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(xué)多媒體課件昆明理工大學(xué)多媒體課件材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)要求教學(xué)要求v學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容v教學(xué)安排教學(xué)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(shù)的發(fā)展過程控軋和控冷技術(shù)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(shù)是近十多年來國內(nèi)外新控制軋制冷卻技術(shù)是近十多年來國內(nèi)外新發(fā)展起來的軋鋼新技術(shù)，已成功而廣泛地應(yīng)發(fā)展起來的軋

2、鋼新技術(shù)，已成功而廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)過程中，能明顯改善鋼材組織結(jié)構(gòu)，用于生產(chǎn)過程中，能明顯改善鋼材組織結(jié)構(gòu)，提高鋼材的強(qiáng)韌性和使用性能。學(xué)生通過學(xué)提高鋼材的強(qiáng)韌性和使用性能。學(xué)生通過學(xué)習(xí)課程，能進(jìn)一步理解壓力加工過程不僅是習(xí)課程，能進(jìn)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(zhuǎn)變，最終影響身也能影響金屬材料的組織轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及產(chǎn)品性在一定條件下獲得所需的組織結(jié)構(gòu)及產(chǎn)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(xué)生擴(kuò)大和加深本專選修課，可使學(xué)生擴(kuò)大和加深本專業(yè)的知識(shí)，掌握材料加工的前沿技業(yè)的知識(shí)，掌握材料加工的前沿技術(shù)。術(shù)。 控制軋制的核心就是將軋制的動(dòng)控制軋制的核心就是將軋制的動(dòng)態(tài)過程和熱處理的動(dòng)態(tài)過程相結(jié)合，態(tài)過程和熱處理的動(dòng)態(tài)過程相結(jié)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(xué)要求教學(xué)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(jié)合，以獲得細(xì)小晶粒組織，使鋼材相變結(jié)合，以獲得細(xì)小晶粒組織，使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。具有優(yōu)

4、異的綜合力學(xué)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(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。制冷卻技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。v掌握鋼的強(qiáng)韌化理論，變形條件下再結(jié)晶掌握鋼的強(qiáng)韌化理論，變形條件下再結(jié)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(jī)理及控制冷卻中的在控制軋制中的作用機(jī)理及控制冷卻中的強(qiáng)化冷卻方式等控軋控冷的基本知識(shí)。強(qiáng)化冷卻方式等控軋控冷的基本知識(shí)。 學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)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 鋼的強(qiáng)化和韌化鋼的強(qiáng)化和韌化 鋼的奧氏體形變與再結(jié)晶鋼的奧氏體形變與再結(jié)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(chǔ)鋼材控制冷卻理論基礎(chǔ)v第二篇：控制軋制及控制冷卻技術(shù)的應(yīng)用第二篇：控制軋制及控制冷卻技術(shù)的應(yīng)用 控制軋制及控制冷卻技術(shù)在鋼板生產(chǎn)中的應(yīng)用控制軋制及控制冷卻技術(shù)在鋼板生產(chǎn)中的應(yīng)用 控制軋制及控制冷卻技術(shù)在型鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用控制軋制及控制冷卻技術(shù)在型鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用 控制軋制及控制冷卻技術(shù)在鋼管生產(chǎn)中的應(yīng)用控制軋制及控制冷卻技術(shù)在鋼管生產(chǎn)中的應(yīng)用教學(xué)安排教學(xué)安排v教學(xué)：教學(xué)：本課程本課程2 2學(xué)分，總課時(shí)為學(xué)分，總課時(shí)為3232學(xué)時(shí)，每學(xué)時(shí)，每周周2 2學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)，1-161-16周上課。周

6、上課。v考核考核：總成績平時(shí)成績：總成績平時(shí)成績( (30%30%) )期末大作期末大作業(yè)業(yè)( (70%70%) ) 平時(shí)成績：考勤課堂提問課堂討論平時(shí)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(dá)到學(xué)校規(guī)定的次數(shù)者，不無故缺課達(dá)到學(xué)校規(guī)定的次數(shù)者，不能獲得本課程學(xué)分。能獲得本課程學(xué)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(shù)手李曼

