金属组织细化理论基础

1、 2 2 钢铁材料组织细化与强化理论钢铁材料组织细化与强化理论 2.1 钢铁材料的特点钢铁材料的特点 2.2 存在的问题及发展趋势存在的问题及发展趋势 2.3 钢材晶界强化理论钢材晶界强化理论 2.4 钢材组织的形变、相变细化理论钢材组织的形变、相变细化理论 2.5 钢材组织的细化机制钢材组织的细化机制2.1钢铁材料的特点钢铁材料的特点 资源丰富资源丰富 地壳中：地壳中： 约约4.2%（重量）的铁，现在还有（重量）的铁，现在还有500多亿吨多亿吨 容易加工成各种形状容易加工成各种形状 可满足各领域的需要。可满足各领域的需要。 便于大生产、质量稳定、价格低廉便于大生产、质量稳定、价格低廉 回收率

2、高回收率高 回收率可达到回收率可达到90%。 资源的循环使用资源的循环使用 有利于环境保护有利于环境保护 2.2存在的问题及发展趋势存在的问题及发展趋势 2.2.1存在的问题存在的问题 1）钢材的洁净度低钢材的洁净度低 S含量含量冲击韧性冲击韧性S含量含量脆性转变温度脆性转变温度C、S、P、O、N、H总量，总量，ppm10005000196019802000年代年代深冲钢深冲钢2）钢铁材料的强度潜力未得到充分发挥）钢铁材料的强度潜力未得到充分发挥 大部分钢铁材料的强度：几百大部分钢铁材料的强度：几百MPa 理论强度：理论强度：9000MPa以上以上 钢铁材料的强度大有潜力可挖钢铁材料的强度大有

3、潜力可挖理想理想材料材料实际实际材料材料伸长率伸长率屈服强度屈服强度3） 耐腐蚀性能需要提高耐腐蚀性能需要提高 目前钢铁材料的腐蚀报废率占钢铁年产目前钢铁材料的腐蚀报废率占钢铁年产 总量的总量的2040% 钢铁材料的腐蚀速度与其洁净度有关系钢铁材料的腐蚀速度与其洁净度有关系 钢材洁净度可以使钢材的腐蚀速度成倍钢材洁净度可以使钢材的腐蚀速度成倍变化变化 。 超纯铁（超纯铁（99.9999%）基本不生锈。）基本不生锈。2.2.2 发展趋势发展趋势开发钢铁材料的潜力开发钢铁材料的潜力1）日本科学技术厅日本科学技术厅 ： “超级钢铁材料开发计划超级钢铁材料开发计划” 开发计划：开发计划：10年（年（1

4、9972006年年 总投资：总投资：1000亿日圆，相当于亿日圆，相当于80亿人民币。亿人民币。 该开发计划是与脑科学、信息技术、地该开发计划是与脑科学、信息技术、地球科学并列的四大开发计划之一。球科学并列的四大开发计划之一。 开发目的：结构用钢铁材料的强度提高一倍开发目的：结构用钢铁材料的强度提高一倍 寿命提高一倍寿命提高一倍 达到节省资源和保护环境的目的达到节省资源和保护环境的目的 应用：应用： 提高高层建筑高度和高速提高高层建筑高度和高速 公路的性能；公路的性能； 推动高防灾性城市的建设；推动高防灾性城市的建设； 轻量化汽车；轻量化汽车； 高速船舶的制造。高速船舶的制造。2）日本通产省）

5、日本通产省“超金属开发计划超金属开发计划” 开发计划：开发计划：5年（年（19972001年）年） 1997年列入预算资金年列入预算资金6亿日圆亿日圆 研究对象：铁基、铝基等金属研究对象：铁基、铝基等金属 开发目的：开发目的：探讨金属材料在极限状态下所具有的特性探讨金属材料在极限状态下所具有的特性 减少对某些有限资源、稀有金属的依赖性减少对某些有限资源、稀有金属的依赖性打破过去既成的金属概念打破过去既成的金属概念提高金属材料的重复利用性提高金属材料的重复利用性 节约资源、节约能源节约资源、节约能源大幅度地提高金属材料的各种性能。大幅度地提高金属材料的各种性能。研究方法：研究方法：开发新的工艺路

6、线开发新的工艺路线 将金属组织控制在超细晶粒的界观领将金属组织控制在超细晶粒的界观领域及纳米级非晶态结构域及纳米级非晶态结构3）北美和欧洲联合研究新型高效钢铁材料）北美和欧洲联合研究新型高效钢铁材料4）德国对开发新的高效长寿钢给予重视）德国对开发新的高效长寿钢给予重视5）世界许多钢铁生产厂与汽车制造厂联合）世界许多钢铁生产厂与汽车制造厂联合 开展超轻量化车体用钢开展超轻量化车体用钢6）我国）我国 “八五八五”、“九五九五”：低合金钢、轿车用：低合金钢、轿车用钢钢 攀登计划：攀登计划： “新一代微合金高强高韧钢的基础研究新一代微合金高强高韧钢的基础研究” 973项目：项目： “新一代钢铁材料的重

7、大基础研究新一代钢铁材料的重大基础研究 经济上有竞争力经济上有竞争力 在微观理论和研究方法上有突破。在微观理论和研究方法上有突破。 制造技术上有突破制造技术上有突破 高洁净化高洁净化 高均匀化高均匀化 超细化。超细化。应用目标：我国新世纪用新型钢铁材料应用目标：我国新世纪用新型钢铁材料屈服强度屈服强度普碳钢：以普碳钢：以Q235为主（盘条、热轧薄板）为主（盘条、热轧薄板） 200 400MPa （目前：（目前：4000万吨万吨/年）年）低合金钢：以管线钢为主（高层建筑用钢）低合金钢：以管线钢为主（高层建筑用钢） 400 800MPa （目前：（目前：2000万吨万吨/年）年）合金结构钢：机械制

