材料加工组织性能控制第一二章

材料加工组织性能控制第一二章第一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日1.刘永铨，钢的热处理，冶金工业出版社，1987年2.毛卫民，金属材料的晶体学织构与各向异性，科学出版社，2002年3.王有铭等，钢材的控制轧制与控制冷却，冶金工业出版社4.轧钢工艺学

参考书

第二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日1.绪论基本概念：金属的塑性:塑性是材料的一种定性的固有性质。塑性反映材料抵抗断裂的能力，它主要受金属内在的化学成分与组织结构的影响。纯金属、单相固溶体、化合物塑性的比较：面心、体心、六方晶格金属塑性的比较：多相、单相金属塑性的比较：晶粒大小的影响：第三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日塑性的表示方式：金属的强度：塑性与柔软性的区别：第四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日塑性加工的作用：改形、改性。改形：改性：形变热处理：第五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日图

化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间关系强韧性能的基本概念及理论

冶炼、浇注、冷热加工成形和热处理等。第六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日图1-2钢材性能与冶金因素、组织的关系工艺

性能手段第七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日金属材料的力学性能： 金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力或能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联合作用下所表现的行为。

力学性能通常包括：

强度指标：Re、Rm；塑性指标：A、Z；韧性指标：k、Kc。

第八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日⑴

金属的理论屈服强度

图

原子面受力后产生的位移令a=b第九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日对钢而言，G＝78453MPa，理论屈服强度Re=12492MPa，实际纯金属单晶体的屈服强度要比此值低100~1000倍。钢的实际屈服强度远远低于理论屈服强度。

第十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（2）金属的理论断裂强度图1-4原子间结合力的双原子模型1-吸引力；2-排斥力；3-合应力理论断裂强度正弦函数波长单位面积表面能第十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日高强度钢的断裂强度可达2100Mpa，约为理论断裂强度的十分之一。一般工程材料的断裂强度比理论断裂强度低10-1000倍。原因：①实际金属不是理想晶体，滑移过程不是刚性的、整体的移动；②在实际晶体中存在有位错，位错具有可动性，位错可以通过点阵滑移从一个位置移向另一个位置；③材料中存在微裂纹。第十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（3）金属的韧性第十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日冲击试验影响脆性断裂的基本因素三向应力状态温度应变速率或加载速率a)脆性断裂的外部条件第十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日第十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

b)缺口冲击试验夏比试样断裂所需能量,记做CV(K)查看断面确定断裂时纤维状（剪切断裂）、粒状（解理断裂），还是二者的混合第十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日第十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日3）转变温度曲线的意义转变温度：金属：出现于（0.1~0.2）Tm；陶瓷材料：出现在（0.5~0.7）Tm。Tm：绝对熔解温度。第十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日①材料的组织、结构的影响：a）点阵类型的影响：b）第二相质点的影响：c）第二相与基体的性质差异的影响：d）内部缺陷的影响：e）晶粒大小的影响：4）影响冲击韧性的因素第十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日②

温度的影响：三个脆性区：冷脆性、蓝脆性、重结晶脆性。

图1钢的几个脆性的温度区域

图2不同含碳量的钢的冷脆和蓝脆温度范围第二十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

③

形变速度的影响

④试样尺寸的影响：试样尺寸

，韧性

，断口纤维状区比例减小，韧-脆转化温度提高（原因）。第二十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日2钢铁材料强韧化理论金属材料强化的基本途径：

(1)制成无缺陷的完整晶体，使金属的晶体强度接近理论强度。铁晶须：最大剪切应力可达3640MPa。（2）在有缺陷的金属晶体中设法阻止位错的运动。第二十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日金属材料中的显微缺陷组织可分为：(1)点缺陷：(2)线缺陷：(3)面缺陷：(4)体缺陷：强化手段：固溶强化、位错强化、晶界强化、第二相粒子析出强化及相变强化。第二十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日提高韧性的具体途径：

