金属材料强韧化原理及应用.ppt

PrincipleandApplicationofStrengtheningandTougheningforMetalMaterials,2020/6/11,付瑞东rdfu,2,课程总体内容,金属材料强韧化简介强韧化原理部分强韧化应用部分超常规金属材料制备技术1）快速凝固技术2）喷射沉积技术3）机械合金化4）半固态加工5）搅拌摩擦加工6）大塑性变形加工,2020/6/11,付瑞东rdfu,3,金属材料的发展和应用是人类文明发展和进步的重要里程碑,人类历史的划分,石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代铝(Al)钛(Ti),概述金属材料发展历史回顾,五千年,2020/6/11,付瑞东rdfu,4,2020/6/11,付瑞东rdfu,5,Thefutureofmetals,2020/6/11,付瑞东rdfu,6,金属材料在材料科学领域占有及其重要的地位,概述金属材料发展历史回顾,“金属”在辞海中被解释为：“具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果）,富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。”在门捷列夫的元素周期表中，左下角绝大部分是金属的领域，仅右上角才是非金属的地盘。也就是说在人类至今认识的109种化学元素中，非金属只有22种，而金属元素有87种，在总体的化学元素中占了近80%。可以说，金属在我们的生产生活中是无处不在的。,材料科学是21世纪四大支柱学科之一，而金属材料工程则是材料科学中一个重要的专业方向。,2020/6/11,付瑞东rdfu,7,金属材料在新材料研究领域中也具有十分重要的地位,新型氮化物、氧化物等陶瓷刀具材料；,概述金属材料发展历史回顾,近年来出现的新材料,新型高温合金、高温陶瓷以及金属间化合物；,新型高强度、高成形性钢铁材料；,新型高比强度、高比刚度复合材料；,高磁化能的磁性材料、非晶合金材料；,新型光导纤维、敏感材料；,新型生物功能材料；,国防军工尖端材料（极端条件下）,.?,结构材料,功能及智能材料,2020/6/11,付瑞东rdfu,8,1）逻辑推理(古代哲学家，432BC.)2）宏观形貌观察、观测（byeye,1669）3）数学理论计算4）科学测定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）,1、古代中国：“日取其半，万世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生万物”（老子）；“以土与金、木、水、火杂以成百物”（国语正语）；“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”（易经）,人类对材料微观结构认识的发展过程,概述金属材料发展历史回顾,2020/6/11,付瑞东rdfu,9,2、古代欧洲Plato柏拉图(427-347BC,古希腊哲学家)Euclid欧几里得(约公元前3世纪的古希腊数学家)用fire,air,earth,water,ether以太)描述世界万物.,Firetetrahedron（四面体）,Airoctahedron（八面体）,Etherdodecahedron（十二面体）,Earthcube（六面体）,Watericosahedron（二十面体）,概述金属材料发展历史回顾,2020/6/11,付瑞东rdfu,10,1669,N.Steno,晶面角守恒定律,1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说,1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射,1915,W.H.BraggandW.L.Bragg*X射线晶体结构分析方法,电子显微镜（SEM、TEM）,扫描探针显微术*（STM、AFM）,概述金属材料发展历史回顾,人类对材料微观结构认识的发展过程,2020/6/11,付瑞东rdfu,11,晶体的微观周期性结构,电子在周期势场中的运动,量子力学Schrdinger方程,能带理论固体半导体理论,晶体点阵中的缺陷,金属材料强化理论,位错在晶体中运动,晶体的宏观几何形貌,晶体生长理论,表面组装,概述金属材料发展历史回顾,2020/6/11,付瑞东rdfu,12,提高材料的强度和韧性的目的,节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础,概述金属材料强韧化的内涵,金属材料强韧化目的,2020/6/11,付瑞东rdfu,13,概述金属材料强韧化的内涵,金属材料强韧化主要研究的问题,强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能,材料的性能,结构敏感的性能强度韧性硬度疲劳强度。