8、造用钢合金结构钢：机械制造用钢 800 1500MPa （目前：（目前：1000万吨万吨/年）年） 上述三类钢占我国钢总产量的上述三类钢占我国钢总产量的60%以上以上2.3 新一代钢铁材料的应用新一代钢铁材料的应用2.3.1概述概述 新一代钢铁材料研究计划大致分为两新一代钢铁材料研究计划大致分为两个方面：个方面：高强度化；高强度化；长寿命化。长寿命化。其目标为强度提高一倍，寿命提高一其目标为强度提高一倍，寿命提高一倍。倍。高强度化：高强度化：（a）以建筑用厚钢板为主，要求焊接）以建筑用厚钢板为主，要求焊接性能好，抗拉强度达到性能好，抗拉强度达到800MPa；（；（b）对于高强度螺栓和机械制造零

9、件用钢，对于高强度螺栓和机械制造零件用钢，抗拉强度达到抗拉强度达到1500MPa。长寿命化：长寿命化：（a）高耐腐蚀材料：开发）高耐腐蚀材料：开发Si-Al系无系无Ni高强度耐候钢；高强度耐候钢；（b）耐海水腐蚀的奥氏体不锈钢；）耐海水腐蚀的奥氏体不锈钢；（c）使用温度）使用温度650、工作压力、工作压力35MPa条件下使用的超临界火力发电条件下使用的超临界火力发电机组用铁素体系耐热钢。机组用铁素体系耐热钢。以上新开发钢种除需要保证耐腐蚀性以上新开发钢种除需要保证耐腐蚀性和蠕变强度外，还要克服延时损伤问和蠕变强度外，还要克服延时损伤问题。此外还有焊接工艺开发以及因高题。此外还有焊接工艺开发以及

10、因高强度化带来的氢脆评价等。强度化带来的氢脆评价等。（1）Si-Al系无系无Ni高强度耐候钢的开发高强度耐候钢的开发 作为桥梁和建筑用钢铁材料，主要作为桥梁和建筑用钢铁材料，主要以开发无以开发无Ni，高强韧的超细晶粒，高强韧的超细晶粒Si-Al系无系无Ni高强度耐候钢为主。高强度耐候钢为主。（2）低相变新焊接钢丝的开发）低相变新焊接钢丝的开发 以高强度结构件的焊接、修补以高强度结构件的焊接、修补为主的无焊接裂纹、不需要进行预为主的无焊接裂纹、不需要进行预热的高强度低相变焊接钢丝的开发热的高强度低相变焊接钢丝的开发已经获得成功。已经获得成功。（3）高强度高耐蚀高氮不锈钢的）高强度高耐蚀高氮不锈钢

11、的开发开发 利用氮的固溶强化的耐海水腐利用氮的固溶强化的耐海水腐蚀性优良的奥氏体不锈钢，以及可蚀性优良的奥氏体不锈钢，以及可能在生物、医疗领域得到应用的无能在生物、医疗领域得到应用的无Ni的高氮奥氏体不锈钢的开发。的高氮奥氏体不锈钢的开发。（4）超临界火力发电机组用铁素）超临界火力发电机组用铁素体系耐热钢体系耐热钢在使用温度在使用温度650、工作压力、工作压力35MPa的的苛刻条件下使用的超临界火力发电机组苛刻条件下使用的超临界火力发电机组用铁素体系耐热钢的开发。用铁素体系耐热钢的开发。通过在晶界附近组织的长时间稳定化来提通过在晶界附近组织的长时间稳定化来提高材料的蠕变强度。高材料的蠕变强度。

12、通过表面形成的保护膜提高抗氧化性能。通过表面形成的保护膜提高抗氧化性能。耐热钢焊接结构件的高温性能的评价也是耐热钢焊接结构件的高温性能的评价也是一个不可忽视的问题。一个不可忽视的问题。由于排除了易粗化的碳化物，在晶界处弥由于排除了易粗化的碳化物，在晶界处弥散分布的纳米氮化物，因此，开发的目标是，散分布的纳米氮化物，因此，开发的目标是，与现有钢种相比，在与现有钢种相比，在650条件下，其使用条件下，其使用寿命提高寿命提高100倍。倍。（5）耐氢脆高强度钢的开发及氢）耐氢脆高强度钢的开发及氢脆评价脆评价 耐氢脆高强度钢的开发目标是，耐氢脆高强度钢的开发目标是，确立马氏体钢的纳米解析技术，揭确立马氏

13、体钢的纳米解析技术，揭示强化机理，明确耐氢脆的组织结示强化机理，明确耐氢脆的组织结构特点，建立延迟破坏安全性评介构特点，建立延迟破坏安全性评介基准。其结果是纳米级微细合金碳基准。其结果是纳米级微细合金碳化物可以起到氢陷阱作用。化物可以起到氢陷阱作用。2.3.2超级钢研制的主要技术推广超级钢研制的主要技术推广（1）超细晶粒钢）超细晶粒钢 作为超细晶粒钢制品，在测微螺杆、自攻作为超细晶粒钢制品，在测微螺杆、自攻螺钉以及机械制造用轴类件的制造等方面解螺钉以及机械制造用轴类件的制造等方面解决了其中的关键技术。决了其中的关键技术。线材生产厂与机械加工厂共同努力，已经建线材生产厂与机械加工厂共同努力，已经

14、建立了直径为立了直径为1.3mm线材的批量生产和供给体线材的批量生产和供给体系。特别是测微螺杆即将投入市场（如图系。特别是测微螺杆即将投入市场（如图1所示）。所示）。这种超细晶粒钢制品只是由于晶粒细化而这种超细晶粒钢制品只是由于晶粒细化而使强度升高，省略了调质工序，具有环保使强度升高，省略了调质工序，具有环保和节能的特点。和节能的特点。（a）非调质超细晶粒钢丝（）非调质超细晶粒钢丝（1.3mm）（）（b）超细晶粒测微螺杆和轴类件）超细晶粒测微螺杆和轴类件 图图1超细晶粒钢丝及其制品超细晶粒钢丝及其制品（2）低相变焊接线材）低相变焊接线材 低相变焊接线材是利用马氏体低相变焊接线材是利用马氏体相变

