轧钢-控轧控冷第1章

1、Controlled Rolling & Controlled Colling 1.钢的强化和韧化钢的强化和韧化1.1 强化和强度强化和强度通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下所能承受的应力来表示。1.2 金属屈服的实质金属屈服的实质金属的屈服过程是一种塑性变形过程，它是在结晶学的优先平面上产生一种间断的滑移步骤，从而形成了位错运动。因此增加位错运动的困难就意味着屈服强度的提高。根据金属点阵中阻碍位错运动的障碍物的类别，金属学方面对应用的强化机制可有以下几种：1.3 金属材料的缺陷金属材料的缺陷（1）点

2、缺陷）点缺陷点缺陷的类型及形成点缺陷的类型及形成 点缺陷对性能的影响点缺陷对性能的影响 点缺陷使运动电子散射电阻增大 点缺陷 ( 空位 ) 增加密度减小 过饱和点缺陷提高金属的屈服强度（2）线缺陷）线缺陷刃形位错、螺形位错 （3）面缺陷）面缺陷固态材料的界面：表面、晶界、亚晶界、相界 晶界特性晶界特性 当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚内吸附 晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快得多 常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶界面积越多，其强度，硬度越高 晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀 大角度晶界界面能最高

3、，故其晶界迁移速率最大。晶粒的长大及晶界平直化可减少晶界总面积，使晶界 能总量下降，故 晶粒长大是能量降低过程 ，由于晶界迁移靠原子扩散，故只有在较高温度下才能进行 由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核 1.4 强化的六种机制强化的六种机制1）固溶强化）固溶强化 要提高金属的强度可使金属与另一种金属(或非金属)形成固溶体合金。固溶体合金或以固溶体为基的合金(如碳钢等)一般具有较纯金属高的强度。这种采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。因此固溶强化是通过改变金属的化学成分来提高强度。强化的金属学基础是由于运动的位错与异质原子之间的相互作用的结果。固溶强化的效果如何取

4、决于一系列的条件根据大量的实验结果发现有以下规律。(1)溶质元素溶解量；(2)溶质元素在溶剂中的饱和溶解度；(3)形成间隙出溶体的溶质元素(如c、N、s等元素在Fe中)其强化作用大于形成置换式固溶体(如Mn、si、P、Cr、Ni、Cu等元素在Fe中)的溶质元素；(4)溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显者。 对于非合金的和低合金的钢而言，可以把因溶强化看作是基体的强化机制，与轧制制度无关。钢中最主要的合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Cu和P都能构成置换固溶体，并促使屈服强度和抗拉强度呈线性增加 塑性变形意味着在位错运动之外还不断形成新的位错，因此位错密度值随着变形而不断增高，一直可达到

5、1012/cm2。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。冷变形的加工硬化机制在实践中是先全可以利用的。如冷拔线材、冷拔钢材、预应力钢筋、深冲薄板异形件等都是通过冷加工后使材料的强度得到提高的。3 ） 沉淀强化沉淀强化 在普通低合金钢中经常加入微量Nb、v、Ti，这些元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物在轧制中或轧后冷却时它们可以析出，起到第二相沉淀强化作用。这些强化在低合金钢的控制轧制中是不可忽视的。例如加热到1250的Nb钢，沉淀强化的作用平均每0.01Nb可提高屈服强度196MPa 第二相沉淀的过程就是过饱和固溶体的分解过程。沉淀强化的机制沉淀强化的机制是位

6、错和颗粒之间的相互作用，可以通过两种机制来描述：(1)对提高强度有积极作用的绕过过程；(2)对提高强度作用较小的剪切过程。第二相引起的强化效果第二相引起的强化效果质点的平均直径成反比，与其体积百分数的平方根成正比沉淀相的部位、形状对强度都有影响晶粒愈小，晶界就相对愈多，晶界阻力也愈大因而使材料的屈服强度提高。下式是根据位错理论计算得到的屈服强度与晶粒尺寸的关系：Hall-Petch 公式2110DKs低温加工的材料因动态、静态回复形成亚晶，亚晶的数量、大小与变形温度、变形量有关。亚晶强化的原因是位错密度增高。另外有些亚晶间的位向差稍大，也如同晶界一样阻止位错运动。钢经淬火转变成马氏体，这是使钢