,结构不敏感的性能元素的熔点单一元素物质弹性模量元素的线膨胀系数元素的磁性能。,2020/6/11,付瑞东rdfu,14,金属材料的基本性能,概述金属材料强韧化的内涵,2020/6/11,付瑞东rdfu,15,金属材料的强度,材料的内部应力：拉伸、压缩、剪切强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度加载特征分为：弯曲、扭曲、冲击、疲劳若未到破坏强度，则因形变而失去承载能力,强度是在给定条件（温度/压力/应力状态/应变速率/周围介质）下材料达到给定变形量所需要的应力，或材料发生破坏的应力,2020/6/11,付瑞东rdfu,16,根据图所示的曲线有:=msin(2x/)式中x为原子平面拉开的距离（从原子平面间距a0处开始计算，即原子间的位移），为正弦曲线的波长,a0为原子间的平衡距离理想晶体解理断裂的理论断裂强度：m=(E.s/a0)1/2,E=100GPa，s=1J/m2，a0=310-10m，m=18.3GPa，其值大约为E/7。如金属铁，E=200GPa，s=2J/m2，a0=2.510-10m，m=40GMPa，约为E/5。高度取向，实际拉伸强度最大值为1.2GPa，未取向，实际强度比理论值小1000倍左右,强度来源是原子键合力，取决于元素本质的基本性质，同时也是最典型的结构敏感性能。,金属材料的强度,2020/6/11,付瑞东rdfu,17,一些金属材料的理论强度与实际强度,实际材料断裂时的临界分切应力,2020/6/11,付瑞东rdfu,18,材料强度与缺陷数量的关系,强度是在变形及断裂过程中表现出来的特性，因此研究变形及断裂是研究强度的重要手段和过程。,2020/6/11,付瑞东rdfu,19,金属材料的韧性,韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的综合表现,裂纹形核前的塑性形变、裂纹的扩展是与金属组织结构密切相关的,当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展,通常以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料韧性,它涉及到位错的运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和晶界的作用等,概述金属材料强韧化的内涵,断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。断裂韧性材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标；冲击韧性材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间存在着某种内在联系。,2020/6/11,付瑞东rdfu,20,各种材料的强韧性指标,概述金属材料强韧化的内涵,2020/6/11,付瑞东rdfu,21,材料组织与性能关系,概述金属材料强韧化的内涵,强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能，但是性能是由组织决定的。,2020/6/11,付瑞东rdfu,22,金属材料强韧化机理,物理强韧化：是在金属内部晶体缺陷的作用和通过缺陷之间的相互作用，对晶体的力学性能产生一定的影响，进而改变金属性能,化学强韧化：是元素的本质决定的因素以及元素的种类不同和元素的含量不同造成的材料性能的改变,机械强韧化：除了结构、尺寸、形状方面的机械原因外，主要指界面作用造成的强韧化,Q:相交处的强韧化机制是什么？,2020/6/11,付瑞东rdfu,23,提高金属材料强度途径,完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度。,在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动。这是强化金属主要采用的途径。,目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降,例如加工硬化、固溶强化、细晶强化、马氏体强化、沉淀强化等综。合运用这些强化手段，也可以从另一方面接近理论强度，例如在铁和钛中可以达到理论强度的38%,2020/6/11,付瑞东rdfu,24,金属强化的途径,细晶强化,加工硬化,固溶强化,弥散强化,2020/6/11,付瑞东rdfu,25,Decreasinggrainsizeyincreasesuvanishes,金属强化的途径,细晶强化,Grainrefinestrengthening:通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。