15、，在焊接接头处产生压缩残相变，在焊接接头处产生压缩残余应力所开发出的一种新的焊接余应力所开发出的一种新的焊接用线材，由此可以大幅度提高焊用线材，由此可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度。接接头的疲劳强度。日本学者片田康行在开发通过控日本学者片田康行在开发通过控制凝固过程，控制高温裂纹以及制凝固过程，控制高温裂纹以及控制因氢而引起的低温裂纹的第控制因氢而引起的低温裂纹的第二代线材的同时，开发出了便于二代线材的同时，开发出了便于焊接工程管理的第三代的空心焊焊接工程管理的第三代的空心焊丝钢以及可以抑制焊接接头韧性丝钢以及可以抑制焊接接头韧性降低的低氧含量的第四代钢丝。降低的低氧含量的第四代钢丝。通过试验

16、研究，对采用新焊丝所得通过试验研究，对采用新焊丝所得到的焊接接头的特性评价，以及疲到的焊接接头的特性评价，以及疲劳试验和焊接材料的力学试验，验劳试验和焊接材料的力学试验，验证了新焊丝的可靠性。此外作为超证了新焊丝的可靠性。此外作为超细晶粒钢制成的机械结构所不可缺细晶粒钢制成的机械结构所不可缺少的低相变焊接线材的低成本以及少的低相变焊接线材的低成本以及在各种不同领域中的应用应给予重在各种不同领域中的应用应给予重视。视。 （a）低相变焊丝）低相变焊丝 （b）修补用低相变焊料）修补用低相变焊料 图图2 低相变焊丝及其制品低相变焊丝及其制品（3）高氮不锈钢制品）高氮不锈钢制品在日本长岛县取访地区由九家

17、金属加在日本长岛县取访地区由九家金属加工厂组成的工厂组成的STX21共同研究会对高共同研究会对高氮不锈钢制品的开发进行了研究。作氮不锈钢制品的开发进行了研究。作为主要研究成果有乐器零件、人工关为主要研究成果有乐器零件、人工关节、无缝管、板材、线材、复合钢板节、无缝管、板材、线材、复合钢板（碳钢（碳钢/高氮钢）等。高氮钢）等。 （a）乐器零件）乐器零件 （b）人工关节）人工关节（c）无缝管、板材、线材）无缝管、板材、线材 （d）复合钢板（碳钢）复合钢板（碳钢/高氮钢）高氮钢） 图图3 高氮不锈钢试验件高氮不锈钢试验件（4）具有优良的耐氢脆）具有优良的耐氢脆1800MPa级的钢种级的钢种 制造出了

18、制造出了M22螺栓。螺栓。图图4高强度螺栓高强度螺栓（1）螺栓坯料）螺栓坯料（2）头部成形）头部成形（3）螺纹加工）螺纹加工2.4 钢材晶界强化理论钢材晶界强化理论2.4.1 提高钢材强度的途径提高钢材强度的途径是设计选材是设计选材的最基本指标的最基本指标室温屈服强度室温屈服强度s（0.2）冲击韧脆转折温度冲击韧脆转折温度Tc 提高室温屈服强度提高室温屈服强度s降低冲击韧脆转折温度降低冲击韧脆转折温度根据金属塑性变形理论，提高钢材的根据金属塑性变形理论，提高钢材的强度可以从两个方面进行。强度可以从两个方面进行。 1）由于位错等晶体缺陷的存在，使得）由于位错等晶体缺陷的存在，使得实际晶体的屈服强

19、度远小于理论屈服实际晶体的屈服强度远小于理论屈服强度。强度。消除位消除位错等晶错等晶体缺陷体缺陷制备完制备完整晶体整晶体充分发挥充分发挥晶体中每晶体中每个原子的个原子的键合强度键合强度提高材料提高材料的强度的强度晶须非晶态材料晶须非晶态材料a)晶体金属b) 非晶态金属晶体金属和非晶态金属原子排列的示意图晶面a)晶体金属b) 非晶态金属晶体金属和非晶态金属原子排列的示意图a)晶体金属b) 非晶态金属晶体金属和非晶态金属原子排列的示意图a)晶体金属b) 非晶态金属晶体金属和非晶态金属原子排列的示意图晶面无晶面无晶面非晶态材料力学性能非晶态材料力学性能 非晶态金属的力学性能 合 金 硬 度 (HV)

20、 抗拉强度 b， (MPa) 弹性极限 p，(MPa) 弹性模量 E，(GPa) 延伸率 (%) Eb Pd80Si20 Cu57Zr43 Co75Si15B10 Ni75Si8B17 Fe80P13C7 马氏体时效钢 (Ni18Co9Mo5Ti) 低合金超高强度钢 (40CrNiMo) 铁晶须(直径 1.6m) 纯铁多晶体 325 540 910 858 760 560 580 1360 2000 3060 2700 3100 2000 2100 13400 200 870 1380 2320 2200 2350 1900* 1500* 150* 68 76 55 80 124 185 20

21、0 210 210 0.11 0.1 0.2 0.14 0.03 12 14 45 0.02 0.026 0.056 0.034 0.025 0.012 0.011 0.064 0.001 *为s或2 .0 从材料强度的绝对数值上看，非晶态材从材料强度的绝对数值上看，非晶态材料的强度介于实用金属与晶须强度之间料的强度介于实用金属与晶须强度之间固体材料的理论抗拉强度大约为弹性模固体材料的理论抗拉强度大约为弹性模量的量的1/5左右，因此用抗拉强度与弹性模量左右，因此用抗拉强度与弹性模量的比值就可以反映实际强度与理论强度的的比值就可以反映实际强度与理论强度的差距。从表中可以看出，非晶态材料差距。从表

22、中可以看出，非晶态材料06. 002. 0Eb已经达到了已经达到了理论抗拉强度的理论抗拉强度的1/101/3，与晶须处于同一数量级，可以说，构成非晶态与晶须处于同一数量级，可以说，构成非晶态结构是挖掘材料潜力的有效手段。结构是挖掘材料潜力的有效手段。2）既然金属的塑性变形主要是由）既然金属的塑性变形主要是由于于位错在晶体中的运动引起的位错在晶体中的运动引起的，而位错的易动性又是削弱金属变而位错的易动性又是削弱金属变形抗力的原因，因此，形抗力的原因，因此，提高位错提高位错运动的阻力运动的阻力是强化金属的最基本是强化金属的最基本的途径之一。提高位错运动的阻的途径之一。提高位错运动的阻力可以通过两种

