控轧控冷-强韧化

1、1,第一章 钢的强化和韧性,2,本章内容,第一节 钢的强化机制 第二节 材料的韧性,3,第一节 钢的强化机制,4,低碳钢的工程应力-工程应变曲线,e：弹性极限 b：抗拉强度 s：屈服强度,GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法,5,1.固溶强化 2.位错强化 3.沉淀强化 4.晶界强化 5.亚晶强化 6.相变强化,钢的强化机制,6,固溶强化,定义：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，即固溶强化是通过改变金属的化学成分来提高强度的方法。 机理：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。 效果：提高强度、降低塑韧性。,7,固溶强化的规律,（1）溶质元素溶解量增加，固溶

2、体的强度也增加 例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加而增大,置换元素对-Fe屈服强度的影响,8,固溶强化的规律,（2）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好. （3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很显著，而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。 （4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。,9,滑移是塑性变形的主要方式，材料中位错密度对材料的强度的影响,1、完全无位错存在时，在外力作

3、用下，没有可以发生运动的位错，材料表现极高的强度。 例如铜，理论计算的临界切应力约为1500MPa，而实际测出的仅为0.98MPa。 但制造这种材料非常困难，目前只能在很小尺寸的晶体中实现(晶须),用于研究型的复合材料中。,位错强化,10,滑移是塑性变形的主要方式，材料中位错密度对材料的强度的影响,2、在存在位错的晶体材料中,随位错密度的提高，位错运动受交割作用影响加大，材料的强度得到提高。经过冷变形的金属材料,发生了加工硬化，强度可以在相当范围内得到提高，常用的冷轧钢板、冷拔钢丝就是一例。值得注意的是用加工硬化提高强度的材料只能在较低温度下使用，否则因高温发生了再结晶，加工硬化的强化效果将全

4、部消失。,位错强化,效果：提高强度、降低塑韧性。,11,沉淀强化（第二相硬质点强化）,第二相硬质点是指那些在韧性材料中存在的不易发生塑性变形的化合物,它们几乎不能发生塑性变形，在大的应力下将脆性断裂。 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。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19.6MPa。,12,沉淀强化（第二相硬质点强化）,第二相的沉淀过程亦即是过饱和固溶体的分解过程。第二相能沉淀析出的必要条件是固溶体合金的溶解度随着温度的降低而减小，因

5、此加热后得到的过饱和固溶体将随着温度的降低而析出。第二相析出的动力学、析出的形态、部位等将随加工工艺(包括冷却条件)而异。,13,沉淀强化（第二相硬质点强化）,沉淀强化的机制是位错和颗粒之间的相互作用。 在外力作用下，运动位错遇到第二相硬质点时的运动方式有两种，(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切割/剪切过程。它们都会增加运动阻力，可以提高材料的强度。,14,材料的组织与力学性能的关系,第二相硬质点强化,如果第二相硬质点的总量(如体积份数f)一定，单个质点的尺寸愈小，数量多，排列密集；反之单个质点的尺寸愈大，数量少，排列稀疏。对位错来说，小质点容易切割，稀疏分布

6、时容易绕过。所以质点对强度的作用表现为尺寸太小或尺寸过大都会降低其效果，在特定的合适范围才有最大的强化效果。,根据计算和实验，一般的质点间距最佳值在20-50个原子间距，体积数的最佳值在2左右。,15,材料的组织与力学性能的关系,沉淀相的部位、形状对强度都有影响。其一般规律是：沉淀颗粒分布在整个基体上比晶界沉淀的效果好；颗粒形状球状和片状相比，球状有利于强化。 因为片状颗粒对于在与其平行的原子面上运动的位错的阻力很小，而球状颗粒对于任何原子面上运动的位错有相同的阻力。 形变热处理是在第二相质点沉淀前对材料施以塑性变形，因而使位错密度增加，第二相沉淀形核位置增多，因而析出物更为弥散。如果形变还能

