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學習內容學習內容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外新控制軋制冷卻技術是近十多年來國內外新發(fā)展起來的軋鋼新技術，已成功而廣泛地應發(fā)展起來的軋

2、鋼新技術，已成功而廣泛地應用于生產過程中，能明顯改善鋼材組織結構，用于生產過程中，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，最終影響產品性能，通過控制工藝過程的影響因素能產品性能，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品性在一定條件下獲得所需的組織結構及產品性稱。稱。課程簡介課程簡介 本課程作為金

3、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， 來提高產品的綜合性能。來提高產品的綜合性能。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)

4、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)生產中的應用。制冷卻技術在工業(yè)生產中的應用。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。 學習內容學習內容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 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

5、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中的應用控制軋制及控制冷卻技術在鋼板生產中的應用 控制軋制及控制冷卻技術在型鋼生產中的應用控制軋制及控制冷卻技術在型鋼生產中的應用 控制軋制及控制冷卻技術在鋼管生產中的應用控制軋制及控制冷卻技術在鋼管生產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

6、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)定的次數者，不無故缺課達到學校規(guī)定的次數者，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，2008.62008.6v劉永銓，鋼的形變熱處理，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

7、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

8、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，細化變形工藝主要通過控制工藝參數，細化變形晶晶粒，經過粒，經過向向和和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?？刂栖堉坪涂刂评鋮s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?？椇托阅艿哪康摹?控制軋制和控制冷卻相結合能將熱軋鋼控制軋制和

9、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中，取到中、高碳鋼和合金鋼的軋制生產中，取得了明顯的經濟效果。得了明顯的經濟效果。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

10、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，美國和原蘇聯等年代初，美國和原蘇聯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

11、“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，美國和原蘇聯等年代初，美國和原蘇聯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

12、，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，控制冷卻工藝已經成功地運用近些年來，控制冷卻工藝已經成功地運用到棒材、螺紋鋼、鋼管及型鋼生產和合金到棒材、螺紋鋼、鋼管及型鋼生產和合金鋼生產中，并取得了明顯的經濟效益和社鋼生產中，并取得了明顯的經濟效益和社會效益。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，

13、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高強度、高韌性的造船、控制控冷技術生產高強度、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，填補了國內鋼材的部分空白。種，填補了國內鋼材的部分空白。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）

14、作用時表現出來的性能，包括強度、（載荷）作用時表現出來的性能，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，在大多數情況下其力學性對于鋼材來說，在大多數情況下其力學性能是最重要的，其中能是最重要的，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甚，這兩個指標和強度是相互關聯甚至互相矛盾的，很難單方面改變某一指標而至互相矛盾的

15、，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

16、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，不產生永久變形的最大應力，是彈性零件的不產生永久變形的最大應力，是彈性零件的設計依據。設計依據。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)生明顯塑性變形的抗力，鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現象，則用條件屈服點（明顯的屈服現象，則用條件屈服點（0.2 ）來表示：產生來表示：產生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

17、 、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。材的主要依據。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：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，經過冷加工后強度明，經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%的碳鋼經淬的碳鋼經淬火和高溫回火（火和高溫回火（調質處理調質處理）后，其強度由）后，其強度由500MPa增至增至700800MPa。1.

18、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

19、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變形金屬和合金塑性變形包含晶內變形和晶間變形。晶內變形是通過各種位和晶間變形。晶內變形是通過各種位錯運動而實現的晶內一部分相對于另錯運動而實現的晶內一部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，可能出現晶間變形時，可能出現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

20、實質上就是室溫時，金屬的塑性變形實質上就是位錯運動（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

21、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象和硬度提高而塑韌性顯著降低的現象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冷變形使金屬內位錯大量增殖冷變形使金屬內位錯大量增殖, ,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

22、減?。晃诲e的可動性減??；v許多位錯經交互作用后纏結在一起，形成許多位錯經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硬

23、化系數）也不同，）也不同，HCPHCP金金屬的應變硬化系數較小，屬的應變硬化系數較小，而而BCCBCC特別是特別是FCCFCC金屬的應金屬的應變硬化系數較大。變硬化系數較大。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，幾何軟化現象不會象現象不會象HCPHCP晶體可能出現的那樣強烈；晶體可能出現的那樣強烈；BCCBCC和和FCCFCC晶體滑移系統(tǒng)多，容易出現多系晶體滑移系統(tǒng)多，容易出現多系滑移和交滑移，也就容易出現較強烈的物滑移和交滑移，也就容易出現較強烈的物理強化。理強化。 BCCBCC：3 3個個1101104 4個

