材料加工组织性能控制(第一、二章)

1、塑性加工物理冶金理论塑性加工物理冶金理论北京科技大学材料学院北京科技大学材料学院刘靖刘靖 13520330657135203306571.王占学，控制轧制与控制冷却，冶金工业出版社，1988年2.刘永铨，钢的热处理，冶金工业出版社，1987年3.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4.王有铭等，钢材的控制轧制与控制冷却，冶金工业出版社 参考书参考书1. 绪论绪论l 6060年代发现年代发现NbNb的强化作用的强化作用 为控轧工艺的发展提供了理为控轧工艺的发展提供了理论依据；论依据；l 7070年代后应用普及，新钢种、新工艺逐渐开发出来。年代后应用普及，新钢种、新工艺逐

2、渐开发出来。控制轧制控制轧制+ +控制冷却的方法称为热机械控制工艺。控制冷却的方法称为热机械控制工艺。(TMCP,Thermo Momechanical Controlled Processing)(TMCP,Thermo Momechanical Controlled Processing)。l二战期间大量的船舶脆断二战期间大量的船舶脆断 提高钢材的韧性。解决办法：提高钢材的韧性。解决办法：提高提高Mn/C比、铝脱氧、正火工艺、低温大压下比、铝脱氧、正火工艺、低温大压下 构成控构成控轧控冷的基础；轧控冷的基础；塑性加工的作用：改形、改性。塑性加工的作用：改形、改性。改形：改形：改性：改性：形

3、变热处理：形变热处理：图图 化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间关系化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间关系冶炼、浇注、冷热冶炼、浇注、冷热加工成形和热处理加工成形和热处理等。等。图图1-2 钢材性能与冶金因素、组织的关系钢材性能与冶金因素、组织的关系工艺工艺 性能性能手段手段金属材料的力学性能：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金属材料的力学性能是指金属在外加载荷( (外外力或能量力或能量) )作用下或载荷与环境因素作用下或载荷与环境因素( (温度、介质温度、介质和加载速率和加载速率) )联合作用下所表现的行为。联合作用下所表现的行为。 力学性能通常包括：

4、力学性能通常包括： 强度指标：强度指标：S S、b b； 塑性指标：塑性指标：、； 韧性指标：韧性指标： k k、KcKc。 金属的理论屈服强度金属的理论屈服强度 图图 原子面受力后产生的位移原子面受力后产生的位移bxm2sinaGbm2令 a=b2Gm 一般金属的剪切弹性模量一般金属的剪切弹性模量G G：金属的理论屈服强度：金属的理论屈服强度：实际纯金属单晶体的屈服强度要比此值低实际纯金属单晶体的屈服强度要比此值低100 100 1000 1000倍。倍。 对钢而言，对钢而言，G G78453 MPa78453 MPa，理论屈服强，理论屈服强度度s s=12486Mpa=12486Mpa，钢

5、的实际屈服强度远远钢的实际屈服强度远远低于理论屈服强度。低于理论屈服强度。 （2 2）金属的理论断裂强度）金属的理论断裂强度图图1-4 1-4 原子间结合力的双原子模型原子间结合力的双原子模型1-1-吸引力；吸引力；2-2-排斥力；排斥力；3-3-合应力合应力断裂强度？断裂强度？x2max理论断裂强度理论断裂强度正弦函正弦函数波长数波长210maxaEs单位面积单位面积表面能表面能高强度钢的断裂强度可达高强度钢的断裂强度可达2100Mpa2100Mpa，约为理论断裂强，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强度低10-1

6、00010-1000倍。倍。原因：原因：实际金属不是理想晶体，滑移过程不是刚性的、整实际金属不是理想晶体，滑移过程不是刚性的、整体的移动；体的移动；在实际晶体中存在有位错，位错具有可动性，位错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；可以通过点阵滑移从一个位置移向另一个位置；材料中存在微裂纹。材料中存在微裂纹。（3 3）金属的韧性）金属的韧性 1 1）微裂纹形成机构）微裂纹形成机构位错塞积引起裂纹形成示意图位错塞积引起裂纹形成示意图 a) a) 位错塞积理论位错塞积理论b)b)位错反应理论位错反应理论1112a001a1112ac)c)位错销毁理论位

