东北大材料成型金属学课件08材料的组织性能控制

Chap.8材料的组织性能控制8.1 金属的强化机制Strengtheningmechanism

强度Strength

强化Strengthening

汽车工业的要求：safer,lighter,stronger3因素：新设计/材料选择/新制造方法强度高、成形性好

“减重/节能/降低排放/提高安全性”

10%weightreduction/6%increaseinefficiencySlipsystemsarefreewaysfordislocations

滑移系－位错运动的高速公路滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogyThreereasonsfortraffic交通阻塞的3种原因：BlockedFreeways(construction)TooManyCarsPedestrians,StoppedCars

TrafficBroken/BlockedFreeways-ConstructionSlip滑移GrainBoundaries晶界滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogyTrafficTooManyCarsSlip滑移

DislocationDensity位错密度

滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogy位错网格晶体中F-R源形态变化过程TrafficPedestrians,StoppedCarsSlip滑移

Solute

溶质原子Impurities杂质Secondphaseparticles第二相粒子滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogy置换固溶体间隙固溶体Al合金第二相主要强化机制

Strengtheningmechanisms晶界强化应变强化－加工硬化固溶强化弥散强化SoluteatomsPrecipitates&dispersedparticlesInteractingdislocationsGBstrengthening

1.晶界强化

Grainboundarystrengthening1）晶界—畸变—晶界能—向低能量状态转化—

晶粒长大、晶界变直—晶界面积减小；

2）阻碍位错运动—流变应力↑—细晶强化；

3）位错、空位等缺陷多—晶界扩散速度高；

4）晶界能量高、结构复杂—容易满足固态相变

的条件—固态相变首先发生地；

5）化学稳定性差—晶界容易受腐蚀；

6）微量元素、杂质富集。MostMetalsarePolycrystalline

多晶体

NeighborsInterfere!强度Polycrystals

（多晶体）>Monocrystals（单晶体）ActualYield3grains8grainsWhichismoredifficultfordislocationmovements?GrainBoundaries晶界晶粒大小的影响霍尔－配奇（Hall-Petch）公式

0－晶内变形阻力，相当于单晶体的屈服强度；

Ky－

晶界性质影响的阻力系数；

d－晶粒直径。

限制：纳米材料不适用YieldStrengthvs.GrainSize细晶强化通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、韧性提高的现象。晶界原子排列不规则→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越高。※※晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中；晶界越多且越曲折→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。※由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。均质纯净超细形变热处理(Thermomechanicalprocessing,TMCP)超细晶(ultrafinegrain,UFG)百炼钢2.形变强化

Work/Strainhardening形变位错受到阻碍/相互作用Interaction

加工硬化——古老又普遍的现象

加工硬化WorkhardeningYieldStrengthvs.DislocationDensity

位错密度与应力的关系

:flowstress

:measureddislocationdensity=>加工硬化与位错有直接关系

½-cmStress

0k=b加工硬化与位错的关系

3.固溶强化

Solutionhardening固溶体强度>基体金属 固溶体solution溶质 solute溶剂 solvent固溶度solubility 固溶强化：合金元素固溶到基体金属（溶剂）中形成固溶体时，合金的强度、硬度提高。固溶强化机制晶格畸变合金元素与基体金属的原子尺寸差越大，固溶强化效果越大。钉扎位错－可运动的溶质原子钉扎位错而造成强化（开始屈服时）。位错在溶质原子的应力场中运动σ－合金的流变应力；σ

0－纯金属的流变应力；c－溶质的原子浓度；K,m－常数。流变应力随溶质浓度的变化HardnessofSteelvs.InterstitialCarbonContent4.弥散强化dispersedhardening

基体+第二相（金属的氧化物、碳化物或其他化合物）方法：1)过饱和固溶体-时效

2)粉末冶金、内氧化第二相弥散质点（尺寸/分布/体积分数）

DispersedsecondphaseparticleMicrostructureofAluminumAlloyafterPrecipitationHardening7150-T651aluminumalloy(6.2Zn-2.3Cu-2.3Mg-0.12Zr-balancedAl)⑴位错切过第二相质点－形成新的界面；－交界处原子排列不同；－滑移面不同。⑵位错绕过第二相质点

Orowan机制质点尺寸↑铝合金分类和强化分类:变形铝合金、铸造铝合金强化方法固溶、冷变形、时效强化，变质处理。

单纯的固溶体强化有限，配合有效的沉淀强化处理。沉淀强化：在固溶度随温度降低而减小的合金中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体；对过饱和固溶体在较低的温度下加热使之发生分解，析出弥散相，并引起合金强化的热处理过程。1:将合金在340to451ºC固溶，形成过饱和固溶体；2:快速淬火，防止形成第二相；3:低于340ºC时效，形成细小弥散的