7、云，鋼的控制軋制和控制冷卻技術(shù)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(xué)報(bào)鋼鐵冶金學(xué)報(bào)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(jié)合，以獲得細(xì)小晶粒組織，使鋼材具有變結(jié)合，以獲得細(xì)小晶粒組織，使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能的軋制新工藝。優(yōu)異的綜合力學(xué)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(shù)，細(xì)化變形工藝主要通過控制工藝參數(shù)，細(xì)化變形晶晶粒，經(jīng)過粒，經(jīng)過向向和和P的相變，形成細(xì)化的的相變，形成細(xì)化的和和較為細(xì)小的較為細(xì)小的P球團(tuán)，從而達(dá)到提高鋼的強(qiáng)度、球團(tuán)，從而達(dá)到提高鋼的強(qiáng)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卻速度達(dá)到改善鋼材組制軋制后鋼材的冷卻速度達(dá)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(jié)合能將熱軋鋼控制軋制和

9、控制冷卻相結(jié)合能將熱軋鋼材的兩種強(qiáng)化效果相加，進(jìn)一步提高鋼材材的兩種強(qiáng)化效果相加，進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)韌性和獲得合理的綜合力學(xué)性能。的強(qiáng)韌性和獲得合理的綜合力學(xué)性能。 目前，控制軋制和控制冷卻工藝已應(yīng)用目前，控制軋制和控制冷卻工藝已應(yīng)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(jì)效果。得了明顯的經(jīng)濟(jì)效果。控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程v20世紀(jì)世紀(jì)20年代開始研究鋼在熱加工時(shí)，年代開始研究鋼在熱加工時(shí)，溫度和變形條件對顯微組織和力學(xué)性能的溫度和變形條件對顯微組織和力學(xué)性能的影響；影響；v二戰(zhàn)時(shí)，荷蘭等國采用二戰(zhàn)時(shí)，荷蘭等國采用“低溫大壓下低溫大

10、壓下”細(xì)細(xì)化低碳鋼的化低碳鋼的晶粒，提高強(qiáng)韌性；晶粒，提高強(qiáng)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(guān)系的理論研究工作，為控制軋制和性能關(guān)系的理論研究工作，為控制軋制和控制冷卻的機(jī)理研究和工藝的實(shí)踐奠定了控制冷卻的機(jī)理研究和工藝的實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)；基礎(chǔ)；控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程v20世紀(jì)世紀(jì)20年代開始研究鋼在熱加工時(shí)，年代開始研究鋼在熱加工時(shí)，溫度和變形條件對顯微組織和力學(xué)性能的溫度和變形條件對顯微組織和力學(xué)性能的影響；影響；v二戰(zhàn)時(shí)，荷蘭等國采用二戰(zhàn)時(shí)，荷蘭等國采用

11、“低溫大壓下低溫大壓下”細(xì)細(xì)化低碳鋼的化低碳鋼的晶粒，提高強(qiáng)韌性；晶粒，提高強(qiáng)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(guān)系的理論研究工作，為控制軋制和性能關(guān)系的理論研究工作，為控制軋制和控制冷卻的機(jī)理研究和工藝的實(shí)踐奠定了控制冷卻的機(jī)理研究和工藝的實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)；基礎(chǔ)；控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程v60年代中期，英國鋼鐵研究會(huì)對鋼的成分年代中期，英國鋼鐵研究會(huì)對鋼的成分與鋼的力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了系列研與鋼的力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了系列研究，提出了相應(yīng)的控制軋制理論；究

12、，提出了相應(yīng)的控制軋制理論；v在開發(fā)控制軋制工藝時(shí)，人們致力于降低在開發(fā)控制軋制工藝時(shí)，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(yùn)用近些年來，控制冷卻工藝已經(jīng)成功地運(yùn)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(jì)效益和社鋼生產(chǎn)中，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。會(huì)效益。我國控軋控冷技術(shù)概況我國控軋控冷技術(shù)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(qiáng)度鋼德形變熱處理工藝研究，軸承鋼軋強(qiáng)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(jìn)行系統(tǒng)研究；年開始對控制控冷進(jìn)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(shù)生產(chǎn)高強(qiáng)度、高韌性的造船、控制控冷技術(shù)生產(chǎn)高強(qiáng)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(bǔ)了國內(nèi)鋼材的部分空白。種，填補(bǔ)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(qiáng)化和韌化鋼的強(qiáng)化和韌化1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制 金屬材料的機(jī)械性能是指金屬材料在外力金屬材料的機(jī)械性能是指金屬材料在外力（載荷）

