材料加工組織性能控制(第一、二章)

1、塑性加工物理冶金理論塑性加工物理冶金理論北京科技大學(xué)材料學(xué)院北京科技大學(xué)材料學(xué)院劉靖劉靖 13520330657135203306571.王占學(xué)，控制軋制與控制冷卻，冶金工業(yè)出版社，1988年2.劉永銓，鋼的熱處理，冶金工業(yè)出版社，1987年3.毛衛(wèi)民，金屬材料的晶體學(xué)織構(gòu)與各向異性，科學(xué)出版社，2002年4.王有銘等，鋼材的控制軋制與控制冷卻，冶金工業(yè)出版社 參考書參考書1. 緒論緒論l 6060年代發(fā)現(xiàn)年代發(fā)現(xiàn)NbNb的強(qiáng)化作用的強(qiáng)化作用 為控軋工藝的發(fā)展提供了理為控軋工藝的發(fā)展提供了理論依據(jù)；論依據(jù)；l 7070年代后應(yīng)用普及，新鋼種、新工藝逐漸開發(fā)出來。年代后應(yīng)用普及，新鋼種、新工藝逐

2、漸開發(fā)出來?？刂栖堉瓶刂栖堉? +控制冷卻的方法稱為熱機(jī)械控制工藝?？刂评鋮s的方法稱為熱機(jī)械控制工藝。(TMCP,Thermo Momechanical Controlled Processing)(TMCP,Thermo Momechanical Controlled Processing)。l二戰(zhàn)期間大量的船舶脆斷二戰(zhàn)期間大量的船舶脆斷 提高鋼材的韌性。解決辦法：提高鋼材的韌性。解決辦法：提高提高M(jìn)n/C比、鋁脫氧、正火工藝、低溫大壓下比、鋁脫氧、正火工藝、低溫大壓下 構(gòu)成控構(gòu)成控軋控冷的基礎(chǔ)；軋控冷的基礎(chǔ)；塑性加工的作用：改形、改性。塑性加工的作用：改形、改性。改形：改形：改性：改性：形

3、變熱處理：形變熱處理：圖圖 化學(xué)成分和加工過程、顯微組織與力學(xué)性能之間關(guān)系化學(xué)成分和加工過程、顯微組織與力學(xué)性能之間關(guān)系冶煉、澆注、冷熱冶煉、澆注、冷熱加工成形和熱處理加工成形和熱處理等。等。圖圖1-2 鋼材性能與冶金因素、組織的關(guān)系鋼材性能與冶金因素、組織的關(guān)系工藝工藝 性能性能手段手段金屬材料的力學(xué)性能：金屬材料的力學(xué)性能： 金屬材料的力學(xué)性能是指金屬在外加載荷金屬材料的力學(xué)性能是指金屬在外加載荷( (外外力或能量力或能量) )作用下或載荷與環(huán)境因素作用下或載荷與環(huán)境因素( (溫度、介質(zhì)溫度、介質(zhì)和加載速率和加載速率) )聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為。聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為。 力學(xué)性能通常包括：

4、力學(xué)性能通常包括： 強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度指標(biāo)：S S、b b； 塑性指標(biāo)：塑性指標(biāo)：、； 韌性指標(biāo)：韌性指標(biāo)： k k、KcKc。 金屬的理論屈服強(qiáng)度金屬的理論屈服強(qiáng)度 圖圖 原子面受力后產(chǎn)生的位移原子面受力后產(chǎn)生的位移bxm2sinaGbm2令 a=b2Gm 一般金屬的剪切彈性模量一般金屬的剪切彈性模量G G：金屬的理論屈服強(qiáng)度：金屬的理論屈服強(qiáng)度：實(shí)際純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度要比此值低實(shí)際純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度要比此值低100 100 1000 1000倍。倍。 對(duì)鋼而言，對(duì)鋼而言，G G78453 MPa78453 MPa，理論屈服強(qiáng)，理論屈服強(qiáng)度度s s=12486Mpa=12486Mpa，鋼

