【正文】 ? 應力應變曲線Hollomon關系 K應變硬化系數(shù)， n應變硬化指數(shù) 頸縮時： 即： 由此得： nK???σ ε 下屈服點 上屈服點 dd? ?? ?1ddnnK n K? ? ? ???? ? ?un ??鋼鐵研究總院 屈服 ? 屈服本質(zhì) 間隙固溶原子釘扎在位錯線上，形成氣團。ders帶 由于屈服現(xiàn)象而在材料表面產(chǎn)生的“皺紋”帶，使材料表面質(zhì)量下降 鋼鐵研究總院 塑性流變 ? 均勻變形 塑性流變階段晶體將發(fā)生連續(xù)的均勻變形，可以進行大形變量的塑性加工變形 ? 應變硬化指數(shù) 應變硬化指數(shù) n對材料的加工變形行為具有重要影響， 反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力， n=1表示完全彈性行為， n=0表示完全不具備加工硬化能力即無塑性變形能力， n值越大，材料的冷加工性能越好。無裂紋試樣抵抗斷裂的能力用抗拉強度表征，內(nèi)含裂紋試樣抵抗斷裂的能力用斷裂韌度表征，光滑試樣抵抗疲勞斷裂的能力用疲勞極限表征，含裂紋試樣抵抗疲勞斷裂的能力用疲勞門檻應力強度因子表征，材料抵抗應力腐蝕斷裂的能力用應力腐蝕門檻應力或應力強度因子表征 鋼鐵研究總院 晶體的塑性變形 ? 孿生 位錯滑移變形受阻時，如低溫條件下、滑移系很少的六方晶體中，晶體的塑性變形可通過孿生方式進行，可觀測到大量的形變孿晶 ? 扭折 滑移和孿生均很難進行時，可通過扭折方式方式塑性變形，試樣表面可觀測到扭折帶 ? 晶界滑動 高溫條件下，晶界易于滑動，成為主要的塑性變形方式 鋼鐵研究總院 晶體轉(zhuǎn)動與形變織構(gòu) ? 多晶體的形變總是在取向有利的滑移系或?qū)\生系上發(fā)生，各晶粒在變形過程中將發(fā)生轉(zhuǎn)動，隨著形變的進行，各晶粒的取向?qū)⒅饾u轉(zhuǎn)動到某一個或幾個穩(wěn)定的位向，稱為擇優(yōu)取向或織構(gòu) ? 織構(gòu)常用極圖、反極圖或取向分布函數(shù)來表述 ? 軋制或拉拔變形過程中常產(chǎn)生織構(gòu)，板帶材的織構(gòu)表現(xiàn)為各晶粒的某一晶面平行于軋制面、某一晶向平行于軋制方向，稱為板織構(gòu)，可表述為{hkl}?uvw?，而線絲材的 織構(gòu)表現(xiàn)為各晶粒某一晶向平行于軋制方向，稱為絲織構(gòu)，可表述為?uvw?。 鋼鐵研究總院 阻止再結(jié)晶 鋼鐵研究總院 晶粒長大 ? 相變（包括再結(jié)晶）完成之后將發(fā)生晶粒的長大 ? 晶粒長大的驅(qū)動能是晶界能，晶界能相對較小，若晶粒尺寸分別為 100 μm、 10 μm、 1 μm，比晶界能為 1J/m2，則總的晶界能約為 3 104J/m 3 105J/m2 、 3 106J/m2 ，即 、 3J/mol、30J/mol，故大晶粒長大時驅(qū)動能很小，而超細晶粒長大時的驅(qū)動能與形變儲能相當 ? 曲率半徑小的晶界將向曲率中心移動即由于不斷縮小，而曲率半徑為負的大晶粒將長大，故晶粒長大過程是大晶粒吞并小晶粒的過程 ? 完全平直的晶界不會移動因而不會發(fā)生長大 鋼鐵研究總院 正常晶粒長大 ? 晶界遷移速度與驅(qū)動力的關系為： 積分可得晶粒尺寸的變化規(guī)律為： 高純金屬在接近熔點時 m=1，故晶粒長大指數(shù)為 2。 ? 被釘扎的晶界遷移時，必須掙脫第二相顆粒的釘扎 (解釘 )；解釘時，晶界面積將增大，由該部分能量與晶界遷移驅(qū)動能之間的平衡可計算出臨界條件 ? Zener關系式： ? Gladmang關系式： CdDAf?C32()62dDfz???鋼鐵研究總院 第二相阻止晶粒長大 晶粒尺寸不均勻性因子 z取值對正常晶粒長大一般在 21/2~2之間，多取為 ，由此得 A= 反常晶粒長大時，重新釘扎將出現(xiàn)在較高的晶粒尺寸水平上。形變儲能較大時，甚至會發(fā)生形變誘導鐵素體動態(tài)相變，使得鐵素體晶粒顯著細化 鋼鐵研究總院 ?＝ ?＝ 鋼鐵研究總院 10?m 縱向 橫向 鋼鐵研究總院 形變誘導相變 ? 