工學(xué)鋼鐵材料學(xué)課件

鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考一、鋼鐵材料的抗拉強(qiáng)度與屈服比2004年6月鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考一、鋼鐵材料的抗拉強(qiáng)度與屈服比20抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度應(yīng)用范圍不允許發(fā)生明顯塑性變形的構(gòu)件純粹的強(qiáng)度指標(biāo)

抗拉強(qiáng)度應(yīng)用范圍允許發(fā)生一定程度的塑性變形的構(gòu)件需要良好冷加工性能的構(gòu)件保證安全性的構(gòu)件既是強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)也是塑性和韌性指標(biāo)抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度應(yīng)用范圍抗拉強(qiáng)度應(yīng)用范圍抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度控制機(jī)制位錯(cuò)大規(guī)模滑移，各種顯微缺陷均有重要影響滑移距離無(wú)關(guān)與材料塑性無(wú)關(guān)抗拉強(qiáng)度控制機(jī)制微裂紋的萌生與擴(kuò)展，弱化的晶界、夾雜物和大顆粒第二相影響較大擴(kuò)展距離存在臨界尺寸與材料塑性有關(guān)抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度控制機(jī)制抗拉強(qiáng)度控制機(jī)制抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的相互影響屈服強(qiáng)度對(duì)微裂紋的形成過(guò)程具有重要影響

抗拉強(qiáng)度是其屈服強(qiáng)度提高的極限，屈服強(qiáng)度超過(guò)抗拉強(qiáng)度是不可能的，而屈服強(qiáng)度相當(dāng)接近于甚至等于抗拉強(qiáng)度的鋼材在實(shí)際工程中是不可能安全應(yīng)用的

抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的相互影響屈服強(qiáng)度對(duì)微裂紋的形成過(guò)程具有重抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的塑性指標(biāo)抗拉強(qiáng)度Rm與屈服強(qiáng)度RP之間的差值是材料塑性的重要指標(biāo)

材料屈服后繼續(xù)變形將產(chǎn)生加工硬化，流變應(yīng)力隨均勻塑性變形量增加而不斷增大，達(dá)到斷裂應(yīng)力后將不再繼續(xù)均勻塑性變形而將發(fā)生斷裂。抗拉強(qiáng)度Rm與屈服強(qiáng)度RP之間適當(dāng)?shù)牟钪狄环矫姹ＷC了均勻塑性的實(shí)現(xiàn)（屈服比很大時(shí)均勻塑性變形未完成就可能發(fā)生斷裂），另一方面對(duì)非均勻塑性（乃至總塑性）有重要的影響抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的塑性指標(biāo)抗拉強(qiáng)度Rm與屈服強(qiáng)屈服比在塑性變形中具有重要作用材料的屈服比被定義為RP/Rm屈服比大于或等于1的材料無(wú)塑性，且實(shí)際屈服強(qiáng)度被降低屈服比在0.9以上的鋼材在使用安全性方面存在隱患屈服比在0.6以下的鋼材具有良好的冷加工變形性能屈服比在塑性變形中具有重要作用材料的屈服比被定義為RP/R抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)

靜力韌度UT被定義為靜拉伸實(shí)驗(yàn)中材料斷裂前單位體積所吸收的功：抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)靜力韌度UT被抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)斷裂韌度將材料的斷裂強(qiáng)度與微裂紋尺寸結(jié)合為一個(gè)韌性指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)斷裂韌度將材料的斷裂材料斷裂強(qiáng)度由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：

材料斷裂強(qiáng)度由Griffith脆性斷裂理論推導(dǎo)并經(jīng)塑性修正后提高材料斷裂強(qiáng)度的機(jī)制減小微裂紋尺寸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1-1.5J/m2范圍；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100000J/m2）提高材料斷裂強(qiáng)度的機(jī)制減小微裂紋尺寸aC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），此時(shí)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(duì)抑制微裂紋的產(chǎn)生具有重要作用微裂紋的產(chǎn)生原有未鈍化的孔洞或裂紋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)模塑性撕微裂紋的擴(kuò)展只有達(dá)到臨界尺寸的微裂紋才會(huì)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不是平均尺寸

微裂紋亞臨界擴(kuò)展時(shí)的斷裂塑性功與微裂紋形成時(shí)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

微裂紋的擴(kuò)展只有達(dá)到臨界尺寸的微裂紋才會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，因提高材料斷裂強(qiáng)度的方法1消除晶界弱化現(xiàn)象（晶界尺寸相對(duì)較大，一般在數(shù)十至數(shù)百微米以上，必須首先控制晶界微裂紋的產(chǎn)生）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）提高材料斷裂強(qiáng)度的方法1消除晶界弱化現(xiàn)象（晶界尺寸相對(duì)較大，提高材料斷裂強(qiáng)度的方法2大顆粒夾雜物或第二相尺寸的控制（其最大尺寸一般在數(shù)十微米以上）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(shí)固態(tài)回溶）最佳控制條件下僅使之在固態(tài)析出提高材料斷裂強(qiáng)度的方法2大顆粒夾雜物或第二相尺寸的控制（其最提高材料斷裂強(qiáng)度的方法3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提高材料斷裂強(qiáng)度的方法3適當(dāng)?shù)那?qiáng)度具體計(jì)算結(jié)果SC，MPa

γP，J/m2

aC，mm20010000-50000018.1-90.54005000-100002.26-4.531000500-10000.0362-0.07242000200-5000.00362-0.00905具體計(jì)算結(jié)果SC，MPaγP，J/m2aC，mm2特殊的思路使微裂紋被包圍在塑性相當(dāng)良好的基體組織處，將只會(huì)發(fā)生微孔聚合型韌性斷裂

微裂紋擴(kuò)展路徑中存在塑性相當(dāng)良好的基體組織（連續(xù)軟相）特殊的思路使微裂紋被包圍在塑性相當(dāng)良好的基體組織處，將只會(huì)

復(fù)相基體組織屈服強(qiáng)度主要取決于基體相中的軟相的屈服強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度基本遵從混合物規(guī)律：復(fù)相基體組織屈服強(qiáng)度主要取決于基體相中的軟相的屈服強(qiáng)度：需要重視的問(wèn)題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(cuò)可滑移出工件表面產(chǎn)生宏觀塑性變形，同時(shí)保證微裂紋擴(kuò)展中必然遇到軟相）需要重視的問(wèn)題硬相與軟相之間的強(qiáng)度差足夠大重要應(yīng)用雙相鋼TRIP鋼硬相：馬氏體、貝氏體

軟相：奧氏體、鐵素體

方法：亞臨界區(qū)加熱后淬冷保持適當(dāng)殘余奧氏體重要應(yīng)用雙相鋼形變誘導(dǎo)相變強(qiáng)化的基體組織

初始組織較軟，易于發(fā)生屈服；且必須是非穩(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鋼可能的思路：形變誘導(dǎo)超微細(xì)第二相沉淀析出形變誘導(dǎo)相變強(qiáng)化的基體組織初始組織較軟，易于發(fā)生屈服；且必Rm,MPaRp,MPaA5,%Z,%-40℃Akv,JRp/RmE600-3橫25308407.519240.332E600-3橫25208407.519230.333E600-3縱2520810190.321E600-3縱2530805712200.318E600-3橫24608709.523110.354E600-3橫24808251123100.333E600-3縱2490875102160.351超高強(qiáng)度超低屈服比鋼力學(xué)性能Rm,Rp,A5,Z,-40℃Rp/RmE600-3橫253[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件各種顯微缺陷組織對(duì)鋼鐵材料抗拉強(qiáng)度和屈服比的影響

