金屬材料強(qiáng)化

PrincipleandApplicationofStrengtheningandTougheningforMetalMaterials2023/2/5付瑞東rdfu@2課程總體內(nèi)容金屬材料強(qiáng)韌化簡介強(qiáng)韌化原理部分強(qiáng)韌化應(yīng)用部分超常規(guī)金屬材料制備技術(shù)

1）快速凝固技術(shù)

2）噴射沉積技術(shù)

3）機(jī)械合金化

4）半固態(tài)加工

5）攪拌摩擦加工

6）大塑性變形加工2023/2/5付瑞東rdfu@3金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用是人類文明發(fā)展和進(jìn)步的重要里程碑人類歷史的劃分石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代鋁(Al)鈦(Ti)概述—金屬材料發(fā)展歷史回顧金屬時(shí)代開始五千年2023/2/5付瑞東rdfu@42023/2/5付瑞東rdfu@5Thefutureofmetals2023/2/5付瑞東rdfu@6金屬材料在材料科學(xué)領(lǐng)域占有及其重要的地位概述—金屬材料發(fā)展歷史回顧“金屬”在《辭海》中被解釋為：“具特有光澤而不透明（對可見光強(qiáng)烈反射的結(jié)果）,富有展性、延性及導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性的這一類物質(zhì)?！痹陂T捷列夫的元素周期表中，左下角絕大部分是金屬的領(lǐng)域，僅右上角才是非金屬的地盤。也就是說在人類至今認(rèn)識的109種化學(xué)元素中，非金屬只有22種，而金屬元素有87種，在總體的化學(xué)元素中占了近80%?？梢哉f，金屬在我們的生產(chǎn)生活中是無處不在的。材料科學(xué)是21世紀(jì)四大支柱學(xué)科之一，而金屬材料工程則是材料科學(xué)中一個(gè)重要的專業(yè)方向。2023/2/5付瑞東rdfu@7金屬材料在新材料研究領(lǐng)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—金屬材料發(fā)展歷史回顧近年來出現(xiàn)的新材料

新型高溫合金、高溫陶瓷以及金屬間化合物；新型高強(qiáng)度、高成形性鋼鐵材料；新型高比強(qiáng)度、高比剛度復(fù)合材料；高磁化能的磁性材料、非晶合金材料；新型光導(dǎo)纖維、敏感材料；新型生物功能材料；國防軍工尖端材料（極端條件下）

.......?結(jié)構(gòu)材料功能及智能材料2023/2/5付瑞東rdfu@81）邏輯推理(古代哲學(xué)家，432BC.)2）宏觀形貌觀察、觀測（byeye,1669）3）數(shù)學(xué)理論計(jì)算4）科學(xué)測定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中國：“日取其半，萬世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生萬物”（《老子》）；“以土與金、木、水、火雜以成百物”（《國語·正語》）；“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬物”（《易經(jīng)》）人類對材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識的發(fā)展過程概述—金屬材料發(fā)展歷史回顧2023/2/5付瑞東rdfu@92、古代歐洲Plato

柏拉圖(427-347BC,古希臘哲學(xué)家)Euclid歐幾里得(約公元前3世紀(jì)的古希臘數(shù)學(xué)家)用fire,air,earth,water,ether－以太)描述世界萬物.Fire–tetrahedron（四面體）Air–octahedron（八面體）Ether–dodecahedron（十二面體）Earth–cube（六面體）Water–icosahedron（二十面體）概述—金屬材料發(fā)展歷史回顧2023/2/5付瑞東rdfu@101669,N.Steno,晶面角守恒定律1885,A.Bravais,晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術(shù)***（STM、AFM）概述—金屬材料發(fā)展歷史回顧人類對材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識的發(fā)展過程2023/2/5付瑞東rdfu@11晶體的微觀周期性結(jié)構(gòu)

電子在周期勢場中的運(yùn)動量子力學(xué)Schr?dinger方程能帶理論固體半導(dǎo)體理論晶體點(diǎn)陣中的缺陷金屬材料強(qiáng)化理論位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動晶體的宏觀幾何形貌晶體生長理論表面組裝概述—金屬材料發(fā)展歷史回顧2023/2/5付瑞東rdfu@12提高材料的強(qiáng)度和韌性的目的節(jié)約材料，降低成本，增加材料在使用過程中的可靠性和延長服役壽命希望所使用的材料既有足夠的強(qiáng)度，又有較好的韌性，通常的材料二者不可兼得理解材料強(qiáng)韌化機(jī)理，掌握材料強(qiáng)韌化現(xiàn)象的物理本質(zhì)，是合理運(yùn)用和發(fā)展材料強(qiáng)韌化方法從而挖掘材料性能潛力的基礎(chǔ)概述—金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)涵金屬材料強(qiáng)韌化目的2023/2/5付瑞東rdfu@13概述—金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)涵金屬材料強(qiáng)韌化主要研究的問題強(qiáng)韌化問題的主要著眼點(diǎn)在于材料的性能材料的性能結(jié)構(gòu)敏感的性能強(qiáng)度韌性硬度疲勞強(qiáng)度。。。結(jié)構(gòu)不敏感的性能元素的熔點(diǎn)單一元素物質(zhì)彈性模量元素的線膨脹系數(shù)元素的磁性能。。。2023/2/5付瑞東rdfu@14金屬材料的基本性能概述—金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)涵2023/2/5付瑞東rdfu@15金屬材料的強(qiáng)度材料的內(nèi)部應(yīng)力：拉伸、壓縮、剪切強(qiáng)度分為：拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度加載特征分為：彎曲、扭曲、沖擊、疲勞若未到破壞強(qiáng)度，則因形變而失去承載能力強(qiáng)度是在給定條件（溫度/壓力/應(yīng)力狀態(tài)/應(yīng)變速率/周圍介質(zhì)）下材料達(dá)到給定變形量所需要的應(yīng)力，或材料發(fā)生破壞的應(yīng)力2023/2/5付瑞東rdfu@16根據(jù)圖所示的曲線有:=msin(2x/)

式中x為原子平面拉開的距離（從原子平面間距a0處開始計(jì)算，即原子間的位移），為正弦曲線的波長,a0為原子間的平衡距離理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度：

m=(E.

s/a0)1/2

—E=100GPa，

s=1J/m2

，a0=310-10m，

m=18.3GPa，其值大約為E/7。—如金屬鐵，E=200GPa，，

s=2J/m2

，a0=2.510-10m，

m=40GMPa，約為E/5。高度取向，實(shí)際拉伸強(qiáng)度最大值為1.2GPa，未取向，實(shí)際強(qiáng)度比理論值小1000倍左右強(qiáng)度來源是原子鍵合力，取決于元素本質(zhì)的基本性質(zhì)，同時(shí)也是最典型的結(jié)構(gòu)敏感性能。金屬材料的強(qiáng)度2023/2/5付瑞東rdfu@17一些金屬材料的理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度金屬臨界分切應(yīng)力m