24、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000100013 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

25、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）固溶固溶強化：當合金元素（溶質）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

26、v彈性交互作用：溶質原子和位錯周圍均存彈性交互作用：溶質原子和位錯周圍均存在應力場，為了使系統(tǒng)應變能降低，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（比如溶質原子對正刃型比如溶質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原子聚集物而形成的溶質原子聚集物），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，產生電合金元素與基體金屬原子價不同，產生電化學交互作用?；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溶質與溶劑的原子半溶質與溶劑的原子半徑差別徑差別越大，強化效越大

27、，強化效果越好；果越好；v有限固溶體中溶質元有限固溶體中溶質元素溶解量素溶解量越大，強化越大，強化效果越好；效果越好；v溶質元素在溶劑中的溶質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元素（的溶質元素（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元素溶質元素（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

28、，對其它影響如下：v幾乎都使合金的塑性低于純金屬，但少數幾乎都使合金的塑性低于純金屬，但少數例外例外( (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

29、的時效處理而沉淀析出第二相產生的強化效處理而沉淀析出第二相產生的強化. .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?、氮化物或碳氮化合物，在軋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

30、用，包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，質點越小，百分比越大，強化效果越質點越小，百分比越大，強化效果越大。但質點尺寸又不能過分小，質點大。但質點尺寸又不能過分小，質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，否則位錯不能在質點直徑彎曲，變繞過機制為不能在質點直徑彎曲，變繞過機制為切過機制，強化效果下降。根據計算，切過機制，強化效果下降。根據計算，一般的

31、質點為一般的質點為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，析出相顆粒越：時間越長，析出相顆

32、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。之一。1.1 鋼的強化機制鋼的強化機制3 3、強化效果、

33、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，相當于單晶的屈服強度；常數，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，和晶界結構有關，而和溫度關系不大。數，和晶界結構有關，而和溫度關系不大。211DKis1.1 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

34、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(210DNSiMns1.1 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； 0.20.2、 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；

35、 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。212 . 0KDfffFPPFs1.1 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，從而迫使晶粒內的滑而塞積在晶界前面，從而迫使晶粒內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生引力集中，只有外力大錯塞積群頂部產生引力集中，只有外力大到一定程度才能開動相鄰晶粒內的位錯源，到一定程度才能開動相鄰晶粒內的

36、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。力上乘一個放大系數。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，晶的總變形量可以分布在更多的晶粒內，晶內不同區(qū)域之間的變形不均勻性減小；晶內不同區(qū)域之間的變形不均勻性減??；晶粒內部和晶界附件的變形量差減小，晶粒粒內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

37、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

38、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，產生應力場，阻礙位錯稱晶格畸變，產生應力場，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

39、生細晶束，產生細晶強化效應，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量增多，孿晶數量增多，C C原子在孿晶界面上原子在孿晶界面上偏聚，產生強化。偏聚，產生強化。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

40、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

41、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量缺陷數量強度強度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， 往往要往往要受到沖擊載荷的作用，受到沖擊載荷的作用， 如活塞銷、錘桿、如活塞銷、

42、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 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）。）。 0SAakk1.2 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

43、火處理后為鋼正火處理后為SF組織，組織， ak為為500800 kJ/m2；調質處理后其組織為回火；調質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。

44、究其原因是構件或零件內部仍不免破壞。究其原因是構件或零件內部存在著或大或小、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KC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

45、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加工工藝又決定了材料的成分和生產加工工藝又決定了材料的組織結構，故改善材料的韌性必料的組織結構，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

46、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缺陷的增加，降低材料的塑韌性。體內缺陷的增加，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降低圍內降低c含量，由此產生的強度下降則含量，由此產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

47、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

48、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

49、，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，生產出較純凈的鋼材。夾雜大量減少，生產出較純凈的鋼材。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，常數，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

50、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物冷卻工藝和材料的成分一起影響相變產物的種類、形貌、數量等組織結構特征，從的種類、形貌、數量等組織結構特征，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，塑韌性明顯降低；格畸變強