5、的實(shí)際屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)鋼的實(shí)際屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論屈服強(qiáng)度。低于理論屈服強(qiáng)度。 （2 2）金屬的理論斷裂強(qiáng)度）金屬的理論斷裂強(qiáng)度圖圖1-4 1-4 原子間結(jié)合力的雙原子模型原子間結(jié)合力的雙原子模型1-1-吸引力；吸引力；2-2-排斥力；排斥力；3-3-合應(yīng)力合應(yīng)力斷裂強(qiáng)度？斷裂強(qiáng)度？x2max理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度正弦函正弦函數(shù)波長(zhǎng)數(shù)波長(zhǎng)210maxaEs單位面積單位面積表面能表面能高強(qiáng)度鋼的斷裂強(qiáng)度可達(dá)高強(qiáng)度鋼的斷裂強(qiáng)度可達(dá)2100Mpa2100Mpa，約為理論斷裂強(qiáng)，約為理論斷裂強(qiáng)度的十分之一。一般工程材料的斷裂強(qiáng)度比理論斷裂度的十分之一。一般工程材料的斷裂強(qiáng)度比理論斷裂強(qiáng)度低強(qiáng)度低10-1

6、00010-1000倍。倍。原因：原因：實(shí)際金屬不是理想晶體，滑移過程不是剛性的、整實(shí)際金屬不是理想晶體，滑移過程不是剛性的、整體的移動(dòng)；體的移動(dòng)；在實(shí)際晶體中存在有位錯(cuò)，位錯(cuò)具有可動(dòng)性，位錯(cuò)在實(shí)際晶體中存在有位錯(cuò)，位錯(cuò)具有可動(dòng)性，位錯(cuò)可以通過點(diǎn)陣滑移從一個(gè)位置移向另一個(gè)位置；可以通過點(diǎn)陣滑移從一個(gè)位置移向另一個(gè)位置；材料中存在微裂紋。材料中存在微裂紋。（3 3）金屬的韌性）金屬的韌性 1 1）微裂紋形成機(jī)構(gòu)）微裂紋形成機(jī)構(gòu)位錯(cuò)塞積引起裂紋形成示意圖位錯(cuò)塞積引起裂紋形成示意圖 a) a) 位錯(cuò)塞積理論位錯(cuò)塞積理論b)b)位錯(cuò)反應(yīng)理論位錯(cuò)反應(yīng)理論1112a001a1112ac)c)位錯(cuò)銷毀理論位

7、錯(cuò)銷毀理論條件：滑移面間距條件：滑移面間距102 2）沖擊試驗(yàn)）沖擊試驗(yàn)影響脆性影響脆性斷裂的基斷裂的基本因素本因素三向應(yīng)力狀態(tài)三向應(yīng)力狀態(tài)溫度溫度應(yīng)變速率或加載速率應(yīng)變速率或加載速率a)a)脆性斷裂的外部條件脆性斷裂的外部條件 b)b)缺口沖擊試驗(yàn)缺口沖擊試驗(yàn)夏比試樣斷裂夏比試樣斷裂所需能量所需能量,記記做做CV( K) 查看斷面確定斷查看斷面確定斷裂時(shí)纖維狀（剪裂時(shí)纖維狀（剪切斷裂）、粒狀切斷裂）、粒狀（解理斷裂），（解理斷裂），還是二者的混合還是二者的混合 3 3）轉(zhuǎn)變溫度曲線的意義）轉(zhuǎn)變溫度曲線的意義金屬：出現(xiàn)于金屬：出現(xiàn)于（0.10.2） Tm；陶瓷材料：出現(xiàn)在陶瓷材料：出現(xiàn)在（0.

8、50.7）Tm。Tm：絕對(duì)熔解溫度。：絕對(duì)熔解溫度。塑性斷裂塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度 斷口外觀斷口外觀轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度(FATT) FATT50% 與某一規(guī)與某一規(guī)定的定的Cv值值所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度 NDT:零零塑性轉(zhuǎn)塑性轉(zhuǎn)變溫度。變溫度。材料的組織、結(jié)構(gòu)的影響：材料的組織、結(jié)構(gòu)的影響：a a）面心立方點(diǎn)陣與體心立方、密排六方點(diǎn)陣的比面心立方點(diǎn)陣與體心立方、密排六方點(diǎn)陣的比較：較：b b）細(xì)小均勻分布的第二相質(zhì)點(diǎn)與片狀、尖角狀、）細(xì)小均勻分布的第二相質(zhì)點(diǎn)與片狀、尖角狀、網(wǎng)狀連續(xù)分布的比較：網(wǎng)狀連續(xù)分布的比較：c c）第二相與基體的性質(zhì)差異的影響：）第二相與基體的性質(zhì)差異的影響：d