7、造成亚晶，那么第二相沉淀在亚晶界上，其分布密度更为弥散。这就是形变热处理造成强化的原因之一。,16,晶界强化,和单晶体的塑性变形不同，多晶体晶粒中的位错滑移除了要克服晶格阻力、滑移面上杂质原子对位错的阻力而外（这两点是和单晶体相同的），还要克服晶界的阻力。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。,Cu-4Ti合金中位错被堵塞在晶界附近,17,晶界强化,根据位错理论计算可得到屈服强度与晶粒尺寸的关系为：Hall-Petch公式 式中i是常数，大体相当于单晶体时的屈服强度。K1它是表征晶界对强度影响程度的常数，它和晶界结构有关，而和温度关系不大。,18,Hall-Pet

8、ch公式,晶粒细小，屈服应力就高，材料因此得到强化，即细晶强化。 i包含着不可避免的残留元素如Mn、Si、N等对位错滑动的阻力。对于铁素体-珠光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此HallPetch公式可以改写为： 式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶强化系数，即每1重量百分数可以提高的屈服强度。0为单晶纯铁的屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。0值随不同的处理而异。空冷时0 =86.24MPa，炉冷时为60.76MPa。D为等轴铁素体晶粒平均截线长，以mm为单位。 铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D小时，D的很小变化将使D-1/2产生较大的变

9、化。上式适用于钢中珠光体含量30的组织,19,Hall-Petch公式,当珠光体量大于30时，珠光体对材料强度的影响不能忽视，HallPetch公式可以改写为 式中fF、 fP是铁素体和珠光体的体积百分数，即fF + fP =1；0.2和P相应为纯铁素体钢和纯珠光体钢的屈服强度。 由公式看出，曲线斜率fFK1随含碳量提高而变小，从而降低了细化铁素体晶粒的强化作用。相反含碳量提高使珠光体量增加，珠光体对s的贡献加大。由此可得出结论：与细化晶粒有关的提高钢强度的方法中，钢中含碳量愈低其强化效果愈大；相反在组织中珠光体愈多在微合金化或控制轧制制度下所得到的细化晶粒效果也就愈差。,20,Hall-Pe

10、tch公式,此外，晶粒细化也能提高抗拉强度，不过要比对屈服强度的影响小。屈强比将随着晶粒尺寸的减小而提高。晶粒细化使加工硬化率提高。,21,屈强比,钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉/拉伸强度的比值，称为屈强比。屈强比和材料的塑性变形及加工硬化能力有关，材料的塑性愈好，加工硬化能力愈高，则抗拉/拉伸强度与屈服强度的差值就愈大，从而屈强比就愈小。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。但屈强比过高时，使用的安全性将降低。,22,亚晶强化,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、

11、变形量有关。 亚晶强化的原因是位错密度增高。亚晶本身是位错墙，亚晶细小位错密度也高。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。,23,相变强化,相变强化主要是指马氏体强化（及下贝氏体强化），它是钢铁材料强化的重要途径。相变强化不是一种独立的强化方式，实际上它是前述的固溶强化，沉淀硬化、形变强化，细晶强化等多种强化效果的综合，它是钢铁材料最经济而又最重要的一种强化途径。,24,马氏体强化机制,（1）马氏体点阵为碳所固溶强化 马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体。当奥氏体转变成马氏体时，碳原子的数量由不饱和变成过饱和，点阵由面心立方变为体心立方，碳原子在晶格中的位置也发生了改变，因而

12、引起了晶格畸变，在晶体内部形成了巨大的应力场。碳含量愈多，应力场也就愈大。这个应力场将和晶格体内存在的位错发生强烈的交互作用，阻碍位错的运动，从而起到强化作用。,25,马氏体强化机制,（2）马氏体转变过程中晶粒得到细化 马氏体的比容比奥氏体的大，在奥氏体转变成马氏体时体积一般要膨胀4倍。因此在相变过程中产生很大的内应力。为了减小内应力，在转变产物中形成细小的孪晶。使马氏体的有效晶粒尺寸变小，晶粒间的取向增大，结果使钢的强度、硬度增加。马氏体含碳量愈多晶粒愈细，强度愈高。,26,马氏体强化机制,（3）位错密度增加 马氏体形成时位错密度可增大到1012/cm2。这是因为马氏体形成过程本身是晶粒原子