14、作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能，包括強(qiáng)度、（載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能，包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度等。塑性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度等。 載荷的形式載荷的形式1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制 材料機(jī)械性能指標(biāo)材料機(jī)械性能指標(biāo) 1 鋼的強(qiáng)化和韌化鋼的強(qiáng)化和韌化 對于鋼材來說，在大多數(shù)情況下其力學(xué)性對于鋼材來說，在大多數(shù)情況下其力學(xué)性能是最重要的，其中能是最重要的，其中強(qiáng)度強(qiáng)度性能又居首位。性能又居首位。 除了強(qiáng)度之外，鋼材還要求一定的除了強(qiáng)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(gè)指標(biāo)和強(qiáng)度是相互關(guān)聯(lián)甚，這兩個(gè)指標(biāo)和強(qiáng)度是相互關(guān)聯(lián)甚至互相矛盾的，很難單方面改變某一指標(biāo)而至互相矛盾的

15、，很難單方面改變某一指標(biāo)而其它不變。其它不變。 結(jié)構(gòu)鋼的最新發(fā)展方向是高強(qiáng)、高韌和結(jié)構(gòu)鋼的最新發(fā)展方向是高強(qiáng)、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(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制 強(qiáng)度：強(qiáng)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(yīng)力來能力，用給定條件下所能承受的應(yīng)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(yīng)變應(yīng)力1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)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(qiáng)化階段頸縮階段1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼

16、的強(qiáng)化機(jī)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(yīng)力，是彈性零件的不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，是彈性零件的設(shè)計(jì)依據(jù)。設(shè)計(jì)依據(jù)。v屈服極限（屈服極限（ 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)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(xiàn)象，則用條件屈服點(diǎn)（明顯的屈服現(xiàn)象，則用條件屈服點(diǎn)（0.2 ）來表示：產(chǎn)生來表示：產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值。殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值。v強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度b ）：）：表示金屬受拉表示金屬受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。 e

17、 、s 、b 是機(jī)械零件和構(gòu)件設(shè)計(jì)和選是機(jī)械零件和構(gòu)件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)。材的主要依據(jù)。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制金屬強(qiáng)度的影響因素金屬強(qiáng)度的影響因素v化學(xué)成分：化學(xué)成分：W(C) 0.9%時(shí)，碳鋼隨含時(shí)，碳鋼隨含碳量的增加，其強(qiáng)度增加。碳量的增加，其強(qiáng)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(jīng)過冷加工后強(qiáng)度明，經(jīng)過冷加工后強(qiáng)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(qiáng)度由）后，其強(qiáng)度由500MPa增至增至700800MPa。1.

18、1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制v強(qiáng)化：強(qiáng)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(qiáng)度的方法。手段提高金屬強(qiáng)度的方法。v屈服強(qiáng)度：屈服強(qiáng)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(jié)合力，理論值為來源于金屬原子間的結(jié)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(shí)際金屬中存在各體的彈性模量）。由于實(shí)際金屬中存在各種晶體缺陷，特別是存在位錯(cuò)，位錯(cuò)很容種晶體缺陷，特別是存在位錯(cuò)，位錯(cuò)很容易運(yùn)動(dòng)，因而不能充分發(fā)揮原子間結(jié)合力易運(yùn)動(dòng)，因而不能充分發(fā)揮原子間結(jié)合力的作用，故的作用，故金屬的實(shí)際強(qiáng)度

19、遠(yuǎn)低于理論值金屬的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論值1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)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(cuò)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的晶內(nèi)一部分相對于另錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的晶內(nèi)一部分相對于另一部分的剪切運(yùn)動(dòng)，最基本的是滑移、一部分的剪切運(yùn)動(dòng)，最基本的是滑移、孿生和扭折。孿生和扭折。v在在T0.5Tm時(shí)，可能出現(xiàn)晶間變形時(shí)，可能出現(xiàn)晶間變形和晶界滑移，這類變形不僅同位錯(cuò)運(yùn)和晶界滑移，這類變形不僅同位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而且擴(kuò)散過程也起重要作用動(dòng)有關(guān)，而且擴(kuò)散過程也起重要作用. .1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制v室溫時(shí)，金屬的塑性變形

