【正文】 溶強(qiáng)化、孿晶界強(qiáng)化、相變位錯強(qiáng)化，低溫回火后 ε碳化物沉淀強(qiáng)化 ? 應(yīng)變硬化： 位錯強(qiáng)化 ? 沉淀強(qiáng)化或時效硬化： 第二相強(qiáng)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(qiáng)固溶強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化強(qiáng)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(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化強(qiáng)度增量 常見置換固溶元素的 強(qiáng)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(qiáng)化效果比較 Alloy Mass， % YIELD STRENGTH INCREMENT, MPa YIELD STRENGTH INCREMENT, MPa 鋼鐵研究總院 固溶強(qiáng)化效果比較 ? C、 N間隙固溶強(qiáng)化是鋼中最經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化方式， %質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提供強(qiáng)度增量約 900MPa， %質(zhì)量分?jǐn)?shù)提供強(qiáng)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(qiáng)化是很不經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)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(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用 鋼鐵研究總院 位錯強(qiáng)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(qiáng)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(dá) 5 1016/m2（超純半導(dǎo)體中僅約 108/m2） 2/1DP 2 ?? GbR ??鋼鐵研究總院 位錯強(qiáng)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(qiáng)化： 203641MPa ? 劇烈冷加工態(tài)：最高 4529MPa （目前人們獲得的最高強(qiáng)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(xì)化強(qiáng)化 ? HallPetch關(guān)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(xì)化后比例系數(shù)將降低，甚至反向 ? 該類型關(guān)系式可用于抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等 。 2/1yGP?? ? DkR鋼鐵研究總院 HallPetch關(guān)系式 鋼鐵研究總院 晶粒細(xì)化強(qiáng)化效果 ? ASTM 8級晶粒度相當(dāng)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(xì)化強(qiáng)度增量 87MPa ? 控制軋制鋼材可達(dá) 5μm 的晶粒尺寸，晶粒細(xì)化強(qiáng)度增量 246MPa 鋼鐵研究總院 第二相強(qiáng)化 ? Orowan機(jī)制與切過機(jī)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(jī)制下的強(qiáng)度增量 ? 第二相體積方式很小時 （ f1/2遠(yuǎn)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(jī)制下的強(qiáng)度增量 ? 高碳鋼中滲碳體體積分?jǐn)?shù)可高達(dá) 15％，平均尺寸 1 μm （ 1000nm），強(qiáng)度增量；最佳控制條件下平均尺寸 100nm，強(qiáng)度增量 191MPa 。 ? 微合金鋼中微合金碳氮化物體積分?jǐn)?shù)僅為％，最佳控制條件下平均尺寸 2nm，強(qiáng)度增量 228MPa ； 若體積分?jǐn)?shù)增加至%， 強(qiáng)度增量約 410MPa 。 鋼鐵研究總院 強(qiáng)化作用的疊加 ? 不同固溶元素所產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化效果可以直接線性疊加；置換固溶強(qiáng)化效果與位錯強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化或第二相強(qiáng)化的強(qiáng)化效果也可線性疊加。 ? 某一強(qiáng)化方式的強(qiáng)化效果遠(yuǎn)大于其他強(qiáng)化方式的強(qiáng)化效果時，可忽略同類其他強(qiáng)化方式的強(qiáng)化效果而將非同類強(qiáng)化方式產(chǎn)生的強(qiáng)化效果直接線性疊加 。 ? 位錯強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化采用均方根疊加 。 ? 不同種類第二相 的強(qiáng)化效果采用均方根疊加 。 鋼鐵研究總院 脆性矢量 ? 強(qiáng)度必須有足夠的韌性做保證才能充分發(fā)揮作用，但強(qiáng)度和韌性是一對矛盾，提高強(qiáng)度時一般均將使材料韌性下降。因此，強(qiáng)韌化原理必須包括韌性方面的考慮 ? 韌性的最主要指標(biāo)是 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TC ? 每提高強(qiáng)度 1MPa使 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TC升高的溫度數(shù)稱為該強(qiáng)化方式的脆性矢量 鋼鐵研究總院 脆性矢量 晶粒細(xì)化 ＋ 6 ＋ 4 10 析出強(qiáng)化 位錯強(qiáng)化 20%珠光體 屈服強(qiáng)度 P+53 N+30 Sn+17 C+10 Si+8 Mn5 Al27 屈服強(qiáng)度 轉(zhuǎn)折溫度(ITT),℃ 15MPa 鋼鐵研究總院 脆性矢量 ? 晶粒細(xì)化強(qiáng)化的脆性矢量為 ℃ /MPa ，是唯一的在提高強(qiáng)度的同時提高材料韌性的強(qiáng)化方式，因而獲得最廣泛的重視 ? 合金元素 Al、 Mn對晶粒細(xì)化有較好作用 ? 沉淀強(qiáng)化， ℃ /MPa ，相對較小 ? 