鋼鐵材料中各種顯微缺陷組織對(duì)其屈服強(qiáng)度具有特別重要的影響，各種強(qiáng)化工藝技術(shù)的本質(zhì)均源自于各種顯微缺陷組織與位錯(cuò)的相互作用

既然已采用了顯微缺陷強(qiáng)化，就有必要考慮顯微缺陷組織對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服比的影響各種顯微缺陷組織對(duì)鋼鐵材料抗拉強(qiáng)度和屈服比的影響鋼鐵材料中點(diǎn)缺陷-固溶原子強(qiáng)度a固溶原子量抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度點(diǎn)缺陷-固溶原子強(qiáng)度a固溶原子量抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度表1IF鋼中主要固溶元素對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的影響的回歸結(jié)果

固溶元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%屈服強(qiáng)度,MPa抗拉強(qiáng)度,MPa均勻伸長(zhǎng)率,%總伸長(zhǎng)率,%C0.1230190-25-26P0.13571-3.8-1.2B0.1800420-442-Si0.19.713.3-0.52-0.85Mn0.12.73.4-0.28-0.34表1IF鋼中主要固溶元素對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的影響的回歸結(jié)果

線(xiàn)缺陷-位錯(cuò)b位錯(cuò)密度抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度線(xiàn)缺陷-位錯(cuò)b位錯(cuò)密度抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度面缺陷-晶粒尺寸c晶粒尺寸D-1/2抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度面缺陷-晶粒尺寸c晶粒尺寸D-1/2抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度Hall-Petch公式大量試驗(yàn)結(jié)果表明ky在14.0-23.4MPamm1/2之間(常用17.44MPamm1/2),而kT在7.7-15.7MPamm1/2之間(常用13.4MPamm1/2)Hall-Petch公式體缺陷-第二相強(qiáng)度d第二相抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度體缺陷-第二相強(qiáng)度d第二相抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考二、第二相及夾雜物的控制2004年6月鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考二、第二相及夾雜物的控制2004年鋼鐵材料性能的發(fā)展方向以超級(jí)鋼為代表的研究工作使鋼鐵材料屈服強(qiáng)度普遍成倍提高，各種強(qiáng)化方式提高鋼鐵材料的屈服強(qiáng)度已研究得十分充分。進(jìn)一步工作的重點(diǎn)應(yīng)考慮抗拉強(qiáng)度的提高和屈服比的降低材料的位錯(cuò)理論在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度的發(fā)展起到了革命性的推動(dòng)作用，而材料的第二相理論將很可能在今后成為推動(dòng)結(jié)構(gòu)材料抗拉強(qiáng)度發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。鋼鐵材料性能的發(fā)展方向以超級(jí)鋼為代表的研究工作使鋼鐵材料屈服鋼鐵材料顯微組織控制的發(fā)展方向細(xì)化晶粒是鋼鐵材料發(fā)展的重要方向，因?yàn)榧?xì)晶強(qiáng)化的脆化矢量為負(fù)值，即在強(qiáng)化的同時(shí)還可使鋼鐵材料的韌性提高。間隙固溶強(qiáng)化是最為經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化方式，但對(duì)材料韌性和塑性、焊接性損害較大。而置換固溶強(qiáng)化的經(jīng)濟(jì)有效性較差位錯(cuò)強(qiáng)化是相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化方式，但不可動(dòng)位錯(cuò)密度的升高是以占用均勻塑性為代價(jià)的鋼鐵材料顯微組織控制的發(fā)展方向細(xì)化晶粒是鋼鐵材料發(fā)展的重要方晶粒細(xì)化強(qiáng)化的局限晶粒細(xì)化強(qiáng)化是唯一的在提高屈服強(qiáng)度同時(shí)提高韌性的強(qiáng)化方式，因而是鋼中最重要的強(qiáng)化方式晶粒細(xì)化至3-5m之后,進(jìn)一步細(xì)化從生產(chǎn)成本方面考慮是不合適的,而其明顯提高鋼材屈服比的作用更是嚴(yán)重的限制晶粒細(xì)化到1m之后，由于屈服強(qiáng)度的通提高明顯大于抗拉強(qiáng)度的提高，屈服比將迅速增大到0.9以上，對(duì)安全性和冷加工性能明顯不利晶粒細(xì)化強(qiáng)化的局限晶粒細(xì)化強(qiáng)化是唯一的在提高屈服強(qiáng)度同時(shí)提高第二相（包括傳統(tǒng)意義的夾雜物）的微細(xì)化及其形狀和分布狀態(tài)的有效控制是未來(lái)鋼鐵材料科學(xué)與技術(shù)的最重要發(fā)展方向第二相（包括傳統(tǒng)意義的夾雜物）的微細(xì)化及其形狀和分布狀態(tài)的有第二相控制的意義控制和消除鋼中大顆粒的第二相和夾雜物從而控制或減小鋼中可能產(chǎn)生的最大尺寸的微裂紋源對(duì)提高鋼的使用強(qiáng)度具有非常重要的作用

均勻細(xì)小的第二相顆粒提高屈服強(qiáng)度與提高抗拉強(qiáng)度的作用效果大致相當(dāng)，由此，均勻細(xì)小的第二相顆粒在產(chǎn)生強(qiáng)化作用的同時(shí)并不損害鋼材的均勻塑性

合理控制條件下的第二相強(qiáng)化也是相當(dāng)有效的強(qiáng)化方式第二相控制的意義控制和消除鋼中大顆粒的第二相和夾雜物從而控制第二相強(qiáng)化的經(jīng)濟(jì)有效性

第二相強(qiáng)化的經(jīng)濟(jì)有效性微合金碳氮化物析出強(qiáng)化作用微合金碳氮化物析出強(qiáng)化作用沉淀強(qiáng)化強(qiáng)度增量與第二相體積分?jǐn)?shù)和尺寸的關(guān)系沉淀強(qiáng)化強(qiáng)度增量與第二相體積分?jǐn)?shù)和尺寸的關(guān)系第二相阻止基體晶粒長(zhǎng)大DC為臨界晶粒尺寸，A為比例系數(shù)。Hillert缺陷理論指出，晶界的釘扎（pinning）和解釘（unpinning）將在兩個(gè)水平上發(fā)生，相應(yīng)的比例系數(shù)分別為2/3和4/9。