7、错销毁理论条件：滑移面间距条件：滑移面间距102 2）冲击试验）冲击试验影响脆性影响脆性断裂的基断裂的基本因素本因素三向应力状态三向应力状态温度温度应变速率或加载速率应变速率或加载速率a)a)脆性断裂的外部条件脆性断裂的外部条件 b)b)缺口冲击试验缺口冲击试验夏比试样断裂夏比试样断裂所需能量所需能量,记记做做CV( K) 查看断面确定断查看断面确定断裂时纤维状（剪裂时纤维状（剪切断裂）、粒状切断裂）、粒状（解理断裂），（解理断裂），还是二者的混合还是二者的混合 3 3）转变温度曲线的意义）转变温度曲线的意义金属：出现于金属：出现于（0.10.2） Tm；陶瓷材料：出现在陶瓷材料：出现在（0.

8、50.7）Tm。Tm：绝对熔解温度。：绝对熔解温度。塑性断裂塑性断裂转变温度转变温度 断口外观断口外观转变温度转变温度(FATT) FATT50% 与某一规与某一规定的定的Cv值值所对应的所对应的转变温度转变温度 NDT:零零塑性转塑性转变温度。变温度。材料的组织、结构的影响：材料的组织、结构的影响：a a）面心立方点阵与体心立方、密排六方点阵的比面心立方点阵与体心立方、密排六方点阵的比较：较：b b）细小均匀分布的第二相质点与片状、尖角状、）细小均匀分布的第二相质点与片状、尖角状、网状连续分布的比较：网状连续分布的比较：c c）第二相与基体的性质差异的影响：）第二相与基体的性质差异的影响：d

9、 d）内部缺陷内部缺陷的影响：的影响：e e）晶粒大小的影响：）晶粒大小的影响：4 4）影响冲击韧性的因素）影响冲击韧性的因素 温度的影响：三个脆性区温度的影响：三个脆性区 ：冷脆性、蓝脆性、：冷脆性、蓝脆性、重结晶脆性。重结晶脆性。 图图 1 钢的几个脆性的温度区域钢的几个脆性的温度区域 图图2 不同含碳量的钢的冷脆和蓝不同含碳量的钢的冷脆和蓝脆温度范围脆温度范围 形变速度的影响形变速度的影响 试样尺寸的影响：试样尺寸试样尺寸的影响：试样尺寸 ，韧性，韧性 ，断口，断口纤维状区比例减小，韧纤维状区比例减小，韧- -脆转化温度提高（原因）。脆转化温度提高（原因）。 2 2 钢铁材料强韧化理论钢

10、铁材料强韧化理论金属材料金属材料强化的强化的基本途径：基本途径： (1)(1)制成无缺陷制成无缺陷的完整晶体，使的完整晶体，使金属的晶体强度金属的晶体强度接近理论强度。接近理论强度。 铁晶须：铁晶须：最大剪切最大剪切应力可达应力可达3640MPa3640MPa。(2)在有缺陷在有缺陷的金属晶体的金属晶体中设法阻止中设法阻止位错的运动。位错的运动。 金属材料中的显微缺陷组织可分为：金属材料中的显微缺陷组织可分为：(1)(1)点缺陷：点缺陷：(2)(2)线缺陷：线缺陷：(3)(3)面缺陷：面缺陷： (4)(4)体缺陷：体缺陷： 强化手段：强化手段：固溶强化、位错强化、晶界强化、第二相粒固溶强化、位

11、错强化、晶界强化、第二相粒子析出强化及相变强化。子析出强化及相变强化。9563. 03 . 427008676)(%50210dPNMnCFATTf（1 1）成分控制）成分控制 BucherBucher对对C-Mn-SiC-Mn-Si钢：钢：Mn含量固溶的自由氮含量珠光体的百分数晶粒尺寸提高提高韧性韧性的具体途径：的具体途径：公式的适用范围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表表2-2 2-2 合金元素对工业纯铁强

12、度和韧性的影响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()25(C)时下屈服点变(107Pa/原子%)冲击韧性转变温度变化（C/原子%）PPtMoMnSiNiCoCrV2.182.772.722.242.352.492.492.492.6321.14.93.63.53.52.10.40.0-0.2130,300-20-5-10025-10-5-1 1）P P、S S的影响的影响 P P：回火脆性和影响交叉滑移；：回火脆性和影响交叉滑移；S S：产生应力集中及各向异性（：产生应力集中及各向异性（原因：原因：）。）。措施措施：尽可能降低尽可能降低S S、P P含量；加入稀土、含量；加入稀