20、實(shí)質(zhì)上就是室溫時(shí)，金屬的塑性變形實(shí)質(zhì)上就是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（或者更全面的說是晶體缺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（或者更全面的說是晶體缺陷運(yùn)動(dòng)，但位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是基本的，主要陷運(yùn)動(dòng)，但位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是基本的，主要的）。的）。提高位錯(cuò)源開動(dòng)所需要的應(yīng)力提高位錯(cuò)源開動(dòng)所需要的應(yīng)力和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，就提高了金屬材和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，就提高了金屬材料的屈服強(qiáng)度，也就提高了金屬材料料的屈服強(qiáng)度，也就提高了金屬材料的強(qiáng)度的強(qiáng)度，故提高鋼的強(qiáng)度首先要提高故提高鋼的強(qiáng)度首先要提高鋼的屈服強(qiáng)度。鋼的屈服強(qiáng)度。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制一、冷變形強(qiáng)化一、冷變形強(qiáng)化( (strainstrengthening) )（或應(yīng)變硬化、應(yīng)變強(qiáng)化、冷作硬化、（或

21、應(yīng)變硬化、應(yīng)變強(qiáng)化、冷作硬化、加工硬化、加工硬化、位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化) )1 1、基本概念、基本概念v冷變形：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下冷變形：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下的變形。的變形。v冷變形強(qiáng)化：金屬材料在冷塑性變形冷變形強(qiáng)化：金屬材料在冷塑性變形過程中，隨著變形程度增加，其強(qiáng)度過程中，隨著變形程度增加，其強(qiáng)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(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制2 2、強(qiáng)化機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)理v冷變形使金屬內(nèi)位錯(cuò)大量增殖冷變形使金屬內(nèi)位錯(cuò)大量增殖, ,密度增大密度增大; ;v位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中彼此交截，形成割階，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中彼此交截，形成割階，使位錯(cuò)的可動(dòng)性

22、減小；位錯(cuò)的可動(dòng)性減?。籿許多位錯(cuò)經(jīng)交互作用后纏結(jié)在一起，形成許多位錯(cuò)經(jīng)交互作用后纏結(jié)在一起，形成位錯(cuò)纏結(jié)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更困難，以致需要位錯(cuò)纏結(jié)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更困難，以致需要更大的力才能使位錯(cuò)克服障礙而運(yùn)動(dòng)。更大的力才能使位錯(cuò)克服障礙而運(yùn)動(dòng)。 變形量越大，材料變形阻力越大，強(qiáng)度變形量越大，材料變形阻力越大，強(qiáng)度越高。越高。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制3 3、特點(diǎn)、特點(diǎn)v金屬材料的冷變形強(qiáng)化程金屬材料的冷變形強(qiáng)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(jié)構(gòu)不同，金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)不同，其其加工硬化率加工硬化率（或稱（或稱應(yīng)變應(yīng)變硬化系數(shù)硬

23、化系數(shù)）也不同，）也不同，HCPHCP金金屬的應(yīng)變硬化系數(shù)較小，屬的應(yīng)變硬化系數(shù)較小，而而BCCBCC特別是特別是FCCFCC金屬的應(yīng)金屬的應(yīng)變硬化系數(shù)較大。變硬化系數(shù)較大。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)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(huì)象現(xiàn)象不會(huì)象HCPHCP晶體可能出現(xiàn)的那樣強(qiáng)烈；晶體可能出現(xiàn)的那樣強(qiáng)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(qiáng)烈的物滑移和交滑移，也就容易出現(xiàn)較強(qiáng)烈的物理強(qiáng)化。理強(qiáng)化。 BCCBCC：3 3個(gè)個(gè)1101104 4個(gè)