,即为通常所讲的强度上升，而塑性下降。,2020/6/11,付瑞东rdfu,26,细晶强化,细化晶粒可以提高金属的强度,1.晶界对位错滑移的阻滞效应,2.晶界上形变要满足协调性，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高。,位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒。,晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高,2020/6/11,付瑞东rdfu,27,细晶强化,晶界对位错滑移的阻力滑移面不能连续晶界处存在缺陷控制晶粒尺寸来增加晶界,2020/6/11,付瑞东rdfu,28,霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式,y0kyd-1/2,0和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径,可知多晶体的晶粒越细，强度越高；多晶体强度高于单晶体,常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm）中，处于晶界核心区域的原子数只占总原子数的一个微不足道的分数（小于0.01%）,纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间)中，如果晶粒尺寸为数个纳米，晶界核心区域的原子所占的分数可高达50%，这样在非晶界核心区域原子密度的明显下降，以及原子近邻配置情况的截然不同，均将对性能产生显著影响,2020/6/11,付瑞东rdfu,29,反Hall-Petch效应,在低于100nm的纳米晶中Hall-Petch关系仍然有效,理论模拟的结果显示存在一个临界尺寸dc,Cu的临界尺寸dc19.3nm，Pa的dc11.2nm,2020/6/11,付瑞东rdfu,30,细晶强化,细晶强化是常温下一种有效的材料强化手段,高温时晶界滑动导致材料形变，导致细晶材料比粗晶材料软,增加金属材料高温强度要增大晶粒尺寸,镍基高温合金利用定向凝固方法获得较大晶粒尺寸甚至单晶，减少晶界对高温强度不利影响，提高高温下的强度（例如汽轮机叶片）,Q:是不是晶粒越细韧性越高呢？,2020/6/11,付瑞东rdfu,31,金属强化的途径,Workhardening:金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。,形变强化（加工硬化）,Q：加工硬化现象是不是只在冷加工时出现呢？,2020/6/11,付瑞东rdfu,32,形变强化,金属材料具有加工硬化的性能，形变后流变应力得到提高,形变强化是因为金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难。,引起金属加工硬化的机制有：位错的塞积、位错的交割（形成不易或不能滑移的割阶、或形成复杂的位错缠结）、位错的反应（形成不能滑移的固定位错）、易开动的位错源不断消耗等等。,2020/6/11,付瑞东rdfu,33,形变强化(加工硬化）,2020/6/11,付瑞东rdfu,34,形变流变应力与位错间作用的解释,形变流变应力和位错密度有依赖关系，即流变应力与位错密度之间符合培莱-赫许(Bailey-Hirsch)关系,=0+b1/2,为一系数，为切变模量，b为位错的强度,用量纲分析的方法来解释位错间的相互作用得到这个结论,2020/6/11,付瑞东rdfu,35,形变强化有利方面,有些加工方法要求金属必须有一定的加工硬化,某些不锈钢冷轧后的强度可以提高一倍以上,用金属板材冲压成杯子时只有板材发生硬化，才能使塑性变形不断进行直至最后冲压成杯，金属的拉伸过程（如拉丝）也要求金属线材在模口处能迅速硬化,可以通过冷加工控制产品的最后性能,冷拉的钢丝绳不仅强度高，而且表面光洁,工业上广泛应用的铜导线，由于要求导电性好，不允许加合金元素，加工硬化是提高其强度的唯一办法,2020/6/11,付瑞东rdfu,36,形变强化不利方面,由于金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的冷加工需要消耗更多的功率,由于形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工而不致裂开,有的金属（如铼）尽管某些使用性能很好，但由于解决不了加工问题，