（1）成分控制

Bucher对C-Mn-Si钢：Mn含量固溶的自由氮含量珠光体的百分数晶粒尺寸第二十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日公式的适用范围变量平均范围%Mn%Si%Nf%珠光体d-1/2(mm-1/2)FATT(C)0.930.070.00614.98.06-24.401.9000.3400.2105302014.48-122.8075.6第二十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日表2-2合金元素对工业纯铁强度和韧性的影响溶质元素原子直径(Å)25(C)时下屈服点变(107Pa/原子%)冲击韧性转变温度变化（C/原子%）PPtMoMnSiNiCoCrV2.182.772.722.242.352.492.492.492.6321.14.93.63.53.52.10.40.0-0.2130,300-20-5-10025-10--5-第二十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日1）C的影响C，钢中珠光体量（Fe-C相图），50％FATT。措施：增加Mn/C比2）Al的影响Al两方面的作用：第二十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日3）P、S的影响P：回火脆性和影响交叉滑移；S：产生应力集中及各向异性（原因：）。措施：1）尽可能降低S、P含量；2）加入稀土、Ti、Zr等元素。第二十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日4）N的影响a)增加钢的时效性；b)产生“蓝脆”；c)细化晶粒。 5）V的影响：VN的形成阻止奥氏体再结晶细化转变后的晶粒。问题：过多的固溶V阻止交叉滑移而影响韧性。第二十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（2）气体和夹杂物控制氢：引起白点和氢脆；氮：使钢的韧性下降；氧化物：使钢的韧性下降；硫化物：硫+锰MnS夹杂：塑性，缺点：热轧钢板横向韧性。措施：降低钢中硫含量；加锆(Zr)和稀土等元素。第三十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日a.

顶注；b.连续铸锭；c.压力浇注；d.电渣重熔Ak为20C夏氏V型值（9.8J）；b均为540MPa铸造工艺对夹杂物总量及韧性各向异性的影响第三十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日(3)压力加工工艺的控制(4)热处理工艺的选择

固溶强化概念：

通过改变金属的化学成分来提高强度（晶格中铁素体的组织状态没有变化）。

运动的位错与异质原子之间相互作用的结果。强化的实质：强化的金属学基础：2.1固溶强化第三十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日固溶强化分类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化

图2-5铁的屈服应力和含碳量的关系（1）间隙式固溶强化：碳、氮等溶质原子嵌入a-Fe晶格的八面体间隙中，使晶格产生不对称正方形畸变造成强硬化效应。第三十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日作用：

图2-6(SS)C+N随C、N含量的变化规律

柯氏气团：Snock气团：第三十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日Ki：由间隙原子性质、基体晶格类型、基体的刚度、溶质和溶剂原子的直径差及二者的化学性质差别等因素决定的数值；Ci：间隙原子的固溶量（原子百分数）；n：0.332.0之间变化的一个指数。

加入Cr、V等元素可以和基体中的间隙元素碳、氮形成化合物，抵消了碳和氮的强化作用。因此，在考虑溶质元素的强化作用时，必须保证这些元素是处于固溶状态。第三十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日间隙式固溶强化对塑性、韧性的影响：1）间隙原子在铁素体晶格中造成的畸变是不对称的，随着间隙原子浓度的增加，塑性和韧性明显下降。马氏体含碳量(%)冲击值Cv(Nm)<0.20.30.50.7>2012165825第三十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日2）碳、氮间隙原子能引起低碳钢的蓝脆

结果：产生吕德斯带、应变硬化指数变大、延伸率降低。同样，螺型位错线附近的Snock气团也会使塑性降低。结论：第三十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（2）置换式固溶强化：畸变大都是球面对称，强化效能比间隙式原子小两个数量级（弱硬化）。元素类型不同，强化效能也不同。图2-7置换式元素对a-Fe屈服强度的影响

第三十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日置换式固溶强化通式：

Ks：常数，Cs：溶质原子的固溶量（原子百分数），n：0.51.0之间。第三十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日置换式固溶强化对韧性的影响：1）基体中含有置换式固溶原子（如Si、P、Mn）平面滑移硬化指数n=均匀延伸率u。2)钢中加入Ni(或Pt、Pd)，能促进低温时螺型位错交滑移，使韧性提高。Si、Al使低温交滑移困难，钢的塑性和韧性降低。3)影响钢基体的层错能增加层错能的元素：降低层错能的元素：4)对基体Peierls力的影响。第四十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日小结：固溶强化效果取决于：溶质元素在溶剂中的溶解度大小；

溶质元素溶解量；形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B）强化作用大于形成置换式固溶体（如Mn、Si、P）的溶质元素；溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。第四十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日①位错的钉扎作用；②位错运动的摩擦阻力增加；③结构强化引起的强化；固溶强化机制：第四十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日位错密度与强度值增加v之间关系式：