形變誘導索氏體相變 冷拉鋼絲鉛浴處理，數(shù)秒內(nèi)完成相變，得到非常細小的索氏體組織，具有很高的強度 ? 形變誘導滲碳體球化 球化后的滲碳體對鋼材塑性和韌性有利，冷拉、冷墩前必須使?jié)B碳體球化。 ? 顯微缺陷強化技術(shù) 在材料中大量“制造”顯微缺陷并使之合理分布，利用這些顯微缺陷與位錯或微裂紋的相互作用有效阻止材料中不可避免地存在的位錯的運動或微裂紋的擴展，從而使材料強化。 Cu,38。但晶粒超細化后比例系數(shù)將降低，甚至反向 ? 該類型關系式可用于抗拉強度、斷裂強度等 。 ? 微合金鋼中微合金碳氮化物體積分數(shù)僅為％，最佳控制條件下平均尺寸 2nm，強度增量 228MPa ； 若體積分數(shù)增加至%， 強度增量約 410MPa 。 ? 不同種類第二相 的強化效果采用均方根疊加 。 鋼鐵研究總院 塑性形變引發(fā)脆性微裂紋機制 ZenerStroh位錯塞積理論 Cottrell位錯反應理論 Smith晶界碳化物網(wǎng)膜理論 共同點： 微裂紋的形成都與位錯運動受阻造成位錯塞積有關，而阻止位錯運動的障礙主要是晶界、孿晶界和第二相，這些理論模型也都可推導出抗拉強度與晶粒尺寸的HallPetch形式的關系式 區(qū)別： Smith理論更偏重于第二相特別是晶界碳化物網(wǎng)膜的作用 鋼鐵研究總院 提高材料斷裂強度的方法 ? 消除晶界弱化現(xiàn)象 ?低熔點晶界偏析金屬如鉛、銻、鉍、錫的消除 ?低熔點金屬如銅的抑制晶界偏析（加鎳） ?低熔點共晶如磷共晶的消除（脫磷） ?晶界弱化元素的消除或抑制晶界偏析（脫硫，加硼） 鋼鐵研究總院 提高材料斷裂強度的方法 ? 大顆粒夾雜物或第二相尺寸的控制 ?液析夾雜物或氮化物、碳化物的控制（降低夾雜物形成元素如氧、硫、磷、氮在鋼中的含量，電磁攪拌使之上浮或細化，高溫鐵水快速冷卻抑制液析） ?溶度積公式的應用（可能時固態(tài)回溶） ?最佳控制條件下僅使之在固態(tài)析出 鋼鐵研究總院 提高材料斷裂強度的方法 ? 適當?shù)那姸? ?屈服強度與裂紋尖端單位面積塑性變形功的矛盾，需要根據(jù)鋼中可能的最大微裂紋尺寸而加以匹配 ?屈服強度低，容易在局部產(chǎn)生塑性撕裂形成大尺寸微裂紋（不受最大夾雜物顆粒尺寸影響） ?屈服強度高，裂紋尖端單位面積塑性變形功迅速下降 鋼鐵研究總院 復相基體組織的抗拉強度 ? 抗拉強度基本遵從混合物規(guī)律 ： ? 屈服強度 主要取決于基體相中的軟相的屈服強度 ： 2M1M1M1M2M2M1M1M )1( TSfTSfTSfTSfTS ?????),m in ( 2M1M YSYSYS ?鋼鐵研究總院 復相組織降低屈強比 ? 硬相與軟相之間的強度差足夠大 ? 軟相體積分數(shù)要足夠?。ūＷC抗拉強度） ? 軟相必須連續(xù)（保證軟相中的位錯可滑移出工件表面產(chǎn)生宏觀塑性變形，同時保證微裂紋擴展中必然遇到軟相） 鋼鐵研究總院 形變誘導相變強化降低屈強比 ? 初始組織較軟，易于發(fā)生屈服；且一般必須是非穩(wěn)定平衡組織 ? 形變誘導相變得到的平衡組織強度較高即形變誘導相變強化效果較大 ? 高錳鋼 ? TRIP鋼 殘余奧氏體在塑性變形時轉(zhuǎn)變 ? 形變誘導超微細第二相沉淀析出 鋼鐵研究總院 固溶強化對屈強比的影響 鋼鐵研究總院 固溶強化對屈強比的影響 固溶元素 質(zhì)量分數(shù) ,% 屈服強度增量 ,MPa 抗拉強度增量 ,MPa 均勻伸長率變化 ,% 總伸長率變化 ,% C 230 190 25 26 P 35 71 B 800 420 442 Si Mn IF鋼中主要固溶元素對力學性能指標的影響的回歸結(jié)果 鋼鐵研究總院 位錯密度對屈強比的影響 鋼鐵研究總院 晶粒尺寸對屈強比的影響 鋼鐵研究總院 HallPetch公式 大量試驗結(jié)果表明 ky在 ?mm1/2之間 (常用 4MPa?mm1/2),而 kT在 ?mm1/2之間 (常用 ?mm1/2) 2/1y0PP??? DkRR2/1T0mm??? DkRR晶粒尺寸對屈強比的影響 鋼鐵研究總院 第二相對屈強比的影響 鋼鐵研究總院 第二相對屈強比的影響 ? 