其应用受到很大限制,2020/6/11,付瑞东rdfu,37,形变硬化的限制,形变硬化不是工业上广泛应用的强化方法,它受到两个限制,使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化,由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金属，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能,2020/6/11,付瑞东rdfu,38,金属强化的途径,固溶强化,Solutionstrengthening：合金元素溶于基体金属中形成固溶体而使金属强化，称为固溶强化。,2020/6/11,付瑞东rdfu,39,固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法,固溶强化,溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分间隙式和置换式两种不同方式,间隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示,2.置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小，但在高温下，置换式固溶强化变得较为重要,为什么？,ss=2ss=kicin,强化机理：碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应以及填隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性交互作用，使金属获得强化,2020/6/11,付瑞东rdfu,40,固溶强化,溶质原子导致的畸变溶质原子与位错场相互作用大的原子受压小的原子受拉强化效果与畸变成比例间隙原子具有最大的强化效应（C,N）强化与溶质浓度成比例高温下，溶质是可动的，强化将丧失,2020/6/11,付瑞东rdfu,41,固溶强化,在金属基体中固溶的溶质原子除可提高金属强度之外，还会影响金属塑性,Ni添加到-Fe中形成固溶体，已成为改善塑性的主要手段,钢中马氏体组织充分利用了间隙原子的固溶强化作用。马氏体间隙溶碳量增至0.4%时其硬度猛升到60HRC，塑性指标低到10%，继续提高碳量，如wt(C)=1.2%，硬度为68HRC，而则低于5%。可见随着固溶C原子的增加，在提高强度的同时塑性损失较大,Ni改善塑性的原因是促进交滑移，特别是基体金属在低温下易于发生交滑移,加入Pt、Rh、Ir和Re也改善塑性。其中Pt的作用尤具吸引力，它不但改善塑性，也有相当大的强化效应。关于Pt等元素的改善塑性的机制还没有确切的解释。而Si和Mn对铁的塑性损害较大，且固溶量越多，塑性越低,2020/6/11,付瑞东rdfu,42,金属强化的途径,弥散强化（第二相粒子强化）,Dispersionstrengthening：材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法，称为弥散强化。,2020/6/11,付瑞东rdfu,43,第二相粒子强化,第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著,通过相变热处理获得的，称为析出硬化、沉淀强化或时效强化,第二相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果有影响,通过粉末烧结或内氧化获得的，称为弥散强化,按粒子的大小和形变特性，分成：,不易形变的粒子，包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子,易形变的粒子，如沉淀强化的小尺寸粒子,2020/6/11,付瑞东rdfu,44,第二相粒子强化,2020/6/11,付瑞东rdfu,45,奥罗万机制（Orowan机制）,位错绕过不易形变的粒子（Orowan，奥罗万机制）,2020/6/11,付瑞东rdfu,46,Orowan机制,使位错线继续运动的临界切应力的大小为,Gb/d,较复杂的分析可得,常数对刃型位错是0.093，对螺型位错是0.14；f是粒子的体积分数,粒子半径r或粒子间距d减小，强化效应增大；当粒子尺寸一定时，体积分数f越大，强化效果亦越好,位错每绕过粒子一次留下一个位错环，使粒子间距减小，后续位错绕过粒子更加困难，致使流变应力迅速提高,2020/6/11,付瑞东rdfu,47,内氧化铜合金临界切应力实验值与理论值的比较,含有非共格的沉淀相或弥散相粒子的合金的屈服强度均可以用上述的机制来解释，实验结果也基本上符合理论的预期,2020/6/11,付瑞东rdfu,48,