第二相阻止基體晶粒長(zhǎng)大Gladman得到晶界解釘?shù)呐袚?jù)為：晶粒尺寸不均勻性因子Z值約為1.7，可得A約為0.17。Z值為3或9時(shí)，A約為2/3和4/9，對(duì)應(yīng)于Hillert缺陷理論的兩個(gè)水平。第二相控制晶粒尺寸具有“方向性”，即晶粒在一開(kāi)始是否被釘扎將決定所選取的釘扎水平系數(shù)A的差異。Gladman得到晶界解釘?shù)呐袚?jù)為：[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件阻止晶粒長(zhǎng)大的合金系選擇固溶度積小，高溫保持一定體積分?jǐn)?shù)未溶或能夠沉淀析出；固溶量小，粗化速率小，可保持細(xì)小尺寸。TiN具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，1250℃以上加熱必須采用（軋制前均熱），NbN次之，1000-1200℃有較好效果（焊接熱影響區(qū)、高溫軋制階段），TiC、NbC、VN有一定用處，850-950℃（低溫軋制階段），VC基本無(wú)用。含鈦鋼中TiN液析的限制，故僅能采用微鈦。阻止晶粒長(zhǎng)大的合金系選擇固溶度積小，高溫保持一定體積分?jǐn)?shù)未溶固溶微合金元素或形變誘導(dǎo)析出微合金碳氮化物對(duì)形變奧氏體再結(jié)晶行為的影響

—奧氏體的調(diào)節(jié)形變奧氏體再結(jié)晶行為的不同導(dǎo)致了不同的控制軋制工藝思路CCR與RCR的不同控制要求固溶微合金元素或形變誘導(dǎo)析出微合金碳氮化物對(duì)形變奧氏體再結(jié)晶[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件DIFTDIFT[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件微合金元素對(duì)基體再結(jié)晶行為

的影響機(jī)理形變誘導(dǎo)析出的微合金碳氮化物釘扎形變奧氏體晶界，850-1000℃Nb(CN)容易形變誘導(dǎo)析出，因而能有效阻止或推遲再結(jié)晶。固溶的Nb、B、Mo等的溶質(zhì)拖曳作用釘扎形變奧氏體晶界，要求相應(yīng)元素與鐵元素的尺寸或化學(xué)性質(zhì)相差較大（但又必須有足夠的固溶量）。微合金元素對(duì)基體再結(jié)晶行為

的影響機(jī)理形變誘導(dǎo)析出的微合金碳奧氏體再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)與抑制驅(qū)動(dòng)力F=Gb2/2（為再結(jié)晶前后基體中的位錯(cuò)密度差）計(jì)算結(jié)果約為20MN/m2，比晶粒粗化的驅(qū)動(dòng)力大100-200倍釘扎力FP=6fI/(d2)（為奧氏體晶界能，f、d分別為第二相體積分?jǐn)?shù)和直徑，I為亞晶尺寸）奧氏體再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)與抑制驅(qū)動(dòng)力F=Gb2/2（微合金元素對(duì)形變基體相變行為的影響形變儲(chǔ)能加速相變，提高相變溫度，抑制奧氏體再結(jié)晶作用的延伸在原奧氏體晶界或形變帶形核，較高的形核率保證初始晶粒尺寸細(xì)小且不能橫向長(zhǎng)大微合金元素對(duì)形變基體相變行為的影響形變儲(chǔ)能加速相微合金碳氮化物在相界靠側(cè)沉淀析出（在中的固溶度積較在中小因而沉淀析出相變自由能較大）阻止晶粒的徑向長(zhǎng)大新的相界一旦穩(wěn)定后將成為相另一輪形核地點(diǎn)，未釋放的及新的形變產(chǎn)生的形變儲(chǔ)能促進(jìn)相變相變的推進(jìn)式形變儲(chǔ)能稍小時(shí)原奧氏體晶粒中心的等軸粗大晶粒微合金碳氮化物在相界靠側(cè)沉淀析出（在中的固溶度積較在中形變誘導(dǎo)鐵素體相變DIFT形變誘導(dǎo)鐵素體相變（DeformationInducedFerriteTransformation,DIFT）是指在鋼的Ae3溫度附近施加變形，變形中奧氏體能量升高，穩(wěn)定性降低，從而導(dǎo)致相變。由于相變是在變形過(guò)程中，而不是在變形之后的冷卻過(guò)程中發(fā)生的，因而又被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)相變（DynamicTransformation）目前可獲得的鐵素體晶粒尺寸為1m形變誘導(dǎo)鐵素體相變DIFT形變誘導(dǎo)鐵素體相變（Deforma

C-Mn-Nb鋼鐵素體晶粒尺寸與奧氏體未再結(jié)晶區(qū)累積變形量和冷速的關(guān)系(D=30m)C-Mn-Nb鋼鐵素體晶粒尺寸與奧氏體未再結(jié)晶區(qū)累積變形量第二相控制的內(nèi)容體積分?jǐn)?shù)最大尺寸與平均尺寸形狀分布第二相控制的內(nèi)容體積分?jǐn)?shù)第二相體積分?jǐn)?shù)的控制與固溶度或固溶度積公式固溶度或固溶度積大，處于固溶態(tài)的量較大，而形成第二相的量較小。固溶溫度下需要固溶度或固溶度積大，潛在的可沉淀析出的第二相的量就較大。但必須相應(yīng)元素在鋼中的含量也足夠大固溶度或固溶度積小，處于固溶態(tài)的量較小，而形成第二相的量較大。沉淀析出溫度下希望固溶度或固溶度積小，此時(shí)已沉淀析出或可沉淀析出的第二相的量就較大第二相體積分?jǐn)?shù)的控制與固溶度或固溶度積公式固溶度或固溶度積大常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較log{[Ti]·[N]}=0.32-8000/Tlog{[Nb]·[N]}=2.80-7500/Tlog{[V]·[N]}=3.46-8330/Tlog{[Ti]·[C]}=2.75-7000/Tlog{[Nb]·[C]}=2.96-7510/Tlog{[V]·[C]}=6.72-9500/Tlog{[Al]·[N]}=1.79-7184/T常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較log{[Ti]·[[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較TiN固溶度積最小，約小3個(gè)數(shù)量級(jí)AlN、NbN、VN、NbC、TiC相差不大VC固溶度積最大，約大2個(gè)數(shù)量級(jí)間隙原子缺位使固溶度積一定程度地增大（如NbC0.87、VC0.8）其他溶質(zhì)元素對(duì)固溶度積有影響，如Mn、Mo使固溶度積一定程度地增大常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較TiN固溶度積最小，約固溶度積公式log{[M]·[C]}γ=A-B/T本質(zhì)是三元相圖中的端際固溶體區(qū)包圍曲面的方程實(shí)驗(yàn)測(cè)定：不同溫度均勻化后淬冷，化學(xué)相分析測(cè)定MC相的量，用鋼的化學(xué)成分中該元素的量減去MC相中的量得[M]、[C]，多個(gè)溫度下的測(cè)定數(shù)據(jù)回歸得到熱力學(xué)推導(dǎo)，鐵基體中的固溶度積公式固溶度積公式log{[M]·[C]}γ=A-B/T計(jì)算確定溫度下的固溶量[M]、[C]計(jì)算未溶解的MC相的量

