（材料物理与化学专业论文）共析钢室温大变形和时效过程相变研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 摘要 共析钢室温大变形和时效过程相变研究 摘要 固态相变及形变是提高钢铁力学性能的重要手段，它们是开发超高强钢的基础。 共析钢被誉为天然的复合材料，具有高的抗拉强度，经室温大变形后，其抗拉强度 可达5 7 0 p a ，甚至比马氏体时效钢和形变热处理钢均高出1 g p a 。大变形共析钢是 目前已知强度最高的钢材，其高强度源自自身珠光体组织的超细化，半个世纪以来， 众多中外学者都对其极为关注并进行了诸多探讨，然而对于大变形后组织超细微化 引起的相稳定性问题、碳的分配以及时效过程一直都存在争议。本文通过力学性能 测试，扫描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 、x 射线衍射( x r d ) 、三维原子探针( 3 d a p ) 、 穆斯堡尔谱和内耗等测试方法系统地研究了共析钢在室温拉拔、表面机械研磨大变 形及时效过程中微观组织的演化规律，探讨了大变形条件下渗碳体相稳定性问题及 时效析出机制，获得以下主要研究结果。 通过对拉拔大变形共析钢在不同应变量下的力学性能及微观组织演化的研究表 明，随着应变量增加，共析钢抗拉强度以及名义屈服强度会随之增加，珠光体层片 细化并伴随其中渗碳体变形和晶体位向转动。晶体学计算表明，渗碳体在转动不同 角度后仍有足够滑移系可开动，以满足形变的条件。由穆斯堡尔谱和3 d a p 测试研 究结果可见，应变量的增加导致了渗碳体分解量的增加，至真应变为2 8 9 时有约一 半渗碳体分解，同时1 0 2 a t 碳原子在高位错密度的铁素体中过饱和存在，铁素体 渗碳体界面在变形过程中演变为高能量高缺陷结构，约4 6 2 a t 碳原子在界面处偏 聚。 根据穆斯堡尔谱和3 d a p 实验结果研究分析得到位错穿过具有塑性变形能力的 纳米尺寸渗碳体片层，带走渗碳体中碳原子。3 d a p 的实验进一步揭示了在锰原子浓 度高的地方对应着碳原子和铁原子的低浓度，说明锰可能促进了渗碳体的分解。同 时，通过对碳原子在界面偏聚热力学以及铁素体中位错饱和溶碳量分析，阐明了由 于铁素体中纳米级亚晶界和高位错密度的存在导致渗碳体分解后碳原子在铁素体中 上海交通大学博士学位论文 摘要 得以过饱和存在。 利用x 射线衍射、透射电镜测定以及背散射穆斯堡尔谱测定了经过表面机械研 磨( s m a t ) 的4 # ( f e 0 8 0 w t c 0 6 1 w t m n 0 2 8 w t s i 0 1 5 w t v )共析钢表 层微观组织以及相结构。研究表明：原始组织为层片状铁素体渗碳体两相组织的共 析钢经过s m a t 处理后，铁素体晶粒由于位错产生和位错缠结形成位错胞，然后位 错胞分割晶粒使铁素体细化至纳米尺度，而渗碳体在强塑性变形下，片层弯曲、断 裂后分解成体心立方铁素体及石墨。并证实在表面机械研磨大变形条件下室温获得 了本来在高温存在的面心立方奥氏体相。通过热力学计算分析认为，大量碳原子在 铁素体中的过饱和存在以及经s m a t 处理后纳米晶粒界面应力，这两个因素共同作 用促使铁素体在强变形条件下发生奥氏体逆转变的温度降低，造成高温奥氏体相在 室温形成。 对真应变为2 8 9 的拉拔大变形共析钢在2 0 0 c - - , 6 0 0 时效l h 后进行力学性能 测试。研究表明，随着温度的升高抗拉强度以及名义屈服强度先升高后降低，2 0 0 。c 时效能得到最大抗拉强度及屈服强度，而4 0 0 时效可以获得较平衡的强度和塑性综 合力学性能。通过透射电镜观察进一步探讨了力学性能提高的内在原因。研究表明， 2 0 0 时效过程中细小的碳化物在铁素体与渗碳体界面处析出，其对可动位错的 钉扎作用导致了力学性能提高；而4 0 0 时效过程中碳化物弥散析出后继续长大降低 了材料强度，但仍在一定温度范围对晶界起钉扎作用，使铁素体再结晶温度提高， 同时界面处位错密度的降低使内应力得到松弛，塑性得到相对提高。 通过研究真应变为2 8 9 的共析钢在时效过程中电阻率的变化规律，分析了该钢 的时效动力学过程。研究表明，时效过程分为两个阶段：8 0 。c - - 2 0 0 c ( 3 6 0 0 s ) ，电阻 率随着时效时间增加先增加后降低；2 0 0 - - - 2 9 8 ，电阻率随时效时间延长而降低。 基于j o h n s o n m e h l a v r a m i 方程计算了各过程的时间常数以及表观激活能。揭示了大 变形共析钢时效机制：由于大变形共析钢微观组织中铁素体基体和铁素体渗碳体界 面存在大量位错以及缺陷，大变形后获得的过饱和铁素体和高浓度界面偏聚碳为碳 化物析出提供热力学驱动力，而高能界面处为渗碳体晶粒形核提供有效形核位置， 碳原子的长程扩散控制着占碳化物向0 碳化物的转变和析出相的生长。由于大变形共 n 上海交通大学博士学位论文 摘要 析钢时效析出过程具有与马氏体时效回火过程的相似性，本文基于b e c k e r - d 6 d n g 形 核长大模型提出了大变形共析钢晶界时效析出动力学模型，运用该模型可分析大变 形共析钢渗碳体析出动力学曲线。 关键词：共析钢，室温拉拔，表面机械研磨，渗碳体分解，逆相变，碳分布，时效 析出，动力学，透射电镜，x 射线衍射，三维原子探针，穆斯堡尔谱 感谢国家自然科学基金钢铁联合研究基金( 项目编号：5 0 3 7 1 0 5 7 ) 给予的资助! i i 】 上海交通大学博士学位论文摘要 i n v e s t i g a t i o no n p h a s et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gs e v e r ep l a s t i c d e f o r m a t i o na n d a g i n gi ne u t e c t o i ds t e e l s a b s t r a c t s o l i d p h a s et r a n s f o r m a t i o na n dd e f o r m a t i o n a r et h ec o r eb a s i sf o ri m p r o v i n g m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l s ，e s p e c i a l l yi nd e v e l