位错切过易形变粒子,Ni-19%Cr-6%Al合金中位错切过Ni3Al粒子的透射电子显微像,位错切过粒子的示意图,2020/6/11,付瑞东rdfu,49,切过粒子引起强化的机制,短程交互作用（位错与颗粒交互作用间距小于10b，b为柏氏矢量的模）,长程交互作用（作用距离大于10b）,位错切过粒子形成新的表面积A，增加了界面能,主要与相界能、畴界能、粒子体积分数和粒子半径有关，增大粒子尺寸或增大体积分数，都有利于提高可形变粒子的短程强化效果,位错扫过有序结构时形成错排面或叫做反相畴，产生反相畴界能,粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶，以及粒子的派-纳力P-N高于基体等，都会引起临界切应力增加,由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同），导致共格界面失配，从而造成应力场,2020/6/11,付瑞东rdfu,50,位错切过粒子增加界面能,为克服界面能，应增加的临界切应力为,是位错线张力的函数，等于ln(d/r0)，对刃型位错，取0.16，对螺型位错，取0.24；是界面能,2020/6/11,付瑞东rdfu,51,形成反相畴产生反相畴界能,对共格析出物，一般共格界面能为（10-30）10-7J/cm2,在Ni()Al()基体中，全位错切割有序Ni3Al粒子产生反相畴界,反相畴界面能A约为（100-300）10-7J/cm2,由于形成反相畴界所增加的临界切应力值为,2020/6/11,付瑞东rdfu,52,长程交互作用引起的临界切应力的增量,作用距离大于10b,长程交互作用引起的临界切应力的增量为,E为杨氏模量；T为位错线张力；为泊松比；是错配度的函数,2020/6/11,付瑞东rdfu,53,位错切过粒子,当粒子的体积分数f一定时，粒子尺寸越大，强化效果越显著，并按1/2变化,当粒子尺寸一定时，体积分数f越大，强化效果越高，并按f1/2-5/6变化,2020/6/11,付瑞东rdfu,54,第二相粒子强化的最佳粒子半径,综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的最佳粒子半径c=(Gb2)/(2s),2020/6/11,付瑞东rdfu,55,时效合金在时效过程中强度的变化作解释,可通过控制粒子的体积分数f和粒子半径r，即控制位错与粒子交互作用的机制，来获得最佳强度,时效合金在时效过程中强度的变化作解释,最初合金的强度相当于过饱和固溶体,开始阶段的沉淀相和基体共格，尺寸很小，位错可以切过沉淀相，对温度比较敏感，屈服应力决定于切过沉淀相所需要的应力，包括共格应力、沉淀相的内部结构和相界面的效应等,沉淀相体积含量f增加，切割粒子所需要的应力加大,位错绕过粒子所需要的应力会小于切割粒子，Orowan绕过机制起作用，屈服应力将随粒子间距的增加而减小,2020/6/11,付瑞东rdfu,56,粗大的沉淀相群体,如两相组织为不同晶粒尺寸时，先形成相会制约后形成相的晶粒尺寸，可能引起另一相的细化。此外，硬、软相搭配，会发生其中一相加工硬化的强化效果。,2020/6/11,付瑞东rdfu,57,强化作用的叠加,叠加模型：Hall-Petch公式：yIkyd-1/2s=1+固溶+沉淀+位错+kyd-1/21与温度和形变速率有关。,2020/6/11,付瑞东rdfu,58,金属材料的韧化,各种工程结构，如桥梁、船艇、飞机、电站设备、压力容器、输气管道等，都曾出现过不少低于材料屈服强度下重大的脆性断裂事故,促使人们认识到片面追求提高金属材料强度，而忽视韧性的做法是片面的,为了满足高新技术发展的需求，对于金属材料不仅要设法提高其强度，而且也需要提高其韧性,2020/6/11,付瑞东rdfu,59,韧化原理,断裂韧性是材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高,增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性,断裂韧性是材料的一项力学性能指标，是材料的成分和组织结构在应力和其他外界条件作用下的表现，在外界条件不变时，只有通过工艺改变材料的成分和组织结构，材料的断裂韧性才能提高,韧性-是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力,2020/6/11,付瑞东rdfu,60,2020/6/11,付瑞东rdfu,61,2020/6/11,付瑞东rdfu,62,延性断裂：材料在裂纹尖端撕裂大的塑性变形导致在夹杂物附近形成微孔洞孔洞长大直到相遇连接断裂后留下韧性的“韧窝”特征,2020/6/11,付瑞东rdfu,63,保证延性断裂模式：高韧性需要延性断裂韧脆转变