9、 d）內(nèi)部缺陷內(nèi)部缺陷的影響：的影響：e e）晶粒大小的影響：）晶粒大小的影響：4 4）影響沖擊韌性的因素）影響沖擊韌性的因素 溫度的影響：三個(gè)脆性區(qū)溫度的影響：三個(gè)脆性區(qū) ：冷脆性、藍(lán)脆性、：冷脆性、藍(lán)脆性、重結(jié)晶脆性。重結(jié)晶脆性。 圖圖 1 鋼的幾個(gè)脆性的溫度區(qū)域鋼的幾個(gè)脆性的溫度區(qū)域 圖圖2 不同含碳量的鋼的冷脆和藍(lán)不同含碳量的鋼的冷脆和藍(lán)脆溫度范圍脆溫度范圍 形變速度的影響形變速度的影響 試樣尺寸的影響：試樣尺寸試樣尺寸的影響：試樣尺寸 ，韌性，韌性 ，斷口，斷口纖維狀區(qū)比例減小，韌纖維狀區(qū)比例減小，韌- -脆轉(zhuǎn)化溫度提高（原因）。脆轉(zhuǎn)化溫度提高（原因）。 2 2 鋼鐵材料強(qiáng)韌化理論鋼

10、鐵材料強(qiáng)韌化理論金屬材料金屬材料強(qiáng)化的強(qiáng)化的基本途徑：基本途徑： (1)(1)制成無缺陷制成無缺陷的完整晶體，使的完整晶體，使金屬的晶體強(qiáng)度金屬的晶體強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度。接近理論強(qiáng)度。 鐵晶須：鐵晶須：最大剪切最大剪切應(yīng)力可達(dá)應(yīng)力可達(dá)3640MPa3640MPa。(2)在有缺陷在有缺陷的金屬晶體的金屬晶體中設(shè)法阻止中設(shè)法阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 金屬材料中的顯微缺陷組織可分為：金屬材料中的顯微缺陷組織可分為：(1)(1)點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：(2)(2)線缺陷：線缺陷：(3)(3)面缺陷：面缺陷： (4)(4)體缺陷：體缺陷： 強(qiáng)化手段：強(qiáng)化手段：固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、第二相粒固溶強(qiáng)化、位

11、錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、第二相粒子析出強(qiáng)化及相變強(qiáng)化。子析出強(qiáng)化及相變強(qiáng)化。9563. 03 . 427008676)(%50210dPNMnCFATTf（1 1）成分控制）成分控制 BucherBucher對(duì)對(duì)C-Mn-SiC-Mn-Si鋼：鋼：Mn含量固溶的自由氮含量珠光體的百分?jǐn)?shù)晶粒尺寸提高提高韌性韌性的具體途徑：的具體途徑：公式的適用范圍公式的適用范圍變量平均范圍%Mn%Si%Nf%珠光體d-1/2(mm-1/2)FATT(C)0.930.070.00614.98.06-24.401.9000.3400.2105302014.48-122.8075.6表表2-2 2-2 合金元素對(duì)工業(yè)純鐵強(qiáng)

12、度和韌性的影響合金元素對(duì)工業(yè)純鐵強(qiáng)度和韌性的影響溶質(zhì)元素原子直徑()25(C)時(shí)下屈服點(diǎn)變(107Pa/原子%)沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度變化（C/原子%）PPtMoMnSiNiCoCrV2.182.772.722.242.352.492.492.492.6321.14.93.63.53.52.10.40.0-0.2130,300-20-5-10025-10-5-1 1）P P、S S的影響的影響 P P：回火脆性和影響交叉滑移；：回火脆性和影響交叉滑移；S S：產(chǎn)生應(yīng)力集中及各向異性（：產(chǎn)生應(yīng)力集中及各向異性（原因：原因：）。）。措施措施：盡可能降低盡可能降低S S、P P含量；加入稀土、含量；加入稀