（MPa）金屬臨界分切應(yīng)力m

（MPa）實(shí)驗(yàn)值理論值實(shí)驗(yàn)值理論值A(chǔ)l1.34.3Mn0.82.8Cu1.07.3Zn0.96.0Ag0.64.7Bi2.22.2Au0.94.5Sn1.42.7Ni5.812.4Cd1.64.2實(shí)際材料斷裂時(shí)的臨界分切應(yīng)力2023/2/5付瑞東rdfu@18材料強(qiáng)度與缺陷數(shù)量的關(guān)系強(qiáng)度缺陷數(shù)量冷加工狀態(tài)退火狀態(tài)無缺陷的理論強(qiáng)度強(qiáng)度是在變形及斷裂過程中表現(xiàn)出來的特性，因此研究變形及斷裂是研究強(qiáng)度的重要手段和過程。2023/2/5付瑞東rdfu@19金屬材料的韌性韌性是斷裂過程的能量參量，是材料強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)裂紋形核前的塑性形變、裂紋的擴(kuò)展是與金屬組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的當(dāng)不考慮外因時(shí)，斷裂過程包括裂紋的形核和擴(kuò)展通常以裂紋形核和擴(kuò)展的能量消耗或裂紋擴(kuò)展抗力來標(biāo)示材料韌性它涉及到位錯(cuò)的運(yùn)動，位錯(cuò)間的彈性交互作用，位錯(cuò)與溶質(zhì)原子和沉淀相的彈性交互作用以及組織形態(tài)，其中包括基體、沉淀相和晶界的作用等概述—金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)涵斷裂是主要破壞形式，韌性是材料抵抗斷裂的能力。斷裂韌性材料抵抗其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)；沖擊韌性材料在高速沖擊負(fù)荷下韌性的度量。二者間存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。2023/2/5付瑞東rdfu@20各種材料的強(qiáng)韌性指標(biāo)概述—金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)涵2023/2/5付瑞東rdfu@21材料組織與性能關(guān)系概述—金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)涵強(qiáng)韌化問題的主要著眼點(diǎn)在于材料的性能，但是性能是由組織決定的。2023/2/5付瑞東rdfu@22機(jī)械強(qiáng)韌化金屬材料強(qiáng)韌化機(jī)理物理強(qiáng)韌化化學(xué)強(qiáng)韌化物理強(qiáng)韌化：是在金屬內(nèi)部晶體缺陷的作用和通過缺陷之間的相互作用，對晶體的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而改變金屬性能化學(xué)強(qiáng)韌化：是元素的本質(zhì)決定的因素以及元素的種類不同和元素的含量不同造成的材料性能的改變機(jī)械強(qiáng)韌化：除了結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀方面的機(jī)械原因外，主要指界面作用造成的強(qiáng)韌化Q:相交處的強(qiáng)韌化機(jī)制是什么？2023/2/5付瑞東rdfu@23提高金屬材料強(qiáng)度途徑完全消除內(nèi)部的位錯(cuò)和其他缺陷，使它的強(qiáng)度接近于理論強(qiáng)度。在金屬中引入大量的缺陷，以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動。這是強(qiáng)化金屬主要采用的途徑。目前雖然能夠制出無位錯(cuò)的高強(qiáng)度金屬晶須，但實(shí)際應(yīng)用它還存在困難，因?yàn)檫@樣獲得的高強(qiáng)度是不穩(wěn)定的，對操作效應(yīng)和表面情況非常敏感，而且位錯(cuò)一旦產(chǎn)生后，強(qiáng)度就大大下降例如加工硬化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等綜。合運(yùn)用這些強(qiáng)化手段，也可以從另一方面接近理論強(qiáng)度，例如在鐵和鈦中可以達(dá)到理論強(qiáng)度的38%2023/2/5付瑞東rdfu@24金屬強(qiáng)化的途徑細(xì)晶強(qiáng)化加工硬化固溶強(qiáng)化彌散強(qiáng)化2023/2/5付瑞東rdfu@25Decreasinggrainsize?σy

increases?εu

vanishes金屬強(qiáng)化的途徑細(xì)晶強(qiáng)化Grainrefinestrengthening:通過細(xì)化晶粒而使材料強(qiáng)度提高的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。即為通常所講的強(qiáng)度上升，而塑性下降。2023/2/5付瑞東rdfu@26細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)化晶?？梢蕴岣呓饘俚膹?qiáng)度1.晶界對位錯(cuò)滑移的阻滯效應(yīng)2.晶界上形變要滿足協(xié)調(diào)性，需要多個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)動作，這同樣導(dǎo)致位錯(cuò)不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起強(qiáng)度的增高。位錯(cuò)在多晶體中運(yùn)動時(shí)，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一側(cè)晶粒中的滑移帶不能直接進(jìn)入第二個(gè)晶粒。晶粒越細(xì)小，晶界越多，位錯(cuò)被阻滯的地方就越多，多晶體的強(qiáng)度就越高2023/2/5付瑞東rdfu@27細(xì)晶強(qiáng)化晶界對位錯(cuò)滑移的阻力滑移面不能連續(xù)晶界處存在缺陷控制晶粒尺寸來增加晶界2023/2/5付瑞東rdfu@28霍耳-配奇(Hall-Petch)關(guān)系式y(tǒng)＝0＋ky·d-1/20和ky是兩個(gè)和材料有關(guān)的常數(shù)，d為晶粒直徑可知多晶體的晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高；多晶體強(qiáng)度高于單晶體常規(guī)的多晶體（晶粒尺寸大于100nm）中，處于晶界核心區(qū)域的原子數(shù)只占總原子數(shù)的一個(gè)微不足道的分?jǐn)?shù)（小于0.01%）納米微晶體材料(晶粒尺度在1-100nm間)中，如果晶粒尺寸為數(shù)個(gè)納米，晶界核心區(qū)域的原子所占的分?jǐn)?shù)可高達(dá)50%，這樣在非晶界核心區(qū)域原子密度的明顯下降，以及原子近鄰配置情況的截然不同，均將對性能產(chǎn)生顯著影響2023/2/5付瑞東rdfu@29反Hall-Petch效應(yīng)在低于100nm的納米晶中Hall-Petch關(guān)系仍然有效臨界尺寸dc,十幾到二十納米之間反Hall-Petch效應(yīng)理論模擬的結(jié)果顯示存在一個(gè)臨界尺寸dc,Cu的臨界尺寸dc≈19.3nm，Pa的dc≈11.2nm2023/2/5付瑞東rdfu@30細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化是常溫下一種有效的材料強(qiáng)化手段高溫時(shí)晶界滑動導(dǎo)致材料形變，導(dǎo)致細(xì)晶材料比粗晶材料軟增加金屬材料高溫強(qiáng)度要增大晶粒尺寸鎳基高溫合金利用定向凝固方法獲得較大晶粒尺寸甚至單晶，減少晶界對高溫強(qiáng)度不利影響，提高高溫下的強(qiáng)度（例如汽輪機(jī)葉片）Q:是不是晶粒越細(xì)韌性越高呢？2023/2/5付瑞東rdfu@31金屬強(qiáng)化的途徑Workhardening:金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時(shí)強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象。又稱冷作硬化。形變強(qiáng)化（加工硬化）Q：加工硬化現(xiàn)象是不是只在冷加工時(shí)出現(xiàn)呢？2023/2/5付瑞東rdfu@32形變強(qiáng)化金屬材料具有加工硬化的性能，形變后流變應(yīng)力得到提高形變強(qiáng)化是因?yàn)榻饘僭谒苄宰冃芜^程中位錯(cuò)密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場不斷增大，位錯(cuò)間的交互作用不斷增強(qiáng)，因而位錯(cuò)的運(yùn)動越來越困難。引起金屬加工硬化的機(jī)制有：位錯(cuò)的塞積、位錯(cuò)的交割（形成不易或不能滑移的割階、或形成復(fù)雜的位錯(cuò)纏結(jié)）、位錯(cuò)的反應(yīng)（形成不能滑移的固定位錯(cuò)）、易開動的位錯(cuò)源不斷消耗等等。2023/2/5付瑞東rdfu@33形變強(qiáng)化(加工硬化）位錯(cuò)是