片層狀滲碳體強(qiáng)化， ℃ /MPa ? 位錯強(qiáng)化， ℃ /MPa ? 間隙固溶強(qiáng)化的 C、 N， 、 ℃ /MPa ? 置換固溶強(qiáng)化 P,； Sn,； Si,； Cr、Mn,0 ℃ /MPa 鋼鐵研究總院 屈強(qiáng)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(qiáng)比大于或等于 1的材料無塑性，且實(shí)際屈服強(qiáng)度被降低 ? 屈強(qiáng)比在 面存在隱患 ? 屈強(qiáng)比在 工變形性能 ? 提高抗拉強(qiáng)度減小屈服強(qiáng)度使屈強(qiáng)比降低 鋼鐵研究總院 材料抗拉強(qiáng)度 ? 位錯理論和顯微缺陷強(qiáng)化理論對材料的屈服強(qiáng)度提高給予了理論解釋，但用來分析材料抗拉強(qiáng)度方面有很多不足 ? 由 Griffith脆性斷裂理論推導(dǎo)并經(jīng)塑性修正后的平面應(yīng)變狀態(tài)下材料的斷裂強(qiáng)度 SC為： 2/1C2PSC ])1()2([aES???????鋼鐵研究總院 提高斷裂強(qiáng)度機(jī)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(dāng)?shù)奈^(qū)塑性變形是必須的，因而材料的屈服強(qiáng)度對抑制微裂紋的產(chǎn)生具有重要作用 ? 位錯塞積并反應(yīng)形成非滑移位錯 ? 非擴(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)展 ? 達(dá)到臨界尺寸的微裂紋才會失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，因而 控制材料中的微裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展必須控制微裂紋的最大尺寸而非平均尺寸， 對于低強(qiáng)度高韌性的軟鋼，臨界裂紋尺寸 aC將高達(dá)~，而超高強(qiáng)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(kuò)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(dǎo)致微裂紋的擴(kuò)展被加速或被抑制 鋼鐵研究總院 微裂紋的擴(kuò)展 ? 根據(jù)微裂紋擴(kuò)展的方式，斷裂類型可分為 — 沿晶斷裂 — 解理斷裂 — 準(zhǔn)解理斷裂 — 微孔聚合斷裂 不同的裂紋擴(kuò)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(qiáng)度降低，但其斷裂強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度卻不會降低甚至?xí)兴摺? 鋼鐵研究總院 塑性形變引發(fā)脆性微裂紋機(jī)制 ZenerStroh位錯塞積理論 Cottrell位錯反應(yīng)理論 Smith晶界碳化物網(wǎng)膜理論 共同點(diǎn)： 微裂紋的形成都與位錯運(yùn)動受阻造成位錯塞積有關(guān)，而阻止位錯運(yùn)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(dǎo)出抗拉強(qiáng)度與晶粒尺寸的HallPetch形式的關(guān)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(qiáng)度的方法 ? 消除晶界弱化現(xiàn)象 ?低熔點(diǎn)晶界偏析金屬如鉛、銻、鉍、錫的消除 ?低熔點(diǎn)金屬如銅的抑制晶界偏析（加鎳） ?低熔點(diǎn)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(qiáng)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(xì)化，高溫鐵水快速冷卻抑制液析） ?溶度積公式的應(yīng)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(qiáng)度的方法 ? 適當(dāng)?shù)那?qiáng)度 ?屈服強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)相基體組織的抗拉強(qiáng)度 ? 抗拉強(qiáng)度基本遵從混合物規(guī)律 ： ? 屈服強(qiáng)度 主要取決于基體相中的軟相的屈服強(qiáng)度 ： 2M1M1M1M2M2M1M1M )1( TSfTSfTSfTSfTS ?????),m in ( 2M1M YSYSYS ?鋼鐵研究總院 復(fù)相組織降低屈強(qiáng)比 ? 硬相與軟相之間的強(qiáng)度差足夠大 ? 軟相體積分?jǐn)?shù)要足夠?。ūＷC抗拉強(qiáng)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(kuò)展中必然遇到軟相） 鋼鐵研究總院 形變誘導(dǎo)相變強(qiáng)化降低屈強(qiáng)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(dǎo)相變得到的平衡組織強(qiáng)度較高即形變誘導(dǎo)相變強(qiáng)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(dǎo)超微細(xì)第二相沉淀析出 鋼鐵研究總院 固溶強(qiáng)化對屈強(qiáng)比的影響 鋼鐵研究總院 固溶強(qiáng)化對屈強(qiáng)比的影響 固溶元素 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ,% 屈服強(qiáng)度增量 ,MPa 抗拉強(qiáng)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(xué)性能指標(biāo)的影響的回歸結(jié)果 鋼鐵研究總院 位錯密度對屈強(qiáng)比的影響 鋼鐵研究總院 晶粒尺寸對屈強(qiáng)比的影響 鋼鐵研究總院 HallPetch公式 大量試驗(yàn)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(qiáng)比的影響 鋼鐵研究總院 第二相對屈強(qiáng)比的影響 鋼鐵研究總院 第二相對屈強(qiáng)比的影響 ? 強(qiáng)度增量與第二相顆粒尺寸 d 體積分?jǐn)?shù) f 的關(guān)系： ? 第二相提高材料的屈服強(qiáng)度和提高抗拉強(qiáng)度的規(guī)律基本類似，第二相體積分?jǐn)?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(dāng)?shù)诙喑叽绾苄r，提高屈服強(qiáng)度的作用比提高抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(xì)化晶粒后的鐵素體冷