13、土、TiTi、ZrZr等元素。等元素。2）C的影響碳量，鋼中珠光體量（Fe-C相圖），50FATT 。 9563. 03 . 427008676)(%50210dPNMnCFATTf3）V的影響：的影響：VN的形成的形成阻止奧氏體再結(jié)阻止奧氏體再結(jié)晶晶細(xì)化轉(zhuǎn)變后的晶粒。問題：過多的固細(xì)化轉(zhuǎn)變后的晶粒。問題：過多的固溶溶V阻止交叉滑移而影響韌性。阻止交叉滑移而影響韌性。措施：（2 2）氣體和夾雜物控制）氣體和夾雜物控制 氫：引起白點(diǎn)和氫脆；氮：使鋼的韌性下氫：引起白點(diǎn)和氫脆；氮：使鋼的韌性下降；氧化物：使鋼的韌性下降；硫化物：降；氧化物：使鋼的韌性下降；硫化物：硫硫+ +錳錳MnSMnS夾雜：塑

14、性?shī)A雜：塑性 ，缺點(diǎn)：熱軋鋼，缺點(diǎn)：熱軋鋼板橫向韌性板橫向韌性 。措施：降低鋼中硫含量；加鋯措施：降低鋼中硫含量；加鋯(Zr)(Zr)和稀土和稀土等等元素。元素。 a. 頂注；b.連續(xù)鑄錠；c.壓力澆注；d.電渣重熔Ak為20C夏氏V型值（9.8J）；b均為540MPa鑄造工藝對(duì)夾雜物總量及韌性各向異性的影響鑄造工藝對(duì)夾雜物總量及韌性各向異性的影響(3) (3) 壓力加工工藝的控制壓力加工工藝的控制 (4) (4) 熱處理工藝的選擇熱處理工藝的選擇 通過改變金屬的化學(xué)成分來提高強(qiáng)通過改變金屬的化學(xué)成分來提高強(qiáng)度。度。 運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與異質(zhì)原子之運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與異質(zhì)原子之間相互作用的結(jié)果。間相互作用的結(jié)

15、果。強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)：強(qiáng)化的金屬學(xué)基礎(chǔ)：強(qiáng)化的金屬學(xué)基礎(chǔ)：2.1 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化分類：固溶強(qiáng)化分類：間隙式固溶強(qiáng)化和置換式固溶強(qiáng)化間隙式固溶強(qiáng)化和置換式固溶強(qiáng)化 圖圖2-5 鐵的屈服應(yīng)力和含碳量的關(guān)系鐵的屈服應(yīng)力和含碳量的關(guān)系（1 1）間隙式固溶強(qiáng)化：）間隙式固溶強(qiáng)化：碳、氮等溶質(zhì)原子嵌碳、氮等溶質(zhì)原子嵌入入a-Fea-Fe晶格的八面體晶格的八面體間隙中，使晶格產(chǎn)生間隙中，使晶格產(chǎn)生不對(duì)稱正方形畸變?cè)觳粚?duì)稱正方形畸變?cè)斐蓮?qiáng)硬化效應(yīng)。成強(qiáng)硬化效應(yīng)。作用：作用：302010302)(2)(baCiNCssNCss圖圖2-6 (2-6 (SSSS) )C+NC+N隨隨C、N含量的變化含

16、量的變化規(guī)律規(guī)律 柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán) ：SnockSnock氣團(tuán)氣團(tuán) ：KiKi：由間隙原子性質(zhì)、基體晶格類型、基體的剛：由間隙原子性質(zhì)、基體晶格類型、基體的剛度、溶質(zhì)和溶劑原子的直徑差及二者的化學(xué)性質(zhì)度、溶質(zhì)和溶劑原子的直徑差及二者的化學(xué)性質(zhì)差別等因素決定的數(shù)值；差別等因素決定的數(shù)值；CiCi：間隙原子的固溶量（原子百分?jǐn)?shù)）；：間隙原子的固溶量（原子百分?jǐn)?shù)）；n n：0.330.33 2.02.0之間變化的一個(gè)指數(shù)之間變化的一個(gè)指數(shù) 。 niissssCK 2間隙式固溶強(qiáng)化對(duì)塑性、韌性的影響：間隙式固溶強(qiáng)化對(duì)塑性、韌性的影響：1 1）間隙原子在鐵素體晶格中造成的畸變是不對(duì)稱的，所以隨間隙原子在