—晶體學(xué)障礙

—是彈性障礙

“位錯(cuò)林”強(qiáng)化

“加工硬化”是位錯(cuò)控制機(jī)制

—加工硬化率：2023/2/5付瑞東rdfu@34形變流變應(yīng)力與位錯(cuò)間作用的解釋形變流變應(yīng)力和位錯(cuò)密度有依賴關(guān)系，即流變應(yīng)力與位錯(cuò)密度之間符合培萊-赫許(Bailey-Hirsch)關(guān)系

=0+··b·1/2為一系數(shù)，為切變模量，b為位錯(cuò)的強(qiáng)度用量綱分析的方法來解釋位錯(cuò)間的相互作用得到這個(gè)結(jié)論2023/2/5付瑞東rdfu@35形變強(qiáng)化有利方面有些加工方法要求金屬必須有一定的加工硬化某些不銹鋼冷軋后的強(qiáng)度可以提高一倍以上用金屬板材沖壓成杯子時(shí)只有板材發(fā)生硬化，才能使塑性變形不斷進(jìn)行直至最后沖壓成杯，金屬的拉伸過程（如拉絲）也要求金屬線材在?？谔幠苎杆儆不梢酝ㄟ^冷加工控制產(chǎn)品的最后性能冷拉的鋼絲繩不僅強(qiáng)度高，而且表面光潔工業(yè)上廣泛應(yīng)用的銅導(dǎo)線，由于要求導(dǎo)電性好，不允許加合金元素，加工硬化是提高其強(qiáng)度的唯一辦法2023/2/5付瑞東rdfu@36形變強(qiáng)化不利方面由于金屬在加工過程中塑性變形抗力不斷增加，使金屬的冷加工需要消耗更多的功率由于形變強(qiáng)化使金屬變脆，因而在冷加工過程中需要進(jìn)行多次中間退火，使金屬軟化，才能夠繼續(xù)加工而不致裂開有的金屬（如錸）盡管某些使用性能很好，但由于解決不了加工問題，其應(yīng)用受到很大限制2023/2/5付瑞東rdfu@37形變硬化的限制形變硬化不是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化方法,它受到兩個(gè)限制使用溫度不能太高，否則由于退火效應(yīng)，金屬會軟化由于硬化會引起金屬脆化，對于本來就很脆的金屬，一般不宜利用應(yīng)變硬化來提高強(qiáng)度性能2023/2/5付瑞東rdfu@38金屬強(qiáng)化的途徑固溶強(qiáng)化Solutionstrengthening：合金元素溶于基體金屬中形成固溶體而使金屬強(qiáng)化，稱為固溶強(qiáng)化。2023/2/5付瑞東rdfu@39

固溶強(qiáng)化：利用點(diǎn)缺陷對位錯(cuò)運(yùn)動的阻力使金屬基體獲得強(qiáng)化的方法固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子在基體金屬晶格中占據(jù)的位置分間隙式和置換式兩種不同方式間隙原子對金屬強(qiáng)度的影響可用下面的通式表示2.置換式溶質(zhì)原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的，因而強(qiáng)化效果要比填隙式原子小，但在高溫下，置換式固溶強(qiáng)化變得較為重要,為什么？

Δσss=2Δτss=kicin強(qiáng)化機(jī)理：碳、氮等間隙式溶質(zhì)原子嵌入金屬基體的晶格間隙中，使晶格產(chǎn)生不對稱畸變造成的強(qiáng)化效應(yīng)以及填隙式原子在基體中與刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)產(chǎn)生彈性交互作用，使金屬獲得強(qiáng)化2023/2/5付瑞東rdfu@40固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子導(dǎo)致的畸變—溶質(zhì)原子與位錯(cuò)場相互作用

—大的原子受壓—小的原子受拉強(qiáng)化效果與畸變成比例

—間隙原子具有最大的強(qiáng)化效應(yīng)（C,N）

—強(qiáng)化與溶質(zhì)濃度成比例

—高溫下，溶質(zhì)是可動的，強(qiáng)化將喪失2023/2/5付瑞東rdfu@41固溶強(qiáng)化在金屬基體中固溶的溶質(zhì)原子除可提高金屬強(qiáng)度之外，還會影響金屬塑性Ni添加到α-Fe中形成固溶體，已成為改善塑性的主要手段鋼中馬氏體組織充分利用了間隙原子的固溶強(qiáng)化作用。馬氏體間隙溶碳量增至0.4%時(shí)其硬度猛升到60HRC，塑性指標(biāo)ψ低到10%，繼續(xù)提高碳量，如wt(C)=1.2%，硬度為68HRC，而ψ則低于5%?？梢婋S著固溶C原子的增加，在提高強(qiáng)度的同時(shí)塑性損失較大Ni改善塑性的原因是促進(jìn)交滑移，特別是基體金屬在低溫下易于發(fā)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，也有相當(dāng)大的強(qiáng)化效應(yīng)。關(guān)于Pt等元素的改善塑性的機(jī)制還沒有確切的解釋。而Si和Mn對鐵的塑性損害較大，且固溶量越多，塑性越低2023/2/5付瑞東rdfu@42金屬強(qiáng)化的途徑彌散強(qiáng)化（第二相粒子強(qiáng)化）Dispersionstrengthening：材料通過基體中分布有細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)而產(chǎn)生強(qiáng)化的方法，稱為彌散強(qiáng)化。2023/2/5付瑞東rdfu@43第二相粒子強(qiáng)化第二相粒子強(qiáng)化比固溶強(qiáng)化的效果更為顯著通過相變熱處理獲得的，稱為析出硬化、沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化第二相粒子的強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)、間距、粒子的形狀和分布等都對強(qiáng)化效果有影響通過粉末燒結(jié)或內(nèi)氧化獲得的，稱為彌散強(qiáng)化按粒子的大小和形變特性，分成：不易形變的粒子，包括彌散強(qiáng)化的粒子以及沉淀強(qiáng)化的大尺寸粒子易形變的粒子，如沉淀強(qiáng)化的小尺寸粒子2023/2/5付瑞東rdfu@44第二相粒子強(qiáng)化產(chǎn)生沉淀后：時(shí)效硬化（強(qiáng)化）

