 v晶粒細小時，單位體積中晶粒越多，金屬晶粒細小時，單位體積中晶粒越多，金屬 的總變形量可以分布在更多的晶粒內(nèi)，晶的總變形量可以分布在更多的晶粒內(nèi)，晶 內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均勻性減?。痪?nèi)不同區(qū)域之間的變形不均

38、勻性減??；晶 粒內(nèi)部和晶界附件的變形量差減小，晶粒粒內(nèi)部和晶界附件的變形量差減小，晶粒 的變形也會比較均勻，減小應力集中，這的變形也會比較均勻，減小應力集中，這 些推遲了裂紋的形成與擴展，使金屬在斷些推遲了裂紋的形成與擴展，使金屬在斷 裂之前可以發(fā)生較大的塑性變形。裂之前可以發(fā)生較大的塑性變形。 v強度和塑性提高，斷裂要消耗更大的功，強度和塑性提高，斷裂要消耗更大的功， 因而韌性也較好。因而韌性也較好。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 五、馬氏體強化五、馬氏體強化 ( (Martensitestrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念 v馬氏體強化：馬氏體強化：將鋼鐵淬火成馬

39、氏體使將鋼鐵淬火成馬氏體使 鋼得到強化的強化方法。鋼得到強化的強化方法。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 1 1、馬氏體強化機制、馬氏體強化機制 v固溶強化固溶強化：M M是是C C在在中的過飽和間隙中的過飽和間隙 固溶體，固溶體，C C引起引起FCCFCC中正八面體間隙對中正八面體間隙對 稱晶格畸變，產(chǎn)生應力場，阻礙位錯稱晶格畸變，產(chǎn)生應力場，阻礙位錯 運動；運動； v時效（自回火）強化時效（自回火）強化：M M相變是非擴相變是非擴 散型相變，但散型相變，但M M形成之后，形成之后，M M中的中的C C原原 子發(fā)生偏聚，使強度提高。子發(fā)生偏聚，使強度提高。C C含量越含量越 高，時效強化效

40、果越明顯；高，時效強化效果越明顯； 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 v細晶強化細晶強化：A A轉變?yōu)檗D變?yōu)镸 M時，形成了許多時，形成了許多 極細的、取向不同的極細的、取向不同的M M束，產(chǎn)生細晶束，產(chǎn)生細晶 強化效應，且原始強化效應，且原始A A晶粒越細，晶粒越細，M M晶群晶群 也越細，強化效果越好；也越細，強化效果越好； v位錯強化位錯強化：M M相變是一種切變過程，相變是一種切變過程， 且轉變速度極快，使位錯密度大增，且轉變速度極快，使位錯密度大增， 使位錯運動阻力增加；使位錯運動阻力增加； v孿晶強化孿晶強化：C0.3C0.3時，時，M M亞結構中的亞結構中的 孿晶數(shù)量增多，孿晶數(shù)

41、量增多，C C原子在孿晶界面上原子在孿晶界面上 偏聚，產(chǎn)生強化。偏聚，產(chǎn)生強化。 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 2 2、變形對馬氏體強化的影響、變形對馬氏體強化的影響 v原原A A晶粒大小影響晶粒大小影響M M晶群大小，合理的變形晶群大小，合理的變形 工藝可顯著細化工藝可顯著細化A A晶粒，從而細化晶粒，從而細化M M晶粒，晶粒， 增加增加M M強化效果；強化效果； vA A的塑性變形對的塑性變形對M M轉變按不同的鋼種、變形轉變按不同的鋼種、變形 條件有不同的作用，即可促進條件有不同的作用，即可促進M M轉變，也可轉變，也可 抑制抑制M M轉變。轉變。 v變形引起的變形引起的A A晶體結

42、構的不完善性（位錯密晶體結構的不完善性（位錯密 度增加而形成亞結構）可被度增加而形成亞結構）可被M M繼承，提高強繼承，提高強 度，增加塑性。（度，增加塑性。（形變熱處理形變熱處理） 1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制 六、其它強化方式六、其它強化方式 v盡量增加晶體中盡量增加晶體中 的缺陷，以阻礙的缺陷，以阻礙 位錯運動，提高位錯運動，提高 強度強度； v盡量減少晶體中盡量減少晶體中 的缺陷，提高強的缺陷，提高強 度。度。 理論強度理論強度 晶須強度晶須強度 未強化的純未強化的純 金屬強度金屬強度 合金化、加合金化、加 工硬化或熱工硬化或熱 處理的合金處理的合金 強度強度 缺陷數(shù)量缺陷數(shù)量 強

