金属学原理 6～8章.ppt

CISRI Central Iron Si,84; P,470; Cu,38; Cr,-40; Ni,0 钢铁研究总院钢铁研究总院 固溶强化效果比较 Alloy Mass，% YIEL D STRE NGTH INCR EMEN T, MPa YIELD STRENGTH INCREMENT, MPa 钢铁研究总院钢铁研究总院 固溶强化效果比较 C、N间隙固溶强化是钢中最经济有效 的强化方式，0.2%质量分数可提供强度 增量约900MPa，0.8%质量分数提供强 度增量约1800MPa（Fe-C合金，含氮钢 的发展） 大多数置换固溶元素的固溶强化是很不 经济的强化方式 注意M、M的区别，只有处于固溶态的 部分才能产生固溶强化作用 钢铁研究总院钢铁研究总院 位错强化 钢铁材料中大致在0.4-0.5之间 位错密度：退火态大致在10111012/m2， 正火态大致在1013/m2 ，低碳位错马氏体 中或表面冷变形强化的钢铁材料中大致 在10141015/mm2，剧烈冷加工态钢铁材 料中最高可达51016/m2（超纯半导体中 仅约108/m2） 钢铁研究总院钢铁研究总院 位错强化效果 退火态：6.4-20.3 MPa 正火态：64MPa 低碳位错马氏体或表面冷变形强化： 203-641MPa 剧烈冷加工态：最高4529MPa （目前人 们获得的最高强度就是在冷拉钢丝中通 过剧烈冷加工得到） 突出的问题是位错密度测定或估算 钢铁研究总院钢铁研究总院 晶粒细化强化 Hall-Petch关系式： 低碳钢中比例系数约为17.4MPamm1/2 ；高碳钢中约为22.3MPamm1/2。但晶粒 超细化后比例系数将降低，甚至反向 该类型关系式可用于抗拉强度、断裂强 度等。 钢铁研究总院钢铁研究总院 Hall-Petch关系式 钢铁研究总院钢铁研究总院 晶粒细化强化效果 ASTM 8级晶粒度相当于20 m 的晶粒尺 寸，约7 .07mm-1/2 。晶粒度级别增大2级 ，晶粒尺寸减小为一半10m ，mm-1/2数 增大为1.414倍。 传统热轧钢材保证6级晶粒度，5mm-1/2 ，晶粒细化强度增量87MPa 控制轧制钢材可达5m 的晶粒尺寸， 14.14mm-1/2 ，晶粒细化强度增量 246MPa 钢铁研究总院钢铁研究总院 第二相强化 Orowan机制与切过机制 钢铁研究总院钢铁研究总院 Orowan机制下的强度增 量 第二相体积方式很小时（f1/2远小于 0.854/1.2） ： 钢铁材料中，G为80650 MPa，泊松比 为0.291，b为0.24824nm， 可得： 钢铁研究总院钢铁研究总院 Orowan机制下的强度增 量 高碳钢中渗碳体体积分数可高达15， 平均尺寸1 m （1000nm），强度增量 27.1MPa；最佳控制条件下平均尺寸 100nm，强度增量191MPa 。 微合金钢中微合金碳氮化物体积分数仅 为0.1，最佳控制条件下平均尺寸 2nm ，强度增量228MPa ；若体积分数增加 至0.28%，强度增量约410MPa 。 钢铁研究总院钢铁研究总院 强化作用的叠加 不同固溶元素所产生的固溶强化效果可以直 接线性叠加；置换固溶强化效果与位错强化 、细晶强化或第二相强化的强化效果也可线 性叠加。 某一强化方式的强化效果远大于其他强化方 式的强化效果时，可忽略同类其他强化方式 的强化效果而将非同类强化方式产生的强化 效果直接线性叠加 。 