—因障礙數(shù)量增加而強(qiáng)化

—因障礙數(shù)減少而軟化Agingtime2023/2/5付瑞東rdfu@45奧羅萬機(jī)制（Orowan機(jī)制）位錯(cuò)線繞過粒子，恢復(fù)原態(tài)，繼續(xù)向前滑移運(yùn)動位錯(cuò)線在不易形變粒子前受阻、彎曲外加切應(yīng)力的增加使位錯(cuò)彎曲，直到在A、B處相遇位錯(cuò)線方向相反的A、B相遇抵消，留下位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)增殖位錯(cuò)繞過不易形變的粒子（Orowan，奧羅萬機(jī)制）2023/2/5付瑞東rdfu@46Orowan機(jī)制使位錯(cuò)線繼續(xù)運(yùn)動的臨界切應(yīng)力的大小為Δτ≈G·b/d較復(fù)雜的分析可得常數(shù)α對刃型位錯(cuò)是0.093，對螺型位錯(cuò)是0.14；f是粒子的體積分?jǐn)?shù)粒子半徑r或粒子間距d減小，強(qiáng)化效應(yīng)增大；當(dāng)粒子尺寸一定時(shí)，體積分?jǐn)?shù)f

越大，強(qiáng)化效果亦越好位錯(cuò)每繞過粒子一次留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，使粒子間距減小，后續(xù)位錯(cuò)繞過粒子更加困難，致使流變應(yīng)力迅速提高2023/2/5付瑞東rdfu@47內(nèi)氧化銅合金臨界切應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與理論值的比較含有非共格的沉淀相或彌散相粒子的合金的屈服強(qiáng)度均可以用上述的機(jī)制來解釋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本上符合理論的預(yù)期合金粒子大小/nm粒子間距/nm20℃77Kτ(計(jì)算值)10MPaτ(實(shí)驗(yàn)值)10MPaτ(計(jì)算值)10MPaτ(實(shí)驗(yàn)值)10MPa0.3%Si48.53003.00.25%Al109010.56.411.28.00.34%Be7.64519.411.220.715.72023/2/5付瑞東rdfu@48位錯(cuò)切過易形變粒子Ni-19%Cr-6%Al合金中位錯(cuò)切過Ni3Al粒子的透射電子顯微像位錯(cuò)切過粒子的示意圖2023/2/5付瑞東rdfu@49切過粒子引起強(qiáng)化的機(jī)制短程交互作用（位錯(cuò)與顆粒交互作用間距小于10b，b為柏氏矢量的模）長程交互作用（作用距離大于10b）位錯(cuò)切過粒子形成新的表面積A，增加了界面能主要與相界能、疇界能、粒子體積分?jǐn)?shù)和粒子半徑有關(guān)，增大粒子尺寸或增大體積分?jǐn)?shù)，都有利于提高可形變粒子的短程強(qiáng)化效果位錯(cuò)掃過有序結(jié)構(gòu)時(shí)形成錯(cuò)排面或叫做反相疇，產(chǎn)生反相疇界能粒子與基體的滑移面不重合時(shí)，會產(chǎn)生割階，以及粒子的派-納力P-N高于基體等，都會引起臨界切應(yīng)力增加由于粒子與基體的點(diǎn)陣不同（至少是點(diǎn)陣常數(shù)不同），導(dǎo)致共格界面失配，從而造成應(yīng)力場2023/2/5付瑞東rdfu@50位錯(cuò)切過粒子增加界面能為克服界面能，應(yīng)增加的臨界切應(yīng)力為是位錯(cuò)線張力的函數(shù)，等于ln(d/r0)，對刃型位錯(cuò)，取0.16，對螺型位錯(cuò)，取0.24；是界面能2023/2/5付瑞東rdfu@51形成反相疇產(chǎn)生反相疇界能對共格析出物，一般共格界面能為（10-30）×10-7J/cm2在Ni(○)Al(●)基體中，全位錯(cuò)切割有序Ni3Al粒子產(chǎn)生反相疇界反相疇界面能

A約為（100-300）×10-7J/cm2由于形成反相疇界所增加的臨界切應(yīng)力值為2023/2/5付瑞東rdfu@52長程交互作用引起的臨界切應(yīng)力的增量作用距離大于10b長程交互作用引起的臨界切應(yīng)力的增量為E為楊氏模量；T為位錯(cuò)線張力；ν為泊松比；ε是錯(cuò)配度δ的函數(shù)2023/2/5付瑞東rdfu@53位錯(cuò)切過粒子當(dāng)粒子的體積分?jǐn)?shù)f一定時(shí)，粒子尺寸越大，強(qiáng)化效果越顯著，并按1/2變化當(dāng)粒子尺寸一定時(shí)，體積分?jǐn)?shù)f越大，強(qiáng)化效果越高，并按f1/2-5/6變化2023/2/5付瑞東rdfu@54第二相粒子強(qiáng)化的最佳粒子半徑綜合考慮切過、繞過兩種機(jī)制，估算出第二相粒子強(qiáng)化的最佳粒子半徑c=(G·b2)/(2·s)2023/2/5付瑞東rdfu@55時(shí)效合金在時(shí)效過程中強(qiáng)度的變化作解釋可通過控制粒子的體積分?jǐn)?shù)f和粒子半徑r，即控制位錯(cuò)與粒子交互作用的機(jī)制，來獲得最佳強(qiáng)度時(shí)效合金在時(shí)效過程中強(qiáng)度的變化作解釋最初合金的強(qiáng)度相當(dāng)于過飽和固溶體開始階段的沉淀相和基體共格，尺寸很小，位錯(cuò)可以切過沉淀相，對溫度比較敏感，屈服應(yīng)力決定于切過沉淀相所需要的應(yīng)力，包括共格應(yīng)力、沉淀相的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相界面的效應(yīng)等沉淀相體積含量f增加，切割粒子所需要的應(yīng)力加大位錯(cuò)繞過粒子所需要的應(yīng)力會小于切割粒子，Orowan繞過機(jī)制起作用，屈服應(yīng)力將隨粒子間距的增加而減小2023/2/5付瑞東rdfu@56粗大的沉淀相群體如兩相組織為不同晶粒尺寸時(shí)，先形成相會制約后形成相的晶粒尺寸，可能引起另一相的細(xì)化。此外，硬、軟相搭配，會發(fā)生其中一相加工硬化的強(qiáng)化效果。2023/2/5付瑞東rdfu@57強(qiáng)化作用的疊加疊加模型：Hall-Petch公式：y＝I＋ky·d-1/2s=