23、途径来进行：力可以通过两种途径来进行：a）通过改变合金的键合类型，提）通过改变合金的键合类型，提高金属中的点阵阻力，阻碍位错高金属中的点阵阻力，阻碍位错的运动。但是当改变合金的键合的运动。但是当改变合金的键合类型，例如用共价键代替金属键类型，例如用共价键代替金属键时，往往会使金属的基本性能，时，往往会使金属的基本性能，例如良好的塑性性能消失，给材例如良好的塑性性能消失，给材料的制备与加工带来麻烦；料的制备与加工带来麻烦；b）在金属晶体中引入大量的晶体缺）在金属晶体中引入大量的晶体缺陷，由此增大位错与位错之间、位错陷，由此增大位错与位错之间、位错与其它缺陷之间的交互作用，与其它缺陷之间的交互作用

24、，使位错使位错运动的阻力增大，这是目前实际生产运动的阻力增大，这是目前实际生产中广泛采用的强化金属的方法。中广泛采用的强化金属的方法。例如例如固溶强化、应变强化、沉淀强化、晶固溶强化、应变强化、沉淀强化、晶界强化等强化方式及其相互间的综合界强化等强化方式及其相互间的综合强化效果，使实际金属的强度得到了强化效果，使实际金属的强度得到了大幅度的提高。大幅度的提高。2.4.2 固溶强化固溶强化 固溶强化是最早研究的强化金属固溶强化是最早研究的强化金属材料方式之一，碳原子的间隙固溶强材料方式之一，碳原子的间隙固溶强化是钢中最经济、最有效的强化方式，化是钢中最经济、最有效的强化方式，而置换固溶强化在很多

25、合金钢中也是而置换固溶强化在很多合金钢中也是相当重要的强化方式。相当重要的强化方式。 在一般的稀固溶体中，溶质的固溶强化在一般的稀固溶体中，溶质的固溶强化造成的屈服强度增量可用下式表示：造成的屈服强度增量可用下式表示： Mi=kMiMimi 式中：式中：Mi固溶体中溶质元素固溶体中溶质元素Mi的重量百分的重量百分数，数，Mi的数值介于的数值介于1/2和和1之间；之间；kMi、mi1常数。常数。常数常数kMi、mi取决于基体及溶质元素的性质。当取决于基体及溶质元素的性质。当溶质元素的硬化能力较弱时，溶质元素的硬化能力较弱时，mi=1；若溶质元；若溶质元素的硬化能力较强，则素的硬化能力较强，则mi

26、=1/2。2.4.3沉淀强化沉淀强化 在低合金高强度钢中，沉淀强化是在低合金高强度钢中，沉淀强化是经常采用的强化机制。经常采用的强化机制。 高温时在奥氏体内形成的粒子虽然高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒长大有效，但因为粒子尺对控制晶粒长大有效，但因为粒子尺寸太大，并且相距太远，不会造成强寸太大，并且相距太远，不会造成强化。化。 强化粒子是低温时在奥氏体或强化粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成。铁素体内形成。 由于钒在奥氏体的溶解度较大，由于钒在奥氏体的溶解度较大，因而趋向于在铁素体中沉淀，所因而趋向于在铁素体中沉淀，所以它是一个有效的强化元素。以它是一个有效的强化元素。 尽管铌和钛在奥

27、氏体中的溶解尽管铌和钛在奥氏体中的溶解度较小，在一些低合金钢中也起度较小，在一些低合金钢中也起到一定的沉淀强化作用。到一定的沉淀强化作用。由于沉淀对低合金钢强度贡献明显，人们由于沉淀对低合金钢强度贡献明显，人们积极研究沉淀强化理论和实验观察。对于积极研究沉淀强化理论和实验观察。对于沉淀强化有：沉淀强化有：p=(5.9f1/2/x)ln(x/2.5*10-4) 式中：式中：f 沉淀粒子的体积分数；沉淀粒子的体积分数； x沉淀粒子的平均截线直径。沉淀粒子的平均截线直径。由此可见，由沉淀粒子造成的强化随粒子由此可见，由沉淀粒子造成的强化随粒子尺寸的减小和粒子体积分数的增加而增加。尺寸的减小和粒子体积

28、分数的增加而增加。2.4.4位错与亚结构强化位错与亚结构强化位错强化也是金属材料中最有效的强化方位错强化也是金属材料中最有效的强化方式之一。自从位错理论提出以后，人们就式之一。自从位错理论提出以后，人们就对位错之间的相互作用进行了大量的研究。对位错之间的相互作用进行了大量的研究。金属材料的流变应力以及屈服强度与位错金属材料的流变应力以及屈服强度与位错密度之间的关系：密度之间的关系： =ab1/2 式中：式中：a比例系数；比例系数； 位错密度；位错密度； 剪切模量。剪切模量。 大量的研究工作指出，立方金属多晶体中，大量的研究工作指出，立方金属多晶体中，a的值大约为的值大约为0.5。 由此，在体心

29、立方的由此，在体心立方的-铁中，位错强化对铁中，位错强化对屈服强度和流变应力的贡献可将上式乘以取向屈服强度和流变应力的贡献可将上式乘以取向因子因子M而得到：而得到： D=b1/2-铁在退火状态下的位错密度约为铁在退火状态下的位错密度约为107/cm2, 正正火状态下可达到火状态下可达到108-109/cm2。 这时由位错强化提供的强度增量仅为这时由位错强化提供的强度增量仅为6-63Mpa，则位错的作用将被晶界的作用所掩盖，因而完全则位错的作用将被晶界的作用所掩盖，因而完全可以忽略不计。可以忽略不计。 10%冷变形后的位错密度可达冷变形后的位错密度可达51010/cm2左右。左右。剧烈冷变形后，