W={M-[M]}×AMC/AM計(jì)算MC相的全固溶溫度log{M×C}=A-B/T計(jì)算沉淀相變的化學(xué)自由能ΔG=-19.1446B+19.1446AT-19.1446Tlog{[M][C]}計(jì)算確定溫度下的固溶量[M]、[C]相互溶解的第二相及其理論處理互溶類(lèi)型：原子性質(zhì)很相近的溶質(zhì)原子的置換固溶，如Cr、V、Mn溶入合金滲碳體晶體結(jié)構(gòu)完全相同且點(diǎn)陣常數(shù)相差不大的幾個(gè)相互溶，如不同MC、MN相的互溶理論處理：第一種情況按照前述固溶理論處理。第二種情況按照混合互溶處理。相互溶解的第二相及其理論處理互溶類(lèi)型：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算令：log{[M][C]}=A1-B1/T

log{[M][N]}=A2-B2/T互溶所得的相的化學(xué)式可寫(xiě)為MCxN1-x，規(guī)定x為在較低溫度下容易固溶的相MC或M1C在復(fù)合互溶相中的分?jǐn)?shù)?；旌响仨?xiàng)為RT乘以下式：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算令：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算聯(lián)立求解下四式可得各元素的固溶量和x：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算聯(lián)立求解下四式可得各元素的固溶量和互溶分?jǐn)?shù)x的計(jì)算互溶分?jǐn)?shù)x的計(jì)算多元第二相全固溶溫度的計(jì)算該式左邊僅保留第一項(xiàng)實(shí)際上得到MC相的全固溶溫度，左邊僅保留第二項(xiàng)可得到MN相的全固溶溫度，因此可知MCN相的全固溶溫度總高于MC、MN相。多元第二相全固溶溫度的計(jì)算該式左邊僅保留第一項(xiàng)實(shí)際上得到MC主要規(guī)律[M]、[C]、[N]隨溫度升高單調(diào)增大。共有元素固溶量[M]隨M升高單調(diào)增大，但非共有元素變化較為復(fù)雜。系數(shù)x隨溫度的變化規(guī)律較復(fù)雜，一般而言隨溫度升高而單調(diào)減??；但當(dāng)鋼材的化學(xué)成分中難溶相特有元素的量很小時(shí)，x隨溫度升高將先增大至一定程度后再減小。主要規(guī)律[M]、[C]、[N]隨溫度升高單調(diào)增大。多元第二相沉淀相變化學(xué)自由能注意：x采用沉淀溫度下計(jì)算出的值，而[M]、[C]、[N]是高溫固溶溫度下的值多元第二相沉淀相變化學(xué)自由能注意：x采用沉淀溫度下計(jì)算出的值固溶度積的調(diào)節(jié)Mn、Mo等元素的加入將使Nb(C,N)、VN的固溶度積增大間隙缺位也會(huì)導(dǎo)致溶度積增大固溶度積的調(diào)節(jié)Mn、Mo等元素的加入將使Nb(C,N)、VN鋼中與MnS平衡的固溶[Mn]、[S]量隨溫度的變化

鋼中與MnS平衡的固溶[Mn]、[S]量隨溫度的變化鋼中與Al2O3平衡的固溶[Al]、[O]量隨溫度的變化鋼中與Al2O3平衡的固溶[Al]、[O]量隨溫度的變化鋼中與AlN平衡的固溶[Al]、[N]量隨溫度的變化

log{[Al]·[N]}=1.79-7184/T鋼中與AlN平衡的固溶[Al]、[N]量隨溫度的變化log銅在奧氏體中的平衡固溶度銅在奧氏體中的平衡固溶度銅在鐵素體中的平衡固溶度

銅在鐵素體中的平衡固溶度與Fe4N和與N2平衡的N在鐵素體中的平衡固溶度的比較與Fe4N和與N2平衡的N在鐵素體中的平衡固溶度的比較與Fe4N和與N2平衡的N在奧氏體中的平衡固溶度的比較

與Fe4N和與N2平衡的N在奧氏體中的平衡固溶度的比較最大尺寸第二相尺寸的控制鋼鐵材料的斷裂強(qiáng)度和塑性主要受最大尺寸第二相的尺寸的影響，減小其尺寸可有效提高鋼的抗拉強(qiáng)度和塑性目前最好控制條件下已可控制到5－10m，而在今后一段時(shí)間內(nèi)在超高強(qiáng)度的G疲勞極限鋼中希望控制到1m以下最大尺寸第二相尺寸的控制鋼鐵材料的斷裂強(qiáng)度和塑性主要受最大尺最大尺寸第二相尺寸的控制完全消除液析第二相是控制最大尺寸第二相的唯一手段此時(shí)需考慮第二相在液態(tài)鐵中的溶度積公式，大幅度減小相關(guān)元素在鋼中的含量，如重點(diǎn)控制鋼中O、S、N等元素的含量精煉、高溫鐵水快冷使來(lái)不及發(fā)生液析若該第二相在固態(tài)鐵中的固溶度積較大，則可考慮高溫保溫回溶最大尺寸第二相尺寸的控制完全消除液析第二相是控制最大尺寸第二第二相尺寸的控制1——沉淀析出相變的控制臨界核心尺寸的控制沉淀析出相變化學(xué)自由能的絕對(duì)值越大，臨界核心尺寸越小形變儲(chǔ)能的絕對(duì)值越大，臨界核心尺寸越小，即形變誘導(dǎo)析出的第二相尺寸將比無(wú)形變情況更小第二相尺寸的控制1——沉淀析出相變的控制臨界核心尺寸的控制沉淀析出相變的控制沉淀相變的化學(xué)自由能ΔG=-19.1446B+19.1446AT-19.1446Tlog{[M][C]}

過(guò)冷度要大，但初始溫度與全固溶溫度有關(guān)；沉淀溫度下第二相的固溶度積要求很小，且固溶度積公式隨溫度的變化項(xiàng)要較大，即A的數(shù)值較大注意：此時(shí)采用的固溶度積公式是在對(duì)應(yīng)的鐵基體中的固溶度積公式沉淀析出相變的控制沉淀相變的化學(xué)自由能沉淀析出相變過(guò)程的控制沉淀相變也是形核長(zhǎng)大相變，故還必須考慮相變長(zhǎng)大過(guò)程控制性元素的擴(kuò)散要小，沉淀C曲線(xiàn)即PTT曲線(xiàn)將下移，可采用的過(guò)冷度較大在形核率最大溫度（NrTT曲線(xiàn)的鼻子點(diǎn)溫度）保溫可得到最為細(xì)小的沉淀第二相尺寸通常所得到的PTT曲線(xiàn)比NrTT曲線(xiàn)的鼻子點(diǎn)溫度高100℃左右沉淀析出相變過(guò)程的控制沉淀相變也是形核長(zhǎng)大相變，故還必須考慮第二相尺寸的控制2——第二相的Ostwald熟化過(guò)程的控制擴(kuò)散控制條件下在基體內(nèi)均勻沉淀的球形第二相的Ostwald熟化規(guī)律：界面反應(yīng)控制、晶界擴(kuò)散控制或位錯(cuò)擴(kuò)散控制條件下第二相的Ostwald熟化規(guī)律也有深入研究，與時(shí)間的關(guān)系分別遵循二分之一、四分之一、五分之一次方關(guān)系。