43、度強度 1.2 材料的韌性材料的韌性 一、韌性定義及其表示一、韌性定義及其表示 1、沖擊韌性（缺口斷裂韌性）、沖擊韌性（缺口斷裂韌性） 許多機械零件和工具在工作中，許多機械零件和工具在工作中， 往往要往往要 受到?jīng)_擊載荷的作用，受到?jīng)_擊載荷的作用， 如活塞銷、錘桿、如活塞銷、錘桿、 沖模和鍛模等。沖模和鍛模等。材料抵抗沖擊載荷作用的能材料抵抗沖擊載荷作用的能 力稱為沖擊韌性力稱為沖擊韌性，常用一次擺錘沖擊彎曲試，常用一次擺錘沖擊彎曲試 驗來測定。測得試樣沖擊吸收功，用符號驗來測定。測得試樣沖擊吸收功，用符號 Ak 表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截 面積面積

44、S0 , 即得到材料的沖擊韌度即得到材料的沖擊韌度 ak（單位：（單位： J/m2）。）。 0 SAa kk 1.2 材料的韌性材料的韌性 vAk 或或ak越大，則材料的沖擊韌性越好。越大，則材料的沖擊韌性越好。 v沖擊韌性與材料的組織密切相關。沖擊韌性與材料的組織密切相關。例如：例如： 45鋼正火處理后為鋼正火處理后為SF組織，組織， ak為為500 800 kJ/m2；調(diào)質(zhì)處理后其組織為回火；調(diào)質(zhì)處理后其組織為回火 索氏體，索氏體， ak為為8001200kJ/m2。 沖擊試樣沖擊試樣 U型缺口型缺口V型缺口型缺口 1.2 材料的韌性材料的韌性 2、斷裂韌性、斷裂韌性 （裂紋斷裂韌性）（裂

45、紋斷裂韌性） 橋梁、船舶、大型軋輥、轉子等有時會橋梁、船舶、大型軋輥、轉子等有時會 發(fā)生發(fā)生低應力脆斷低應力脆斷，這種斷裂的名義斷裂應，這種斷裂的名義斷裂應 力低于材料的屈服強度。盡管在設計時保力低于材料的屈服強度。盡管在設計時保 證了足夠的延伸率、韌性和屈服強度，但證了足夠的延伸率、韌性和屈服強度，但 仍不免破壞。究其原因是構件或零件內(nèi)部仍不免破壞。究其原因是構件或零件內(nèi)部 存在著或大或小、或多或少的存在著或大或小、或多或少的裂紋和類似裂紋和類似 裂紋的缺陷裂紋的缺陷造成的。裂紋在應力作用下可造成的。裂紋在應力作用下可 失穩(wěn)而擴展，導致機件破斷。失穩(wěn)而擴展，導致機件破斷。 1.2 材料的韌性

46、材料的韌性 斷裂韌性：斷裂韌性：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷 裂的能力，用裂的能力，用K C表示，是材料本身的 表示，是材料本身的 特性，由材料的成分、組織狀態(tài)決定，特性，由材料的成分、組織狀態(tài)決定， 與裂紋的尺寸、形狀及外加應力大小與裂紋的尺寸、形狀及外加應力大小 無關。無關。 1.2 材料的韌性材料的韌性 二、提高鋼材韌性的途徑二、提高鋼材韌性的途徑 斷裂韌性是材料的一種性能，與強斷裂韌性是材料的一種性能，與強 度一樣取決于材料的組織結構，而材度一樣取決于材料的組織結構，而材 料的成分和生產(chǎn)加工工藝又決定了材料的成分和生產(chǎn)加工工藝又決定了材 料的組織結構，故改善材料的韌性必

47、料的組織結構，故改善材料的韌性必 然從工藝入手改變材料的結構，以達然從工藝入手改變材料的結構，以達 到改善材料韌性的目的。到改善材料韌性的目的。 1.2 材料的韌性材料的韌性 1、成分控制、成分控制 合金元素加入基體（鐵）中形成固溶體合金元素加入基體（鐵）中形成固溶體 可強化合金，甚至可析出第二相而強化合可強化合金，甚至可析出第二相而強化合 金，但同時合金元素含量的增加也造成基金，但同時合金元素含量的增加也造成基 體內(nèi)缺陷的增加，降低材料的塑韌性。體內(nèi)缺陷的增加，降低材料的塑韌性。 vV、Nb、Ti、Al、Zr等元素：等元素：能夠細化能夠細化 晶粒，故既能提高強度又能提高韌性晶粒，故既能提高強