位错强化和细晶强化采用均方根叠加 。 不同种类第二相的强化效果采用均方根叠加 。 钢铁研究总院钢铁研究总院 脆性矢量 强度必须有足够的韧性做保证才能充分 发挥作用，但强度和韧性是一对矛盾， 提高强度时一般均将使材料韧性下降。 因此，强韧化原理必须包括韧性方面的 考虑 韧性的最主要指标是韧脆转变温度TC 每提高强度1MPa使韧脆转变温度TC升 高的温度数称为该强化方式的脆性矢量 钢铁研究总院钢铁研究总院 脆性矢量 晶粒细化 6 4 -10 析出强化 位错强化 20%珠光体 屈服强度 P+53N+30 Sn+17 C+10 Si+8 Mn-5 Al-27 屈服强度 转 折 温 度 (IT T), 15MPa 钢铁研究总院钢铁研究总院 脆性矢量 晶粒细化强化的脆性矢量为-0.67/MPa ，是 唯一的在提高强度的同时提高材料韧性的强 化方式，因而获得最广泛的重视 合金元素Al、Mn对晶粒细化有较好作用 沉淀强化，0.26/MPa ，相对较小 片层状渗碳体强化，1.07/MPa 位错强化，0.4/MPa 间隙固溶强化的C、N，1.53、2.0/MPa 置换固溶强化P,3.53；Sn,1.13；Si,0.53；Cr 、Mn,0 /MPa 钢铁研究总院钢铁研究总院 屈强比在塑性变形中具有 重要作用 材料的屈服比被定义为Rel/ Rm 屈强比大于或等于1的材料无塑性，且 实际屈服强度被降低 屈强比在0.9以上的钢材在使用安全性方 面存在隐患 屈强比在0.6以下的钢材具有良好的冷加 工变形性能 提高抗拉强度减小屈服强度使屈强比降 低 钢铁研究总院钢铁研究总院 材料抗拉强度 位错理论和显微缺陷强化理论对材料的屈 服强度提高给予了理论解释，但用来分析 材料抗拉强度方面有很多不足 由Griffith脆性断裂理论推导并经塑性修正 后的平面应变状态下材料的断裂强度SC为 ： 钢铁研究总院钢铁研究总院 提高断裂强度机制 临界裂纹尺寸 减小微裂纹尺寸aC 增大裂纹尖端塑性变形功P （材料基体的比表 面能S 变化幅度很小，一般在1-1.5J/m2范围；而 裂纹尖端单位面积塑性变形功P 变化范围可从0 变化到100000 J/m2 ） 钢铁研究总院钢铁研究总院 微裂纹的产生 原有未钝化的孔洞或裂纹 弱化的界面（晶界或相界，溶质偏聚、 膜网状析出），此时适当的微区塑性变 形是必须的，因而材料的屈服强度对抑 制微裂纹的产生具有重要作用 位错塞积并反应形成非滑移位错 非扩散相变时晶粒间的撞击 钢铁研究总院钢铁研究总院 微裂纹尺寸的控制因素 塑性材料主要受屈服强度影响，大规模 塑性撕裂可产生较大尺寸的微裂纹 高强度材料主要受弱化的晶界尺寸或第 二相（包括夹杂物）尺寸的影响 钢铁研究总院钢铁研究总院 微裂纹的扩展 达到临界尺寸的微裂纹才会失稳扩展导致断 裂，因而控制材料中的微裂纹失稳扩展必须 控制微裂纹的最大尺寸而非平均尺寸，对于 低强度高韧性的软钢，临界裂纹尺寸aC将高 达18.190.5mm，而超高强度的淬火态中高 碳钢，临界裂纹尺寸aC仅为 0.00360.0091mm。 微裂纹亚临界扩展时的断裂塑性功与微裂纹 形成时的断裂塑性功可能存在很大差别，因 而导致微裂纹的扩展被加速或被抑制 钢铁研究总院钢铁研究总院 微裂纹的扩展 根据微裂纹扩展的方式，断裂类型可分为 沿晶断裂 解理断裂 准解理断裂 微孔聚合断裂 不同的裂纹扩展方式所消耗的能量有很大的差 别 材料中连续软相的存在将明显地使材料的屈服 强度降低，但其断裂强度或抗拉强度却不会降 低甚至会有所升高。 