o p i n gh i 曲s t r e n g t hs t e e l t h ee u t e c t o i d s t e e li sk n o w na so n eo ft h en a t u r a lc o m p o s i t em a t e r i a lw i t hp e a r l i t i cl a m e l l a rc o n s i s t i n g o fc e m e n t i t ea n df e r r i t e ，w h i c hd e m o n s t r a t e sh i g ht e n s i l es t r e n g t ha f t e ra na p p r o p r i a t e t r e a t m e n t t h et e n s i l es t r e n g t ho fah e a v i l yc o l dd r a w ne u t e c t o i ds t e e lw i r eh a se v e rb e e n r e p o r t e da sh i g ha s5 7 g p a ，e v e nh i g h e rt h a nt h a to fm a r t e n s i t es t e e l s i ti sw e l lk n o w nt h a t s u c hah i g hs t r e n g t ho fh e a v i l yc o l dd r a w ne u t e c t o i ds t e e l ( h c d e s ) i sc l o s e l ya s s o c i a t e d w i t ht h er e f i n i n ge f f e c to ft h ep e a r l i t i cs t r u c t u r ea l ld o w nt ot h en a n os c a l e d u r i n gt h el a s t t h r e ed e c a d e s ，m a n ys c h o l a r sh a v ec a r r i e do u td e t a i lr e s e a r c h e s h o w e v e r , s o m ei m p o r t a n t i s s u e ss u c ha st h ep h a s es t a b i l i t y d u r i n gt h es e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ( s p d ) ，t h e d i s t r i b u t i o no fc a r b o na f t e rt h ed e f o r m a t i o na n dt h em e c h a n i s mo ft h ei n c r e a s eo f s t r e n g t h f o rp o s ta g i n ga r es t i l lc o n t r o v e r s i a l i nt h i st h e s i s ，t h ee v o l u t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r e d u r i n gh e a v i l yc o l dd r a w n ，as u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ( s m a t ) a n dt h ep o s t a g i n gw e r es t u d i e db ym e a n so fs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ，m 6 s s b a u e rs p e c t r o s c o p y c h a n g e so fe l e m e n td i s t r i b u t i o n w e r er e c o r d e db yt h r e ed i m e n s i o na t o mp r o b e ( 3 d a p ) m o r e o v e r , t h es t a b i l i t y o f c e m e n t i t ea n dt h em e c h a n i s mo ft h ep o s ta g i n go fh c d e sh a v eb e e nd i s c u s s e di n a s s o c i a t e dw i t h c h a n g e s o f m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n de l e m e n t s d i s t r i b u t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s t e n s i l et e s t so fh c d e sa td i f f e r e n tt r u es t r a i ni n d i c a t e dt h a tt h et e n s i l es t r e n g t ha n d i v 上海交通大学博士学位论文 摘要 n o m i n a ly i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et r u es t r a i na n dt h ep e a r l i t i c l a m e l l a rw a so b s e r v e dr e f i n e da n dc e m e n t i t el a m e l l a rw a so b s e r v e dp l a s t i cd e f o r m a t i o ni n t h es p d p r o c e s s m o r e o v e r , t h eo r i e n t a t i o no fc e m e n t i t ec h a n g e d b a s e do nt h ec a l c u l a t i o n o ft