24、個(gè)=12=12個(gè)滑移系個(gè)滑移系 FCCFCC：4 4個(gè)個(gè)1111113 3個(gè)個(gè)=12=12個(gè)滑移系個(gè)滑移系 HCPHCP：1 1個(gè)個(gè)000100013 3個(gè)個(gè)=3=3個(gè)滑移系個(gè)滑移系1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制4 4、應(yīng)用、應(yīng)用v特別適用于純金屬及熱處理不強(qiáng)化的合金特別適用于純金屬及熱處理不強(qiáng)化的合金, ,尤其是導(dǎo)電材料（尤其是導(dǎo)電材料（原因：雖然冷變形使延原因：雖然冷變形使延性、導(dǎo)電性和耐蝕性降低，但與其它方法性、導(dǎo)電性和耐蝕性降低，但與其它方法如固溶強(qiáng)化相比，其冷變形后的導(dǎo)電性的如固溶強(qiáng)化相比，其冷變形后的導(dǎo)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(dǎo)線；電銅導(dǎo)線；v在實(shí)踐中利用，如冷拔線材、深沖薄板異在實(shí)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(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制二、固溶強(qiáng)化二、固溶強(qiáng)化( (solidsolutionstrengthening) )1 1、基本概念、基本概念v固溶強(qiáng)化：當(dāng)合金元素（溶質(zhì)）固溶固溶強(qiáng)化：當(dāng)合金元素（溶質(zhì)）固溶到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時(shí)，到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時(shí)，合金的強(qiáng)度和硬度則會(huì)提高，稱為固合金的強(qiáng)度和硬度則會(huì)提高，稱為固溶強(qiáng)化。如黃銅溶強(qiáng)化。如黃銅(Cu-Zn)(Cu-Zn)強(qiáng)度要高于強(qiáng)度要高于紫銅。紫銅。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制2 2、強(qiáng)化機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)理

26、v彈性交互作用：溶質(zhì)原子和位錯(cuò)周圍均存彈性交互作用：溶質(zhì)原子和位錯(cuò)周圍均存在應(yīng)力場，為了使系統(tǒng)應(yīng)變能降低，二者在應(yīng)力場，為了使系統(tǒng)應(yīng)變能降低，二者會(huì)發(fā)生交互作用（會(huì)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(cuò)的偏聚位錯(cuò)的偏聚），形成柯氏氣團(tuán)（），形成柯氏氣團(tuán)（圍繞位錯(cuò)圍繞位錯(cuò)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(cuò)運(yùn)），阻礙位錯(cuò)運(yùn)運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)；v合金元素與基體金屬原子價(jià)不同，產(chǎn)生電合金元素與基體金屬原子價(jià)不同，產(chǎn)生電化學(xué)交互作用?；瘜W(xué)交互作用。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)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(qiáng)化效越大

27、，強(qiáng)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)元素溶解量素溶解量越大，強(qiáng)化越大，強(qiáng)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(qiáng)越小，強(qiáng)化效果越好；化效果越好；1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)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(qiáng)化效果好于形成置換固溶體強(qiáng)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(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制4 4、特點(diǎn)、特點(diǎn) 提高合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度提高合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，對其它影響如下：的同時(shí)

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(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(qiáng)度和韌性同時(shí)提合金的強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高高) )；v使合金的導(dǎo)電性低于純金屬；使合金的導(dǎo)電性低于純金屬；v提高合金的抗蠕變性能，減少高溫下強(qiáng)度提高合金的抗蠕變性能，減少高溫下強(qiáng)度損失；損失；1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制三、沉淀強(qiáng)化三、沉淀強(qiáng)化( (preciptationstrengthening) )或時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化( (agingstrengthening) )1 1、基本概念、基本概念v沉淀強(qiáng)化：沉淀強(qiáng)化：通過對過飽和固溶體的時(shí)通過對過飽和固溶體

29、的時(shí)效處理而沉淀析出第二相產(chǎn)生的強(qiáng)化效處理而沉淀析出第二相產(chǎn)生的強(qiáng)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(shí)析出，起到第二相制中或軋后冷卻時(shí)析出，起到第二相沉淀強(qiáng)化作用。沉淀強(qiáng)化作用。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制2 2、沉淀強(qiáng)化條件、沉淀強(qiáng)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(qiáng)化機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)理v位錯(cuò)與析出第二相顆粒之間的相互作位錯(cuò)與析出第二相顆粒之間的相互作

30、用，包括對提高強(qiáng)度有積極作用的繞用，包括對提高強(qiáng)度有積極作用的繞過過程和對強(qiáng)度作用較小的剪切過程。過過程和對強(qiáng)度作用較小的剪切過程。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制4 4、沉淀強(qiáng)化影響因素、沉淀強(qiáng)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(diǎn)越小，百分比越大，強(qiáng)化效果越質(zhì)點(diǎn)越小，百分比越大，強(qiáng)化效果越大。但質(zhì)點(diǎn)尺寸又不能過分小，質(zhì)點(diǎn)大。但質(zhì)點(diǎn)尺寸又不能過分小，質(zhì)點(diǎn)之間的距離也不能過分小，否則位錯(cuò)之間的距離也不能過分小，否則位錯(cuò)不能在質(zhì)點(diǎn)直徑彎曲，變繞過機(jī)制為不能在質(zhì)點(diǎn)直徑彎曲，變繞過機(jī)制為切過機(jī)制，強(qiáng)化效果下降。根據(jù)計(jì)算，切過機(jī)制，強(qiáng)化效果下降。根據(jù)計(jì)算，一般的