钢铁研究总院钢铁研究总院 塑性形变引发脆性微裂纹机制 Zener-Stroh 位错塞积理 论 Cottrell位错 反应理论 Smith晶界碳 化物网膜理 论 共同点： 微裂纹的形成都与位错运动受阻造成位错塞积有关， 而阻止位错运动的障碍主要是晶界、孪晶界和第二相 ，这些理论模型也都可推导出抗拉强度与晶粒尺寸的 Hall-Petch形式的关系式 区别： Smith理论更偏重于第二相特别是晶界碳化物网膜的 作用 钢铁研究总院钢铁研究总院 提高材料断裂强度的方法 消除晶界弱化现象 低熔点晶界偏析金属如铅、锑、铋、锡的 消除 低熔点金属如铜的抑制晶界偏析（加镍） 低熔点共晶如磷共晶的消除（脱磷） 晶界弱化元素的消除或抑制晶界偏析（脱 硫，加硼） 钢铁研究总院钢铁研究总院 提高材料断裂强度的方法 大颗粒夹杂物或第二相尺寸的控制 液析夹杂物或氮化物、碳化物的控制（降 低夹杂物形成元素如氧、硫、磷、氮在钢 中的含量，电磁搅拌使之上浮或细化，高 温铁水快速冷却抑制液析） 溶度积公式的应用（可能时固态回溶） 最佳控制条件下仅使之在固态析出 钢铁研究总院钢铁研究总院 提高材料断裂强度的方法 适当的屈服强度 屈服强度与裂纹尖端单位面积塑性变形功 的矛盾，需要根据钢中可能的最大微裂纹 尺寸而加以匹配 屈服强度低，容易在局部产生塑性撕裂形 成大尺寸微裂纹（不受最大夹杂物颗粒尺 寸影响） 屈服强度高，裂纹尖端单位面积塑性变形 功迅速下降 钢铁研究总院钢铁研究总院 复相基体组织的抗拉强度 抗拉强度基本遵从混合物规律 ： 屈服强度主要取决于基体相中的软相的 屈服强度 ： 钢铁研究总院钢铁研究总院 复相组织降低屈强比 硬相与软相之间的强度差足够大 软相体积分数要足够小（保证抗拉强度 ） 软相必须连续（保证软相中的位错可滑 移出工件表面产生宏观塑性变形，同时 保证微裂纹扩展中必然遇到软相） 钢铁研究总院钢铁研究总院 形变诱导相变强化降低屈 强比 初始组织较软，易于发生屈服；且一般 必须是非稳定平衡组织 形变诱导相变得到的平衡组织强度较高 即形变诱导相变强化效果较大 高锰钢 TRIP钢 残余奥氏体在塑性变形时转变 形变诱导超微细第二相沉淀析出 钢铁研究总院钢铁研究总院 固溶强化对屈强比的影响 钢铁研究总院钢铁研究总院 固溶强化对屈强比的影响 固溶 元素 质量分 数,% 屈服强度增 量,MPa 抗拉强度增 量,MPa 均匀伸长 率变化,% 总伸长率 变化,% C0.1230190-25-26 P0.13571-3.8-1.2 B0.1800420-442- Si0.19.713.3-0.52-0.85 Mn0.12.73.4-0.28-0.34 IF钢中主要固溶元素对力学性能指标的影响的回归结果 钢铁研究总院钢铁研究总院 位错密度对屈强比的影响 钢铁研究总院钢铁研究总院 晶粒尺寸对屈强比的影响 钢铁研究总院钢铁研究总院 Hall-Petch公式 大量试验结果表明ky在14.0- 23.4MPamm1/2之间 (常用17.4 4MPamm1/2),而kT在7.7-15.7MPamm1/2之 间 (常用13.4MPamm1/2) 晶粒尺寸对屈强比的影响 钢