17、鐵素體晶格中造成的畸變是不對(duì)稱的，所以隨著間隙原子濃度的增加，塑性和韌性明顯下降。著間隙原子濃度的增加，塑性和韌性明顯下降。馬氏體含碳量(%)沖擊值Cv(Nm)20121658252 2）碳、氮間隙原子能引起低碳鋼的藍(lán)脆碳、氮間隙原子能引起低碳鋼的藍(lán)脆 強(qiáng)度升高，延伸率降低（藍(lán)脆）。強(qiáng)度升高，延伸率降低（藍(lán)脆）。同樣，螺型位錯(cuò)線附近的同樣，螺型位錯(cuò)線附近的SnockSnock氣團(tuán)也會(huì)使氣團(tuán)也會(huì)使塑性降低。塑性降低。結(jié)論：結(jié)論：（2 2）置換式固溶強(qiáng)）置換式固溶強(qiáng)化：畸變大都是球面化：畸變大都是球面對(duì)稱，強(qiáng)化效能比間對(duì)稱，強(qiáng)化效能比間隙式原子小兩個(gè)數(shù)量隙式原子小兩個(gè)數(shù)量級(jí)級(jí) （弱硬化）。（弱硬化

18、）。元素類型不同，強(qiáng)化元素類型不同，強(qiáng)化效能也不同。效能也不同。圖圖2-7 2-7 置換式元素對(duì)置換式元素對(duì)a-Fe屈服強(qiáng)度的影響屈服強(qiáng)度的影響 置換式固溶強(qiáng)化通式：置換式固溶強(qiáng)化通式： KsKs：常數(shù)，：常數(shù)，CsCs：溶質(zhì)原子的固溶量（原子百：溶質(zhì)原子的固溶量（原子百分?jǐn)?shù)），分?jǐn)?shù)），n n：0.50.5 1.01.0之間。之間。nsssubsssubssCK )(2)(置換式固溶強(qiáng)化對(duì)韌性的影響：置換式固溶強(qiáng)化對(duì)韌性的影響：1 1）基體中含有置換式固溶原子（如）基體中含有置換式固溶原子（如SiSi、P P、MnMn）平面滑移平面滑移硬化指數(shù)硬化指數(shù)n=n=均勻延伸率均勻延伸率 u u。2)

19、2)鋼中加入鋼中加入Ni(Ni(或或PtPt、Pd)Pd)，能促進(jìn)低溫時(shí)螺型位，能促進(jìn)低溫時(shí)螺型位錯(cuò)交滑移，使韌性提高。錯(cuò)交滑移，使韌性提高。SiSi、AlAl使低溫交滑移困使低溫交滑移困難，鋼的塑性和韌性降低。難，鋼的塑性和韌性降低。3)3)影響鋼基體的層錯(cuò)能影響鋼基體的層錯(cuò)能增加層錯(cuò)能的元素：增加層錯(cuò)能的元素：降低層錯(cuò)能的元素：降低層錯(cuò)能的元素：4)4)對(duì)基體對(duì)基體PeierlsPeierls力的影響。力的影響。小結(jié)：小結(jié)：固溶強(qiáng)化效果取決于：固溶強(qiáng)化效果取決于：溶質(zhì)元素在溶劑中的溶解度大??；溶質(zhì)元素在溶劑中的溶解度大小； 溶質(zhì)元素溶解量；溶質(zhì)元素溶解量；形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素（如形成間