31、質(zhì)點(diǎn)為一般的質(zhì)點(diǎn)為20-5020-50個(gè)原子間距，體積個(gè)原子間距，體積占占2%2%左右時(shí)效果最佳。左右時(shí)效果最佳。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制v析出相的特性析出相的特性：析出顆粒分布于整個(gè)：析出顆粒分布于整個(gè)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(cuò)密度增如：形變熱處理使基體中位錯(cuò)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(qiáng)化效果。形核和更彌散析出，增加強(qiáng)化效果。v時(shí)效時(shí)間時(shí)效時(shí)間：時(shí)間越長，析出相顆粒越：時(shí)間越長，析出相顆

32、粒越大，顆粒間距越大，強(qiáng)化效果越差。大，顆粒間距越大，強(qiáng)化效果越差。在高溫條件下，顆粒有隨時(shí)間長大的在高溫條件下，顆粒有隨時(shí)間長大的趨勢。趨勢。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制四、細(xì)晶強(qiáng)化四、細(xì)晶強(qiáng)化( (grainsizestrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念v細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)晶強(qiáng)化：通過細(xì)化晶粒來提高材料通過細(xì)化晶粒來提高材料室溫強(qiáng)度的強(qiáng)化方法。室溫強(qiáng)度的強(qiáng)化方法。2 2、特點(diǎn)、特點(diǎn)v同時(shí)提高金屬材料的室溫強(qiáng)度、塑性同時(shí)提高金屬材料的室溫強(qiáng)度、塑性和韌性，是金屬材料常用的強(qiáng)韌方法和韌性，是金屬材料常用的強(qiáng)韌方法之一。之一。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制3 3、強(qiáng)化效果、

33、強(qiáng)化效果vHallPetch公式公式：晶粒度與屈服強(qiáng)度：晶粒度與屈服強(qiáng)度的關(guān)系的關(guān)系 式中：式中：s s屈服強(qiáng)度；屈服強(qiáng)度；D D平均晶粒尺寸平均晶粒尺寸; ; i i常數(shù)，相當(dāng)于單晶的屈服強(qiáng)度；常數(shù)，相當(dāng)于單晶的屈服強(qiáng)度； K K斜率，表征晶界對強(qiáng)度影響程度的系斜率，表征晶界對強(qiáng)度影響程度的系數(shù)，和晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)，而和溫度關(guān)系不大。數(shù)，和晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)，而和溫度關(guān)系不大。211DKis1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制vP30%時(shí)，時(shí)，HallPetch公式變?yōu)楣阶優(yōu)?式中：式中：s s屈服強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，MPaMPa； 0 0純鐵純鐵單晶單晶的屈服強(qiáng)度，的屈服強(qiáng)

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(xì)化可明顯提高鋼的屈晶粒細(xì)化可明顯提高鋼的屈服強(qiáng)度。服強(qiáng)度。8 . 9)51. 18 .2913 . 87 . 3(210DNSiMns1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制vP30%時(shí)，時(shí)，HallPetch公式變?yōu)楣阶優(yōu)?式中：式中：s s屈服強(qiáng)度；屈服強(qiáng)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(qiáng)度；屈服強(qiáng)度；

35、 由此可知，鋼中由此可知，鋼中C C含量越低，細(xì)化晶粒的含量越低，細(xì)化晶粒的強(qiáng)化效果越大。強(qiáng)化效果越大。212 . 0KDfffFPPFs1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制4 4、強(qiáng)化機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)理v晶界對位錯(cuò)滑動(dòng)的阻礙：晶界對位錯(cuò)滑動(dòng)的阻礙：位錯(cuò)被晶界阻擋位錯(cuò)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(dòng)；移系由易到難都被開動(dòng)；v相鄰晶粒取向不同引起強(qiáng)化：相鄰晶粒取向不同引起強(qiáng)化：滑移帶在位滑移帶在位錯(cuò)塞積群頂部產(chǎn)生引力集中，只有外力大錯(cuò)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(dòng)相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)源，到一定程度才能開動(dòng)相鄰晶粒內(nèi)的