強度增量與第二相顆粒尺寸 d 體積分數(shù) f 的關系： ? 第二相提高材料的屈服強度和提高抗拉強度的規(guī)律基本類似，第二相體積分數(shù)的影響規(guī)律完全一致，但第二相尺寸的影響規(guī)律稍有不同（當?shù)诙喑叽绾苄r，提高屈服強度的作用比提高抗拉強度的作用效果更大一些）。因此，強韌化原理必須包括韌性方面的考慮 ? 韌性的最主要指標是 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TC ? 每提高強度 1MPa使 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TC升高的溫度數(shù)稱為該強化方式的脆性矢量 鋼鐵研究總院 脆性矢量 晶粒細化 ＋ 6 ＋ 4 10 析出強化 位錯強化 20%珠光體 屈服強度 P+53 N+30 Sn+17 C+10 Si+8 Mn5 Al27 屈服強度 轉(zhuǎn)折溫度(ITT),℃ 15MPa 鋼鐵研究總院 脆性矢量 ? 晶粒細化強化的脆性矢量為 ℃ /MPa ，是唯一的在提高強度的同時提高材料韌性的強化方式，因而獲得最廣泛的重視 ? 合金元素 Al、 Mn對晶粒細化有較好作用 ? 沉淀強化， ℃ /MPa ，相對較小 ? 片層狀滲碳體強化， ℃ /MPa ? 位錯強化， ℃ /MPa ? 間隙固溶強化的 C、 N， 、 ℃ /MPa ? 置換固溶強化 P,； Sn,； Si,； Cr、Mn,0 ℃ /MPa 鋼鐵研究總院 屈強比在塑性變形中具有重要作用 ? 材料的屈服比被定義為 Rel/ Rm ? 屈強比大于或等于 1的材料無塑性，且實際屈服強度被降低 ? 屈強比在 面存在隱患 ? 屈強比在 工變形性能 ? 提高抗拉強度減小屈服強度使屈強比降低 鋼鐵研究總院 材料抗拉強度 ? 位錯理論和顯微缺陷強化理論對材料的屈服強度提高給予了理論解釋，但用來分析材料抗拉強度方面有很多不足 ? 由 Griffith脆性斷裂理論推導并經(jīng)塑性修正后的平面應變狀態(tài)下材料的斷裂強度 SC為： 2/1C2PSC ])1()2([aES???????鋼鐵研究總院 提高斷裂強度機制 2C2PSC )1()2(SEa???????? 臨界裂紋尺寸 減小微裂紋尺寸 aC 增大裂紋尖端塑性變形功 γP （ 材料基體的比表面能 γS 變化幅度很小，一般在 ；而裂紋尖端單位面積塑性變形功 γP 變化范圍可從 0變化到 100000 J/m2 ） 鋼鐵研究總院 微裂紋的產(chǎn)生 ? 原有未鈍化的孔洞或裂紋 ? 弱化的界面（晶界或相界，溶質(zhì)偏聚、膜網(wǎng)狀析出），此時適當?shù)奈^(qū)塑性變形是必須的，因而材料的屈服強度對抑制微裂紋的產(chǎn)生具有重要作用 ? 位錯塞積并反應形成非滑移位錯 ? 非擴散相變時晶粒間的撞擊 鋼鐵研究總院 微裂紋尺寸的控制因素 ? 塑性材料主要受屈服強度影響，大規(guī)模塑性撕裂可產(chǎn)生較大尺寸的微裂紋 ? 高強度材料主要受弱化的晶界尺寸或第二相（包括夾雜物）尺寸的影響 鋼鐵研究總院 微裂紋的擴展 ? 達到臨界尺寸的微裂紋才會失穩(wěn)擴展導致斷裂，因而 控制材料中的微裂紋失穩(wěn)擴展必須控制微裂紋的最大尺寸而非平均尺寸， 對于低強度高韌性的軟鋼，臨界裂紋尺寸 aC將高達~，而超高強度的淬火態(tài)中高碳鋼，臨界裂紋尺寸 aC僅為 ~。 ? 某一強化方式的強化效果遠大于其他強化方式的強化效果時，可忽略同類其他強化方式的強化效果而將非同類強化方式產(chǎn)生的強化效果直接線性疊加 。晶粒度級別增大 2級，晶粒尺寸減小為一半 10μm ， mm1/2數(shù)增大為 。 Ni,0 ][MMP MkR ??鋼鐵研究總院 固溶強化效果比較 Alloy Mass， % YIELD STRENGTH INCREMENT, MPa YIELD STRENGTH INCREMENT, MPa 鋼鐵研究總院 固溶強化效果比較 ? C、 N間隙固溶強化是鋼中最經(jīng)濟有效的強化方式， %質(zhì)量分數(shù)可提供強