温度TB韧性在TB处急剧下降，特别是在bcc金属中；尽可能在TB温度以上使用，通过组织控制TB温度；延性断裂模式下的韧性断裂韧性随屈服强度的增加而下降提高KIC(y),2020/6/11,付瑞东rdfu,64,2020/6/11,付瑞东rdfu,65,晶界污染脆化的杂质元素偏聚防止措施：净化晶界热处理把杂质聚集成稳定化合物（稀土作用）晶界固有弱化用表面活性剂“粘合”，例如B加入到Fe-Mn，Ni3Al中,2020/6/11,付瑞东rdfu,66,2020/6/11,付瑞东rdfu,67,2020/6/11,付瑞东rdfu,68,韧化原理,改善材料的韧性的基本途径,1减少诱发微裂纹的组成相,2提高基体的塑性,3增加组织的塑性形变均匀性（减少应力集中）,4避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界的形核和扩展,5强化同时增韧(细化晶粒）,2020/6/11,付瑞东rdfu,69,(1)位错强化与塑性和韧性,位错密度升高会提高强度而降低塑性和韧性。可动的未被锁住的位错对韧性的损害小于被沉淀物或固溶原子锁住的位错。故提高可动位错密度对塑性和韧性均有利。,(2)固溶强化与塑性,固溶强化应在保证强度的同时提高塑性。通过添加合适的合金元素，如，Ni，可促进交滑移，改善塑性。另外，调整间隙原子的添加浓度，实现强度和塑韧性的最佳配合。,韧化原理,2020/6/11,付瑞东rdfu,70,细化晶粒既能提高强度，又能同时优化塑性和韧性，是目前公认最佳的实现材料强韧化的途径。,(4)沉淀相颗粒与塑性,沉淀颗粒会通过弥散强化提高基体的强度和硬度，但可能会明显降低塑性和韧性。尤其，条带状、片状析出物，以及沿晶界网状析出的沉淀相，均显著降低材料塑性。减少沉淀相的析出数量，改善沉淀相的形状和分布状态，可改善材料塑性。,(3)细化晶粒与塑性,韧化原理,2020/6/11,付瑞东rdfu,71,金属韧化的途径,细化,纯化,球化,复化,2020/6/11,付瑞东rdfu,72,细化,金属韧化的途径,在工业晶粒度范围内，细化晶粒既可提高强度，还能提高韧性。,晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高的塑性。,细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不宜传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。,2020/6/11,付瑞东rdfu,73,沿晶断裂与晶粒度,由于晶界两边的晶粒取向不同，穿过晶界比较困难，穿过后，滑移方向要改变，起了强化和韧化的作用,晶粒愈小，则晶界面积愈大，这种强化和韧化作用也愈大,细化晶粒是达到既强化又韧化目的的有效措施,合金钢回火脆性时，断裂易于沿晶进行,如EN24(40CrNiMo)钢的奥氏体晶粒度由56级细化到1213级，KIC值则由141MPam1/2提高到266MPam1/2,通过晶粒细化，单位晶界面积偏聚的杂质含量相应减少，细化晶粒对于韧性有益,2020/6/11,付瑞东rdfu,74,金属强化的途径,纯化,2020/6/11,付瑞东rdfu,75,金属韧化的途径,纯化,金属材料的纯净化是提高金属材料塑性和韧性的主要途径之一，而钢铁材料的纯净化已经成为当今钢铁工业生产的重要发展趋势。,通过纯净化冶炼来有效降低马氏体时效钢中杂质元素及夹杂物含量是进一步提高这类材料塑韧性的有效途径，同时亦可通过减少微观偏析来进一步发挥材料中合金元素提高强度的作用。,2020/6/11,付瑞东rdfu,76,金属韧化的途径,球化退火处理球化退火的主要目的是由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物凝聚成为球状，使改善钢材之切削性能及加工塑性，特别是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。,球化,45钢35钢,2020/6/11,付瑞东rdfu,77,金属韧化的途径,复化,钢铁材料的复相化已成为重要发展方向，广义上讲只要含有两种以上组织的钢都可称为复相钢。,例如马氏体、奥氏体、铁素体、贝氏体、碳化物等，此外引入其他强化手段如纤维、陶瓷相等，也可成为复相。,一般将铁素体与奥氏体相组织组成的钢称为双相不锈钢，将铁素体与马氏体相组织组成的钢称为双相钢。