36、位錯(cuò)源，滑移才能從一個(gè)晶粒傳到下一個(gè)晶粒。另滑移才能從一個(gè)晶粒傳到下一個(gè)晶粒。另外，相鄰晶粒的取向不一致，還要在此應(yīng)外，相鄰晶粒的取向不一致，還要在此應(yīng)力上乘一個(gè)放大系數(shù)。力上乘一個(gè)放大系數(shù)。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制5 5、韌化機(jī)理、韌化機(jī)理v晶粒細(xì)小時(shí)，單位體積中晶粒越多，金屬晶粒細(xì)小時(shí)，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??；晶內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均勻性減小；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(huì)比較均勻，減小應(yīng)力集中，這的變形也會(huì)比較均勻，減小

37、應(yīng)力集中，這些推遲了裂紋的形成與擴(kuò)展，使金屬在斷些推遲了裂紋的形成與擴(kuò)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(qiáng)度和塑性提高，斷裂要消耗更大的功，強(qiáng)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(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制五、馬氏體強(qiáng)化五、馬氏體強(qiáng)化( (Martensitestrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念v馬氏體強(qiáng)化：馬氏體強(qiáng)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(qiáng)化的強(qiáng)化方法。鋼得到強(qiáng)化的強(qiáng)化方法。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制1 1、馬氏體強(qiáng)化機(jī)制、馬氏體強(qiáng)化機(jī)制v固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)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(chǎn)生應(yīng)力場，阻礙位錯(cuò)稱晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)；v時(shí)效（自回火）強(qiáng)化時(shí)效（自回火）強(qiáng)化：M M相變是非擴(kuò)相變是非擴(kuò)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(qiáng)度提高。子發(fā)生偏聚，使強(qiáng)度提高。C C含量越含量越高，時(shí)效強(qiáng)化效果越明顯；高，時(shí)效強(qiáng)化效果越明顯；1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制v細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：A A轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镸 M時(shí)，形成了許多時(shí)，形成了許多極細(xì)的、取向不同的極細(xì)的、取向不同的M M束，產(chǎn)

39、生細(xì)晶束，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，且原始強(qiáng)化效應(yīng)，且原始A A晶粒越細(xì)，晶粒越細(xì)，M M晶群晶群也越細(xì)，強(qiáng)化效果越好；也越細(xì)，強(qiáng)化效果越好；v位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化：M M相變是一種切變過程，相變是一種切變過程，且轉(zhuǎn)變速度極快，使位錯(cuò)密度大增，且轉(zhuǎn)變速度極快，使位錯(cuò)密度大增，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加；使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加；v孿晶強(qiáng)化孿晶強(qiáng)化：C0.3C0.3時(shí)，時(shí)，M M亞結(jié)構(gòu)中的亞結(jié)構(gòu)中的孿晶數(shù)量增多，孿晶數(shù)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(qiáng)化。偏聚，產(chǎn)生強(qiáng)化。1.1 鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制2 2、變形對馬氏體強(qiáng)化的影響、變形對馬氏體強(qiáng)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(xì)化工藝可顯著細(xì)化A A晶粒，從而細(xì)化晶粒，從而細(xì)化M M晶粒，晶粒，增加增加M M強(qiáng)化效果；強(qiáng)化效果；vA A的塑性變形對的塑性變形對M M轉(zhuǎn)變按不同的鋼種、變形轉(zhuǎn)變按不同的鋼種、變形條件有不同的作用，即可促進(jìn)條件有不同的作用，即可促進(jìn)M M轉(zhuǎn)變，也可轉(zhuǎn)變，也可抑制抑制M M轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。v變形引起的變形引起的A A晶體結(jié)構(gòu)的不完善性（位錯(cuò)密晶體結(jié)構(gòu)的不完善性（位錯(cuò)密度增加而形成亞結(jié)構(gòu)）可被度增加而形成亞結(jié)構(gòu)）可被M M繼承，提高強(qiáng)繼承，提高強(qiáng)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(qiáng)化機(jī)制鋼的強(qiáng)化機(jī)制六、其它強(qiáng)化方式