20、隙固溶體的溶質(zhì)元素（如C C、N N、B B）強(qiáng)）強(qiáng)化作用大于形成置換式固溶體（如化作用大于形成置換式固溶體（如MnMn、SiSi、P P）的溶質(zhì)元素；的溶質(zhì)元素；溶質(zhì)與基體的原子大小差別愈大，強(qiáng)化效果溶質(zhì)與基體的原子大小差別愈大，強(qiáng)化效果也愈顯著。也愈顯著。位錯(cuò)的釘扎作用；位錯(cuò)的釘扎作用；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力增加；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力增加；結(jié)構(gòu)強(qiáng)化引起的強(qiáng)化；結(jié)構(gòu)強(qiáng)化引起的強(qiáng)化；固溶強(qiáng)化機(jī)制：固溶強(qiáng)化機(jī)制：位錯(cuò)密度與強(qiáng)度值增加位錯(cuò)密度與強(qiáng)度值增加v v之間關(guān)系式之間關(guān)系式： 21BbGv2.2 應(yīng)變強(qiáng)化（位錯(cuò)強(qiáng)化）應(yīng)變強(qiáng)化（位錯(cuò)強(qiáng)化） 無量綱系數(shù)，無量綱系數(shù)，數(shù)量級(jí)為數(shù)量級(jí)為1柏氏矢量柏氏矢量抗

21、剪摩數(shù)抗剪摩數(shù)位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度圖2-10 不同結(jié)構(gòu)的鋼的強(qiáng)化狀態(tài) 位錯(cuò)強(qiáng)化對(duì)塑性及韌性的影響位錯(cuò)強(qiáng)化對(duì)塑性及韌性的影響：(1)(1)位錯(cuò)的合并位錯(cuò)的合并以及在障礙處的塞積會(huì)促使裂紋形核，使塑性和以及在障礙處的塞積會(huì)促使裂紋形核，使塑性和韌性降低。韌性降低。(2)(2)由于位錯(cuò)在裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)的由于位錯(cuò)在裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)的移動(dòng)可減緩尖端的應(yīng)力集中，使塑性和韌性升高。移動(dòng)可減緩尖端的應(yīng)力集中，使塑性和韌性升高。圖圖2-11 2-11 通過冷變形改變的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)化溫度通過冷變形改變的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)化溫度 冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理 相鄰的取向不同的晶粒邊界區(qū)相鄰的

22、取向不同的晶粒邊界區(qū)域，或者域，或者說是周期性排列的點(diǎn)陣的取向發(fā)生突然轉(zhuǎn)折的區(qū)說是周期性排列的點(diǎn)陣的取向發(fā)生突然轉(zhuǎn)折的區(qū)域。域。 （1 1）具有界面能；（）具有界面能；（2 2）界面能量）界面能量高于晶粒內(nèi)部；（高于晶粒內(nèi)部；（3 3）對(duì)力學(xué)性能的影響。）對(duì)力學(xué)性能的影響。分大角度晶界，小角度晶界。分大角度晶界，小角度晶界。晶界：晶界：晶界特點(diǎn)晶界特點(diǎn)：2.3 2.3 晶界強(qiáng)晶界強(qiáng)化化 2.3.1 晶界強(qiáng)化機(jī)晶界強(qiáng)化機(jī)理理 ：圖圖 節(jié)狀晶體的拉伸變形節(jié)狀晶體的拉伸變形 多晶體內(nèi)變形的不均性多晶體內(nèi)變形的不均性晶界的阻礙作用晶界的阻礙作用 ； 晶界對(duì)滑移的阻礙作用 在晶界上的位錯(cuò)塞積群多晶體晶粒

23、的塑性變形必須滿足連續(xù)性的條件多晶體晶粒的塑性變形必須滿足連續(xù)性的條件2.3.2 Hall-Petch(霍爾配奇)公式 圖圖2-14 軟鋼的晶粒大小對(duì)壓軟鋼的晶粒大小對(duì)壓縮屈服應(yīng)力和拉伸脆斷應(yīng)力縮屈服應(yīng)力和拉伸脆斷應(yīng)力的影響的影響 -壓縮屈服應(yīng)力；壓縮屈服應(yīng)力； -拉伸脆拉伸脆斷應(yīng)力斷應(yīng)力211dKiy i：常數(shù)，相當(dāng)于單晶體時(shí)的屈服強(qiáng)度；：常數(shù)，相當(dāng)于單晶體時(shí)的屈服強(qiáng)度； K1：反映晶界對(duì)強(qiáng)度影響程度的常數(shù)，它和晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)，：反映晶界對(duì)強(qiáng)度影響程度的常數(shù)，它和晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)，和溫度關(guān)系不大。和溫度關(guān)系不大。 圖圖2-15 0.15%碳鋼屈服強(qiáng)度和晶粒直徑間的關(guān)系碳鋼屈服強(qiáng)度和晶粒直徑間的關(guān)系