第二相尺寸的控制2——第二相的Ostwald熟化過(guò)程的控制擴(kuò)鋼材成分滿(mǎn)足理想化學(xué)配比時(shí)基體擴(kuò)散控制條件下Ostwald熟化系數(shù)m的具體計(jì)算結(jié)果比較（nm/S1/3）：溫度℃VCNbCTiCVNNbNTiN9000.5050.2160.2350.1930.1300.07210001.230.6290.5450.4590.3830.16911002.621.551.110.9490.9550.34812004.963.342.021.762.080.641鋼材成分滿(mǎn)足理想化學(xué)配比時(shí)基體擴(kuò)散控制條件下Ostwald熟硫含量不同的1%錳鋼中硫化錳粗化速率m(nm/s1/3)的計(jì)算結(jié)果溫度℃S=0.05%S=0.03%S=0.01%S=0.005%mm’mm’mm’mm’9000.53500.39020.52850.38540.52230.38090.52080.37989500.97150.70920.95960.70050.94830.69230.94560.690310001.68031.22801.65981.21311.64031.19881.63561.195310502.78372.03692.74982.01212.71741.98842.70961.982711004.43753.25124.38343.21174.33193.17394.31943.164811506.83365.01386.75054.95286.67134.89476.65214.8806120010.2017.495310.0777.40449.95897.31779.93037.2967125014.80210.89314.62310.76214.45210.63614.41110.606硫含量不同的1%錳鋼中硫化錳粗化速率m(nm/s1/3)的計(jì)含硫0.01%錳含量不同的鋼中硫化錳粗化速率m(nm/s1/3)的計(jì)算結(jié)果溫度℃Mn=0.75%Mn=1.0%Mn=1.25%Mn=1.5%mm’mm’mm’mm’9000.57600.42000.52230.38090.48430.35320.45540.33219501.04580.76340.94830.69230.87940.64190.82690.603610001.80881.32201.64031.19881.52101.11161.43021.045310502.99652.19262.71741.98842.51981.84382.36951.733811004.77643.49964.33193.17394.01712.94323.77752.767711507.35455.39606.67134.89476.18684.53935.81804.2687120010.9768.06489.95897.31779.23706.78728.68706.3831125015.92011.71614.45210.63613.4089.867612.6119.2812含硫0.01%錳含量不同的鋼中硫化錳粗化速率m(nm/s1/主要影響因素碳氮化物合金系偏離理想化學(xué)配比（C、N含量高出）將降低粗化速率控制性元素為DC0較小的元素，微合金碳氮化物中為微合金元素；MnS中一般為硫，但近年來(lái)隨著鋼中硫含量的大幅度降低，控制性元素變?yōu)殄i界面能變化不大故影響不大主要影響因素碳氮化物合金系鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考一、鋼鐵材料的抗拉強(qiáng)度與屈服比2004年6月鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考一、鋼鐵材料的抗拉強(qiáng)度與屈服比20抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度應(yīng)用范圍不允許發(fā)生明顯塑性變形的構(gòu)件純粹的強(qiáng)度指標(biāo)

抗拉強(qiáng)度應(yīng)用范圍允許發(fā)生一定程度的塑性變形的構(gòu)件需要良好冷加工性能的構(gòu)件保證安全性的構(gòu)件既是強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)也是塑性和韌性指標(biāo)抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度應(yīng)用范圍抗拉強(qiáng)度應(yīng)用范圍抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度控制機(jī)制位錯(cuò)大規(guī)?；?，各種顯微缺陷均有重要影響滑移距離無(wú)關(guān)與材料塑性無(wú)關(guān)抗拉強(qiáng)度控制機(jī)制微裂紋的萌生與擴(kuò)展，弱化的晶界、夾雜物和大顆粒第二相影響較大擴(kuò)展距離存在臨界尺寸與材料塑性有關(guān)抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的對(duì)比屈服強(qiáng)度控制機(jī)制抗拉強(qiáng)度控制機(jī)制抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的相互影響屈服強(qiáng)度對(duì)微裂紋的形成過(guò)程具有重要影響

抗拉強(qiáng)度是其屈服強(qiáng)度提高的極限，屈服強(qiáng)度超過(guò)抗拉強(qiáng)度是不可能的，而屈服強(qiáng)度相當(dāng)接近于甚至等于抗拉強(qiáng)度的鋼材在實(shí)際工程中是不可能安全應(yīng)用的

抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的相互影響屈服強(qiáng)度對(duì)微裂紋的形成過(guò)程具有重抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的塑性指標(biāo)抗拉強(qiáng)度Rm與屈服強(qiáng)度RP之間的差值是材料塑性的重要指標(biāo)

材料屈服后繼續(xù)變形將產(chǎn)生加工硬化，流變應(yīng)力隨均勻塑性變形量增加而不斷增大，達(dá)到斷裂應(yīng)力后將不再繼續(xù)均勻塑性變形而將發(fā)生斷裂?？估瓘?qiáng)度Rm與屈服強(qiáng)度RP之間適當(dāng)?shù)牟钪狄环矫姹ＷC了均勻塑性的實(shí)現(xiàn)（屈服比很大時(shí)均勻塑性變形未完成就可能發(fā)生斷裂），另一方面對(duì)非均勻塑性（乃至總塑性）有重要的影響抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的塑性指標(biāo)抗拉強(qiáng)度Rm與屈服強(qiáng)屈服比在塑性變形中具有重要作用材料的屈服比被定義為RP/Rm屈服比大于或等于1的材料無(wú)塑性，且實(shí)際屈服強(qiáng)度被降低屈服比在0.9以上的鋼材在使用安全性方面存在隱患屈服比在0.6以下的鋼材具有良好的冷加工變形性能屈服比在塑性變形中具有重要作用材料的屈服比被定義為RP/R抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)

靜力韌度UT被定義為靜拉伸實(shí)驗(yàn)中材料斷裂前單位體積所吸收的功：抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)靜力韌度UT被抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)斷裂韌度將材料的斷裂強(qiáng)度與微裂紋尺寸結(jié)合為一個(gè)韌性指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度在很大程度上是一個(gè)重要的韌性指標(biāo)斷裂韌度將材料的斷裂材料斷裂強(qiáng)度由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：

材料斷裂強(qiáng)度由Griffith脆性斷裂理論推導(dǎo)并經(jīng)塑性修正后提高材料斷裂強(qiáng)度的機(jī)制減小微裂紋尺寸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1-1.5J/m2范圍；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100000J/m2）提高材料斷裂強(qiáng)度的機(jī)制減小微裂紋尺寸aC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），此時(shí)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(duì)抑制微裂紋的產(chǎn)生具有重要作用微裂紋的產(chǎn)生原有未鈍化的孔洞或裂紋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)模塑性撕微裂紋的擴(kuò)展只有達(dá)到臨界尺寸的微裂紋才會(huì)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不是平均尺寸

微裂紋亞臨界擴(kuò)展時(shí)的斷裂塑性功與微裂紋形成時(shí)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

微裂紋的擴(kuò)展只有達(dá)到臨界尺寸的微裂紋才會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，因提高材料斷裂強(qiáng)度的方法1消除晶界弱化現(xiàn)象（晶界尺寸相對(duì)較大，一般在數(shù)十至數(shù)百微米以上，必須首先控制晶界微裂紋的產(chǎn)生）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）提高材料斷裂強(qiáng)度的方法1消除晶界弱化現(xiàn)象（晶界尺寸相對(duì)較大，提高材料斷裂強(qiáng)度的方法2大顆粒夾雜物或第二相尺寸的控制（其最大尺寸一般在數(shù)十微米以上）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(shí)固態(tài)回溶）最佳控制條件下僅使之在固態(tài)析出提高材料斷裂強(qiáng)度的方法2大顆粒夾雜物或第二相尺寸的控制（其最提高材料斷裂強(qiáng)度的方法3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提高材料斷裂強(qiáng)度的方法3適當(dāng)?shù)那?qiáng)度具體計(jì)算結(jié)果SC，MPa

