2钢的强化和韧化

2．钢的强化和韧化钢的强化机制①制成无缺陷的完整晶体接近于理论强度②引入大量缺陷并阻止位错运动强化方式：固溶强化、位错强化、晶界强化、沉淀强化、亚晶强化、相变强化等1312.1固溶强化一．定义溶质原子溶入基体金属使材料强度增加的现象分二类：置换式固溶强化溶质原子置换了溶剂结构中的一些溶剂原子W、Mn、Ni、Cu、Zn、Si．．．间隙式固溶强化溶质原子处于溶剂结构中的间隙位置C、H、N、B、O11二．特点１．溶质原子的浓度越高，强化效果越大无限固溶体Ag－Au溶质浓度为50%左右，强化最大有限固溶体溶质浓度↑，强化↑２．溶质与基体金属的性质差别越大，固溶度越有限，强化↑３．置换型强化效果小，间隙型强化效果大溶质原子对强度的影响可用公式表示间隙式：△σss＝Ki·CinCi——间隙原子的固溶量（原子百分数）n——指数0.33～2.0置换式：△σss＝Ks·CsnCs——溶质原子的固溶量（原子百分数）n——指数0.5～1.0间隙式固溶强化使强度↑，但塑性↓、韧性↓置换式固溶强化强化效果小，但对塑性、韧性影响不大三．固溶强化机制１．晶格畸变理论Mott-Nabarro理论1溶质原子造成了晶格畸变，其应力场将与位错应力场发生弹性交互作用，阻碍位错移动△σs＝2GC△d/DC——溶质原子浓度G——切变模量△d——│d溶剂－d溶质│从式中看出：C↑、△d↑→△σs↑２．气团效应溶质原子聚集在位错线附近，形成气团，对位错起钉扎作用。刃型位错Cottrell气团2螺型位错Snock气团3置换固溶体中的晶格畸变11３．电交互作用位错附近存在畸变区，电子云分布不均匀受张区：电子云密度高受压区：电子云密度低形成了局部的电偶极如果溶质原子的价电子比溶剂高，则溶质原子的额外自由电子就要离开，留下具有多余正电荷的溶质离子，于是在溶质离子与位错之间就产生了短程的静电交互作用。使位错运动困难，基体强度↑。溶质与基体的价电子相差越大，固溶强化作用越大。计算表明：电交互作用很小，比弹性交互作用小几倍。４．化学交互作用与晶体中的扩展位错有关6溶质原子在层错区中溶解多些，形成局部的偏聚，阻碍位错的移动。溶质原子的溶入，使层错能↓，扩展位错的宽度↑，不易束集，不易产生交滑移，基体强度↑。高温合金，常用钨元素强化金属，就是因为钨的熔点高，大量分布在扩展位错中，起强化作用。５．几何相互作用（结构相互作用）和位错在有序合金中的运动有关7662.2位错强化（形变强化）一．定义在塑性变形中，随变形程度↑，基体强度↑的现象。机理：ε↑，位错密度ρ↑，位错的移动阻力↑，强化↑△σd＝K·G·bρ1/2G——切变模量K——常数b——柏氏矢量从图可见细晶强化效果更大实例：冷拔线材、预应力钢筋、深冲薄板异形件等等，通过冷加工使强度↑。二．位错强化与塑性、韧性的关系双重作用一方面：使塑性↓，韧性↓，位错合并、塞积，促使裂纹产生另一面：使塑性↑，韧性↑，在裂纹尖端区位错移动可缓解尖端的应力集中裂纹形核机构：位错塞积位错反应位错消毁位错墙侧移σy：屈服强度σ＞σy材料开始塑性变形σn：裂纹形核应力σc：裂纹扩展应力σn和σy之间的差值反映了裂纹形核的难易程度σn≈σy，σc很低（σn＞σc），裂纹一旦形核，立即导致断裂脆性断裂σc很高（σn＜σc），裂纹扩展很慢，韧性断裂σn＞σy，断裂前有一定的塑性韧性断裂σc＞σn＞σy，韧性断裂σc的大小与可动位错有关塑性区中ρ↑，可动位错↑，σc↑，韧性↑，裂纹不易扩展，裂纹尖端塑性区中的应力集中可由位错移动而缓和。材料的塑性和韧性是由σy、σn、σc的相对大小决定，认为随材料的σy↑，δ和αK总是趋于降低的说法是不全面的。2.3晶界强化（细晶强化）一．概念随晶粒细化，基体强度↑的现象。本质：晶界对位错运动的阻碍作用。晶界处：原子排列不规则，杂质多，存在大量晶格缺陷。