【正文】 溶強化、孿晶界強化、相變位錯強化，低溫回火后 ε碳化物沉淀強化 ? 應變硬化： 位錯強化 ? 沉淀強化或時效硬化： 第二相強化，包括碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硫化物及金屬間化合物 鋼鐵研究總院 強固溶強化元素的固溶強化強度增量 ? 碳含量變動較小時，也可表述為： ? kC 、 kN通常取為 4570MPa(小于 ％時 ) 2/1CCP ][ CKR ??P C C []R k C? ?鋼鐵研究總院 弱固溶強化元素的固溶強化強度增量 常見置換固溶元素的 強化作用系數(shù)值 kM（ MPa） Mn,37。 Si,84。 P,470。 Cu,38。 Cr,40。 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濟有效的強化方式， %質量分數(shù)可提供強度增量約 900MPa， %質量分數(shù)提供強度增量約 1800MPa（ FeC合金，含氮鋼的發(fā)展） ? 大多數(shù)置換固溶元素的固溶強化是很不經濟的強化方式 ? 注意 M、 [M]的區(qū)別，只有處于固溶態(tài)的部分才能產生固溶強化作用 鋼鐵研究總院 位錯強化 ? 鋼鐵材料中 α大致在 ? 位錯密度：退火態(tài)大致在 1011~1012/m2，正火態(tài)大致在 1013/m2 ，低碳位錯馬氏體中或表面冷變形強化的鋼鐵材料中大致在1014~1015/mm2，劇烈冷加工態(tài)鋼鐵材料中最高可達 5 1016/m2（超純半導體中僅約 108/m2） 2/1DP 2 ?? GbR ??鋼鐵研究總院 位錯強化效果 ? 退火態(tài)： MPa ? 正火態(tài)： 64MPa ? 低碳位錯馬氏體或表面冷變形強化： 203641MPa ? 劇烈冷加工態(tài)：最高 4529MPa （目前人們獲得的最高強度就是在冷拉鋼絲中通過劇烈冷加工得到） ? 突出的問題是位錯密度測定或估算 鋼鐵研究總院 晶粒細化強化 ? HallPetch關系式： ? 低碳鋼中比例系數(shù)約為 mm1/2；高碳鋼中約為 ?mm1/2。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 。 2/1yGP?? ? DkR鋼鐵研究總院 HallPetch關系式 鋼鐵研究總院 晶粒細化強化效果 ? ASTM 8級晶粒度相當于 20 μm 的晶粒尺寸，約 7 .07mm1/2 。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 。 ? 傳統(tǒng)熱軋鋼材保證 6級晶粒度， 5mm1/2 ，晶粒細化強度增量 87MPa ? 控制軋制鋼材可達 5μm 的晶粒尺寸，晶粒細化強度增量 246MPa 鋼鐵研究總院 第二相強化 ? Orowan機制與切過機制 dCOro wa n M e c h a n ismCu tt in g M e c a n ism鋼鐵研究總院 Orowan機制下的強度增量 ? 第二相體積方式很小時 （ f1/2遠小于） ： ? 鋼鐵材料中， G為 80650 MPa，泊松比 ν為， b為 ， 可得： )2 n ( 2/1PP bddfKGbR ??)4 1 n (8 9 9 52/1PP ddfR ??鋼鐵研究總院 Orowan機制下的強度增量 ? 高碳鋼中滲碳體體積分數(shù)可高達 15％，平均尺寸 1 μm （ 1000nm），強度增量；最佳控制條件下平均尺寸 100nm，強度增量 191MPa 。 ? 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 。 鋼鐵研究總院 強化作用的疊加 ? 不同固溶元素所產生的固溶強化效果可以直接線性疊加；置換固溶強化效果與位錯強化、細晶強化或第二相強化的強化效果也可線性疊加。 ? 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生的強化效果直接線性疊加 。 ? 位錯強化和細晶強化采用均方根疊加 。 ? 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 脆性矢量 ? 強度必須有足夠的韌性做保證才能充分發(fā)揮作用，但強度和韌性是一對矛盾，提高強度時一般均將使材料韌性下降。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 韌脆轉變溫度 TC ? 每提高強度 1MPa使 韌脆轉變溫度 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 微裂紋的產生 ? 原有未鈍化的孔洞或裂紋 ? 弱化的界面（晶界或相界，溶質偏聚、膜網狀析出），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 ~。 ? 微裂紋亞臨界擴展時的斷裂塑性功與微裂紋形成時的斷裂塑性功可能存在很大差別，因而導致微裂紋的擴展被加速或被抑制 鋼鐵研究總院 微裂紋的擴展 ? 根據(jù)微裂紋擴展的方式，斷裂類型可分為 — 沿晶斷裂 — 解理斷裂 — 準解理斷裂 — 微孔聚合斷裂 不同的裂紋擴展方式所消耗的能量有很大的差別 材料中連續(xù)軟相的存在將明顯地使材料的屈服強度降低，但其斷裂強度或抗拉強度卻不會降低甚至會有所升高。 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）。 2/12/1P ??? dfTSddfYS ln12/1PO ?? ?2/12/1PC dfYS ? 鋼鐵研究總院 鋼鐵材料強度性能的發(fā)展 0 1000 2022 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000純鐵單晶固溶微量碳的鐵素體細化晶粒后的鐵素體冷