13、面之间的切变过程，切变的结果使马氏体中的位错增多，位错运动的阻力也就增大了。 （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，从而阻碍位错运动。 一般认为碳原子固溶强化是马氏体最基本的强化机制。,27,变形对马氏体强化的影响,（1）原始奥氏体晶粒的大小影响马氏体晶粒的大小 粗大的奥氏体晶粒将形成粗大的马氏体晶粒，反之亦然。细小的马氏体具有高强度。合理的变形工艺将显著地细化奥氏体晶粒。更为突出的是，在奥氏体中所造成的亚结构促使马氏体晶核形成地点的数目增加，并阻止已形成的马氏体长大，从而使马氏体晶粒细化。,28,变形对马氏体强化的影响,（2）奥氏体的塑性变形对马氏体转变按不同钢种、变形

14、条件可有不同的作用 有时促进相变，有时又抑制相变，因而也将改变淬火钢中残余奥氏体的数量，从而影响钢材的力学性能。变形使马氏体转变温度的改变也改变了材料中的针状马氏体和片状马氏体的比例。,29,变形对马氏体强化的影响,（3）奥氏体塑性变形会引起奥氏体结构不完善性的增加使位错密度增加形成位错亚结构 如果变形温度足够高，并在变形后有一定保温时间，就可以通过动态的或静态的回复而发生位错亚结构的多边形化，形成微细的亚晶粒。变形奥氏体中所造成的一切结构不完善性及亚结构都可被其转变产物马氏体所继承，使高温形变热处理钢材的塑性提高，脆性减少，强度提高。,30,变形对马氏体强化的影响,由于变形对马氏体有有利的影

15、响因此形变热处理材的性能优于通常的热处理材和余热淬火材。钢的高温形变热处理就是要制定合理工艺，充分利用马氏体强化的规律以获得综合力学性能优良的材料。 此外，钢中珠光体类型组织的增加和渗碳体的增加也使材料的强度增加。,31,小 结,在控制轧制中主要利用的强化手段是固溶强化、沉淀强化、晶界强化、亚晶强化和位错强化。这些因素对钢的强度影响也可以用Hall-Petch 形式表示成： 式中0为铁素体的屈服强度； m为固溶强化的作用； t为沉淀强化的作用； v为位错强化的作用；D为晶粒直径；K1为晶粒尺寸系数。式中括号内的数值等于单晶体的屈服强度 i。 在控制轧制中，不同的工艺制度下利用一种或几种强化机制

16、。,32,第二节 材料的韧性,33,韧性的定义及表示,一般说来，韧性(又名韧度)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。因此可以用材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少来表示韧性的高低。,34,韧性的定义及表示,负荷的方式不同，韧性值也不同。例如用光滑试样单向拉伸时的应力一应变曲线下的面积表示单位体积材料在变形和断裂全过程中所吸收的能量（UOT=面积OACD或=面积OACD）来表示韧性，称为静力韧度。,两种钢的应力一应变曲线,35,韧性的定义及表示,工业上我们通常使用缺口冲击韧性AK(J)或K(J/cm2)作为韧性指标。冲击韧性试验就是综合应用较高冲击速度和缺

17、口试样的应力集中，来测定金属从变形到断裂所消耗的冲击能量的大小，即韧性的高低。 金属的韧性随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧而下降。,36,韧性的定义及表示,反映材料冷脆倾向的韧性-脆性转化温度Tk()通常是根据冲击功、断口形貌特征、变形特征与温度的关系求得。其方法有： （1）选取一定的冲击功所对应的温度为Tk ； （2）若用夏比V形缺口试样，则对冲击功为20.34J的Tk用V15TT表示； （3）用断口面积上出现50结晶状断口时的温度为Tk，以50FATT表示； （4）以冲击功曲线开始上升的温度来定义Tk，为零塑性转变温度，用NDT表示。 显然，Tk因选用标准不同而异，这是使用

18、时要注意的。,37,韧性脆性转变温度,系列冲击试验结果与所对应的几种脆性转化温度 1冲击功曲线 2断口形貌曲线,38,提高钢材韧性的途径,断裂韧性是材料的一种性能，如与强度一样，它也取决于材料的组织结构。 材料的成分与缺陷(空位、位错、晶界、缺口裂纹等)组成材料的结构，而生产材料的工艺(包括冶炼、铸造、加工、热处理等)又决定了材料的结构。因此为了改善材料的韧性就必然是从工艺入手改变材料的结构，以达到改善材料韧性的目的。,39,提高钢材韧性的途径,（1）成分控制 一般的说，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(如能形成稳定的化合物、足够的合