γP，J/m2

aC，mm20010000-50000018.1-90.54005000-100002.26-4.531000500-10000.0362-0.07242000200-5000.00362-0.00905具體計(jì)算結(jié)果SC，MPaγP，J/m2aC，mm2特殊的思路使微裂紋被包圍在塑性相當(dāng)良好的基體組織處，將只會(huì)發(fā)生微孔聚合型韌性斷裂

微裂紋擴(kuò)展路徑中存在塑性相當(dāng)良好的基體組織（連續(xù)軟相）特殊的思路使微裂紋被包圍在塑性相當(dāng)良好的基體組織處，將只會(huì)

復(fù)相基體組織屈服強(qiáng)度主要取決于基體相中的軟相的屈服強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度基本遵從混合物規(guī)律：復(fù)相基體組織屈服強(qiáng)度主要取決于基體相中的軟相的屈服強(qiáng)度：需要重視的問(wèn)題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(cuò)可滑移出工件表面產(chǎn)生宏觀塑性變形，同時(shí)保證微裂紋擴(kuò)展中必然遇到軟相）需要重視的問(wèn)題硬相與軟相之間的強(qiáng)度差足夠大重要應(yīng)用雙相鋼TRIP鋼硬相：馬氏體、貝氏體

軟相：奧氏體、鐵素體

方法：亞臨界區(qū)加熱后淬冷保持適當(dāng)殘余奧氏體重要應(yīng)用雙相鋼形變誘導(dǎo)相變強(qiáng)化的基體組織

初始組織較軟，易于發(fā)生屈服；且必須是非穩(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鋼可能的思路：形變誘導(dǎo)超微細(xì)第二相沉淀析出形變誘導(dǎo)相變強(qiáng)化的基體組織初始組織較軟，易于發(fā)生屈服；且必Rm,MPaRp,MPaA5,%Z,%-40℃Akv,JRp/RmE600-3橫25308407.519240.332E600-3橫25208407.519230.333E600-3縱2520810190.321E600-3縱2530805712200.318E600-3橫24608709.523110.354E600-3橫24808251123100.333E600-3縱2490875102160.351超高強(qiáng)度超低屈服比鋼力學(xué)性能Rm,Rp,A5,Z,-40℃Rp/RmE600-3橫253[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件各種顯微缺陷組織對(duì)鋼鐵材料抗拉強(qiáng)度和屈服比的影響

鋼鐵材料中各種顯微缺陷組織對(duì)其屈服強(qiáng)度具有特別重要的影響，各種強(qiáng)化工藝技術(shù)的本質(zhì)均源自于各種顯微缺陷組織與位錯(cuò)的相互作用

既然已采用了顯微缺陷強(qiáng)化，就有必要考慮顯微缺陷組織對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服比的影響各種顯微缺陷組織對(duì)鋼鐵材料抗拉強(qiáng)度和屈服比的影響鋼鐵材料中點(diǎn)缺陷-固溶原子強(qiáng)度a固溶原子量抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度點(diǎn)缺陷-固溶原子強(qiáng)度a固溶原子量抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度表1IF鋼中主要固溶元素對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的影響的回歸結(jié)果

固溶元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%屈服強(qiáng)度,MPa抗拉強(qiáng)度,MPa均勻伸長(zhǎng)率,%總伸長(zhǎng)率,%C0.1230190-25-26P0.13571-3.8-1.2B0.1800420-442-Si0.19.713.3-0.52-0.85Mn0.12.73.4-0.28-0.34表1IF鋼中主要固溶元素對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的影響的回歸結(jié)果

線(xiàn)缺陷-位錯(cuò)b位錯(cuò)密度抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度線(xiàn)缺陷-位錯(cuò)b位錯(cuò)密度抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度面缺陷-晶粒尺寸c晶粒尺寸D-1/2抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度面缺陷-晶粒尺寸c晶粒尺寸D-1/2抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度強(qiáng)度Hall-Petch公式大量試驗(yàn)結(jié)果表明ky在14.0-23.4MPamm1/2之間(常用17.44MPamm1/2),而kT在7.7-15.7MPamm1/2之間(常用13.4MPamm1/2)Hall-Petch公式體缺陷-第二相強(qiáng)度d第二相抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度體缺陷-第二相強(qiáng)度d第二相抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考二、第二相及夾雜物的控制2004年6月鋼鐵材料發(fā)展若干問(wèn)題的思考二、第二相及夾雜物的控制2004年鋼鐵材料性能的發(fā)展方向以超級(jí)鋼為代表的研究工作使鋼鐵材料屈服強(qiáng)度普遍成倍提高，各種強(qiáng)化方式提高鋼鐵材料的屈服強(qiáng)度已研究得十分充分。進(jìn)一步工作的重點(diǎn)應(yīng)考慮抗拉強(qiáng)度的提高和屈服比的降低材料的位錯(cuò)理論在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度的發(fā)展起到了革命性的推動(dòng)作用，而材料的第二相理論將很可能在今后成為推動(dòng)結(jié)構(gòu)材料抗拉強(qiáng)度發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。鋼鐵材料性能的發(fā)展方向以超級(jí)鋼為代表的研究工作使鋼鐵材料屈服鋼鐵材料顯微組織控制的發(fā)展方向細(xì)化晶粒是鋼鐵材料發(fā)展的重要方向，因?yàn)榧?xì)晶強(qiáng)化的脆化矢量為負(fù)值，即在強(qiáng)化的同時(shí)還可使鋼鐵材料的韌性提高。間隙固溶強(qiáng)化是最為經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化方式，但對(duì)材料韌性和塑性、焊接性損害較大。而置換固溶強(qiáng)化的經(jīng)濟(jì)有效性較差位錯(cuò)強(qiáng)化是相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化方式，但不可動(dòng)位錯(cuò)密度的升高是以占用均勻塑性為代價(jià)的鋼鐵材料顯微組織控制的發(fā)展方向細(xì)化晶粒是鋼鐵材料發(fā)展的重要方晶粒細(xì)化強(qiáng)化的局限晶粒細(xì)化強(qiáng)化是唯一的在提高屈服強(qiáng)度同時(shí)提高韌性的強(qiáng)化方式，因而是鋼中最重要的強(qiáng)化方式晶粒細(xì)化至3-5m之后,進(jìn)一步細(xì)化從生產(chǎn)成本方面考慮是不合適的,而其明顯提高鋼材屈服比的作用更是嚴(yán)重的限制晶粒細(xì)化到1m之后，由于屈服強(qiáng)度的通提高明顯大于抗拉強(qiáng)度的提高，屈服比將迅速增大到0.9以上，對(duì)安全性和冷加工性能明顯不利晶粒細(xì)化強(qiáng)化的局限晶粒細(xì)化強(qiáng)化是唯一的在提高屈服強(qiáng)度同時(shí)提高第二相（包括傳統(tǒng)意義的夾雜物）的微細(xì)化及其形狀和分布狀態(tài)的有效控制是未來(lái)鋼鐵材料科學(xué)與技術(shù)的最重要發(fā)展方向第二相（包括傳統(tǒng)意義的夾雜物）的微細(xì)化及其形狀和分布狀態(tài)的有第二相控制的意義控制和消除鋼中大顆粒的第二相和夾雜物從而控制或減小鋼中可能產(chǎn)生的最大尺寸的微裂紋源對(duì)提高鋼的使用強(qiáng)度具有非常重要的作用