24、- -靜拉；靜拉；- -變形速度變形速度1.41.410102 2S S-1-1; ; 變形速度變形速度2.12.110102 2S S-1-1鐵素體一珠光體鋼有下述形式的Hall-Petch關(guān)系式：式中i和p分別表示完全為鐵素體和完全為珠光體時(shí)的內(nèi)摩擦應(yīng)力；f和fp分別表示鐵素體和珠光體的體積分?jǐn)?shù)（f+fp=1）；d為鐵素體晶粒直徑。鐵素體-珠光體鋼中Mn、Si含量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響：21dKfffyppiy2126%72%)9438(54dfSifMnfpy鐵素體晶粒細(xì)化，可以提高屈服強(qiáng)度鐵素體晶粒細(xì)化，可以提高屈服強(qiáng)度(d(d與與 比較比較 ) )；晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，細(xì)化晶?？墒共牧系?/p>

25、屈服強(qiáng)度提晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，細(xì)化晶?？墒共牧系那?qiáng)度提高。高。 21mdATK21d晶界強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的影響：晶界強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的影響：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶粒愈細(xì)，裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶粒愈細(xì)，裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力 c c愈大，材料的韌性愈高。愈大，材料的韌性愈高。晶界強(qiáng)化對(duì)塑性的影響晶界強(qiáng)化對(duì)塑性的影響：晶界可把塑性變形限定在一定的范圍內(nèi)，使變形均勻化，晶界可把塑性變形限定在一定的范圍內(nèi)，使變形均勻化，因此晶粒細(xì)化也可以提高材料的塑性。因此晶粒細(xì)化也可以提高材料的塑性。晶界強(qiáng)化對(duì)韌性的影響：晶界強(qiáng)化對(duì)韌性的影響：212dKSypc 亞晶界亞晶界：晶內(nèi)界面，晶粒內(nèi)取向差在幾度范

26、：晶內(nèi)界面，晶粒內(nèi)取向差在幾度范圍的各個(gè)小區(qū)域。圍的各個(gè)小區(qū)域。 形成條件：形成條件：在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)或奧氏體、在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)或奧氏體、鐵素體兩相區(qū)變形；冷變形后低溫回火。鐵素體兩相區(qū)變形；冷變形后低溫回火。 強(qiáng)化原因：強(qiáng)化原因：亞晶本身是位錯(cuò)墻，亞晶細(xì)小，位亞晶本身是位錯(cuò)墻，亞晶細(xì)小，位錯(cuò)密度也高。強(qiáng)化作用方面與晶界具有類似的性錯(cuò)密度也高。強(qiáng)化作用方面與晶界具有類似的性質(zhì)。質(zhì)。只有晶界強(qiáng)化機(jī)理才能使材料強(qiáng)化的同時(shí)又使材只有晶界強(qiáng)化機(jī)理才能使材料強(qiáng)化的同時(shí)又使材料的韌塑性提高，所以細(xì)化晶粒就成為控制軋制料的韌塑性提高，所以細(xì)化晶粒就成為控制軋制工藝的基本目標(biāo)。工藝的基本目標(biāo)。2.4 2.

27、4 亞晶強(qiáng)亞晶強(qiáng)化化對(duì)強(qiáng)度的影響：對(duì)強(qiáng)度的影響： 式中式中 i i、K K分別是分別是Hall-PetchHall-Petch公式的單晶體的屈公式的單晶體的屈服強(qiáng)度和晶界強(qiáng)化系數(shù)；服強(qiáng)度和晶界強(qiáng)化系數(shù)；D D：沒有亞晶的等軸鐵：沒有亞晶的等軸鐵素體尺寸；素體尺寸；d d：鐵素體亞晶的尺寸；：鐵素體亞晶的尺寸；f fF F：等軸鐵素等軸鐵素體的分?jǐn)?shù)。體的分?jǐn)?shù)。2/ )1 (2121FFisfdfDK定義定義：第二相質(zhì)點(diǎn)沉淀時(shí)，沉淀相在基體中造成第二相質(zhì)點(diǎn)沉淀時(shí)，沉淀相在基體中造成應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)之間的交互作用。應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)之間的交互作用。 沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化）：沉淀強(qiáng)化（時(shí)效