30、位错密度可高达到剧烈冷变形后，位错密度可高达到51010/cm2。这时位错强化提供的强度增量可高达这时位错强化提供的强度增量可高达4407Mpa，已经接近铁的理论强度。因此，位错强化也是钢已经接近铁的理论强度。因此，位错强化也是钢中最有效的方式之一。中最有效的方式之一。2.4.5 钢材晶界强化理论钢材晶界强化理论2.4.5.1 Hall-Petch公式公式钢材强钢材强化机制化机制沉淀强化沉淀强化固溶强化固溶强化位错强化位错强化马氏体强化马氏体强化 强度提高强度提高韧性降低韧性降低细晶强化细晶强化强度提高强度提高韧性不降低韧性不降低 因此，近年来人们一直通过多因此，近年来人们一直通过多种手段致力

31、于钢材组织的细化，种手段致力于钢材组织的细化，开发钢铁材料的潜力，大幅度到开发钢铁材料的潜力，大幅度到提高钢材使用性能，使传统钢铁提高钢材使用性能，使传统钢铁材料在更广泛的领域中得到应用。材料在更广泛的领域中得到应用。多晶体材料的强度与晶粒尺寸之间的关多晶体材料的强度与晶粒尺寸之间的关系可以用系可以用Hall-Petch公式来进行描述，即公式来进行描述，即 式中：式中：s s 材料的宏观屈服应力；材料的宏观屈服应力； 0 0同种材料单晶体的屈服应力；同种材料单晶体的屈服应力； K K常数；常数； D D晶粒尺寸。晶粒尺寸。210Kd010020030040000.20.40.60.81屈服强度

32、，MPaFeCu70%-Zn30%Ald-1/2，m-1/2材料的屈服强度与晶粒尺寸之间关系材料的屈服强度与晶粒尺寸之间关系D-1/2屈服强度，MPaD=0.5mD0.5m屈服强度随晶粒尺寸变屈服强度随晶粒尺寸变化示意图之间关系化示意图之间关系010020030040000.20.40.60.81屈服强度，MPaFeCu70%-Zn30%Ald-1/2，m-1/2材料的屈服强度与晶粒尺寸之间关系材料的屈服强度与晶粒尺寸之间关系010020030040000.20.40.60.81屈服强度，MPaFeCu70%-Zn30%Ald-1/2，m-1/2010020030040000.20.40.60

33、.81屈服强度，MPaFeCu70%-Zn30%Ald-1/2，m-1/2材料的屈服强度与晶粒尺寸之间关系材料的屈服强度与晶粒尺寸之间关系D-1/2屈服强度，MPaD=0.5mD0.5m屈服强度随晶粒尺寸变屈服强度随晶粒尺寸变化示意图之间关系化示意图之间关系D-1/2屈服强度，MPaD=0.5mD0.5m屈服强度随晶粒尺寸变屈服强度随晶粒尺寸变化示意图之间关系化示意图之间关系霍尔霍尔佩奇公式只适用于晶粒尺寸大佩奇公式只适用于晶粒尺寸大于于0.20.5 m的情况。的情况。当晶粒尺寸小于当晶粒尺寸小于0.20.5 m，不适用，不适用当晶粒尺寸在当晶粒尺寸在610nm附近出现极大附近出现极大值时，霍

34、尔值时，霍尔佩奇公式无法解释。佩奇公式无法解释。0.20.5m目前，深入研究纳米组织对材料强度目前，深入研究纳米组织对材料强度的影响规律，引起人们的广泛重视，并的影响规律，引起人们的广泛重视，并对此进行了探索性的研究工作。对此进行了探索性的研究工作。虽然目前的研究成果基本是在试验数虽然目前的研究成果基本是在试验数据分析基础上所建立的经验关系，但是据分析基础上所建立的经验关系，但是对材料及其加工理论的发展起到了积极对材料及其加工理论的发展起到了积极的推动作用。的推动作用。2.4.5.2 钢材晶界强化理论钢材晶界强化理论（1）晶粒尺寸与材料屈服强度的关系）晶粒尺寸与材料屈服强度的关系 塑性变塑性变

35、形理论形理论晶内滑移晶内滑移晶界滑移晶界滑移材料的材料的变形抗力变形抗力晶内滑移阻力晶内滑移阻力晶界滑移阻力晶界滑移阻力假设变形体是在单向拉伸应力的作用下假设变形体是在单向拉伸应力的作用下变形，单向压缩的情况与单向拉伸相同。变形，单向压缩的情况与单向拉伸相同。ddd符号说明符号说明变形体的体积为变形体的体积为V0；变形体宏观变形抗力为变形体宏观变形抗力为；变形体宏观上产生的应变为变形体宏观上产生的应变为；变形体内部晶粒沿拉伸方向产生应变变形体内部晶粒沿拉伸方向产生应变d；使使晶粒产生伸长晶粒产生伸长d时的应力为时的应力为d；多晶体单位面积上的晶界能为多晶体单位面积上的晶界能为。单位体积晶界能为

36、单位体积晶界能为0VAWjA/V0单位体积内晶粒（规则排列单位体积内晶粒（规则排列原子区域）与晶界交界面的面积。原子区域）与晶界交界面的面积。 由于在弹性变形阶段，晶粒的转动也是弹由于在弹性变形阶段，晶粒的转动也是弹性的，因此，可将晶粒的转动能写成弹性性的，因此，可将晶粒的转动能写成弹性变形能的形式，即变形能的形式，即)(210ddVA假设多晶体材料的晶粒为大小相同的多面假设多晶体材料的晶粒为大小相同的多面体，晶粒直径近似地等于同体积球的直径体，晶粒直径近似地等于同体积球的直径d，则多晶体材料的体积可由下式给出：，则多晶体材料的体积可由下式给出：NdV3061N体积为体积为V0的变形体内的晶粒

37、数目。的变形体内的晶粒数目。 dt晶界晶界d ?d ?晶粒尺寸测量晶粒尺寸测量试验研究结果表明，晶界层具有与非试验研究结果表明，晶界层具有与非晶态材料相似的原子排列紊乱的结构。晶态材料相似的原子排列紊乱的结构。 对于非晶态材料，由于在其结构中存对于非晶态材料，由于在其结构中存在着有序原子排列的微小区域（结晶萌在着有序原子排列的微小区域（结晶萌芽），因此，正确地定义非晶态金属应芽），因此，正确地定义非晶态金属应该是：该是：“原子的排列在一个比较大的范围内是原子的排列在一个比较大的范围内是不规则的，而在最近邻或局域的原子排不规则的，而在最近邻或局域的原子排列是有序的。列是有序的。”晶粒表面积：晶粒