均勻細(xì)小的第二相顆粒提高屈服強(qiáng)度與提高抗拉強(qiáng)度的作用效果大致相當(dāng)，由此，均勻細(xì)小的第二相顆粒在產(chǎn)生強(qiáng)化作用的同時(shí)并不損害鋼材的均勻塑性

合理控制條件下的第二相強(qiáng)化也是相當(dāng)有效的強(qiáng)化方式第二相控制的意義控制和消除鋼中大顆粒的第二相和夾雜物從而控制第二相強(qiáng)化的經(jīng)濟(jì)有效性

第二相強(qiáng)化的經(jīng)濟(jì)有效性微合金碳氮化物析出強(qiáng)化作用微合金碳氮化物析出強(qiáng)化作用沉淀強(qiáng)化強(qiáng)度增量與第二相體積分?jǐn)?shù)和尺寸的關(guān)系沉淀強(qiáng)化強(qiáng)度增量與第二相體積分?jǐn)?shù)和尺寸的關(guān)系第二相阻止基體晶粒長(zhǎng)大DC為臨界晶粒尺寸，A為比例系數(shù)。Hillert缺陷理論指出，晶界的釘扎（pinning）和解釘（unpinning）將在兩個(gè)水平上發(fā)生，相應(yīng)的比例系數(shù)分別為2/3和4/9。

第二相阻止基體晶粒長(zhǎng)大Gladman得到晶界解釘?shù)呐袚?jù)為：晶粒尺寸不均勻性因子Z值約為1.7，可得A約為0.17。Z值為3或9時(shí)，A約為2/3和4/9，對(duì)應(yīng)于Hillert缺陷理論的兩個(gè)水平。第二相控制晶粒尺寸具有“方向性”，即晶粒在一開(kāi)始是否被釘扎將決定所選取的釘扎水平系數(shù)A的差異。Gladman得到晶界解釘?shù)呐袚?jù)為：[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件阻止晶粒長(zhǎng)大的合金系選擇固溶度積小，高溫保持一定體積分?jǐn)?shù)未溶或能夠沉淀析出；固溶量小，粗化速率小，可保持細(xì)小尺寸。TiN具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，1250℃以上加熱必須采用（軋制前均熱），NbN次之，1000-1200℃有較好效果（焊接熱影響區(qū)、高溫軋制階段），TiC、NbC、VN有一定用處，850-950℃（低溫軋制階段），VC基本無(wú)用。含鈦鋼中TiN液析的限制，故僅能采用微鈦。阻止晶粒長(zhǎng)大的合金系選擇固溶度積小，高溫保持一定體積分?jǐn)?shù)未溶固溶微合金元素或形變誘導(dǎo)析出微合金碳氮化物對(duì)形變奧氏體再結(jié)晶行為的影響

—奧氏體的調(diào)節(jié)形變奧氏體再結(jié)晶行為的不同導(dǎo)致了不同的控制軋制工藝思路CCR與RCR的不同控制要求固溶微合金元素或形變誘導(dǎo)析出微合金碳氮化物對(duì)形變奧氏體再結(jié)晶[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件DIFTDIFT[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件微合金元素對(duì)基體再結(jié)晶行為

的影響機(jī)理形變誘導(dǎo)析出的微合金碳氮化物釘扎形變奧氏體晶界，850-1000℃Nb(CN)容易形變誘導(dǎo)析出，因而能有效阻止或推遲再結(jié)晶。固溶的Nb、B、Mo等的溶質(zhì)拖曳作用釘扎形變奧氏體晶界，要求相應(yīng)元素與鐵元素的尺寸或化學(xué)性質(zhì)相差較大（但又必須有足夠的固溶量）。微合金元素對(duì)基體再結(jié)晶行為

的影響機(jī)理形變誘導(dǎo)析出的微合金碳奧氏體再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)與抑制驅(qū)動(dòng)力F=Gb2/2（為再結(jié)晶前后基體中的位錯(cuò)密度差）計(jì)算結(jié)果約為20MN/m2，比晶粒粗化的驅(qū)動(dòng)力大100-200倍釘扎力FP=6fI/(d2)（為奧氏體晶界能，f、d分別為第二相體積分?jǐn)?shù)和直徑，I為亞晶尺寸）奧氏體再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)與抑制驅(qū)動(dòng)力F=Gb2/2（微合金元素對(duì)形變基體相變行為的影響形變儲(chǔ)能加速相變，提高相變溫度，抑制奧氏體再結(jié)晶作用的延伸在原奧氏體晶界或形變帶形核，較高的形核率保證初始晶粒尺寸細(xì)小且不能橫向長(zhǎng)大微合金元素對(duì)形變基體相變行為的影響形變儲(chǔ)能加速相微合金碳氮化物在相界靠側(cè)沉淀析出（在中的固溶度積較在中小因而沉淀析出相變自由能較大）阻止晶粒的徑向長(zhǎng)大新的相界一旦穩(wěn)定后將成為相另一輪形核地點(diǎn)，未釋放的及新的形變產(chǎn)生的形變儲(chǔ)能促進(jìn)相變相變的推進(jìn)式形變儲(chǔ)能稍小時(shí)原奧氏體晶粒中心的等軸粗大晶粒微合金碳氮化物在相界靠側(cè)沉淀析出（在中的固溶度積較在中形變誘導(dǎo)鐵素體相變DIFT形變誘導(dǎo)鐵素體相變（DeformationInducedFerriteTransformation,DIFT）是指在鋼的Ae3溫度附近施加變形，變形中奧氏體能量升高，穩(wěn)定性降低，從而導(dǎo)致相變。由于相變是在變形過(guò)程中，而不是在變形之后的冷卻過(guò)程中發(fā)生的，因而又被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)相變（DynamicTransformation）目前可獲得的鐵素體晶粒尺寸為1m形變誘導(dǎo)鐵素體相變DIFT形變誘導(dǎo)鐵素體相變（Deforma