13、土、TiTi、ZrZr等元素。等元素。2）C的影响碳量，钢中珠光体量（Fe-C相图），50FATT 。 9563. 03 . 427008676)(%50210dPNMnCFATTf3）V的影响：的影响：VN的形成的形成阻止奥氏体再结阻止奥氏体再结晶晶细化转变后的晶粒。问题：过多的固细化转变后的晶粒。问题：过多的固溶溶V阻止交叉滑移而影响韧性。阻止交叉滑移而影响韧性。措施：（2 2）气体和夹杂物控制）气体和夹杂物控制 氢：引起白点和氢脆；氮：使钢的韧性下氢：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：降；氧化物：使钢的韧性下降；硫化物：硫硫+ +锰锰MnSMnS夹杂：塑

14、性夹杂：塑性 ，缺点：热轧钢，缺点：热轧钢板横向韧性板横向韧性 。措施：降低钢中硫含量；加锆措施：降低钢中硫含量；加锆(Zr)(Zr)和稀土和稀土等等元素。元素。 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铸造工艺对夹杂物总量及韧性各向异性的影响(3) (3) 压力加工工艺的控制压力加工工艺的控制 (4) (4) 热处理工艺的选择热处理工艺的选择 通过改变金属的化学成分来提高强通过改变金属的化学成分来提高强度。度。 运动的位错与异质原子之运动的位错与异质原子之间相互作用的结果。间相互作用的结

15、果。强化的实质强化的实质：强化的金属学基础：强化的金属学基础：2.1 固溶强化固溶强化固溶强化分类：固溶强化分类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化间隙式固溶强化和置换式固溶强化 图图2-5 铁的屈服应力和含碳量的关系铁的屈服应力和含碳量的关系（1 1）间隙式固溶强化：）间隙式固溶强化：碳、氮等溶质原子嵌碳、氮等溶质原子嵌入入a-Fea-Fe晶格的八面体晶格的八面体间隙中，使晶格产生间隙中，使晶格产生不对称正方形畸变造不对称正方形畸变造成强硬化效应。成强硬化效应。作用：作用：302010302)(2)(baCiNCssNCss图图2-6 (2-6 (SSSS) )C+NC+N随随C、N含量的变化含

16、量的变化规律规律 柯氏气团柯氏气团 ：SnockSnock气团气团 ：KiKi：由间隙原子性质、基体晶格类型、基体的刚：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；差别等因素决定的数值；CiCi：间隙原子的固溶量（原子百分数）；：间隙原子的固溶量（原子百分数）；n n：0.330.33 2.02.0之间变化的一个指数之间变化的一个指数 。 niissssCK 2间隙式固溶强化对塑性、韧性的影响：间隙式固溶强化对塑性、韧性的影响：1 1）间隙原子在铁素体晶格中造成的畸变是不对称的，所以随间隙原子在

17、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，塑性和韧性明显下降。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)20121658252 2）碳、氮间隙原子能引起低碳钢的蓝脆碳、氮间隙原子能引起低碳钢的蓝脆 强度升高，延伸率降低（蓝脆）。强度升高，延伸率降低（蓝脆）。同样，螺型位错线附近的同样，螺型位错线附近的SnockSnock气团也会使气团也会使塑性降低。塑性降低。结论：结论：（2 2）置换式固溶强）置换式固溶强化：畸变大都是球面化：畸变大都是球面对称，强化效能比间对称，强化效能比间隙式原子小两个数量隙式原子小两个数量级级 （弱硬化）。（弱硬化

18、）。元素类型不同，强化元素类型不同，强化效能也不同。效能也不同。图图2-7 2-7 置换式元素对置换式元素对a-Fe屈服强度的影响屈服强度的影响 置换式固溶强化通式：置换式固溶强化通式： KsKs：常数，：常数，CsCs：溶质原子的固溶量（原子百：溶质原子的固溶量（原子百分数），分数），n n：0.50.5 1.01.0之间。之间。nsssubsssubssCK )(2)(置换式固溶强化对韧性的影响：置换式固溶强化对韧性的影响：1 1）基体中含有置换式固溶原子（如）基体中含有置换式固溶原子（如SiSi、P P、MnMn）平面滑移平面滑移硬化指数硬化指数n=n=均匀延伸率均匀延伸率 u u。2)