金属的强度与晶粒大小有关Hall－Petch公式：σy＝σi＋Kd-1/2σy——屈服应力σi——内摩擦应力K——常数d——晶粒直径d↓，晶界↑，σy↑位错塞积模型来解释在外力τa作用下，１晶粒的位错源开动→晶界受阻→位错塞积→应力集中→达到τc→邻近晶粒开动τa——外加的分切应力τc——邻近晶粒位错源开动所需的应力应力集中与位错塞积数目成正比，塞积群大→应力集中大粗晶粒，d大，塞积距离长，应力集中↑，所需外力↓，就可达到τc细晶粒，d小，塞积距离短，应力集中↓，所需外力↑，才可达到τc，使邻晶粒开动细晶材料的强度大另一方面粗晶粒：变形不均匀，应力集中大，裂纹易形核，塑性差1细晶粒：变形较均匀，外加应力大，大量的晶粒同时实现塑性变形，变形的协调性好，塑性好所以，晶界强化能同时提高材料的强度和韧性。21一般来说，晶界强化在开始发生微量塑性变形时效能明显，大变形后，其强化效果下降。这时，晶界遭受破坏，点阵缺陷增加，其它强化机制也开始起作用。二．关于Hall－Petch公式的讨论σy＝σi＋Kd-1/2不适用于过于细小的晶粒，塞积位错数目＞50个σi＝σe＋σs＋σp＋σd由实验测定晶格强化、固溶强化、析出强化、位错强化对铁素体－珠光体钢，Hall－Petch公式可用下式表示：σy＝fα·σiα＋fp·σp＋fα·Ky·d-1/2σiα、σp——完全为铁素体、完全为珠光体时的内摩擦应力fα、fp——铁素体、珠光体的体积百分数（fα＋fp＝１）d——铁素体晶粒直径由上式可见：d↓，σy↑细化铁素体就显得非常重要由于fα·Ky随C%↑而↓，从而降低了细化铁素体的强化作用，所以，与细化晶粒有关的提高钢强度的方法中，钢中C含量愈低，其强化效果愈大。细化铁素体措施①细化奥氏体晶粒细小的γ→细小的α②在γ未再结晶区轧制变形量要足够大，才能得到细小均匀的铁素体③加速轧后冷却冷速↑，铁素体细化④合金元素的作用Nb、V、Ti能使铁素体细化，其中Nb的效果最好。三．晶界强化和塑性、韧性的关系晶界阻碍位错运动——σy↑细晶粒使变形均匀——塑性↑晶界阻碍裂纹扩展——韧性↑裂纹扩展的临界应力σc＝2μSp·d-1/2/Kyσc∝d-1/2d——晶粒直径d↓，σc↑，塑性、韧性↑σc、σy、Tc和d的关系，来分析晶粒大小对韧性的影响设σcT1——T1温度下的裂纹扩展临界应力σcT2——T2温度下的裂纹扩展临界应力σyT1——T1温度下的屈服强度σyT2——T2温度下的屈服强度T2＜T1画出σc－d-1/2、σy－d-1/2曲线T１：假设σy≈σnＡ点左边σyT1＞σcT1，脆性断裂实际断裂应力σf＝σyT1A点右边σyT1＜σcT1，韧性断裂实际断裂应力σf＝σcT1A点是韧脆转变的临界点d1——T1温度的临界晶粒直径d＞d1脆性状态d＜d1韧性状态T2：B点是韧脆转变的临界点d2——T2温度的临界晶粒直径T2＜T1，d2＜d1说明温度降低时需要更细的晶粒才能维持足够的韧性结论：①晶粒愈细，韧性愈高（d↓，σc与σy差距变大）②晶粒愈细，脆性转变温度愈低2.4沉淀强化（析出强化）一．概念第二相微粒从过饱和固溶体中沉淀析出使材料强度↑的现象根据位错理论，析出强化是由滑动位错与第二相质点的交互作用引起的，按交互作用不同，强化途径可分二种。１．绕过机理（Orowan机理）２．切过机理１．绕过机理（Orowan机理）第二相质点与基体非共格，质点较硬，位错绕过质点留下一个位错环，位错环阻碍位错的移动，新的位错线通过有环的质点时，阻力增加，位错环越多，阻力越大。△σp＝K·G·b/λλ：第二相质点间距质点增多，λ↓，强化↑２．切过机理质点较细小，与基体保持共格关系△σp＝K·f1/3～1/2·d’1/2f：第二相质点体积分数d’：第二相质点直径f↑，d’↑，△σp↑6共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格的结点上。