h ec r y s t a l l o g r a p h y , t h e r ea r ee n o u g hs l i ps y s t e m st ob ei n i t i a t e da f t e rt h ec e m e n t i t e p h a s et u r n e dd i f f e r e n to r i e n t a t i o n a b o u tah a l fo ft h eo r i g i n a lc e m e n t i t ep h a s ew a s d i s s o l v e db ym e a n so fm 6 s s b a u e rs p e c t r o s c o p yo nh c d e su pt o = 2 8 9 i na d d i t i o n ， c a r b o na t o m si nf e r r i t ea f t e rt h ed e f o r m a t i o no f = 2 8 9w a sd e t e c t e da sh i g ha st o1 0 2 a t b y3 d a p w h i c hi sm u c hh i g h e rt h a nt h ee q u i l i b r i u ms o l u b i l i t yo fc a r b o ni nf e r r i t e ， i e ，0 1 a t m e a n w h i l e ，c a r b o na t o m sw i t ht h ec o n c e n t r a t i o na sh i g ha s4 6 2 a t w a s d u m p e di n t ot h ei n t e r f a c e sb e t w e e nf e r r i t ea n dc e m e n t i t e i ts e e m st h a tt h ed i s l o c a t i o np l a y ss i g n i f i c a n tr o l e si nc e m e n t i t ed i s s o l u t i o ni na h c d e sb yt h ec o m b i n a t i o no fm 6 s s b a u e rs p e c t r o s c o p ya n d3 d a pa n a l y s i s ：t h e d i s s o l u t i o no fc e m e n t i t ew a sm a i n l yd r i v e nb ym i n i m i z i n gt h ee n e r g yo ft h es y s t e ma n d r e d i s t r i b u t i o no fe l e m e n t s d e c o m p o s e dc a r b o na t o m sw e r eb r o u g h ta w a ym a i l yt h r o u g h d i s l o c a t i o n s n o n - s t o i c h i o m e t r i cc e m e n t i t es t r u c t u r ew a sr e c o r d e d b y m 6 s s b a u e r s p e c t r o s c o p y m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n t sa l s os h e dal i g h to nt h ef a c i l i t a t i n ge f f e c to f m a n g a n e s eo nt h ec e m e n t i t ed i s s o l u t i o n 3 d a pe x p e r i m e n ts h o w e d t h a tt h ec e m e n t i t ew a s p r o n et od e c o m p o s ea n dc h a n g et ob ea b c cs t r u c t u r ei nt h ep o s i t i o n sw h e r em a n g a n e s e a t o m ss e g r e g a t e d t h e r ew e r et h r e es i t e st oa c c u m u l a t et h ec a r b o na t o m s ：p h a s ei n t e r f a c e s b e t w e e nf e r r i t ea n dc e m e n t i t e ，d i s l o c a t i o n sa n ds u b g r a i nb o u n d a r i e si nf e r r i t e b y c a l c u l a t i n gt h em a x i m u mn u m b e ro fc a r b o na t o m ss e g r e g a t e dp e ru n i tl e n g t h o fa d i s l o c a t i o na n da n a l y z i n gt h et h e r m o d y n a m i co fs e g r e g a t i o no fc a r b o na t o m si nt h e f e r r i t e c e m e n t i t ei n t e r f a c e sa n dt h ek i n e t i co fc a r b o nd i f f u s e di n t of e r r i t e ，i ti sc o n c l u d e d t h a tt h em a j o r i t yo fc a r b o na t o m ss o l u t ei nf e r r i t et of o r mt h es u p e r s a t u r a t e df e r r i t e ，a s w e l la si nt h ei n t e r f a c e sb e t w e e nc e m e n t i t ea