19、2)钢中加入钢中加入Ni(Ni(或或PtPt、Pd)Pd)，能促进低温时螺型位，能促进低温时螺型位错交滑移，使韧性提高。错交滑移，使韧性提高。SiSi、AlAl使低温交滑移困使低温交滑移困难，钢的塑性和韧性降低。难，钢的塑性和韧性降低。3)3)影响钢基体的层错能影响钢基体的层错能增加层错能的元素：增加层错能的元素：降低层错能的元素：降低层错能的元素：4)4)对基体对基体PeierlsPeierls力的影响。力的影响。小结：小结：固溶强化效果取决于：固溶强化效果取决于：溶质元素在溶剂中的溶解度大小；溶质元素在溶剂中的溶解度大小； 溶质元素溶解量；溶质元素溶解量；形成间隙固溶体的溶质元素（如形成间

20、隙固溶体的溶质元素（如C C、N N、B B）强）强化作用大于形成置换式固溶体（如化作用大于形成置换式固溶体（如MnMn、SiSi、P P）的溶质元素；的溶质元素；溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。也愈显著。位错的钉扎作用；位错的钉扎作用；位错运动的摩擦阻力增加；位错运动的摩擦阻力增加；结构强化引起的强化；结构强化引起的强化；固溶强化机制：固溶强化机制：位错密度与强度值增加位错密度与强度值增加v v之间关系式之间关系式： 21BbGv2.2 应变强化（位错强化）应变强化（位错强化） 无量纲系数，无量纲系数，数量级为数量级为1柏氏矢量柏氏矢量抗

21、剪摩数抗剪摩数位错密度位错密度图2-10 不同结构的钢的强化状态 位错强化对塑性及韧性的影响位错强化对塑性及韧性的影响：(1)(1)位错的合并位错的合并以及在障碍处的塞积会促使裂纹形核，使塑性和以及在障碍处的塞积会促使裂纹形核，使塑性和韧性降低。韧性降低。(2)(2)由于位错在裂纹尖端塑性区内的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。移动可减缓尖端的应力集中，使塑性和韧性升高。图图2-11 2-11 通过冷变形改变的冲击韧性和脆性转化温度通过冷变形改变的冲击韧性和脆性转化温度 冷加工强化与时效处理的机理冷加工强化与时效处理的机理 相邻的取向不同的晶粒边界区相邻的

22、取向不同的晶粒边界区域，或者域，或者说是周期性排列的点阵的取向发生突然转折的区说是周期性排列的点阵的取向发生突然转折的区域。域。 （1 1）具有界面能；（）具有界面能；（2 2）界面能量）界面能量高于晶粒内部；（高于晶粒内部；（3 3）对力学性能的影响。）对力学性能的影响。分大角度晶界，小角度晶界。分大角度晶界，小角度晶界。晶界：晶界：晶界特点晶界特点：2.3 2.3 晶界强晶界强化化 2.3.1 晶界强化机晶界强化机理理 ：图图 节状晶体的拉伸变形节状晶体的拉伸变形 多晶体内变形的不均性多晶体内变形的不均性晶界的阻碍作用晶界的阻碍作用 ； 晶界对滑移的阻碍作用 在晶界上的位错塞积群多晶体晶粒

23、的塑性变形必须满足连续性的条件多晶体晶粒的塑性变形必须满足连续性的条件2.3.2 Hall-Petch(霍尔配奇)公式 图图2-14 软钢的晶粒大小对压软钢的晶粒大小对压缩屈服应力和拉伸脆断应力缩屈服应力和拉伸脆断应力的影响的影响 -压缩屈服应力；压缩屈服应力； -拉伸脆拉伸脆断应力断应力211dKiy i：常数，相当于单晶体时的屈服强度；：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，：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。和温度关系不大。 图图2-15 0.15%碳钢屈服强度和晶粒直径间的关系碳钢屈服强度和晶粒直径间的关系

24、- -静拉；静拉；- -变形速度变形速度1.41.410102 2S S-1-1; ; 变形速度变形速度2.12.110102 2S S-1-1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：21dKfffyppiy2126%72%)9438(54dfSifMnfpy铁素体晶粒细化，可以提高屈服强度铁素体晶粒细化，可以提高屈服强度(d(d与与 比较比较 ) )；晶界是位错运动的障碍，细化晶粒可使材料的