28、強(qiáng)化）：彌散強(qiáng)化：彌散強(qiáng)化：2.5 2.5 沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化2.5.1 2.5.1 沉淀析出條件沉淀析出條件 固溶度隨溫度的降低而減少。固溶度隨溫度的降低而減少。過時(shí)效：過時(shí)效：圖圖 2-17 可能出現(xiàn)沉淀強(qiáng)化的合金系可能出現(xiàn)沉淀強(qiáng)化的合金系 （1 1）切過第二相的強(qiáng)化機(jī)理）切過第二相的強(qiáng)化機(jī)理 條件：第二相比較細(xì)小，與基體存在共格關(guān)系。條件：第二相比較細(xì)小，與基體存在共格關(guān)系。強(qiáng)化原因：強(qiáng)化原因：1 1）；）；2 2）；）；3 3）2.5.2 2.5.2 沉淀強(qiáng)化機(jī)沉淀強(qiáng)化機(jī)理理位錯(cuò)切過第二位錯(cuò)切過第二相質(zhì)點(diǎn)后增加相質(zhì)點(diǎn)后增加的相界面的相界面(2)2) 繞過第二相的強(qiáng)化機(jī)理繞過第二相的強(qiáng)化機(jī)

29、理?xiàng)l件：條件： 位錯(cuò)繞過第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)的過程示意圖位錯(cuò)繞過第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)的過程示意圖 影響沉淀強(qiáng)化的因素影響沉淀強(qiáng)化的因素：沉淀相的部位、形沉淀相的部位、形狀。狀。沉淀顆粒分布在整個(gè)基體上好于分布在晶沉淀顆粒分布在整個(gè)基體上好于分布在晶界上；顆粒形球狀比片狀更有利于強(qiáng)化。界上；顆粒形球狀比片狀更有利于強(qiáng)化。 形變熱處理產(chǎn)生強(qiáng)化的原因：形變熱處理產(chǎn)生強(qiáng)化的原因：特點(diǎn)特點(diǎn)： (1) (1) 強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)是通過機(jī)械混合，壓制燒結(jié)強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)是通過機(jī)械混合，壓制燒結(jié)到基體中去的。沒有沉淀析出過程。到基體中去的。沒有沉淀析出過程。 (2) (2) 第二相在第二相在基體中一般溶解度都很小，甚至在高溫下。所以很基體

30、中一般溶解度都很小，甚至在高溫下。所以很穩(wěn)定，不易長(zhǎng)大。穩(wěn)定，不易長(zhǎng)大。 (3) (3) 第二相與基體沒有共格關(guān)系。第二相與基體沒有共格關(guān)系。(4)(4)彌散強(qiáng)化合金不要求隨溫度降低固溶體的溶解彌散強(qiáng)化合金不要求隨溫度降低固溶體的溶解度要降低的限制，可以設(shè)計(jì)大量的彌散合金系統(tǒng)。度要降低的限制，可以設(shè)計(jì)大量的彌散合金系統(tǒng)。機(jī)理：機(jī)理：繞過理論繞過理論2.5.3 2.5.3 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化（1 1）沉淀相的體積比越大，強(qiáng)化效果越顯著，）沉淀相的體積比越大，強(qiáng)化效果越顯著，因此必須提高基體的過飽和度。因此必須提高基體的過飽和度。（2 2）第二相質(zhì)點(diǎn)彌散度越大，強(qiáng)化效果越好。）第二相質(zhì)點(diǎn)彌散度越大，強(qiáng)化效果越好。共格第二相比非共格第二相的強(qiáng)化效能大。共格第二相比非共格第二相的強(qiáng)化效能大。（3 3）第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大，強(qiáng)化）第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大，強(qiáng)化效果越大。效果越大。沉淀和彌散強(qiáng)化總結(jié)：沉淀和彌散強(qiáng)化總結(jié)：(1)(1)沉淀強(qiáng)化對(duì)裂紋擴(kuò)展所需要的臨界應(yīng)力沉淀強(qiáng)化