金屬塑性變形基本理論—鋼材的性能控制和要求

1、金屬塑性變形基本理論鋼材的性能控制和要求主要內(nèi)容Main Content金屬的強(qiáng)化機(jī)制 強(qiáng)韌性能控制沖壓性能控制電磁性能控制熱強(qiáng)性能控制7/15/202224.1 金屬的強(qiáng)化機(jī)制晶界強(qiáng)化 形變強(qiáng)化固溶強(qiáng)化分散強(qiáng)化7/15/202234.1.1 晶界強(qiáng)化多晶體晶界的特征在多晶體金屬內(nèi)存在有大量的晶界在晶界上原子排列的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞，存在有大量的晶格缺陷在晶界及其附近的區(qū)域通常偏聚著比平均濃度高得多的異類原子，在某些情況下晶界上還含有第二相或夾雜物。7/15/202247/15/20225在多晶體中由于有晶界存在，其變形是不均勻的，晶界處不易產(chǎn)生塑性變形，而晶粒內(nèi)部則容易變形。不同的晶粒由于其取

2、向不同，也不是同時(shí)發(fā)生塑性變形的?；剖紫仁窃谌∠蛴欣木Я?nèi)出現(xiàn)。造成變形有很大的不均勻性 7/15/202267/15/20227多晶體變形的竹節(jié)現(xiàn)象 晶粒變形的整體性 多晶體的強(qiáng)度一般要比單晶體為高晶界的存在，使得滑移難以從一個(gè)晶粒直接傳播到有取向差異的另一個(gè)晶粒上，為了使鄰近的晶粒也發(fā)生滑移，就必須要加大外力。7/15/20228多晶體晶粒的變形必須要滿足連續(xù)性的條件。當(dāng)一個(gè)晶粒的形狀發(fā)生變化時(shí)必須要有鄰近晶粒的協(xié)同動(dòng)作。多晶體晶粒越細(xì)小，相對(duì)來說晶界所占的體積要越大，金屬強(qiáng)度也相應(yīng)提高。即金屬的強(qiáng)度是與晶粒大小有關(guān)的。所以“細(xì)化晶?！币恢睘椴牧辖缪芯空咚非?，比如日本、韓國(guó)的“超級(jí)鋼

3、”計(jì)劃，我國(guó)的新一代鋼鐵材料研究等。7/15/20229東北大學(xué)王國(guó)棟院士獲2005年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，其主要研究?jī)?nèi)容即為普碳鋼生產(chǎn)高級(jí)別汽車板用鋼。7/15/202210 晶粒1由于外加切應(yīng)力的作用，其位錯(cuò)源開動(dòng)，發(fā)出大量位錯(cuò)。當(dāng)這些位錯(cuò)滑移到晶界附近時(shí)塞積，引起應(yīng)力集中，使得在晶粒2或晶粒3中距離約為r的位錯(cuò)源也開動(dòng)。 7/15/202211晶粒尺寸不同的鋁的拉伸曲線晶界強(qiáng)化是一種能夠同時(shí)提高強(qiáng)度而不損失韌性的有效的強(qiáng)化手段。晶界強(qiáng)化的本質(zhì)在于晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，是屬于源硬化一類的。 7/15/202212 晶界對(duì)滑移的阻礙作用在以下兩種情況下顯得比較突出：一是當(dāng)金屬的摩擦阻力比較

4、小，如在充分退火的很純的金屬中，由于在金屬組織中的位錯(cuò)密度較小，雜質(zhì)原子的釘扎作用也不大，就比較容易看到晶粒細(xì)化對(duì)強(qiáng)度的改善；二是當(dāng)晶粒尺寸足夠小，使HallPetch關(guān)系式中晶粒細(xì)化對(duì)強(qiáng)度的升高的作用迅速增大的時(shí)候。 7/15/2022134.1.2 形變強(qiáng)化金屬的變形主要是通過原有位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和許多附加位錯(cuò)的產(chǎn)生（例如，F(xiàn)rankRead源的作用）而進(jìn)行。雖然對(duì)形變強(qiáng)化還沒有充分的了解，但其基本特征是給定的位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中受其鄰近位錯(cuò)所造成的“障礙物”所阻礙。在多晶體材料中，位錯(cuò)間的相互干擾特別顯著，這是由于幾何學(xué)上的要求，在每一個(gè)晶粒中至少要有五個(gè)滑移系同時(shí)開動(dòng)，晶粒才能任意地改變形狀，每個(gè)晶