48、度又能提高韌性； vS、P：對韌性有害，盡量降低含量對韌性有害，盡量降低含量； 1.2 材料的韌性材料的韌性 vC含量：含量：C含量升高會增加鋼中含量升高會增加鋼中P的量，的量， 會降低鋼的韌性，故在鋼種成分允許的范會降低鋼的韌性，故在鋼種成分允許的范 圍內(nèi)降低圍內(nèi)降低c含量，由此產(chǎn)生的強度下降則含量，由此產(chǎn)生的強度下降則 由增加成分中的由增加成分中的Mn來彌補；來彌補； v鋼中一般都含有二元以上的合金元素，合鋼中一般都含有二元以上的合金元素，合 金組元之間有交互作用，合金元素也可以金組元之間有交互作用，合金元素也可以 通過不同途徑影響斷裂韌性，故一般要具通過不同途徑影響斷裂韌性，故一般要具

49、體分析，以使合金元素具有適當含量。體分析，以使合金元素具有適當含量。 1.2 材料的韌性材料的韌性 2、氣體和夾雜物控制、氣體和夾雜物控制 vH：引起白點和氫脆，應盡量降低引起白點和氫脆，應盡量降低； vN：與位錯結合力強，通過形成氣團而阻與位錯結合力強，通過形成氣團而阻 止位錯運動，降低韌性止位錯運動，降低韌性；形成固態(tài)氮化物形成固態(tài)氮化物 時對韌性危害更大；時對韌性危害更大；只有與只有與V形成形成NV， 能提高鋼的強度并阻止奧氏體再結晶，輕能提高鋼的強度并阻止奧氏體再結晶，輕 度細化晶粒；度細化晶粒； vO：常以氧化物形式存在，降低鋼的韌性，常以氧化物形式存在，降低鋼的韌性， 含量越多，對

50、韌性的影響越大。含量越多，對韌性的影響越大。 1.2 材料的韌性材料的韌性 v鋼中的鋼中的 氣體量氣體量 和夾雜和夾雜 物量的物量的 多少與多少與 冶煉方冶煉方 法、澆法、澆 注方法注方法 直接有直接有 關。關。 1.2 材料的韌性材料的韌性 vS：形成硫化物，對韌性有害，解決辦法：形成硫化物，對韌性有害，解決辦法： 降低降低S含量或者加入含量或者加入Zr和稀土元素以固定和稀土元素以固定 S，改善橫行韌性。，改善橫行韌性。 目前，采用各種冶煉和澆注新工藝目前，采用各種冶煉和澆注新工藝 （真空冶煉、攪拌技術等）使鋼中氣體和（真空冶煉、攪拌技術等）使鋼中氣體和 夾雜大量減少，生產(chǎn)出較純凈的鋼材。夾

51、雜大量減少，生產(chǎn)出較純凈的鋼材。 1.2 材料的韌性材料的韌性 3、壓力加工工藝的控制、壓力加工工藝的控制 v通過加工工藝控制晶粒度通過加工工藝控制晶粒度 材料理論韌性斷裂強度材料理論韌性斷裂強度 c(2G/K)d-1/2 G G材料的切變模量，材料的切變模量，材料的表面能，材料的表面能， K K常數(shù)，常數(shù)，d d平均晶粒直徑。平均晶粒直徑。 c d-1/2 通過控制壓力加工工藝可以控制晶粒的通過控制壓力加工工藝可以控制晶粒的 大小，改變材料的韌性。大小，改變材料的韌性。 1.2 材料的韌性材料的韌性 v通過加工工藝控制晶體取向通過加工工藝控制晶體取向 鋼在鋼在AF或或F區(qū)軋制后，區(qū)軋制后，F(xiàn)

52、不發(fā)生再結晶，不發(fā)生再結晶， 形成形成111織構，引起各向異織構，引起各向異 性。性。 v冷卻工藝和材料的成分一起影響相變產(chǎn)物冷卻工藝和材料的成分一起影響相變產(chǎn)物 的種類、形貌、數(shù)量等組織結構特征，從的種類、形貌、數(shù)量等組織結構特征，從 而影響材料的韌性。而影響材料的韌性。 4、熱處理工藝控制熱處理工藝控制 v形變熱處理形變熱處理 1.2 材料的韌性材料的韌性 三、強化機制對韌性的影響三、強化機制對韌性的影響 一切提高材料強度的因素都同時影響一切提高材料強度的因素都同時影響 材料的韌性。材料的韌性。 1、固溶強化的影響、固溶強化的影響 v間隙式固溶強化：間隙式固溶強化：不對稱晶格畸變，且晶不對稱晶格畸變，且晶 格畸變強烈，塑韌性明