两相晶格彼此衔接，界面上的原子为两者共有。半共格界面：界面上两相原子部分保持匹配。非共格界面：与大角度晶界相似，由原子不规则排列的很薄的过渡层构成。常见的是半共格与非共格两种界面。ε——错配度相邻两相在界面处原子间距的相对差值ε＝△a/aε越大，弹性应变能越大ε＜0.05共格ε＞0.25非共格0.05＜ε＜0.25半共格6二．碳化物的强韧化作用控制轧制中，常加入Nb、V、Ti元素，它们是易形成碳化物的元素。对材料起着析出硬化和细化晶粒的作用。与碳化物的大小、形态、析出位置、析出时间等有关。NbC的析出行为：①γ→α相变前，在γ中析出粗大的Nb(CN)，对强化作用很小②γ→α相变时，Nb(CN)沿γ→α晶界呈点列状析出③相变后，Nb(CN)在α中微细析出，强化效果显著图4－18示出Nb、V、Ti材料的强化情况△σGy——细晶强化△σ0——析出强化Nb钢：细晶强化大，析出强化也大V钢：析出强化大，细晶强化小Ti钢：两种强化均有限总强度中，细晶强化越大，材料的韧性越好，Tc↓可见，Nb发挥了细化晶粒的作用，最有利于强韧性的提高2.5亚晶强化实质：位错密度增高亚晶因动态、静态回复形成，亚晶本身是位错墙。2.6相变强化实质：马氏体强化马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。碳原子固溶强化是马氏体最基本的强化机制。综上所述，在控制轧制中主要利用的强化手段是固溶强化、沉淀强化、位错强化、晶界强化和亚晶强化。这些因素对钢的强度影响可以用Hall-Petch形式表示：σy＝（σ0＋σs＋σp＋σd）＋Kd-1/22.7相间沉淀低碳低合金钢，轧后冷却，在光学显微镜下组织为F＋P在电镜下观察，F中有许多细小的析出相，有规则成排分布析出地点：γ／α相界面叫“相间沉淀”一．相间沉淀机理T＜A3线，保温，γ→α，α在γ的晶界上形成γ／α相界：γ侧，由于α的析出，C%↑，阻止F的继续长大，在γ／α相界上析出碳化物，使γ侧的C%↓，F转变继续进行，γ／α相界向γ中推移。F析出后，γ侧的C%又上升，则出现新的沉淀相排。特点：①转变温度低，碳含量低，相间沉淀的碳化物呈细小粒状分布②相间沉淀的碳化物与铁素体有一定的晶体位向关系V钢：｛100}vc∥{100}α110vc∥100α③碳化物在γ/α界面上形核，在铁素体中长大④碳化物分布形态随观察方向而变二．相间沉淀条件相间沉淀的转变动力学图形具有“C”形的特征，符合扩散型的成核长大规律。鼻子上方：随T℃↓，过冷度↑，转变驱动力↑，所以时间缩短。鼻子下方：随T℃↓，原子扩散减慢，转变速度↓，所以时间延长。三．相间沉淀转变产物的形态和性能光学显微镜下：相间沉淀铁素体与先共析铁素体相似电子显微镜下：相间沉淀铁素体中有呈带状分布的微粒碳化物，组织与珠光体相似，也是铁素体与碳化物的机械混合物，但碳化物不是片状的，而是细小粒状的。分布有微粒碳化物的平面之间的距离——面间距离等温转变温度↓、冷却速度↑→→碳化物颗粒变细面间距离变小硬度提高表4－2低碳V钢强度碳化物弥散强化占主要晶粒细化强化其次固溶强化很小钢种相同：随转变温度↓，强度↑（由于碳化物细化，面间距离减小）转变温度相同：C%↑、V%↑，强度↑（碳化物量增多）思考题:1.钢中最常用的强化方式有哪些?它们对材料的强度和韧性有何影响?2．固溶强化可分哪两类？对强韧性的影响各有什么特点？３．为什么细化晶粒能同时提高金属材料的强度和塑性？４．用图示意说明钢中铌、钒、钛含量对铁素体晶粒大小的影响？细化效果的饱和值分别大约为多少？５．用图示意说明钢中铌、钒、钛含量对材料强韧性的影响？６．在实践中常采用哪些措施细化铁素体晶粒？