1+固溶+沉淀+位錯(cuò)+kyd-1/21與溫度和形變速率有關(guān)。2023/2/5付瑞東rdfu@58金屬材料的韌化各種工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、船艇、飛機(jī)、電站設(shè)備、壓力容器、輸氣管道等，都曾出現(xiàn)過不少低于材料屈服強(qiáng)度下重大的脆性斷裂事故促使人們認(rèn)識到片面追求提高金屬材料強(qiáng)度，而忽視韌性的做法是片面的為了滿足高新技術(shù)發(fā)展的需求，對于金屬材料不僅要設(shè)法提高其強(qiáng)度，而且也需要提高其韌性2023/2/5付瑞東rdfu@59韌化原理斷裂韌性是材料在外加負(fù)荷作用下從變形到斷裂全過程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，則斷裂韌性愈高增加斷裂過程中能量消耗的措施都可以提高斷裂韌性斷裂韌性是材料的一項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，是材料的成分和組織結(jié)構(gòu)在應(yīng)力和其他外界條件作用下的表現(xiàn)，在外界條件不變時(shí)，只有通過工藝改變材料的成分和組織結(jié)構(gòu)，材料的斷裂韌性才能提高韌性-是材料變形和斷裂過程中吸收能量的能力2023/2/5付瑞東rdfu@60斷裂韌性-KIC—隨屈服強(qiáng)度增加而減小—隨溫度降低而減小

—隨應(yīng)變速率增加而減小來源：斷裂模式—延性斷裂（高韌性）—脆性斷裂（低韌性）2023/2/5付瑞東rdfu@61穿晶斷裂（解理斷裂）沿晶斷裂2023/2/5付瑞東rdfu@62延性斷裂：材料在裂紋尖端撕裂

—大的塑性變形導(dǎo)致在夾雜物附近形成微孔洞

—孔洞長大直到相遇連接

—斷裂后留下韌性的“韌窩”特征2023/2/5付瑞東rdfu@63

保證延性斷裂模式：—高韌性需要延性斷裂

—韌脆轉(zhuǎn)變溫度TB

韌性在TB處急劇下降，特別是在bcc金屬中；盡可能在TB溫度以上使用，通過組織控制TB溫度；

延性斷裂模式下的韌性—斷裂韌性隨屈服強(qiáng)度的增加而下降

—提高KIC(y)