n df e r r i t e an a n o s t r u c t u r a ls u r f a c el a y e rw a ss y n t h e s i z e do nt h ee u t e c t o i ds t e e lb ys u r f a c e m e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ( s m a t ) ，a n di t sm i c r o s t r u c t u r ea n de v o l u t i o nw e r e v 上海交通大学博士学位论文 摘要 c h a r a c t e r i z e db ym e a n so fx r da n dt e m t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h eo r i g i n a ls t r u c t u r e o fp e a r l i t ec o n s i s t so fa l t e r n a t et h i np l a t e so ff e r r i t ea n dc e m e n t i t e a f t e rs u b j e c t e dt o s m a t t r e a t m e n t ，t h ef e r r i t es i z ew a sr e d u c e dt on a n o m e t e rs c a l eb e c a u s eo fw e l lk n o w n d i s l o c a t i o na c t i v i t i e su n d e rs p d ：d i s l o c a t i o nt a n g l e ，d i s l o c a t i o nc e l l sf o r m e da n df i n a l l y l e dt od i v i s i o no ff e r r i t eg r a i n s ；w h i l et h ec e m e n t i t el a m e l l a ru n d e r w e n tb e n d i n g ，f r a c t u r e a n df i n a l l yd i s s o l v e di n t ob c cf e r r i t ea n dg r a p h i t ed u r i n gs u c has e v e r e p l a s t i c d e f o r m a t i o n i n t e r e s t i n g l y , f c c a u s t e n i t ep h a s ed u r i n gs e v e r ed e f o r m a t i o na tr o o m t e m p e r a t u r ew h i c hi sn o r m a l l ys t a b l ea th i g ht e m p e r a t u r ew a sf o u n da n da p p r o v e db y m e a n so ft e ma n db a c k - s c a t t e r i n gm 6 s s b a u e rs p e c t r o s c o p y o nt h eb a s i so ft h e t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so f 口_ ，r e v e r s em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ，t h em e c h a n i s mo f 口_ ，r e v e r s em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nw a sd i s c u s s e d ：t h ee x i s t e n c eo fal a r g en u m b e r o fc a r b o na t o m ss u p e r s a t u r a t e di nf e r r i t ea n dt h ei n c r e a s eo fi n t e r f a c i a le n e r g yc a u s e dt h e i n c r e a s eo ft h et o t a lf r e ee n e r g yo ft h es y s t e m a l t h o u g ht h ef r e ee n e r g yo fa u s t e n s i t ew i t h t h es a m ec o m p o s i t i o na l s oi n c r e a s e su n d e rt h ec o n d i t i o no fe q u i l i b r i u m ，t h ed i f f e r e n c eo f f r e ee n e r g yb e t w e e nf e r r i t ea n da u s t e n s i t ea tt h es a m et e m p e r a t u r eu n d e rs p dr e d u c e d a t t h es a m et i m e ，a f t e rs m a t , t h ee f f e c to fc o m p r e s s i o ns t r e s sa tt h eb o u n d a r i e so fn a n o s i z e g r a i n sf u r t h e rd e c r e a s e st h ed i f f e r e n c eo ft w op h a s e s f r e ee n e r g y , a n dm a d ef r e ee n e r g yo f a u s t e n i t 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a t i o nw i t ht h ep r e c i p i t a t i o no f f i n ec a r b i d