41、六、其它強(qiáng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度強(qiáng)度；v盡量減少晶體中盡量減少晶體中的缺陷，提高強(qiáng)的缺陷，提高強(qiáng)度。度。理論強(qiáng)度理論強(qiáng)度晶須強(qiáng)度晶須強(qiáng)度未強(qiáng)化的純未強(qiáng)化的純金屬強(qiáng)度金屬強(qiáng)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(qiáng)度強(qiáng)度缺陷數(shù)量缺陷數(shù)量強(qiáng)度強(qiáng)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(jī)械零件和工具在工作中，許多機(jī)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、

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(yàn)來測定。測得試樣沖擊吸收功，用符號(hào)驗(yàn)來測定。測得試樣沖擊吸收功，用符號(hào) 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(guān)。沖擊韌性與材料的組織密切相關(guān)。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(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）（裂紋斷裂韌性） 橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)生低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷，這種斷裂的名義斷裂應(yīng)，這種斷裂的名義斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)保力低于材料的屈服強(qiáng)度。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)保證了足夠的延伸率、韌性和屈服強(qiáng)度，但證了足夠的延伸率、韌性和屈服強(qiáng)度，但仍不免破壞。

44、究其原因是構(gòu)件或零件內(nèi)部仍不免破壞。究其原因是構(gòu)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(yīng)力作用下可造成的。裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。失穩(wěn)而擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)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(kuò)展斷材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)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(yīng)力大小與裂紋的尺寸、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)。無關(guān)。 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(qiáng)斷裂韌性是材料的一種性能，與強(qiáng)度一樣取決于材料的組織結(jié)構(gòu)，而材度一樣取決于材料的組織結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，故改善材料的韌性必料的組織結(jié)構(gòu)，故改善材料的韌性必然從工藝入手改變材料的結(jié)構(gòu)，以達(dá)然從工藝入手改變材料的結(jié)構(gòu)，以達(dá)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(qiáng)化合金，甚至可析出第二相而強(qiáng)化合可強(qiáng)化合金，甚至可析出第二相而強(qiáng)化合金，但同時(shí)合金

46、元素含量的增加也造成基金，但同時(shí)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(xì)化能夠細(xì)化晶粒，故既能提高強(qiáng)度又能提高韌性晶粒，故既能提高強(qiáng)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(huì)增加鋼中含量升高會(huì)增加鋼中P的量，的量，會(huì)降低鋼的韌性，故在鋼種成分允許的范會(huì)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(qiáng)度下降則含量，由此產(chǎn)生的強(qiáng)度下降則由增加成分中的由增加成分中的Mn來彌補(bǔ)；來彌補(bǔ)；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(dāng)含量。體分析，以使合金元素具有適當(dāng)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(diǎn)和氫脆，應(yīng)盡量降低引起白點(diǎn)和氫脆，應(yīng)盡量降低；vN：與位錯(cuò)結(jié)合力強(qiáng)，通過形成氣團(tuán)而阻與位錯(cuò)結(jié)合力強(qiáng)，通過形成氣團(tuán)而阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，降低韌性止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，降低韌性；形成固態(tài)氮化物形成固態(tài)氮化物時(shí)對韌性危害更大；時(shí)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(qiáng)度并阻止奧氏體再結(jié)晶，輕能提高鋼的強(qiáng)度并阻止奧氏體再結(jié)晶，輕度細(xì)化晶粒；度細(xì)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(guān)。關(guān)。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(shù)等）使鋼中氣體和（真空冶煉、攪拌技術(shù)等）使鋼中氣體和夾雜大量減少，生產(chǎn)出較純凈的鋼材。夾雜大量減少，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(qiáng)度材料理論韌性斷裂強(qiáng)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

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(xiàn)不發(fā)生再結(jié)晶，不發(fā)生再結(jié)晶，形成形成111織構(gòu)，引起各向異織構(gòu)，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(jié)構(gòu)特征，從的種類、形貌、數(shù)量等組織結(jié)構(gòu)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(qiáng)化機(jī)制對韌性的影響三、強(qiáng)化機(jī)制對韌性的影響 一切提高材料強(qiáng)度的因素都同時(shí)影響一切提高材料強(qiáng)度的因素都同時(shí)影響材料的韌性。材料的韌性。1、固溶強(qiáng)化的影響、固溶強(qiáng)化的影響v間隙式固溶強(qiáng)化：間隙式固溶強(qiáng)化：不對稱晶格畸變，且晶不對稱晶格畸變，且晶格畸變強(qiáng)烈，塑韌性明顯降低；格畸變強(qiáng)