2023/2/5付瑞東rdfu@642023/2/5付瑞東rdfu@65晶界污染—脆化的雜質(zhì)元素偏聚

—防止措施：凈化晶界

熱處理把雜質(zhì)聚集成穩(wěn)定化合物（稀土作用）晶界固有弱化—用表面活性劑“粘合”，例如B加入到Fe-Mn，Ni3Al中2023/2/5付瑞東rdfu@662023/2/5付瑞東rdfu@672023/2/5付瑞東rdfu@68韌化原理改善材料的韌性的基本途徑1減少誘發(fā)微裂紋的組成相2提高基體的塑性3增加組織的塑性形變均勻性（減少應(yīng)力集中）4避免晶界弱化，防止裂紋沿晶界的形核和擴(kuò)展5強(qiáng)化同時(shí)增韌(細(xì)化晶粒）2023/2/5付瑞東rdfu@69(1)位錯(cuò)強(qiáng)化與塑性和韌性位錯(cuò)密度升高會提高強(qiáng)度而降低塑性和韌性?？蓜拥奈幢绘i住的位錯(cuò)對韌性的損害小于被沉淀物或固溶原子鎖住的位錯(cuò)。故提高可動位錯(cuò)密度對塑性和韌性均有利。(2)固溶強(qiáng)化與塑性固溶強(qiáng)化應(yīng)在保證強(qiáng)度的同時(shí)提高塑性。通過添加合適的合金元素，如，Ni，可促進(jìn)交滑移，改善塑性。另外，調(diào)整間隙原子的添加濃度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑韌性的最佳配合。韌化原理2023/2/5付瑞東rdfu@70細(xì)化晶粒既能提高強(qiáng)度，又能同時(shí)優(yōu)化塑性和韌性，是目前公認(rèn)最佳的實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)韌化的途徑。(4)沉淀相顆粒與塑性沉淀顆粒會通過彌散強(qiáng)化提高基體的強(qiáng)度和硬度，但可能會明顯降低塑性和韌性。尤其，條帶狀、片狀析出物，以及沿晶界網(wǎng)狀析出的沉淀相，均顯著降低材料塑性。減少沉淀相的析出數(shù)量，改善沉淀相的形狀和分布狀態(tài)，可改善材料塑性。(3)細(xì)化晶粒與塑性韌化原理2023/2/5付瑞東rdfu@71金屬韌化的途徑細(xì)化純化球化復(fù)化2023/2/5付瑞東rdfu@72細(xì)化金屬韌化的途徑在工業(yè)晶粒度范圍內(nèi)，細(xì)化晶粒既可提高強(qiáng)度，還能提高韌性。晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，且每個(gè)晶粒中塞積的位錯(cuò)少，因應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，既表現(xiàn)出較高的塑性。細(xì)晶粒金屬中，裂紋不易萌生（應(yīng)力集中少），也不宜傳播（晶界曲折多），因而在斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。2023/2/5付瑞東rdfu@73沿晶斷裂與晶粒度由于晶界兩邊的晶粒取向不同，穿過晶界比較困難，穿過后，滑移方向要改變，起了強(qiáng)化和韌化的作用晶粒愈小，則晶界面積愈大，這種強(qiáng)化和韌化作用也愈大細(xì)化晶粒是達(dá)到既強(qiáng)化又韌化目的的有效措施合金鋼回火脆性時(shí)，斷裂易于沿晶進(jìn)行如EN24(40CrNiMo)鋼的奧氏體晶粒度由5~6級細(xì)化到12~13級，KIC值則由141MPam1/2提高到266MPam1/2通過晶粒細(xì)化，單位晶界面積偏聚的雜質(zhì)含量相應(yīng)減少，細(xì)化晶粒對于韌性有益2023/2/5付瑞東rdfu@74金屬強(qiáng)化的途徑純化2023/2/5付瑞東rdfu@75金屬韌化的途徑純化金屬材料的純凈化是提高金屬材料塑性和韌性的主要途徑之一，而鋼鐵材料的純凈化已經(jīng)成為當(dāng)今鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的重要發(fā)展趨勢。通過純凈化冶煉來有效降低馬氏體時(shí)效鋼中雜質(zhì)元素及夾雜物含量是進(jìn)一步提高這類材料塑韌性的有效途徑，同時(shí)亦可通過減少微觀偏析來進(jìn)一步發(fā)揮材料中合金元素提高強(qiáng)度的作用。2023/2/5付瑞東rdfu@76金屬韌化的途徑球化退火處理球化退火的主要目的是由熱處理使鋼鐵材料內(nèi)部的層狀或網(wǎng)狀碳化物凝聚成為球狀，使改善鋼材之切削性能及加工塑性，特別是高碳的工具鋼更是需要此種退火處理。球化45鋼35鋼2023/2/5付瑞東rdfu@77金屬韌化的途徑復(fù)化鋼鐵材料的復(fù)相化已成為重要發(fā)展方向，廣義上講只要含有兩種以上組織的鋼都可稱為復(fù)相鋼。例如馬氏體、奧氏體、鐵素體、貝氏體、碳化物等，此外引入其他強(qiáng)化手段如纖維、陶瓷相等，也可成為復(fù)相。一般將鐵素體與奧氏體相組織組成的鋼稱為雙相不銹鋼，將鐵素體與馬氏體相組織組成的鋼稱為雙相鋼。2023/2/5付瑞東rdfu@78提高金屬材料強(qiáng)韌性的途徑及方法熔煉鑄造壓力加工熱處理2023/2/5付瑞東rdfu@79（1）熔煉鑄造韌化工藝成分控制-獲得高純凈金屬實(shí)際情況成分波動和存在一定的雜質(zhì)是不可避免的從提高韌性出發(fā)，提高合金純度是有效的途徑析出物控制-獲得細(xì)晶和超細(xì)第二相粒子首先,必須在鋼液凝固之前去除各種已生成的較大顆粒的非金屬夾雜物;其次,應(yīng)將各種夾雜物生成元素的濃度積控制在低于其在固相線的平衡溶度積,以保證粒子在固態(tài)下析出,從而獲得細(xì)小的第二相粒子通過外部加入細(xì)小氧化物的方法也是近年來出現(xiàn)的一種獲得細(xì)小晶粒及第二相粒子的新方法2023/2/5付瑞東rdfu@80（1）熔煉鑄造韌化工藝氣體和夾雜物控制氣體（氫、氧、氮）和夾雜物（主要是氧化物和硫化物等）是冶煉和鑄造工藝的重要問題氫是有害氣體，引起白點(diǎn)和氫脆，材料強(qiáng)度愈高，危害性愈大氮易于引起低碳鋼的藍(lán)脆，是一種有害氣體；在普通低合金鋼中若有釩存在形成氮化物，則能提高強(qiáng)度；在奧氏體不銹鋼中，它能夠代替一部分鎳，氮是有益的合金元素氧以氧化物類型的夾雜物存在，使韌性降低夾雜物是脆性相，一般夾雜物含量愈多，則韌性愈低2023/2/5付瑞東rdfu@81（2）熱處理韌化工藝熱處理是改變金屬材料結(jié)構(gòu)，控制性能的重要工藝超高溫淬火以淬火、回火和時(shí)效以及形變熱處理為例，討論提高斷裂韌性的一些概念和思路對于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，采用比一般淬火溫度高300多度的1200~1255℃超高溫奧氏體化處理，雖然奧氏體晶粒從7~8級提高到1~0級，但KIC卻提高70~125%原因可能是由于合金碳化物完全溶解，減少了第二相在晶界的形核，減少了脆性，提高了韌性2023/2/5付瑞東rdfu@82（2）熱處理韌化工藝當(dāng)鋼加熱到Ac1~Ac3臨界區(qū)，淬火回火后可以得到較好的韌性，這種熱處理叫臨界區(qū)熱處理，或部分奧氏體化處理臨界區(qū)處理的作用組織和晶粒細(xì)化：臨界區(qū)處理時(shí)，在原始奧氏體晶界上形成細(xì)小奧氏體晶粒，并且復(fù)相區(qū)內(nèi)形成的/界面比一般熱處理的奧氏體晶界面積大10~50倍，較大的晶界及相界面使雜質(zhì)偏析程度減小雜質(zhì)元素在及晶粒的分配：P(Sn、Sb)等雜質(zhì)可富集在晶粒，晶粒這種清除雜質(zhì)的作用，對于降低回火脆性有利碳化物形態(tài)：臨界區(qū)熱處理后的碳化物要比一般熱處理的粗大，如V4C3的沉淀析出可作為回火時(shí)形核中心，從而減少晶界碳化物的沉淀臨界區(qū)淬火2023/2/5付瑞東rdfu@83（2）熱處理韌化工藝回火和時(shí)效鋼材的回火是一種時(shí)效過程，是過飽和固溶體一馬氏體的脫溶沉淀過程；合金結(jié)構(gòu)鋼有兩種回火脆性，即高溫回火脆性和低溫回火脆性提高鋼的純度，控制碳化物析出，可減少低溫回火脆性鋁合金：時(shí)效組織對合金斷裂性能有重大影響，一般獲得均勻彌散的共格或半共格沉淀相比較適宜，粗大的非共格沉淀相，如晶界沉淀相，對斷裂十分不利。為此鋁合金淬火加熱溫度應(yīng)盡可能高，保溫時(shí)間充分，使強(qiáng)化相最大限度地溶入基體，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開始形成溫度上升，減少了脆化傾向，Mn、Cr能大量溶于Fe3C中，增加Fe3C的穩(wěn)定性，增加脆化傾向高溫回火脆性由Sb、Sn、As、P等雜質(zhì)偏聚在奧氏體晶界引起。選用Sb、Sn和As低的廢鋼及降低鋼中P量，添加抑制回火脆性的合金元素可減少回火脆性傾向2023/2/5付瑞東rdfu@84（2）熱處理韌化工藝形變熱處理將壓力加工和熱處理兩種工藝巧妙結(jié)合起來的形變熱處理可以進(jìn)一步提高材料的韌性如使結(jié)構(gòu)鋼在亞穩(wěn)定奧氏體區(qū)變形，不僅可提高強(qiáng)度，還可同時(shí)提高韌性提高強(qiáng)度主要是由于形變增加位錯(cuò)密度和加速合金元素的擴(kuò)散，因而促進(jìn)了合金碳化物的沉淀塑性的提高也正是由于這種細(xì)化彌散的沉淀，降低了奧氏體中的碳及合金元素含量，淬火時(shí)形成沒有孿生的、界面不規(guī)則的細(xì)馬氏體片，回火時(shí)馬氏體片間的沉淀物也較小2023/2/5付瑞東rdfu@85（3）壓力加工韌化工藝依靠壓力加工控制晶粒大小和取向，可改變材料韌性細(xì)化晶粒是重要的韌化措施熱加工時(shí)，形變和再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行，終軋溫度和終軋后冷卻速度會影響晶粒大小①在較低溫度，連續(xù)而較快地施加大變形量，可以獲得細(xì)晶對鋼材而言有以下幾條規(guī)律②高溫停留時(shí)間愈長，則奧氏體晶粒愈大③快速通過Ar3Ar1區(qū)，可獲得較細(xì)的鐵素體晶粒④快速冷卻，可防止鐵素體晶粒長大采用愈來愈低的終軋溫度，如在Ar3以上、+區(qū)及低于Ar1溫度連續(xù)軋制，由于晶粒細(xì)化和位錯(cuò)胞塊細(xì)小而使熱軋鋼板的強(qiáng)度和韌性提高連續(xù)軋制時(shí)，終軋溫度愈低及變形量大，則板材的{111}<110>織構(gòu)愈強(qiáng)，韌性愈高2023/2/5付瑞東rdfu@86新一代鋼鐵材料金屬強(qiáng)韌化技術(shù)的應(yīng)用2023/2/5付瑞東rdfu@87使用現(xiàn)有的設(shè)備（或略加改造），用一種便宜的方法（不是加入合金元素，增加成本的方法）生產(chǎn)鋼材。也就是在性能價(jià)格比提高和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良的情況下，保持鋼材韌性和塑性的同時(shí)，把現(xiàn)在鋼材的強(qiáng)度提高一倍，提高使用壽命，從而得到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益金屬強(qiáng)韌化的最新進(jìn)展—新一代鋼鐵材料2023/2/5付瑞東rdfu@88新一代鋼鐵材料超級鋼高強(qiáng)度汽車板耐火防震結(jié)構(gòu)鋼材新型低成本不銹鋼新型高磁性能硅鋼。。。。。細(xì)晶粒鋼超細(xì)晶粒鋼復(fù)相鋼普碳超級鋼微合金超級鋼。。。。。其它優(yōu)質(zhì)低成本鋼金屬強(qiáng)韌化的最新進(jìn)展—新一代鋼鐵材料2023/2/5付瑞東rdfu@89新一代鋼鐵材料（NGS，NewGenerationSteel)超級鋼（SuperSteel）超細(xì)晶粒鋼（UltraFineGrainedSteel）先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS，AdvancedHighStrengthSteel）關(guān)于超級鋼技術(shù)路線的二種說法：三超和三化三超：超潔凈、超均質(zhì)、超細(xì)晶三化：潔凈化（煉鋼）、均質(zhì)化（連鑄）、細(xì)晶化（軋制）金屬強(qiáng)韌化的最新進(jìn)展—新一代鋼鐵材料用于汽車鋼板，使車身超輕，強(qiáng)度提高80％，自重下降25％；用于鐵路鐵軌自重減少10％～25％，稱為瘦身工程；用于建筑，在不使用合金元素的情況下達(dá)到三級即400MPa建筑用鋼強(qiáng)度，如果少用合金元素可達(dá)到四級即500MPa建筑用鋼強(qiáng)度；用于機(jī)械制造，具有抗延遲斷裂、高疲勞壽命的特點(diǎn)，是高強(qiáng)（1300MPa）合金結(jié)構(gòu)鋼。2023/2/5付瑞東rdfu@90>105-101-50.1-1<0.1普通晶粒細(xì)化晶粒超細(xì)晶粒亞微米晶納米晶粒目前生產(chǎn)條件下可獲得實(shí)驗(yàn)研究階段晶粒尺寸，m