相。451ºC340ºCAl-8%Mg合金晶体微观缺陷的变化（工业纯铁和钢类似）塑性变形原子排列发生畸变晶格扭曲晶体缺陷增多择优取向（织构）渗碳体对碳钢变形的影响(阻碍铁素体的变形）数量尺寸形态渗碳体含量增加，阻碍作用增大层片越细，阻碍作用增大片状的比球状的阻碍作用大，网状的比片状的更大。阻碍变形取决于空位、位错、晶界、亚晶界各晶粒内原子排列位向趋于一致马氏体析出硬化淬冷－马氏体相碳浓度过饱和时效－析出效应TypicalPrecipitationHardenedAlloys

典型沉淀硬化合金Al2014ForgedAircraftFittings,

AlStructures2024Highstrengthforgings,

Rivets7075

AircraftStructuresCuBerylliumBronze:

SurgicalInstruments,

Nonsparkingtools,

GearsMg AM100A

SandCastings AZ80A

ExtrudedproductsNi

HighTemperatureAlloy Inconel700 upto1800FFe

HighStrengthStainlessTypicalPrecipitationHardenedAlloys

典型沉淀硬化合金铝合金形变热处理提高铝合金的强度和韧性－脱溶沉淀

根据相变与形变发生的顺序，调整热处理工艺：

1.加工始态－是固溶还是时效；

2.加工温度－形变过程是否伴随相变；

3.加工后时效－形变后相变。(d)位错及析出物;(e)铁素体晶粒(a)亚晶;(b)铁素体再结晶晶粒;(c)位错及析出物

低碳Nb钢的TEM照片

碳钢的形变热处理铁素体：强化机制：细晶、固溶、析出、亚晶扩展：其它强化机制组织强化microstructurehardening相变强化

multi-phasestrengthening应变诱发转变

动态Hall-Petch效应

straininduced

transformation/twinning组织强化－高强度金属丝

High–strengthsteelwireThestrongestknownmetal(disregardingwhiskerfilament)isdrawnpearlitic（珠光体）wire.Notonlywithextremelyhighstrength,butalsowithanamazing

ductilityatthisstrengthlevel.

珠光体钢丝－超高强度、高塑性

Limitation:onlybeingproducedbydrawingwiretoareductioninareaofover90%

finewires细丝DescriptionofUTSRange(MPa)Pianowire1790~2400Mandolinwire2000~2760Wirecables2210Galvanizedsuspensioncablewire1380~1590Mechanicalspringwires2960Heattreatment:toachievethefinestpossiblepearlitespacingpriortodrawing热处理:在拉拔前获得细的珠光体

变形→位错密度增加→位错缠结高位错密度区将位错密度低的区域隔开→晶粒内部出现“小晶粒”，取向差不大→胞状亚结构透射电镜（TEM）亚结构强化Microstructureofexperimentalsteels

Hi-Si+Low-Mnsteel(equiaxed

ferrite+bainite)(b)Low-Si+High-Mnsteel(quasi-polygonferrite+bainite)相变强化-双相钢/多相钢

dual/multi-phasesteels

F+M/B＋F/M＋B＋F高扩孔性能钢要求:屈服点低、初始加工硬化速率高、强度/韧性良好匹配F+B扩孔性能/综合性能良好应变诱发转变-相变诱导塑性钢（TRIP）TRIP：TransformationInducedPlasticity成分组织特点：

0.1C+1.4Mn+1.0Si,F＋B＋rA(5~15%)TRIP效应高碰撞吸收能形变诱发孪生

Twinninginducedplasticity(TWIP)Dynamic“Hall-Petch”relationshipAHSSTWIP/L-IPAutomotiveSteels--OnlineTechnicalResourcesBy:StuartKeelerTuesday,May01,2012TheScienceofFormingDiscussion加工硬化带来的利与弊？加工硬化在工业上有何应用？利：变形过程中位错密度增加，位错间发生交互作用（交割、缠结），发生位错塞积，可起到强化金属的作用。应用：提高材料强度；表面耐冲击、耐磨损；使材料变形均匀；提高切削性；弊：造成变形困难，需通过再结晶退火消除加工硬化。

何为时效？说明时效强化的原因。

时效：过饱和固溶体在室温或较高温度保留一段时间，有第二相从基体中析出的过程。

时效强化：位错切过/绕过第二相，增大外加应力。说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。种类、数量、大小、形状、分布特点两相均具有塑性，第二相的尺寸和变形能力与基体相差不大，则合金的变形取决于第二相的体积分数；如分别为塑性相和脆性相，合金的塑性变形主要取决于脆性相：第二相粗大或呈针状，变形只在基体中进行，塑性不高；第二相连续分布在晶界上，合金很脆。弥散分布的第二相能显著强化合金，使合金获得良好的综合的力学性能，强度高，塑性好。塑性变形主要在基体中进行。分别说明对纯金属和合金可采用的强化机制。纯金属：应变强化、细晶强化、亚结构强化、辐照强化。合金：除上述强化机制外，还有固溶强化、沉淀强化、相变强化。