ed i s s o l u t i o ni nt h ed r a w i n g f u r t h e ri n c r e a s eo fa g i n gt e m p e r a t u r ed e t e r i o r a t e d v i 上海交通大学博士学位论文 摘要 t h ep r o p e r t yp o s s i b l yd u et ot h er e c r y s t a l i z a t i o nt r i g g e r e da th i g ht e m p e r a t u r e t h ep o s ta g i n go fh c d e sw i r e sh a sb e e ns t u d i e db ym e a n so fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t t h ek i n e t i co ft h ee a r l ys t a g eo ft h ea g i n ga f t e rb e i n gd r a w nt ot r u es t r a i n2 8 9 i sd e s c r i b e db yaj o h n s o n m e h le q u a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r et w os t a g eo f a g i n g ：i nt h et e m p e r a t u r er a n g e o f8 0 c - - 2 0 0 c ( 3 6 0 0 s ) ，t h ee l e c t r o nr e s i s t i v i t yi n c r e a s e d f i r s t l y , t h e nd e c r e a s e dw i t hi s o t h e r m a lt i m e s ；h o w e v e r , i nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 2 0 0 。c - 2 9 8 c ，t h ee l e c t r o nr e s i s t i v i t yd e c r e a s e dw i t hi s o t h e r m a lt i m e t h ev a l u e so f a v r a m ie x p o n e n tn ，t e m p e r a t u r ec o n s t a n tka n dt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na c t i v a t i o n e n e r g yeh a v eb e e no b t a i n e d ，t o o t h em e c h a n i s mo fa g i n go fh e a v i l yc o l dd r a w n e u t e c t o i ds t e e lw a sd i s c u s s e d s i n c et h e r ea r em a n yd i s l o c a t i o n se x i s t e di nt h ei n t e r f a c e s b e t w e e nf e r r i t ea n dc e m e n t i t ea n df e r r i t ep h a s e ，h i g hc o n c e n t r a t i o no fc a r b o na t o m sa r e s u p e r s a t u r a t e di nf e r r i t e t h u s ，d r i v i n gf o r c ef o rt h ef o r m a t i o no fc a r b i d ei sp r o v i d e db y t h es u p e r s a t u r a t e df e r r i t e h i 。g he n e r g yi n t e r f a c e sb e t w e e nf e r r i t ea n dc e m e n t i t es u p p l yt h e n u c l e a t i o ns i t e s t h et r a n s i t i o nf r o mt h ef c a r b i d et o0 - c a r b i d ea n dt h eg r o w t ho f p r e c i p i t a t i o n sa r ec o n t r o l l e db yt h el o n g - r a n gd i f f u s i o no fc a r b o na t o m s d u et o t h e p r o c e s s e so fa g e i n ga n dp r e c i p i t a t i o nf o rh c d e s w e r es i m i l a rt ot h ep r o c e s s e so fa g e i n g a n dt e m p e r i n gf o rm a r t e n s i t es t e e l s ，t h ed y n a m i cm o d e lo fs e v e r ep l a s t i ce u t e c t o i di r o n i n t e r f a c ea g e i n ga n dp r e c i p i t a t i o nw a sp r o p o s e db a s e do nt h en u c l e a t i o na n dg r o w t hm o d e l o fb e c k e r d 6 r i n g t h i sm o d e lc o u l db eu s e dt oa n a l y s et h ed y n a m i co fc e m e n t i t e p r e c i p i t a t i o ni ns e v e r ep l a s t i ce u t e c t o i di r o n k e y w o r d