25、屈服强度提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。高。 21mdATK21d晶界强化对强度的影响：晶界强化对强度的影响：晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒愈细，裂纹扩展临界应力晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒愈细，裂纹扩展临界应力 c c愈大，材料的韧性愈高。愈大，材料的韧性愈高。晶界强化对塑性的影响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，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。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：晶界强化对韧性的影响：212dKSypc 亚晶界亚晶界：晶内界面，晶粒内取向差在几度范

26、：晶内界面，晶粒内取向差在几度范围的各个小区域。围的各个小区域。 形成条件：形成条件：在奥氏体未再结晶区或奥氏体、在奥氏体未再结晶区或奥氏体、铁素体两相区变形；冷变形后低温回火。铁素体两相区变形；冷变形后低温回火。 强化原因：强化原因：亚晶本身是位错墙，亚晶细小，位亚晶本身是位错墙，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错密度也高。强化作用方面与晶界具有类似的性质。质。只有晶界强化机理才能使材料强化的同时又使材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。工艺的基本目标。2.4 2.

27、4 亚晶强亚晶强化化对强度的影响：对强度的影响： 式中式中 i i、K K分别是分别是Hall-PetchHall-Petch公式的单晶体的屈公式的单晶体的屈服强度和晶界强化系数；服强度和晶界强化系数；D D：没有亚晶的等轴铁：没有亚晶的等轴铁素体尺寸；素体尺寸；d d：铁素体亚晶的尺寸；：铁素体亚晶的尺寸；f fF F：等轴铁素等轴铁素体的分数。体的分数。2/ )1 (2121FFisfdfDK定义定义：第二相质点沉淀时，沉淀相在基体中造成第二相质点沉淀时，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。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）：沉淀强化（时效

28、强化）：弥散强化：弥散强化：2.5 2.5 沉淀强化沉淀强化2.5.1 2.5.1 沉淀析出条件沉淀析出条件 固溶度随温度的降低而减少。固溶度随温度的降低而减少。过时效：过时效：图图 2-17 可能出现沉淀强化的合金系可能出现沉淀强化的合金系 （1 1）切过第二相的强化机理）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。条件：第二相比较细小，与基体存在共格关系。强化原因：强化原因：1 1）；）；2 2）；）；3 3）2.5.2 2.5.2 沉淀强化机沉淀强化机理理位错切过第二位错切过第二相质点后增加相质点后增加的相界面的相界面(2)2) 绕过第二相的强化机理绕过第二相的强化机

29、理条件：条件： 位错绕过第二相质点时的过程示意图位错绕过第二相质点时的过程示意图 影响沉淀强化的因素影响沉淀强化的因素：沉淀相的部位、形沉淀相的部位、形状。状。沉淀颗粒分布在整个基体上好于分布在晶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。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：形变热处理产生强化的原因：特点特点： (1) (1) 强化相质点是通过机械混合，压制烧结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。到基体中去的。没有沉淀析出过程。 (2) (2) 第二相在第二相在基体中一般溶解度都很小，甚至在高温下。所以很基体

30、中一般溶解度都很小，甚至在高温下。所以很稳定，不易长大。稳定，不易长大。 (3) (3) 第二相与基体没有共格关系。第二相与基体没有共格关系。(4)(4)弥散强化合金不要求随温度降低固溶体的溶解弥散强化合金不要求随温度降低固溶体的溶解度要降低的限制，可以设计大量的弥散合金系统。度要降低的限制，可以设计大量的弥散合金系统。机理：机理：绕过理论绕过理论2.5.3 2.5.3 弥散强化弥散强化（1 1）沉淀相的体积比越大，强化效果越显著，）沉淀相的体积比越大，强化效果越显著，因此必须提高基体的过饱和度。因此必须提高基体的过饱和度。（2 2）第二相质点弥散度越大，强化效果越好。）第二相质点弥散度越大，强化效果越好。共格第二相比非共格第二相的强化效能大。共格第二相比非共格第二相的强化效能大。（3 3）第二相质点对位错运动的阻力越大，强化）第二相质点对位错运动的阻力越大，强化效果越大。效果越大。沉淀和弥散强化总结：沉淀和弥散强化总结：(1)(1)沉淀强化对裂纹扩展所需要的临界应力沉淀强化