Chap.8金属组织性能控制

Microstructureandmechanicalpropertycontrol

8.2控制轧制及强韧性能的控制TMCP

ThermoMechanicalControlledProcessingContorolledRolling(CR)AcceleratedCooling(AcC)首钢3500轧机攀钢1450控制冷却系统中宽带钢轧机控制冷却系统ApplicationofTMCPsteels米约大桥NewYork(911Memorial)

Thermomechanicaltreatment

形变热处理

BeforeworldwarⅡ

0.4C% 1.5Mn% 350-400MPa

toughness 韧性↓

weldability

焊接性↓

C↓ DBTT↓0.03~0.08%C 1.5%Mn Nb,Ti,V(0.1％) 450~500MPagrainrefiningelementhighstrengthlowalloysteels (HSLA)低合金高强度钢控轧控冷技术(controlledrollingandcontrolledcoolingtechnique)控制控冷工艺示意图

TMCPI.Kozasu:MaterialsScienceandTechnology,vol.7ConstitutionandPropertiesofSteelsEd.ByF.B.Pickering,VCH,(1993),184.MetallurgicalaspectsofTMCPI.Kozasu:MaterialsScienceandTechnology,vol.7ConstitutionandPropertiesofSteelsEd.ByF.B.Pickering,VCH,(1993),184.（1）γ再结晶区轧制（≥950℃） 轧制过程中—动态再结晶

γ相晶粒细化

控制轧制的准备阶段（2）γ未再结晶区轧制（950℃～Ar3）

γ晶粒伸长—饼形晶粒 大量变形带目的：促进γ/

相变 ↑形核位置

（3）(γ+

)双相区轧制 (<Ar3)

未相变的γ晶粒更加伸长－变形带

晶粒中形成亚结构－包含晶粒和亚晶粒（混合组织）

（4）控制冷却水：“廉价合金元素”

MicrostructureofTMCPsteel

20μm5μmConventionalrollingTMCP控制轧制的应用结构钢弹簧钢工具钢不锈钢超纯高铬铁素体不锈钢

热轧、冷轧和热处理工艺参数的选择对铁素体不锈钢的力学性能、成形性及耐腐蚀性能的影响。奥氏体耐热钢工艺参数加热温度轧制温度变形程度变形速度间隙时间冷却开始温度冷却速度强韧性能屈服强度抗拉强度延伸率冲击韧性Temperature(℃)Absorbedenergy(J)0100200300-200-150-100-50050Requirement

σs=σlh+σsh+σph+σdh+kyd-1/2

σlh

：晶格硬化；

σsh：固溶硬化；

σph：析出硬化；

σdh：位错硬化.加法法则σs=σ0+kyd-1/2(1-fs)+ksds-1/2

fs

fs：亚晶粒占的体积率；

ky：仅由大角晶粒构成时σs

与晶粒直径相关的系数；

ks：全部由亚晶粒构成时σs

与亚晶粒相关的系数；

ds：亚晶粒直径。影响强韧性的因素（1）晶粒尺寸屈服极限脆性转变温度

（2）

珠光体的数量、大小及分布韧脆转变温度vT

rs=43-37(Mn)-6.2d-1/2+1.5(珠光体)σs=fασiα+fpσp+fαkd-1/2

fα、fp：分别为铁素体、珠光体的体积分数，fα＋fp

＝1；

σ

iα、σp：分别为完全铁素体、完全珠光体的内摩擦应力。Δ教材P191图8-12：晶粒度和珠光体含量—韧脆转变温度强韧性能的定量关系式强韧化机制固溶强化细晶强化贝氏体强化晶粒尺寸贝氏体相关系数R=0.92屈服强度的计算值与实测值的比较

(３)

微合金元素的作用 microalloyingelements.

Nb,Ti,V

总含量<0.1%

碳化物氮化物 碳氮化物 高温溶解/低温析出作用:⑴加热时阻碍原始晶粒长大; ⑵轧制过程中抑制再结晶/晶粒长大; ⑶低温时起到析出强化的作用。应变诱导析出

straininducedprecipitation轧制工艺参数的控制含Nb微合金钢(B510L)实验用钢取自宝钢B510L

原料尺寸H×B×L＝40x50x90mm

B510L钢力学性能要求：上屈服点≥355MPa，抗拉强度为510～610MPa，延伸率≥24%。

普通QstE500技术要求：上屈服点≥500MPa，抗拉强度550～700MPa，延伸率为≥17%。

通过TMCP工艺使B510L的各项性能达到或超过QstE500钢，则可称为其替代产品，节约合金元素的用量。·

加热温度的影响Mechanicalpropertiesofthesteel(Coilingtemperature550-600°C)No.

RT/℃

FRT/℃

σs/MPaσb/