,2020/6/11,付瑞东rdfu,78,提高金属材料强韧性的途径及方法,熔炼铸造,压力加工,热处理,2020/6/11,付瑞东rdfu,79,（1）熔炼铸造韧化工艺,成分控制-获得高纯净金属,实际情况成分波动和存在一定的杂质是不可避免的,从提高韧性出发，提高合金纯度是有效的途径,析出物控制-获得细晶和超细第二相粒子,首先,必须在钢液凝固之前去除各种已生成的较大颗粒的非金属夹杂物;其次,应将各种夹杂物生成元素的浓度积控制在低于其在固相线的平衡溶度积,以保证粒子在固态下析出,从而获得细小的第二相粒子通过外部加入细小氧化物的方法也是近年来出现的一种获得细小晶粒及第二相粒子的新方法,2020/6/11,付瑞东rdfu,80,（1）熔炼铸造韧化工艺,气体和夹杂物,控制气体（氢、氧、氮）和夹杂物（主要是氧化物和硫化物等）是冶炼和铸造工艺的重要问题,氢是有害气体，引起白点和氢脆，材料强度愈高，危害性愈大氮易于引起低碳钢的蓝脆，是一种有害气体；在普通低合金钢中若有钒存在形成氮化物，则能提高强度；在奥氏体不锈钢中，它能够代替一部分镍，氮是有益的合金元素氧以氧化物类型的夹杂物存在，使韧性降低夹杂物是脆性相，一般夹杂物含量愈多，则韧性愈低,2020/6/11,付瑞东rdfu,81,（2）热处理韧化工艺,热处理是改变金属材料结构，控制性能的重要工艺,超高温淬火,以淬火、回火和时效以及形变热处理为例，讨论提高断裂韧性的一些概念和思路,对于中碳合金结构钢，采用比一般淬火温度高300多度的12001255超高温奥氏体化处理，虽然奥氏体晶粒从78级提高到10级，但KIC却提高70125%,原因可能是由于合金碳化物完全溶解，减少了第二相在晶界的形核，减少了脆性，提高了韧性,2020/6/11,付瑞东rdfu,82,（2）热处理韧化工艺,当钢加热到Ac1Ac3临界区，淬火回火后可以得到较好的韧性，这种热处理叫临界区热处理，或部分奥氏体化处理,临界区处理的作用,组织和晶粒细化：临界区处理时，在原始奥氏体晶界上形成细小奥氏体晶粒，并且复相区内形成的/界面比一般热处理的奥氏体晶界面积大1050倍，较大的晶界及相界面使杂质偏析程度减小,杂质元素在及晶粒的分配：P(Sn、Sb)等杂质可富集在晶粒，晶粒这种清除杂质的作用，对于降低回火脆性有利,碳化物形态：临界区热处理后的碳化物要比一般热处理的粗大，如V4C3的沉淀析出可作为回火时形核中心，从而减少晶界碳化物的沉淀,临界区淬火,2020/6/11,付瑞东rdfu,83,（2）热处理韧化工艺,回火和时效,钢材的回火是一种时效过程，是过饱和固溶体一马氏体的脱溶沉淀过程；合金结构钢有两种回火脆性，即高温回火脆性和低温回火脆性,提高钢的纯度，控制碳化物析出，可减少低温回火脆性,铝合金：时效组织对合金断裂性能有重大影响，一般获得均匀弥散的共格或半共格沉淀相比较适宜，粗大的非共格沉淀相，如晶界沉淀相，对断裂十分不利。,为此铝合金淬火加热温度应尽可能高，保温时间充分，使强化相最大限度地溶入基体，淬火速度要快，以避免在晶界析出第二相。,如Si含量增加使Fe3C开始形成温度上升，减少了脆化倾向，Mn、Cr能大量溶于Fe3C中，增加Fe3C的稳定性，增加脆化倾向,高温回火脆性,由Sb、Sn、As、P等杂质偏聚在奥氏体晶界引起。选用Sb、Sn和As低的废钢及降低钢中P量，添加抑制回火脆性的合金元素可减少回火脆性倾向,2020/6/11,付瑞东rdfu,84,（2）热处理韧化工艺,形变热处理,将压力加工和热处理两种工艺巧妙结合起来的形变热处理可以进一步提高材料的韧性,如使结构钢在亚稳定奥氏体区变形，不仅可提高强度，还可同时提高韧性,提高强度主要是由于形变增加位错密度和加速合金元素的扩散，因而促进了合金碳化物的沉淀,塑性的提高也正是由于这种细化弥散的沉淀，降低了奥氏体中的碳及合金元素含量，淬火时形成没有孪生的、界面不规则的细马氏体片，回火时马氏体片间的沉淀物也较小,2020/6/11,付瑞东rdfu,85,（3）压力加工韧化工艺,依靠压力加工控制晶粒大小和取向，可改变材料韧性,细化晶粒是重要的韧化措施,热加工时，形变和再结晶同时进行，终轧温度和终轧后冷却速度会影响晶粒大小,在较低温度，连续而较快地施加大变形量，可以获得细晶,对钢材而言有以下几条规律,高温停留时间愈长，则奥氏体晶粒愈大,快速通过Ar3Ar1区，可获得较细的铁素体晶粒,快速冷却，可防止铁素体晶粒长大,采用愈来愈低的终轧温度，如在Ar3以上、+区及低于Ar1温度连续轧制，由于晶粒细化和位错胞块细小而使热轧钢板的强度和韧性提高,连续轧制时，终轧温度愈低及变形量大，则板材的111织构愈强，韧性愈高,2020/6/11,付瑞东rdfu,86,新一代钢铁材料,金属强韧化技术的应用,2020/6/11,付瑞东rdfu,87,使用现有的设备（或略加改造），用一种便宜的方法（不是加入合金元素，增加成本的方法）生产钢材。