19、金含量等)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。 钢中常含的Si、P在提高材料的屈服点的同时，脆性转化温度也提高，只有Mn、Ni几种元素例外。此外现已知少量的V、Nb、Ti、Al、Zr元素由于能够细化晶粒，因而成为既能提高强度又能提高韧性的重要控制元素。,40,提高钢材韧性的途径,（1）成分控制 钢中的S、P是不可避免的元素。这两个元素对断裂韧性是有害的。P导致回火脆性和影响交叉滑移；而S则增加夹杂物颗粒，减小夹杂物颗粒间距都使材料韧性下降。因此在生产中要求尽可能降低S、P含量，另一方面也要求从韧性出发来确定这些杂质含量的上

20、限。 碳是钢中最重要的成分，碳量增加钢中珠光体量增加。会使50FATT上升，因此在生产中为提高材料的韧性往往采用在该钢种允许的成分范围降低碳含量，由此产生的强度下降则由增加成分中锰含量来弥补。,41,提高钢材韧性的途径,（2）气体和夹杂物控制 钢中的气体主要是氢、氧、氮，夹杂物主要是氧化物和硫化物。氢和氮主要以溶解状态存在，而氧主要以化合物状态存在。,42,提高钢材韧性的途径,（3）压力加工工艺的控制 钢材热加工变形时的形变再结晶以及变形后的冷却都会影响到铁素体晶粒的大小。钢材在低温区(A+F两相区，甚至在F区)轧制时。由于变形的F在以后的冷却过程中不发生再结晶，也不发生相变因此在钢材中将保持

21、变形时形成的沿变形方向延伸的晶粒。 此外加工工艺包括加工后的冷却工艺，和材料的成分一起还影响材料的相变产物的种类、形貌、数量等组织结构特征，从而影响材料的韧性。,43,提高钢材韧性的途径,（4）热处理工艺的选择 热处理是改变金属材料结构，从而控制材料性能的重要工艺。近三、四十年发展起来的形变热处理工艺则是将形变和热处理结合起来以改善材料性能的新工艺。,44,强化机制对韧性的影响,（1）固溶强化的影响 间隙式固溶强化造成晶格的强烈畸变，因而对提高强度十分有效，但同时又由于间隙原子在铁素体晶格中造成的畸变是不对称的，所以随着间隙原子浓度的增加塑性和韧性明显降低。置换式溶质原子造成的晶格畸变比较小，

22、而且畸变大都是球面对称的，因此置换式溶质原子的强化作用要比间隙式溶质原子小得多，但对韧性的削弱不明显，或基本上不削弱基体的塑性和韧性。,45,强化机制对韧性的影响,（2）位错强化的影响 位错对金属材料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促使裂纹形核，可以使塑性和韧性降低。另一方面由于位错在裂纹尖端塑性区内的移动可解缓尖端的应力集中，可以使塑性和韧性升高。在这两者中通常前者起主要作用，因而在冷加工变形中，位错增加使材料强度提高，但材料延伸性下降，韧性恶化，冲击韧性、脆性转化温度都随冷变形量的增加而受到不利的影响。,46,强化机制对韧性的影响,（3）沉淀强化的影响 沉淀强化造成材料s值的提高，但是它对裂纹扩展所需要的临界应力值c影响不大，因此这种强化方法将使脆性转化温度升高。在铁素体晶粒内析出的质点阻碍位错运动，使材料延伸性能降低。 但是在用控制轧制技术生产的微合金化钢中，Nb、V、Ti等的微合金元素的碳化物在起到沉淀析出强化作用的同时还能细化晶粒，而后者却能使强度和韧性都得到改善。因而对这类碳化物的析出影响就要看在总的强度中细化晶粒导致的强化和析出强化之间的比例，它决定着在强度提高的同时是否能改善脆性转化温度。,47,强化机制对韧性的影响,（4）晶界强化的影响 晶界是位错运动的障碍，细化晶粒可使材料的