38、表面积：d-t若晶界由完全不规则排列原子组成，则不发若晶界由完全不规则排列原子组成，则不发生塑性流动变形，即：弹性变形生塑性流动变形，即：弹性变形断裂。断裂。晶界滑移发生在规则排列的原子与不规则排晶界滑移发生在规则排列的原子与不规则排列原子交界面上。列原子交界面上。非线性关系非线性关系线性关系线性关系非晶态材料缺乏非晶态材料缺乏应变硬化能力应变硬化能力应力应变曲线应力应变曲线与脆性材料相似与脆性材料相似弹性变形量：弹性变形量： 1.52.0%塑性变形量：塑性变形量：0.1%左右左右由此可以提出下述假设：由此可以提出下述假设：“晶界滑移只发生在规则排列原子晶界滑移只发生在规则排列原子区域与不规则

39、排列原子区域的交界区域与不规则排列原子区域的交界面上。当晶粒内的规则排列原子区面上。当晶粒内的规则排列原子区域与晶界层内排列原子区域（结晶域与晶界层内排列原子区域（结晶萌芽）相同时，材料由晶体变为单萌芽）相同时，材料由晶体变为单一的非晶态。一的非晶态。”按此假设，晶粒尺寸的最小值按此假设，晶粒尺寸的最小值dmim总总是大于晶界层厚度是大于晶界层厚度t。不规则排列原子不规则排列原子区域区域规则排列原子区规则排列原子区域域dtdmin t因此，体积为因此，体积为V0的变形体内晶粒（规的变形体内晶粒（规则排列原子区域）与晶界交界面的总则排列原子区域）与晶界交界面的总表面积表面积A0可以由下式给出，即

40、可以由下式给出，即NtdA20单位体积内的晶界面积为单位体积内的晶界面积为 200016dtdVAVA与晶粒形状有关的常数。与晶粒形状有关的常数。 dddtd21162)(210ddVA200016dtdVAVA由于变形体的宏观变形与晶粒的变形由于变形体的宏观变形与晶粒的变形均为弹性变形，符合虎克定律。对于均为弹性变形，符合虎克定律。对于单向应力状态，假设宏观变形体的弹单向应力状态，假设宏观变形体的弹性模量为性模量为E，单晶体材料的弹性模量为，单晶体材料的弹性模量为Ed，则有，则有dddEEdddEEdtdE2112dddEEdddtd21162222141112121ddddEEdtdEEE

41、由于材料的变形抗力随晶粒尺寸的减小而由于材料的变形抗力随晶粒尺寸的减小而增大，因此，在上式中取增大，因此，在上式中取“+”。此外，一。此外，一般非晶态材料的弹性模量比同种成分晶体般非晶态材料的弹性模量比同种成分晶体材料的低材料的低2040%，当晶粒尺寸较大时，当晶粒尺寸较大时，EEd；当晶粒尺寸较小时，因晶界强化而；当晶粒尺寸较小时，因晶界强化而产生的效果远大于单晶体的强度产生的效果远大于单晶体的强度d。因此，。因此，无论晶粒尺寸如何变化，总有无论晶粒尺寸如何变化，总有222141112ddEEdtdEdtdKEEdtdEEEdddd1121112121EK12当变形体由弹性状态进入塑性状态时

42、，当变形体由弹性状态进入塑性状态时，=s；d=0 dtdKEEds11210EK12当晶粒尺寸远大于晶界层厚度，即当晶粒尺寸远大于晶界层厚度，即dt时，时，t/d0，EEd，则公式变为，则公式变为著名的霍尔著名的霍尔-配奇配奇公式，即公式，即dtdKEEds11210210Kd由于材料的硬度与强度有一定的对应由于材料的硬度与强度有一定的对应关系，因此，材料的硬度随晶粒尺寸的关系，因此，材料的硬度随晶粒尺寸的变化也可以用下式给出，即维氏硬度为变化也可以用下式给出，即维氏硬度为dtdKHVEEHVHVd11210表 1 材料常数的测定值 材料常数 Cu Fe 材料常数 Pd NiP 1/2(1+E

43、/Ed)0(MPa) 70 200 1/2(1+E/Ed)HV0(MPa) 908 3834 K （MPanm1/2） 4226.2 11891 KHV （MPanm1/2） 9205.3 11848.5 t（nm） 4.0 3.45 t（nm） 2.0 2.0 工业纯铜的晶粒尺寸与屈服强度 0.00.10.20.30.402004006008001000 屈服 强度， 0.2/MPa（ 晶 粒直 径，d） -1/2/nm-1/2 实验值3 实验值4 理论值霍尔-配奇100 11 25 晶粒直径，d/nm 6.25 Cu 工业纯铁的晶粒尺寸与屈服强度 0.00.10.20.30.4010002

44、00030004000 屈服 强度，0.2/MPa（ 晶 粒直 径，d） -1/2/nm-1/2 实验值3 理论值 霍尔-配奇100 11 25 晶粒直径，d/nm 6.25 Fe 工业纯钯的晶粒尺寸与维氏硬度 0.00.10.20.30.40.501000200030004000 HV/MPa（ 晶 粒直 径，d） -1/2/nm-1/2实验值8理论值霍尔-配奇100 25 11 6.25 4 晶粒直径，d/nm Pd NiP 的晶粒尺寸与维氏硬度 0.00.10.20.30.40.50.62000300040005000600070008000 HV/MPa（ 晶 粒直 径，d） -1/2