5、粒的晶界仍保持連續(xù)性。晶界，它是另一種類型的障礙物，使位錯(cuò)產(chǎn)生塞積。7/15/2022147/15/202215冷加工變形后金屬的電鏡組織銅的層錯(cuò)能高，大變形后形成亞晶；而不銹鋼的低，位錯(cuò)分布仍均勻不銹鋼小變形銅單晶大變形銅單晶密排六方點(diǎn)陣的單晶體：變形時(shí)僅是其主滑移系起作用，作用的位錯(cuò)限制在一組單一的平行平面上，而最終它們將在自由表面移出晶體。這樣，位錯(cuò)密度及其相互干擾的范圍就比較小，因而應(yīng)變硬化也小。面心立方和體心立方點(diǎn)陣的合金，不論在單晶體中還是在多晶體中，都允許許多滑移系開動(dòng)。相互作用的位錯(cuò)成為其它位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，使其它位錯(cuò)依次塞積，從而增加了繼續(xù)變形所需的切應(yīng)力，導(dǎo)致強(qiáng)化。7/15/

6、2022164.1.3 固溶強(qiáng)化一般，固溶體的強(qiáng)度總是要高于其基本金屬的強(qiáng)度。在多數(shù)合金系中固溶度是有限的。一般來說，固溶度越有限，單位濃度的溶質(zhì)原子所引起的晶格畸變也越大，從而對(duì)屈服強(qiáng)度的提高也越大。7/15/202217Au和Ag在整個(gè)成分范圍內(nèi)形成連續(xù)固溶體。Au和Ag形成固溶體后，其強(qiáng)度要比純金屬時(shí)為高，并其最大值在曲線的中點(diǎn)部分。7/15/202218在一般的稀固溶體中，流變（屈服）應(yīng)力隨溶質(zhì)濃度的變化可用下式表示7/15/202219式中s為合金的流變應(yīng)力，s0為純金屬的流變應(yīng)力，c為溶質(zhì)的原子濃度，k和m均為常數(shù)。合金元素的硬化能力較弱時(shí)m=1，硬化能力強(qiáng)時(shí)m=1/2。固溶強(qiáng)化的

7、機(jī)理位錯(cuò)釘扎機(jī)制。位錯(cuò)被可運(yùn)動(dòng)的溶質(zhì)原子釘扎而造成強(qiáng)化。這種釘扎主要是在合金開始屈服時(shí)起作用；摩擦機(jī)制。運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)受到相對(duì)不動(dòng)的溶質(zhì)原子所引起的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的阻礙，而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力；結(jié)構(gòu)機(jī)制。溶質(zhì)原子通過影響合金中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，而間接地影響使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需應(yīng)力的大小。7/15/2022204.1.4 分散強(qiáng)化當(dāng)在合金組織中含有一定數(shù)量的分散的異相粒子時(shí)，對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，可使其強(qiáng)度有很大的提高。這種由第二相分散質(zhì)點(diǎn)造成的強(qiáng)化過程統(tǒng)稱為分散強(qiáng)化（或彌散強(qiáng)化）。7/15/202221位錯(cuò)跨過障礙的運(yùn)動(dòng)方式位錯(cuò)切過第二相質(zhì)點(diǎn)位錯(cuò)繞過第二相質(zhì)點(diǎn)7/15/2022224.2 強(qiáng)韌性能控制控制軋制的概

8、念強(qiáng)韌性的概念影響強(qiáng)韌性能的主要因素軋制工藝參數(shù)控制7/15/2022234.2.1 控制軋制的概念控制軋制是指從軋前的加熱到最后軋制道次結(jié)束為止的整個(gè)軋制過程實(shí)現(xiàn)最佳控制，以使鋼材獲得預(yù)期良好性能的軋制方法。7/15/202224控制軋制由三個(gè)階段組成的模型圖和各階段的組織變化7/15/202225控制軋制的三個(gè)階段奧氏體g再結(jié)晶區(qū)軋制奧氏體g未再結(jié)晶區(qū)軋制（ga）兩相區(qū)軋制7/15/202226奧氏體g再結(jié)晶區(qū)軋制950 在高溫軋制后急速進(jìn)行再結(jié)晶。在這個(gè)階段把由于加熱發(fā)生粗化的初期晶粒(200500m)通過反復(fù)軋制再結(jié)晶進(jìn)行細(xì)化，這是再結(jié)晶區(qū)軋制的主要目的，950以上的溫度范圍屬于這個(gè)區(qū)