也就是在性能价格比提高和经济性优良的情况下，保持钢材韧性和塑性的同时，把现在钢材的强度提高一倍，提高使用寿命，从而得到良好的经济效益和社会效益,金属强韧化的最新进展新一代钢铁材料,2020/6/11,付瑞东rdfu,88,金属强韧化的最新进展新一代钢铁材料,2020/6/11,付瑞东rdfu,89,新一代钢铁材料（NGS，NewGenerationSteel)超级钢（SuperSteel）超细晶粒钢（UltraFineGrainedSteel）先进高强度钢（AHSS，AdvancedHighStrengthSteel）关于超级钢技术路线的二种说法：三超和三化三超：超洁净、超均质、超细晶三化：洁净化（炼钢）、均质化（连铸）、细晶化（轧制）,金属强韧化的最新进展新一代钢铁材料,用于汽车钢板，使车身超轻，强度提高80，自重下降25；用于铁路铁轨自重减少1025，称为瘦身工程；用于建筑，在不使用合金元素的情况下达到三级即400MPa建筑用钢强度，如果少用合金元素可达到四级即500MPa建筑用钢强度；用于机械制造，具有抗延迟断裂、高疲劳寿命的特点，是高强（1300MPa）合金结构钢。,2020/6/11,付瑞东rdfu,90,10,5-10,1-5,0.1-1,0.1,普通晶粒,细化晶粒,超细晶粒,亚微米晶,纳米晶粒,目前生产条件下可获得,实验研究阶段,晶粒尺寸，m晶粒细化程度分类建议示意图,晶粒细化程度分类,金属强韧化的最新进展新一代钢铁材料,2020/6/11,付瑞东rdfu,91,一、化学成分特点加入适量的微合金化合金元素，如钛、铌、钒等。二、工艺特点运用控制轧制和控制冷却生产工艺。通过化学成分和制备工艺的最佳配合达到最佳强韧化效果，即细化晶粒强化和沉淀强化等的最佳组合。三、微合金元素在钢中的作用阻止奥氏体晶粒的长大抑制奥氏体形变再结晶形成沉淀相促进沉淀强化,新一代钢铁材料微合金化钢,2020/6/11,付瑞东rdfu,92,Nb在钢中的作用,2020/6/11,付瑞东rdfu,93,V在钢中的作用,2020/6/11,付瑞东rdfu,94,新一代钢铁材料低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢,1)具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约为460MPa。2)若要求更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用相变强化的方法，因而发展了低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。3)主要是适当降低钢的含碳量以改善韧性，由此造成的强度损失可由加入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿。配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高韧性。,2020/6/11,付瑞东rdfu,95,一、低碳贝氏体钢,在轧制或正火后控制冷却，得到低碳贝氏体组织，与相同含碳量的铁素体-珠光体组织相比，具有更高的强度和良好的韧性。利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达490-780MPa。,1贝氏体钢的成分主加合金元素是Mo和B，显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少。钼和硼对CCT图的影响如图。在此基础上再加入Mn、Cr、Ni元素，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使Bs下降，以获得下贝氏体组织。通过微合金化，充分发挥Nb、V、Ti的细化晶粒和沉淀强化。,2020/6/11,付瑞东rdfu,96,2.3低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢,2钢种及处理工艺14MnMoV、14MnMoVBRe：屈服强度为490MPa级。主要用于制造容器的板材和其他钢机构。板厚14mm，热轧；板厚14mm，正火+高温回火。14MnMoVBRe焊接性能不好，焊接前需预热150以上。超低碳贝氏体钢：w(C)=0.02%，并加入w(Ti)=0.01%使之成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到高位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在0以下温度条件下服役。,一、低碳贝氏体钢,2020/6/11,付瑞东rdfu,97,二、针状铁素体钢,1显微组织低碳或超低碳的针状铁素体（属于贝氏体），其片呈板条状，具有高密度位错。相变开始发生在较上贝氏体为高的温度范围里。2成分及性能典型钢种：Mn-Mo-Nb钢。其成分范围：C0.10%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6