45、/nm-1/2 实验值9 理论值 霍尔-配奇100 11 6.25 4 4 NiP 2.78 25 晶粒直径，d/nm （2） 非晶态材料的屈服强度非晶态材料的屈服强度（a）多晶体材料的最大多晶体材料的最大屈服强度屈服强度和维氏硬度和维氏硬度0ddds0)(ddHVdd=3ttKEEds3321210maxtKHVEEHVHVd3321210max假设晶粒为球体，则与假设晶粒为球体，则与多晶体材料的多晶体材料的最大最大屈服强度所对应的晶界层体积百屈服强度所对应的晶界层体积百分率分率f为为%703111133ttdtf（b）非晶态材料的屈服强度和）非晶态材料的屈服强度和维氏硬度维氏硬度非晶态材料

46、的屈服强度就是与晶粒尺非晶态材料的屈服强度就是与晶粒尺寸的最小值寸的最小值dmim相对应的强度值。相对应的强度值。 晶界的组成晶界的组成原子排列不规则原子排列不规则原子排列规则原子排列规则原子排列不规则原子排列不规则原子排列规则原子排列规则原子排列不规则原子排列不规则原子排列规则原子排列规则原子排列不规则原子排列不规则原子排列规则原子排列规则原子排列不规则原子排列不规则原子排列规则原子排列规则原子排列不规则原子排列不规则原子排列规则原子排列规则td=t 非晶态非晶态dt非晶态非晶态不规则排列原子不规则排列原子区域区域规则排列原子区规则排列原子区域域dtdmin t假设假设dmin=3t/2 t

47、KEEdsf3231210tKHVEEHVHVdf3231210表 2 非晶态材料的屈服强度和维氏硬度 Table.2. The yield strength and the Vicker-hardness of non-crystal material 材料 多晶体的最大屈服强度（MPa） 非晶态材料的屈服强度 （MPa） 材料 多晶体的最大维氏硬度（MPa） 非晶态材料的维氏硬度（MPa） Cu 883 645 Pd 3401 2680 Fe 2664 1942 NiP 7035 6114 （3）小结）小结（a）多晶体材料的强度随晶粒尺寸的变）多晶体材料的强度随晶粒尺寸的变化，取决于晶界层

48、厚度与晶粒直径的比化，取决于晶界层厚度与晶粒直径的比值。当晶粒尺寸远大于晶界层厚度，即值。当晶粒尺寸远大于晶界层厚度，即dt时，时，t/d可忽略，可以采用霍尔可忽略，可以采用霍尔-配奇配奇公式来描述公式来描述材料屈服强度随晶粒尺寸的材料屈服强度随晶粒尺寸的变化规律；当晶粒直径较小时，变化规律；当晶粒直径较小时，t/d的影的影响不可忽略，响不可忽略，需要采用式（需要采用式（12）、来计）、来计算材料的算材料的屈服强度随晶粒尺寸的变化。屈服强度随晶粒尺寸的变化。（b）材料常数）材料常数K是影响材料强度的是影响材料强度的重要参数之一。材料常数重要参数之一。材料常数K是弹性是弹性模量、晶界能的函数，弹

49、性模量、模量、晶界能的函数，弹性模量、晶界能越大，晶界能越大，K值越大，多晶体材值越大，多晶体材料的强度越高。料的强度越高。（c）多晶体材料的强度随变形体内晶）多晶体材料的强度随变形体内晶粒（规则排列原子区域）与晶界交界面粒（规则排列原子区域）与晶界交界面的面积而变化：的面积而变化：当当d3t时，变形体内晶粒与晶界交界时，变形体内晶粒与晶界交界面的面积随晶粒尺寸的减小而增大，多面的面积随晶粒尺寸的减小而增大，多晶体的强度随晶粒尺寸的减小而增加；晶体的强度随晶粒尺寸的减小而增加；当当d3t时，变形体内晶粒与晶界交界时，变形体内晶粒与晶界交界面的面积随晶粒尺寸的减小而降低，引面的面积随晶粒尺寸的减

50、小而降低，引起多晶体的强度随晶粒尺寸的减小而降起多晶体的强度随晶粒尺寸的减小而降低；低；当当d=3t时，变形体内晶粒与晶界交界时，变形体内晶粒与晶界交界面的面积随晶粒尺寸的变化达到最大值，面的面积随晶粒尺寸的变化达到最大值，因此，多晶体的强度达到最大值。因此，多晶体的强度达到最大值。（d）宏观与微观相联系）宏观与微观相联系多晶体单位面积上的晶界能多晶体单位面积上的晶界能lnln200CECb屈服强度与取向差的关系屈服强度与取向差的关系212100ln6dCEbs2112EK 2102lKlE2203lECb203ln2 l塞积头到相邻晶粒中最近的塞积头到相邻晶粒中最近的 位错源的距离；位错源的

51、距离；与取向有关的因子。与取向有关的因子。 2.4.6细晶韧化细晶韧化 相对于强化理论，韧化理论的发展较为滞后，相对于强化理论，韧化理论的发展较为滞后，这与韧性指标的不确定性和韧化原理的复杂性这与韧性指标的不确定性和韧化原理的复杂性相关。相关。Petch根据断裂应力与晶粒直径关系的研根据断裂应力与晶粒直径关系的研究，得出了：究，得出了： Tc=B-lnd-1/2 式中式中和和B为常数。为常数。从式中可以看出，随着晶粒尺寸变小，韧脆转从式中可以看出，随着晶粒尺寸变小，韧脆转折温度下降。折温度下降。上式在实验上略有不便，后来上式在实验上略有不便，后来Pickering等等对低碳钢提出韧脆转折温度的

52、表达式为：对低碳钢提出韧脆转折温度的表达式为： Tc=a-bd-1/2 式中式中a为包括了除晶粒直径外其它所有因为包括了除晶粒直径外其它所有因素对韧脆转折温度的影响；素对韧脆转折温度的影响；bd-1/2晶粒直径对韧脆转折温度的影响，晶粒直径对韧脆转折温度的影响，一般一般b=11.5 oC/mm1/2。对于低碳钢，当铁素体直径由对于低碳钢，当铁素体直径由20m细细 化到化到5m时，可使时，可使Tc下降下降81 oC；对于合金钢，当奥氏体晶粒度从对于合金钢，当奥氏体晶粒度从9级细级细 化到化到15级时，钢的屈服强度（调质状态）级时，钢的屈服强度（调质状态） 从从1150MPa提高到提高到1420M