2.2应变强化（位错强化）

无量纲系数，数量级为1柏氏矢量抗剪摩数位错密度第四十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日位错强化对塑性及韧性的影响：(1)位错的合并以及在障碍处的塞积会促使裂纹形核，使塑性和韧性降低。(2)由于位错在裂纹尖端塑性区内的移动可减缓尖端的应力集中，使塑性和韧性升高。第四十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日图2-11通过冷变形改变的冲击韧性和脆性转化温度

第四十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

相邻的取向不同的晶粒边界区域，或者说是周期性排列的点阵的取向发生突然转折的区域。分大角度晶界，小角度晶界。（1）具有界面能；（2）界面能量高于晶粒内部；（3）对力学性能的影响。晶界：晶界特点：2.3晶界强化第四十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日2.3.1晶界强化机理：图节状晶体的拉伸变形①多晶体内变形的不均性晶界第四十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日②晶界的阻碍作用；

晶界对滑移的阻碍作用

在晶界上的位错塞积群③多晶体晶粒的塑性变形必须满足连续性的条件第四十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日2.3.2Hall-Petch(霍尔—配奇)公式

图2-14软钢的晶粒大小对压缩屈服应力和拉伸脆断应力的影响-压缩屈服应力；-拉伸脆断应力i：常数，相当于单晶体时的屈服强度；

K1：反映晶界对强度影响程度的常数，它和晶界结构有关，和温度关系不大。第四十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

图2-15

0.15%碳钢屈服强度和晶粒直径间的关系〇-静拉；●-变形速度1.4×102S-1;变形速度2.1×102S-1第五十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日铁素体一珠光体钢有下述形式的Hall-Petch关系式：式中i和p分别表示完全为铁素体和完全为珠光体时的内摩擦应力；f和fp分别表示铁素体和珠光体的体积分数（f+fp=1）；d为铁素体晶粒直径。铁素体-珠光体钢中Mn、Si含量对屈服强度的影响：第五十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日铁素体晶粒细化，可以提高屈服强度(d与比较)；晶界是位错运动的障碍，细化晶粒可使材料的屈服强度提高。晶界强化对强度的影响：晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒愈细，裂纹扩展临界应力c愈大，材料的韧性愈高。晶界强化对塑性的影响：晶界可把塑性变形限定在一定的范围内，使变形均匀化，因此晶粒细化也可以提高材料的塑性。晶界强化对韧性的影响：第五十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

亚晶界：晶内界面，晶粒内取向差在几度范围的各个小区域。

形成条件：①在奥氏体未再结晶区或奥氏体、铁素体两相区变形；②冷变形后低温回火。

强化原因：亚晶本身是位错墙，亚晶细小，位错密度也高。强化作用方面与晶界具有类似的性质。只有晶界强化机理才能使材料强化的同时又使材料的韧塑性提高，所以细化晶粒就成为控制轧制工艺的基本目标。2.4亚晶强化第五十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日对强度的影响：

式中i、K分别是Hall-Petch公式的单晶体的屈服强度和晶界强化系数；D：没有亚晶的等轴铁素体尺寸；d：铁素体亚晶的尺寸；fF：等轴铁素体的分数。第五十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日定义：第二相质点沉淀时，沉淀相在基体中造成应力场，应力场与运动位错之间的交互作用。沉淀强化（时效强化）：弥散强化：2.5沉淀强化2.5.1沉淀析出条件

固溶度随温度的降低而减少。第五十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日过时效：图2-17可能出现沉淀强化的合金系

第五十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（1）切过第二相的强化机理条件：第二相比较细小，与基体存在共格关系。强化原因：1）；2）；3）2.5.2沉淀强化机理位错切过第二相质点后增加的相界面第五十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日(2)

绕过第二相的强化机理条件：

位错绕过第二相质点时的过程示意图

第五十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日影响沉淀强化的因素：沉淀相的部位、形状。沉淀颗粒分布在整个基体上好于分布在晶界上；颗粒形球状比片状更有利于强化。

形变热处理产生强化的原因：第五十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日特点：

(1)强化相质点是通过机械混合，压制烧结到基体中去的。没有沉淀析出过程。(2)第二相在基体中一般溶解度都很小，甚至在高