7、强化的常用手段之。马氏体能获得高强度和硬度其强化不是靠单一机制。而是靠几种强化机制共问作用的结果。(1)马氏体点阵为碳所固溶强化。(2)马氏体转变过程中晶粒得到细化。(3)位错密度增加。(4)马氏体变形时，有时会发生过饱和固溶体的分解，析出新相，从而阻碍位错的运动。马氏体形成过程马氏体形成过程马氏体形成过程定义： 韧性是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。1.6 金属的优点和缺点金属的优点和缺点拉伸实验测试条件普通玻璃氢氟酸中浸蚀几个小时液态氮温度抗拉强度（MPa）13.8138345013790玻璃为什么具有这么高的脆性？这是因为表面上存在缺口或裂纹，它们是引

8、起活动裂纹源，及其裂纹源迅速在材料中传播导致断裂。举例：金属的优点：玻璃与金属的区别 金属的缺点：金属的缺点：金属的脆性转变金属的脆性转变1912年，世界上最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克泰坦尼克号（号（Titanic）首航沉没于冰海。为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了 ?图 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果 由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。 水线上下都由水线上下都由10 张张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成英尺长的高含硫量

9、脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。全的一个突出例证。 定义： 韧性是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。工业上我们通常使用缺口冲击韧性 Ak(J)或a(Jcm2)作为韧性指标V形缺口方试样 U形缺口方试样冲击韧性冲击韧性 材料

10、抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。性。 摆锤式一次冲击试验。摆锤式一次冲击试验。 小能量多次冲击试验。如图所示。小能量多次冲击试验。如图所示。试样锤头橡胶夹头多次冲击弯曲实验示意图多次冲击弯曲实验示意图用断口面积上出现50结晶状断口时的温度为Tx，以50FATT表示1.8 断裂分类断裂分类 材料中往往存在微小孔洞和夹杂物，如钢中的硫化物和氧化物。在材料承载而发生塑性变形后，这些夹杂物往往与材料本体（基体，基体，Matrix）脱开，相当于在材料内形成了一些微孔。下图是Griffith给出的板状试样受力时长度为C的孔洞的应力分布示意图。无限宽板中心的缺

11、口将产生应力集中效应 图中纵向线段的长短表示应力的大小。试样受力时微孔的两端部应力大于平均值，即应力集中应力集中现象现象。试样中的应力达到强度极限后，随着缩颈的形成，微孔便会在试样内形成并逐渐增多。 微孔的应力集中效应导致微孔间的区域剪切断裂，使微孔合并而不断增大，以致于试样中部断开。最后，试样外圈在45最大剪应力作用下剪切断裂，形成一端为杯状（另一端为锥体状）边缘比较光滑的断口。在扫描电镜（SEM）下，延性断口如图所示。暗的部分对应拉伸时形成的孔洞，可称之为韧窝 塑性断口的SEM照片，可见大量韧窝 塑性断裂试样的杯状断口 有些材料在应力达到强度极限时就会突然断裂，而且只产生很小的永久变形。这

12、种断裂方式就称为脆性断裂。不仅是脆性材料才会产生这种断裂，材料内部存在微裂纹，或者某些材料在低温下受到冲击等都有可能产生脆性断裂。图是脆性断裂后的试样，断口比较平齐。 1.9 断裂的机理断裂的机理1）裂纹源的形成机制位错塞积理论位错反应理论位错反应理论位错销毁理论位错销毁理论位错墙侧移理论位错墙侧移理论裂纹扩展的条件裂纹扩展的条件Griffith理论是一切脆性断裂理论的起点，它为裂纹扩展定义了下列准则：当形成裂纹所释放的弹性应变能至少等于产生新裂纹表面所需要的能量时，裂纹即扩展。 1）成分的控制2）气体和夹杂物控制 3）压力加工工艺的控制4）热处理工艺的选择断裂韧性是材料的一种性能，如同强度一