C-Mn-Nb鋼鐵素體晶粒尺寸與奧氏體未再結(jié)晶區(qū)累積變形量和冷速的關(guān)系(D=30m)C-Mn-Nb鋼鐵素體晶粒尺寸與奧氏體未再結(jié)晶區(qū)累積變形量第二相控制的內(nèi)容體積分?jǐn)?shù)最大尺寸與平均尺寸形狀分布第二相控制的內(nèi)容體積分?jǐn)?shù)第二相體積分?jǐn)?shù)的控制與固溶度或固溶度積公式固溶度或固溶度積大，處于固溶態(tài)的量較大，而形成第二相的量較小。固溶溫度下需要固溶度或固溶度積大，潛在的可沉淀析出的第二相的量就較大。但必須相應(yīng)元素在鋼中的含量也足夠大固溶度或固溶度積小，處于固溶態(tài)的量較小，而形成第二相的量較大。沉淀析出溫度下希望固溶度或固溶度積小，此時(shí)已沉淀析出或可沉淀析出的第二相的量就較大第二相體積分?jǐn)?shù)的控制與固溶度或固溶度積公式固溶度或固溶度積大常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較log{[Ti]·[N]}=0.32-8000/Tlog{[Nb]·[N]}=2.80-7500/Tlog{[V]·[N]}=3.46-8330/Tlog{[Ti]·[C]}=2.75-7000/Tlog{[Nb]·[C]}=2.96-7510/Tlog{[V]·[C]}=6.72-9500/Tlog{[Al]·[N]}=1.79-7184/T常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較log{[Ti]·[[工學(xué)]鋼鐵材料學(xué)課件常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較TiN固溶度積最小，約小3個(gè)數(shù)量級(jí)AlN、NbN、VN、NbC、TiC相差不大VC固溶度積最大，約大2個(gè)數(shù)量級(jí)間隙原子缺位使固溶度積一定程度地增大（如NbC0.87、VC0.8）其他溶質(zhì)元素對(duì)固溶度積有影響，如Mn、Mo使固溶度積一定程度地增大常見(jiàn)微合金碳氮化物的固溶度積公式的比較TiN固溶度積最小，約固溶度積公式log{[M]·[C]}γ=A-B/T本質(zhì)是三元相圖中的端際固溶體區(qū)包圍曲面的方程實(shí)驗(yàn)測(cè)定：不同溫度均勻化后淬冷，化學(xué)相分析測(cè)定MC相的量，用鋼的化學(xué)成分中該元素的量減去MC相中的量得[M]、[C]，多個(gè)溫度下的測(cè)定數(shù)據(jù)回歸得到熱力學(xué)推導(dǎo)，鐵基體中的固溶度積公式固溶度積公式log{[M]·[C]}γ=A-B/T計(jì)算確定溫度下的固溶量[M]、[C]計(jì)算未溶解的MC相的量

W={M-[M]}×AMC/AM計(jì)算MC相的全固溶溫度log{M×C}=A-B/T計(jì)算沉淀相變的化學(xué)自由能ΔG=-19.1446B+19.1446AT-19.1446Tlog{[M][C]}計(jì)算確定溫度下的固溶量[M]、[C]相互溶解的第二相及其理論處理互溶類(lèi)型：原子性質(zhì)很相近的溶質(zhì)原子的置換固溶，如Cr、V、Mn溶入合金滲碳體晶體結(jié)構(gòu)完全相同且點(diǎn)陣常數(shù)相差不大的幾個(gè)相互溶，如不同MC、MN相的互溶理論處理：第一種情況按照前述固溶理論處理。第二種情況按照混合互溶處理。相互溶解的第二相及其理論處理互溶類(lèi)型：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算令：log{[M][C]}=A1-B1/T

log{[M][N]}=A2-B2/T互溶所得的相的化學(xué)式可寫(xiě)為MCxN1-x，規(guī)定x為在較低溫度下容易固溶的相MC或M1C在復(fù)合互溶相中的分?jǐn)?shù)?；旌响仨?xiàng)為RT乘以下式：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算令：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算聯(lián)立求解下四式可得各元素的固溶量和x：多元互溶第二相的熱力學(xué)計(jì)算聯(lián)立求解下四式可得各元素的固溶量和互溶分?jǐn)?shù)x的計(jì)算互溶分?jǐn)?shù)x的計(jì)算多元第二相全固溶溫度的計(jì)算該式左邊僅保留第一項(xiàng)實(shí)際上得到MC相的全固溶溫度，左邊僅保留第二項(xiàng)可得到MN相的全固溶溫度，因此可知MCN相的全固溶溫度總高于MC、MN相。多元第二相全固溶溫度的計(jì)算該式左邊僅保留第一項(xiàng)實(shí)際上得到MC主要規(guī)律[M]、[C]、[N]隨溫度升高單調(diào)增大。共有元素固溶量[M]隨M升高單調(diào)增大，但非共有元素變化較為復(fù)雜。系數(shù)x隨溫度的變化規(guī)律較復(fù)雜，一般而言隨溫度升高而單調(diào)減??；但當(dāng)鋼材的化學(xué)成分中難溶相特有元素的量很小時(shí)，x隨溫度升高將先增大至一定程度后再減小。主要規(guī)律[M]、[C]、[N]隨溫度升高單調(diào)增大。多元第二相沉淀相變化學(xué)自由能注意：x采用沉淀溫度下計(jì)算出的值，而[M]、[C]、[N]是高溫固溶溫度下的值多元第二相沉淀相變化學(xué)自由能注意：x采用沉淀溫度下計(jì)算出的值固溶度積的調(diào)節(jié)Mn、Mo等元素的加入將使Nb(C,N)、VN的固溶度積增大間隙缺位也會(huì)導(dǎo)致溶度積增大固溶度積的調(diào)節(jié)Mn、Mo等元素的加入將使Nb(C,N)、VN鋼中與MnS平衡的固溶[Mn]、[S]量隨溫度的變化

鋼中與MnS平衡的固溶[Mn]、[S]量隨溫度的變化鋼中與Al2O3平衡的固溶[Al]、[O]量隨溫度的變化鋼中與Al2O3平衡的固溶[Al]、[O]量隨溫度的變化鋼中與AlN平衡的固溶[Al]、[N]量隨溫度的變化

log{[Al]·[N]}=1.79-7184/T鋼中與AlN平衡的固溶[Al]、[N]量隨溫度的變化log銅在奧氏體中的平衡固溶度銅在奧氏體中的平衡固溶度銅在鐵素體中的平衡固溶度

銅在鐵素體中的平衡固溶度與Fe4N和與N2平衡的N在鐵素體中的平衡固溶度的比較與Fe4N和與N2平衡的N在鐵素體中的平衡固溶度的比較與Fe4N和與N2平衡的N在奧氏體中的平衡固溶度的比較

與Fe4N和與N2平衡的N在奧氏體中的平衡固溶度的比較最大尺寸第二相尺寸的控制鋼鐵材料的斷裂強(qiáng)度和塑性主要受最大尺寸第二相的尺寸的影響，減小其尺寸可有效提高鋼的抗拉強(qiáng)度和塑性目前最好控制條件下已可控制到5－10m，而在今后一段時(shí)間內(nèi)在超高強(qiáng)度的G疲勞極限鋼中希望控制到1m以下最大尺寸第二相尺寸的控制鋼鐵材料的斷裂強(qiáng)度和塑性主要受最大尺最大尺寸第二相尺寸的控制完全消除液析第二相是控制最大尺寸第二相的唯一手段此時(shí)需考慮第二相在液態(tài)鐵中的溶度積公式，大幅度減小相關(guān)元素在鋼中的含量，如重點(diǎn)控制鋼中O、S、N等元素的含量精煉、高溫鐵水快冷使來(lái)不及發(fā)生液析若該第二相在固態(tài)鐵中的固溶度積較大，則可考慮高溫