晶粒細(xì)化程度分類建議示意圖晶粒細(xì)化程度分類金屬強(qiáng)韌化的最新進(jìn)展—新一代鋼鐵材料2023/2/5付瑞東rdfu@91一、化學(xué)成分特點(diǎn)加入適量的微合金化合金元素，如鈦、鈮、釩等。二、工藝特點(diǎn)運(yùn)用控制軋制和控制冷卻生產(chǎn)工藝。通過化學(xué)成分和制備工藝的最佳配合達(dá)到最佳強(qiáng)韌化效果，即細(xì)化晶粒強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化等的最佳組合。三、微合金元素在鋼中的作用阻止奧氏體晶粒的長大抑制奧氏體形變再結(jié)晶形成沉淀相促進(jìn)沉淀強(qiáng)化新一代鋼鐵材料—微合金化鋼2023/2/5付瑞東rdfu@92Nb在鋼中的作用鈮鋼高溫奧氏體化未溶的Nb(C,N)溶解的Nb(C,N)析出的Nb(C,N)抑制相晶粒長大降低/轉(zhuǎn)變溫度抑制形變的的回復(fù)和再結(jié)晶形變的中形變帶回復(fù)的亞結(jié)構(gòu)邊界高溫中析出低溫區(qū)中析出晶間沉淀低溫區(qū)析出細(xì)化相晶粒抑制相晶粒長大沉淀強(qiáng)化強(qiáng)度韌性強(qiáng)度韌性2023/2/5付瑞東rdfu@93V在鋼中的作用釩奧氏體中析出鐵素體中析出固溶在奧氏體中加熱時(shí)阻止奧氏體晶粒長大阻止變形的奧氏體晶粒長大阻止鐵素體再結(jié)晶延緩貝氏體轉(zhuǎn)變延緩珠光體轉(zhuǎn)變對鐵素體形成無影響餅形晶粒細(xì)小鐵素體晶粒細(xì)小鐵素體晶粒等軸鐵素體晶粒析出強(qiáng)化馬氏體組織多邊形鐵素體加馬氏體島混合組織對焊縫金屬和HAZ中的貝氏體形成無影響2023/2/5付瑞東rdfu@94新一代鋼鐵材料—低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼

1)具有鐵素體-珠光體組織的低合金鋼和微合金鋼的屈服強(qiáng)度的極限約為460MPa。

2)若要求更高強(qiáng)度和韌性的配合，就需要考慮選擇其它類型組織的低合金鋼，如采用相變強(qiáng)化的方法，因而發(fā)展了低碳貝氏體型、低碳索氏體型及低碳馬氏體型鋼。

3)主要是適當(dāng)降低鋼的含碳量以改善韌性，由此造成的強(qiáng)度損失可由加入合金元素通過控制軋制和控制冷卻后形成低碳貝氏體或馬氏體的相變強(qiáng)化的方法得到補(bǔ)償。配合加入微合金化元素，如鈮以細(xì)化晶粒并進(jìn)一步提高韌性。2023/2/5付瑞東rdfu@95一、低碳貝氏體鋼在軋制或正火后控制冷卻，得到低碳貝氏體組織，與相同含碳量的鐵素體-珠光體組織相比，具有更高的強(qiáng)度和良好的韌性。利用貝氏體相變強(qiáng)化，鋼的屈服強(qiáng)度可達(dá)490-780MPa。1貝氏體鋼的成分主加合金元素是Mo和B，顯著推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，而對貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少。鉬和硼對CCT圖的影響如圖。在此基礎(chǔ)上再加入Mn、Cr、Ni元素，進(jìn)一步推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，并使Bs下降，以獲得下貝氏體組織。通過微合金化，充分發(fā)揮Nb、V、Ti的細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。2023/2/5付瑞東rdfu@962.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2鋼種及處理工藝14MnMoV、14MnMoVBRe：屈服強(qiáng)度為490MPa級。主要用于制造容器的板材和其他鋼機(jī)構(gòu)。板厚＜14mm，熱軋；板厚＞14mm，正火+高溫回火。14MnMoVBRe焊接性能不好，焊接前需預(yù)熱150℃以上。超低碳貝氏體鋼：

w(C)=0.02%，并加入w(Ti)=0.01%使之成為Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳貝氏體鋼。通過控制軋制和控制冷卻可以得到高位錯(cuò)密度的細(xì)小貝氏體組織。這種鋼可在0℃以下溫度條件下服役。一、低碳貝氏體鋼2023/2/5付瑞東rdfu@97二、針狀鐵素體鋼1顯微組織低碳或超低碳的針狀鐵素體（屬于貝氏體），其α片呈板條狀，具有高密度位錯(cuò)。相變開始發(fā)生在較上貝氏體為高的溫度范圍里。2成分及性能典型鋼種：Mn-Mo-Nb鋼。其成分范圍：C≤0.10%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6%，Nb：0.04-0.06%；有時(shí)還加0.06%V或0.01%Ti。屈服強(qiáng)度＞470MPa，伸長率≥20%，室溫沖擊值≥80J，并具有好的低溫韌性。焊接性能良好?？笻2S腐蝕性好。X80管線鋼中針狀鐵素體和塊狀鐵素體2023/2/5付瑞東rdfu@983合金元素的作用碳