9、域。然而，通過再結(jié)晶區(qū)的軋制不能使再結(jié)晶g晶粒直徑得到無限地減小，并存在其決定于化學(xué)成分和初期晶粒直徑的極限值。再結(jié)晶區(qū)軋制是通過再結(jié)晶進(jìn)行g(shù)晶粒細(xì)化處理，從這種意義上說，是控制軋制的準(zhǔn)備階段。通常的熱軋工序在這個(gè)再結(jié)晶區(qū)軋制終了。7/15/202227奧氏體g未再結(jié)晶區(qū)軋制（950Ar3）在g溫度區(qū)間，當(dāng)軋制溫度降低到950以下時(shí)， g的再結(jié)晶被抑制。此時(shí)，隨著壓下量的增加， g晶粒伸長(zhǎng)，同時(shí)晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量變形帶。 g /a 相變時(shí)在g晶粒界和變形帶上都同等地產(chǎn)生a核， a的形核點(diǎn)增多， a晶粒進(jìn)一步細(xì)化。因此，在g未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制時(shí)由于變形帶的產(chǎn)生，實(shí)質(zhì)上是分解了g晶粒。7/15/202

10、228（ga）兩相區(qū)軋制（ Ar3 ）在Ar3點(diǎn)以下的(g十a(chǎn))雙相區(qū)軋制時(shí)，未相變的g晶粒更加伸長(zhǎng)，在晶粒內(nèi)形成變形帶，另一方面，相變后的a晶粒在受壓下時(shí)在晶粒內(nèi)形成亞結(jié)構(gòu)。在軋后的冷卻過程中前者發(fā)生相變變成了微細(xì)的多邊化晶粒，而后者因處于回復(fù)狀態(tài)，變成內(nèi)部包含亞晶粒的a晶粒。雙相區(qū)軋制材料具有大傾角晶粒和亞晶粒的混合組織。這種包含亞晶粒的混合組織可使強(qiáng)度增大。亞晶粒的形成也有使脆性轉(zhuǎn)變溫度下降的效果。7/15/202229控制軋制具有常規(guī)軋制方法所不具備的突出優(yōu)點(diǎn)。許多試驗(yàn)資料表明，用控制軋制方法生產(chǎn)的鋼材其強(qiáng)度與韌性等綜合性能不僅比常規(guī)的熱軋后的鋼材為好，而且也比某些經(jīng)過常規(guī)熱處理的鋼材

11、為好。7/15/2022307/15/20223136CrSi鋼經(jīng)控軋控冷工藝和一般軋制工藝后的力學(xué)性能比較4.2.2 強(qiáng)韌性的概念強(qiáng)韌性是指金屬材料的強(qiáng)度和韌性而言。衡量金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo)有屈服極限、抗拉強(qiáng)度等。但常用者為屈服強(qiáng)度。衡量韌性的指標(biāo)可有沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度等。7/15/202232沖擊韌性或沖擊功沖擊功的大小，一般是用沖擊彎曲試驗(yàn)方法將試樣沖斷時(shí)所消耗的功來確定。這樣，試樣斷裂時(shí)所消耗的功A k可由三部分組成： (1)消耗于試樣彈性變形的彈性功A e ； (2)消耗于試樣塑性變形的塑性功A p ； (3)裂紋出現(xiàn)后，消耗于裂紋的發(fā)展以致完全斷裂的斯裂功A d 。7/15/20

12、2233A k A e +A p+ A d對(duì)于不同材料，沖擊時(shí)所消耗的總功可能相同，但其中彈性功、塑性功和撕裂功三者所占的比例卻可能相差很大。彈性功是表示材料在開始塑性變形前所吸收的變形能的大?。凰苄怨κ潜硎静牧祥_始塑性變形以后以及進(jìn)一步發(fā)展直到裂紋形成以前，所吸收的變形能的大小；撕裂功表示裂紋發(fā)展直到完全斷裂所吸收的變形能。7/15/202234材料所表現(xiàn)的“韌”、“脆”如果材料有較大的塑性功，則表現(xiàn)為斷裂前有顯著的塑性變形。如果材料有很大的撕裂功，則表現(xiàn)為裂紋發(fā)展很慢，在斷口附近有明顯的塑性變形，而且斷口為纖維狀。如果A k值相同，但塑性功很小，撕裂功幾乎沒有，則材料在斷裂時(shí)，將無明顯塑性