13、样，也取决于材料的组织结构：材料的成分与缺陷（缺位、位错、晶界、缺口裂纹等）。而材料的工艺:冶炼、铸造、加工、热处理等又决定了材料的结构，因此必须从工艺入手改变材料的结构，达到改善材料的韧性的目的。1）成分的控制）成分的控制 般的说，加入基体(铁)的合金元素对基体形成间隙式固溶强化或置换式固溶强化有明显的效果。在一定的条件下还可形成析出强化使材料的强度提高。但同时合金含量的增加造成了基体内缺陷的增加，从而降低了材料的塑性和韧性。Si、P在提高材料的屈服强度同时，脆性转变温度也提高，只有Mn、Ni元素例外，此外现已知少量的V、Nb、Ti、Al、Zr元素由于能形成细化晶粒，因此成为既能提高强度又能

14、提高韧性的重要元素。S、P 是不可避免的元素，P导致回火脆性，S则增加夹杂物颗粒使材料韧性降低。C使钢中重要的成分，碳的增加使珠光体量增加，会使50FATT上升。2）气体和夹杂物控制）气体和夹杂物控制 钢中的气体主要指：O、H、N夹杂主要指：氧化物和硫化物H 可以引起白点和氢脆，应该尽量降低。N与位错结合力较强，通过形成柯垂尔气团而阻止位错运动，使钢的韧性下降。O以氧化物的形式存在。氧化物和硫化物形成的夹杂会降低材料的韧性。钢中气体量和夹杂物量的多少与冶炼、浇注方法有直接关系。实验证明：铝脱氧钢和镇静钢要比锰脱氧钢和沸腾钢的夹杂和气体含量少。3）压力加工工艺的控制）压力加工工艺的控制压力加工能

15、控制晶粒大小及晶粒取向，从而改变材料的韧性。4）热处理工艺的选择）热处理工艺的选择热处理可以改变金属材料的组织结构，从而控制材料性能的重要工艺。热热处处理理普通热处理退火完全退火、扩散退火不完全退火、球化退火、周期退火再结晶退火、低温退火正火淬火马氏体淬火固溶处理等温淬火回火低温回火中温回火高温回火表面热处理表面淬火感应加热（高频、中频、工频）火焰加热电接触加热电解液加热化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共渗渗金属渗硼、渗硫、硫氮共渗、多元素共渗其它热处理形变热处理可控气氛热处理真空热处理退火：退火：指指金属金属加加热热道一定道一定温温度後，度後，维维持一段持一段时间时间，再，再慢慢慢慢冷却冷却，可使

16、，可使金属金属增加延展性。增加延展性。正火：正火：金属加热到金属加热到Ac3Ac3以上适当温度，保温后空冷。以上适当温度，保温后空冷。得到珠光体类组织。目的获得一定的硬度、细化晶得到珠光体类组织。目的获得一定的硬度、细化晶粒，得到均匀的组织和性能。粒，得到均匀的组织和性能。淬火：淬火：指指冷却冷却时时，将金属将金属直接直接进进入水中或油中及速入水中或油中及速冷冷却却，可使，可使金属金属又硬又脆。又硬又脆。回火：回火：指指将将淬火過的淬火過的金属金属，再一次加，再一次加温温到一定到一定温温度度后后，使其慢慢，使其慢慢冷却冷却，如此可以，如此可以维维持持金属金属的硬度，也可的硬度，也可提高其延展性和提高其延展性和韧韧性。性。固溶强化的影响：间隙式固溶强化对韧性不利。位错强化的影响：双重作用。沉淀强化的影响：看细晶强化和析出强化的比例。晶界强化的影响：既能使材料强化又能韧化。相变强化的影响：淬火造成很高的内应力使韧性降低，必须回火处理材料使用。1.12 组织对韧性的影响组织对韧性的影响1)细化奥氏体晶粒，从而可细化转变产物，对提高韧性是有益的。2)转变温度愈低则回火后的韧性愈高，因而对