53、Pa。 -120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 0 +15 7 6 5 4 3 2 1 0 铁素体晶粒度/级 脆性转变温度， 晶粒尺寸对钢材脆性转变温度的影响低碳钢(C0.02%-Ni0.03%)低碳镍钢(C0.02%-Ni0.03%) -120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 0 +15 7 6 5 4 3 2 1 0 铁素体晶粒度/级 脆性转变温度， 晶粒尺寸对钢材脆性转变温度的影响 -120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 0 +15 7 6 5 4 3 2 1 0 铁素体晶粒度/级 脆性转变温度， 晶粒尺寸

54、对钢材脆性转变温度的影响低碳钢(C0.02%-Ni0.03%)低碳镍钢(C0.02%-Ni0.03%)从图中可以看出，晶粒细化可以在大从图中可以看出，晶粒细化可以在大幅度地提高强度的同时使冲击转折温幅度地提高强度的同时使冲击转折温度大幅度降低，而其它能够有效地提度大幅度降低，而其它能够有效地提高钢材屈服强度的强化方式都将导致高钢材屈服强度的强化方式都将导致冲击转折温度的升高。冲击转折温度的升高。因此，只有晶粒细化才是使钢材有效因此，只有晶粒细化才是使钢材有效地强化并韧化的唯一的方式。地强化并韧化的唯一的方式。2.4.7 形变强化理论形变强化理论D变形体变形体假设在塑性变形过程中，晶界面积假设在

55、塑性变形过程中，晶界面积不变，只是晶粒面积减小。不变，只是晶粒面积减小。根据塑性变形时材料体积不变条件：根据塑性变形时材料体积不变条件：2200ddlllNdNldV20200ddll00ln2ln21exp0dd21exp141exp121000dtdKEEddtdKEEds112102.5钢材组织的形变、相变细化理论钢材组织的形变、相变细化理论2.5.1变形功与相变温度变形功与相变温度 假设在温度假设在温度T和压力和压力P条件下，单元体系的两相呈条件下，单元体系的两相呈平衡状态。当压力和温度变化后，使两相仍就平衡，平衡状态。当压力和温度变化后，使两相仍就平衡，设两个相分别为设两个相分别为相

56、和相和相，其吉布斯自由能分别为相，其吉布斯自由能分别为G和和G ，由于压力，由于压力P改变改变dP，温度，温度T改变改变dT， G变变为为G +d G ， G变为变为G +d G 。由于两相平衡时，。由于两相平衡时，有有 G=G dG=dGGGGGGGGG热力学理论热力学理论dPVdTSdGdWdPVdTSdGdTSdWdPV G相吉布斯自由能相吉布斯自由能 G 相吉布斯自由能相吉布斯自由能 dW为变形功增量为变形功增量 P压力压力 T温度温度 S 相摩尔熵相摩尔熵 S 相摩尔熵相摩尔熵 S 相变时的摩尔熵变化相变时的摩尔熵变化 V 相摩尔体积相摩尔体积 V 相摩尔体积相摩尔体积 V 相变时的

57、摩尔体积变化相变时的摩尔体积变化 H摩尔相变潜热摩尔相变潜热 T0一个大气压下的相变温度一个大气压下的相变温度相变时的摩尔体积变化相变时的摩尔体积变化V 是非常小的，是非常小的，在同样压力作用下在同样压力作用下 体积变形功远小于形状变形功体积变形功远小于形状变形功 可以忽略体积变形功可以忽略体积变形功 由于两相一直处于相互平衡状态，则有由于两相一直处于相互平衡状态，则有 dTSdWdTSdWdPVTHSdTTHdW假设假设H随温度的变化很小，可将其视为常数，将随温度的变化很小，可将其视为常数，将上式积分后可得上式积分后可得 TTTTHTdTHWdW00lnHWTTexp0变形功与相变温度之间的

58、关系变形功与相变温度之间的关系 随着变形功的增加，相变温度升高随着变形功的增加，相变温度升高 2.5.2冷却（加热）速度与相变温度冷却（加热）速度与相变温度冷却速度与相变温度冷却速度与相变温度 冷却（或加热）速度对相变温度有很大的影冷却（或加热）速度对相变温度有很大的影响，已被实验所证实响，已被实验所证实 假设在温度假设在温度T和压力和压力P条件下，单元体系的两相条件下，单元体系的两相呈平衡状态。当压力和温度变化后，使两相仍就呈平衡状态。当压力和温度变化后，使两相仍就平衡，设两个相分别为平衡，设两个相分别为相和相和相，其吉布斯自由相，其吉布斯自由能分别为能分别为G和和G ，由于压力，由于压力P

59、改变改变dP，温度，温度T改改变变dT， G变为变为G +d G ， G变为变为G +d G 。由于两相平衡时，有由于两相平衡时，有 G=G dG=dG 设冷却（或加热）速度所引起的体系能量变化为设冷却（或加热）速度所引起的体系能量变化为 udf热力学理论热力学理论dPVdTSdGudfdPVdTSdG)( dTSudfdPV由于是在一个大气压下发生相变，并且体积变化很由于是在一个大气压下发生相变，并且体积变化很 小，因此可以忽略体积变形功，则有小，因此可以忽略体积变形功，则有 dTSudf dTTHudf由于两相一直处于相互平衡状态，则有由于两相一直处于相互平衡状态，则有THS设设H随温度的

60、变化很小，可将其视为常数，将随温度的变化很小，可将其视为常数，将上式积分后可得上式积分后可得 TTTTHTdTHufudf00ln HufTTexp0 uf 由于在实际加热或冷却时，试样内部和表面温度由于在实际加热或冷却时，试样内部和表面温度的不均匀性，的不均匀性， 的形式是很难确定的，因此这里采的形式是很难确定的，因此这里采用实验方法来确定用实验方法来确定 。对对Q235钢来说，在连续冷却条件下，钢来说，在连续冷却条件下， 可用下式可用下式来表示，即来表示，即 uf uf 4145)(uufHuTT41045exp920960100010401080112015153050冷却速度，/ s相