13、變形，并且斷裂出現(xiàn)后，突然斷裂，斷裂面為晶粒狀，因此表現(xiàn)為脆性斷裂。因此 A k值的大小，并不能完全清楚地表明材料的韌和脆。實(shí)際上，塑性功、撕裂功，特別是撕裂功的大小，才能真正地顯示材料的韌脆情況。7/15/2022357/15/202236沖擊值溫度曲線示意圖4.2.3 影響強(qiáng)韌性的因素晶粒的大小珠光體的數(shù)量、大小及分布Nb、V、Ti等合金元素的作用7/15/202237晶粒的大小隨著晶粒尺寸的減小，金屬的屈服極限升高，脆性轉(zhuǎn)變溫度下降。7/15/202238晶粒越細(xì)，晶界越多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙越大（滑移從某一晶粒轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒）7/15/202239晶粒越細(xì)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)源越少晶粒越細(xì)，

14、位錯(cuò)在晶界處塞積而引起的應(yīng)力集中越小且分散，不容易產(chǎn)生微裂紋，韌性提高珠光體的數(shù)量、大小及分布珠光體為滲碳體與鐵素體所組成的混合物。在通常的情況下，珠光體中的滲碳體與鐵素體成相間排列而構(gòu)成片層狀組織。在一定的條件下，珠光體中的滲碳體可呈顆粒狀，稱為粒狀珠光體。一般來說，珠光體的體積百分?jǐn)?shù)增大時(shí)，使鋼材硬化，從而導(dǎo)致鋼的韌性變壞。7/15/2022407/15/202241控制軋制0.8%Mn低碳結(jié)構(gòu)鋼的珠光體量，鐵素體晶粒直徑對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響Nb、V、Ti等合金元素的作用鈮、釩、鈦等合金元素皆與碳、氮有極強(qiáng)的親合力，能夠形成極為穩(wěn)定的碳氮化物。在鋼中都有細(xì)化晶粒，提高晶粒粗化溫度的作用，并

15、對(duì)強(qiáng)度和韌性也各自有其不同的影響。7/15/202242延遲再結(jié)晶和阻礙再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大，鈮對(duì)再結(jié)晶的抑制作用甚為明顯。在g區(qū)域內(nèi)進(jìn)行熱加工時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變誘引析出，如析出NbC、VkC3等，這種析出可在受到熱加工的g晶界、亞晶界上進(jìn)行。由于這種析出而使再結(jié)晶受到延遲。細(xì)化晶粒，提高晶粒粗化溫度。Nb、V等合金元素皆有細(xì)化晶粒和提高晶粒粗化溫度的良好作用（與控制軋制結(jié)合）。產(chǎn)生析出硬化。如前所述，在鋼中加入Nb、V、Ti等合金元素后皆可形成碳氮化物。其所產(chǎn)生的強(qiáng)化作用與析出碳化物質(zhì)點(diǎn)的大小有關(guān)。當(dāng)析出物微細(xì)而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可使金屬的強(qiáng)度提高。7/15/2022434.2.4 軋制工藝參數(shù)控

16、制溫度參數(shù)：加熱溫度、軋制溫度、冷卻開始和終了溫度速度參數(shù)：變形速度、冷卻速度變形程度參數(shù)：總變形程度、道次變形程度(特別是終軋道次變形程度)時(shí)間參數(shù)：道次間的間隙時(shí)間、變形終了到開始急冷的時(shí)間7/15/2022447/15/202245軋制時(shí)奧氏體及鐵素體組織變化變形溫度的控制鋼在軋前進(jìn)行加熱時(shí)可進(jìn)行碳氮化物(或氮化物)的溶解和奧氏體晶粒的長(zhǎng)大兩個(gè)過程。奧氏體晶粒的尺寸決定于剩余相質(zhì)點(diǎn)的溶解度軋前奧氏體晶粒尺寸主要決定于加熱溫度和形成碳化物的微量合金元素的含量降低軋前加熱溫度，促進(jìn)軋制前后組織的細(xì)化，改善了鋼的強(qiáng)韌性。7/15/202246終軋溫度隨著終軋溫度的降低，所有鋼的屈服極限都升高。這是由于獲得了比較細(xì)小的鐵素體晶粒的結(jié)果。隨著終軋溫度由950下降至800左右時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度也下降。但終軋溫度進(jìn)一步下降到700時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度反而升高。很顯然，在軋制過程中所形成的鐵素體本身產(chǎn)生了變形，且再結(jié)晶不完全，從而使抗沖