低碳量是為了增加Nb的碳化物沉淀；降低對韌性的損害。錳

Mn推遲鐵素體-珠光體相變，降低BS點(diǎn)，使針狀的鐵素體在450℃以下形成；也是固溶強(qiáng)化元素。鉬

Mo能有效地推遲鐵素體而不影響貝氏體相變；Mo與Mn聯(lián)合使用還有利于得到細(xì)晶粒的針狀鐵素而不是粗大的多邊形鐵素體。鈮通過沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，并且在奧氏體熱軋時(shí)，沉淀相Nb(C,N)也可以細(xì)化晶粒。二、針狀鐵素體鋼應(yīng)用于制造寒帶輸送石油和天然氣的管線。2023/2/5付瑞東rdfu@99三、低碳馬氏體鋼1顯微組織、性能及處理工藝鍛軋后空冷：貝氏體+馬氏體+鐵素體；其性能為：σ0.2=828MPa；σb=1049MPa；室溫沖擊功96J。用于制造汽車的輪臂托架。鍛軋后直接淬火并回火：低碳回火馬氏體。σ0.2=935MPa；σb=1197MPa；室溫沖擊功50J，-40℃沖擊功32J。制造汽車操縱桿。具有高強(qiáng)度、高韌性和高的疲勞強(qiáng)度，適用于工程機(jī)械上運(yùn)動的部件和低溫下使用的部件。2低碳馬氏體鋼的合金化低C、加入Mo、Nb、V、B等與合理含量的Mn和Cr配合。提高淬透性，Nb還細(xì)化晶粒。BHS系列：Mn-Mo-Nb；BHS-1成分：C：0.10%，Mn：1.8%，Mo：0.45%，Nb：0.05%Mn-Si-Mo-V-Nb系列。2023/2/5付瑞東rdfu@100四、鐵素體-馬氏體雙相鋼1雙相鋼的特征顯微組織：鐵素體+島狀馬氏體+少量的殘余奧氏體。性能特點(diǎn)：低的屈服強(qiáng)度，一般不超過350MPa；σ-ε曲線是光滑連續(xù)的，沒有屈服平臺，更沒有鋸齒形屈服現(xiàn)象；高的均勻延伸率和總延伸率，其總延伸率在24%以上；高的加工硬化指數(shù)，n值大于0.24；（σ=Kεn）高的塑性應(yīng)變比（r）。（r=εw/εb。εw為寬度應(yīng)變，εb為厚度應(yīng)變）2023/2/5付瑞東rdfu@1012雙相組織的獲得方法

（1）熱處理雙相處理

鋼在Ac1與Ac3雙相區(qū)加熱，其組織為α＋γ，隨著加熱溫度的升高，鋼中γ相也隨著增加。在冷卻過程中，應(yīng)保證轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為α＋M，而不是α＋P。雙相鋼的力學(xué)性能與組織有密切的關(guān)系，鋼的化學(xué)成分、亞臨界區(qū)的加熱溫度、最終冷卻速度，將起著決定性的作用。

四、鐵素體-馬氏體雙相鋼（2）熱軋雙相鋼

鋼在熱軋后從奧氏體狀態(tài)冷卻時(shí)，首先形成70～80％的多邊形鐵素體。使未轉(zhuǎn)變的奧氏體有足夠的穩(wěn)定性，避免發(fā)生珠光體和貝氏體相變，而是在以后冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變成M。這個(gè)工藝要求合理設(shè)計(jì)合金成分和實(shí)現(xiàn)控軋與控冷。2023/2/5付瑞東rdfu@1023雙相鋼優(yōu)異性能的原因

低屈服強(qiáng)度和高應(yīng)變硬化率的原因存在三種可能：1）首先，在馬氏體區(qū)域存在殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力來源于快速冷卻時(shí)馬氏體相變的體積和形狀變化。2）其次，由于這些體積和形狀變化效應(yīng)，使周圍鐵素體經(jīng)受塑性變形，導(dǎo)致鐵素體中存在高密度的可動位錯(cuò)。3）再次，伴隨著馬氏體的殘余奧氏體，在成形操作時(shí)，發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變。4雙相鋼的典型成分和用途典型的化學(xué)成分范圍是：其典型的化學(xué)成分范圍是：w(C):0.04%~0.10,w(Mn):0.8%~1.8%，w(Si):0.9%~1.5%，(Mo):0.3%~0.4%,w(Cr)=0.4%~0.6%，以及微合金元素V等。用途強(qiáng)度-成形性的綜合性能好，滿足汽車沖壓成型件的要求。四、鐵素體-馬氏體雙相鋼2023/2/5付瑞東rdfu@103Question?金屬材料強(qiáng)韌化的目的和意義？金屬材料強(qiáng)韌化的主要機(jī)制有那些？如何理解強(qiáng)化和韌化的關(guān)系？試舉出3種最新強(qiáng)韌化技術(shù)方法的例子。材料的強(qiáng)化（一）固溶強(qiáng)化通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬強(qiáng)度硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。分為間隙固溶強(qiáng)化（尺寸比較小的間隙原子引起的強(qiáng)化）和置換固溶強(qiáng)化（尺寸比較大的置換原子引起的強(qiáng)化）。例如:純Cu中加入19%的Ni，可使合金的強(qiáng)度由220MPa提高到380~400MPa，硬度由44HBS升高到70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若按其它方法（如冷變形加工硬化）獲得同樣的強(qiáng)化效果，其塑性將接近完全喪失。

由于形成固溶體的溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸和性質(zhì)不同，溶質(zhì)原子的溶入必然引起一些現(xiàn)象，例如：溶質(zhì)原子聚集在位錯(cuò)周圍釘扎住位錯(cuò)（彈性交互作用）；溶質(zhì)原子聚集在層錯(cuò)處，阻礙層錯(cuò)的擴(kuò)展與束集（化學(xué)交互作用）；位錯(cuò)與溶質(zhì)間形成偶極子（電學(xué)交互作用）。這些現(xiàn)象都增加了位錯(cuò)運(yùn)動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高了金屬的強(qiáng)度和硬度。固溶強(qiáng)化機(jī)制電學(xué)交互作用化學(xué)交互作用彈性交互作用（二）細(xì)晶強(qiáng)化金屬的晶粒越細(xì)，單位體積金屬