s ：e u t e c t o i dp e a r l i t es t e e l ，c o l dd r a w n ，s u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ， c e m e n t i t ed i s s o l u t i o n ，r e v e r s et r a n s f o r m a t i o n ，d i s t r i b u t i o no fc a r b o n ，a g i n gp r e c i p i t a t i o n ， k i n e t i c s ，t e m ，x r d ，3 d a p , m 6 s s b a u e rs p e c t r o s c o p y v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 闷唧 日期：加订年i t 月，弓日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密斟。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 阂嘶 、i f 日期：矽年，月j ；日 指导教师签名：勺召召色黟 1 日期：加刃年，月哆日。 上海交通大学博+ 学位论文绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百y 匕 合金化、形变以及固态相变是提高钢铁力学性能的重要手段，如著名的p a t e n t i n g 处理就直接得益于共析钢中珠光体相变及形变机制的研究。在中低碳钢的研制方面， 上述理论都屡建奇功，如我国在过去数年间已成功将它们应用于中低碳钢的强韧化 中，分别研制出以贝氏体和铁素体为基的4 0 0 m p a 级的碳素钢、8 0 0 m p a 级的低合金 钢和1 5 0 0 m p a 级的合金结构钢等新一代钢种【m 。但相对而言，对共析钢的改性研究 较弱，主要原因在于材料的洁净度较低，导致冷变形强化时材料断裂比例高。但现 今冶金技术的进步已能保证材料具有高的洁净度，使室温大变形强化共析钢性能成 为可能。已有的实验数据表明，共析钢经室温大变形强化后，其断裂强度比马氏体 时效钢和形变热处理钢高出 - - 1 g p a l 5 1 ，是目前已知强度最高的钢材。由于共析钢被 誉为天然的复合材料，具有极高的抗拉强度，广泛应用于高应力工作环境中1 6 j 。共析 钢优越的力学性能缘于其特有的珠光体层片结构及随后以大变形加工获得的超细层 片组织以及相结构。 目前，纳米尺度材料的在室温的相稳定性问题也被广泛的研究【7 9 】。而钢在大变 形作用下形成超细层片组织或形成更加细小的纳米尺度结构，使得原本在室温下稳 定存在的微观组织结构发生了相变，无庸置疑探讨钢在纳米尺度的相稳定性问题为 钢在纳米尺度的性能研究提供了重要的研究方向，为进一步提高钢的性能提供了理 论依据。 1 2 钢的主要强化机制 强度和韧性是钢铁材料最常用的两大性能。影响钢铁材料强度和韧性的主要原 因是基本组织和微观缺陷，它包括晶粒间界面、沉淀粒子、位错亚结构等。 上海交通人学博士学位论文 绪论 根据金属点阵中阻碍位错运动的障碍物类别，金属学方面可应用的强化机制主 要有以下几种：1 ) 置换的或间隙固溶的异质原子以点状障碍物的形式起作用( 固溶 强化、激冷强化) ；2 ) 位错以线状障碍物形式起作用( 通过冷加工变形的强化) ：3 ) 晶界作为面状的障碍物形式起作用( 弥散强化、沉淀强化) 。目前在钢铁材料的微观 缺陷结构与力学性能之间的关系方面已进行了大量的理论和试验研究。 对于某一钢种而言，既可能是单一的强化机制，也可以是多种强化机制的复合。 1 ) 固溶强化【1 0 l 合金元素以置换或间隙的形式溶入基体金属的晶格中，由于原子尺寸效应、弹 性模量效应和固溶体由序化的作用而导致钢的强化。因此固溶强化式通过改变金属 的化学成分来提高强度的方法，其强化的金属学基础是由于运动的位错与异质原子 之间相互作用的结果。 固溶强化又分为间隙式固溶强化和置换式固溶强化，前者对提高强度十分有效， 但随着间隙原子浓度的增加，钢材的塑韧性会明显下降；后者的强化效果比间隙式 固溶原子要小的多，但对韧性的削弱不明显，或基本上不影响基体的塑性和韧性。 固溶强化的效果如何取决于一系列的条件，根据大量的实验结果发现有以下的 规律：1 ) 溶质元素溶解量的增加，固溶体的强度也增加。对于无限固溶体，当溶质 原子浓度为5 0 时的强度最大。对于无限固溶体( 如碳钢) ，其强度随溶质元素溶解 量增加而增大；2 ) 溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小其固溶强化的效果愈好；3 ) 形成间隙固溶体的溶质元素( 如c 、n 、b 等元素在f e 中) ，其强化作用大于形成置 换固溶体( 如m n 、s i 、p 等元素在f e 中) 的溶质元素；4 ) 溶质与基体的原子大小 差别愈大，强化效果也越明显。 2 ) 位错强化【1 1 】 位错强化对钢材的塑性和韧性有双重作用。一方面，位错的合并以及在障碍处 的塞积会使裂纹形成，从而使塑性降低；另一方面，由于位错在裂纹尖端塑性区内 的移动可以缓解尖端的应力集中，使韧塑性又有所提高。塑性变形意味着在位错运 动之外不断形成新的位错，因此位错密度值随着变形而不断增高，一直可达到 1 0 1 2 c m 2 。如果要继续塑性变形就要提高应力值，也就是说材料被加工硬化了。 2 l ：海交通大学博士学位论文绪论 通过位错增加实现了加工硬化，使强度值增加，可用下式表示： a c t 6 = 曰6 g 亭v 2 式中：b 为无量纲系数，数量级为1 ，其中它还包括了位错的排列；b 为柏氏矢 量：g 为抗剪模量：毫为位错密度。 自从位错理论提出后，人们就对位错之间的相互作用进行了大量的研究，在位 错强化( 加工硬化) 方面取得了长足的进展。在易于交滑移的金属中，当应变量超 过一定程度后，位错将排列成三维亚结构，当这些亚结构的位错墙呈松散的缠结形 貌时，称为“胞状结构”，当位错墙变窄且轮廓分明时，则称为亚晶。亚晶强化实质 仍是位错强化。 3 ) 细晶强化【1 2 】 多晶体材料的晶粒细化从来就是金属材料组织控制的第一目标。钢铁材料晶粒 超细化的主要目的就是提高常温下的机械性能，特别是强度。在结构钢中，细晶强 化是最佳的强化方式，因为它即能提高钢材的强度，又能改善韧性。由于晶粒细化