第5講強韌性能控制

張貴杰Tel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系金屬塑性變形理論

第五講2/4/20231第四章鋼材的性能控制主要內(nèi)容MainContent金屬的強化機制

強韌性能控制沖壓性能控制電磁性能控制熱強性能控制2/4/202324.1金屬的強化機制晶界強化

形變強化固溶強化分散強化2/4/202334.1.1晶界強化多晶體晶界的特征在多晶體金屬內(nèi)存在有大量的晶界在晶界上原子排列的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞，存在有大量的晶格缺陷在晶界及其附近的區(qū)域通常偏聚著比平均濃度高得多的異類原子，在某些情況下晶界上還含有第二相或夾雜物。2/4/202342/4/20235在多晶體中由于有晶界存在，其變形是不均勻的，晶界處不易產(chǎn)生塑性變形，而晶粒內(nèi)部則容易變形。不同的晶粒由于其取向不同，也不是同時發(fā)生塑性變形的。滑移首先是在取向有利的晶粒內(nèi)出現(xiàn)。造成變形有很大的不均勻性2/4/20236多晶體變形的竹節(jié)現(xiàn)象晶粒變形的整體性2/4/20237多晶體的強度一般要比單晶體為高晶界的存在，使得滑移難以從一個晶粒直接傳播到有取向差異的另一個晶粒上，為了使鄰近的晶粒也發(fā)生滑移，就必須要加大外力。多晶體晶粒的變形必須要滿足連續(xù)性的條件。當(dāng)一個晶粒的形狀發(fā)生變化時必須要有鄰近晶粒的協(xié)同動作。2/4/20238多晶體晶粒越細小，相對來說晶界所占的體積要越大，金屬強度也相應(yīng)提高。即金屬的強度是與晶粒大小有關(guān)的。所以“細化晶粒”一直為材料界研究者所追求，比如日本、韓國的“超級鋼”計劃，我國的新一代鋼鐵材料研究等。東北大學(xué)王國棟院士獲2005年國家科技進步一等獎，其主要研究內(nèi)容即為普碳鋼生產(chǎn)高級別汽車板用鋼。2/4/20239晶粒1由于外加切應(yīng)力的作用，其位錯源開動，發(fā)出大量位錯。當(dāng)這些位錯滑移到晶界附近時塞積，引起應(yīng)力集中，使得在晶粒2或晶粒3中距離約為r的位錯源也開動。2/4/202310晶粒尺寸不同的鋁的拉伸曲線2/4/202311晶界強化是一種能夠同時提高強度而不損失韌性的有效的強化手段。晶界強化的本質(zhì)在于晶界對位錯運動的阻礙作用，是屬于源硬化一類的。2/4/202312晶界對滑移的阻礙作用在以下兩種情況下顯得比較突出：一是當(dāng)金屬的摩擦阻力比較小，如在充分退火的很純的金屬中，由于在金屬組織中的位錯密度較小，雜質(zhì)原子的釘扎作用也不大，就比較容易看到晶粒細化對強度的改善；二是當(dāng)晶粒尺寸足夠小，使Hall－Petch關(guān)系式中晶粒細化對強度的升高的作用迅速增大的時候。2/4/2023134.1.2形變強化金屬的變形主要是通過原有位錯的運動和許多附加位錯的產(chǎn)生（例如，F(xiàn)rank－Read源的作用）而進行。雖然對形變強化還沒有充分的了解，但其基本特征是給定的位錯在運動中受其鄰近位錯所造成的“障礙物”所阻礙。在多晶體材料中，位錯間的相互干擾特別顯著，這是由于幾何學(xué)上的要求，在每一個晶粒中至少要有五個滑移系同時開動，晶粒才能任意地改變形狀，每個晶粒的晶界仍保持連續(xù)性。晶界，它是另一種類型的障礙物，使位錯產(chǎn)生塞積。2/4/202314冷加工變形后金屬的電鏡組織銅的層錯能高大變形后形成亞晶，而不銹鋼的低，位錯分布仍均勻不銹鋼小變形銅單晶大變形銅單晶2/4/202315密排六方點陣的單晶體：變形時僅是其主滑移系起作用，作用的位錯限制在一組單一的平行平面上，而最終它們將在自由表面移出晶體。這樣，位錯密度及其相互干擾的范圍就比較小，因而應(yīng)變硬化也小。面心立方和體心立方點陣的合金，不論在單晶體中還是在多晶體中，都允許許多滑移系開動。相互作用的位錯成為其它位錯運動的障礙，使其它位錯依次塞積，從而增加了繼續(xù)變形所需的切應(yīng)力，導(dǎo)致強化。2/4/2023164.1.3固溶強化一般，固溶體的強度總是要高于其基本金屬的強度。在多數(shù)合金系中固溶度是有限的。一般來說，固溶度越有限，單位濃度的溶質(zhì)原子所引起的晶格畸變也越大，從而對屈服強度的提高也越大。2/4/202317Au和Ag在整個成分范圍內(nèi)形成連續(xù)固溶體。Au和Ag形成固溶體后，其強度要比純金屬時為高，并其最大值在曲線的中點部分。2/4/202318在一般的稀固溶體中，流變（屈服）應(yīng)力隨溶質(zhì)濃度的變化可用下式表示式中s為合金的流變應(yīng)力，s0為純金屬的流變應(yīng)力，c為溶質(zhì)的原子濃度，k和m均為常數(shù)。合金元素的硬化能力較弱時m=1，硬化能力強時m=1/2。2/4/202319固溶強化的機理位錯釘扎機制。位錯被可運動的溶質(zhì)原子釘扎而造成強化。這種釘扎主要是在合金開始屈服時起作用；摩擦機制。運動的位錯受到相對不動的溶質(zhì)原子所引起的內(nèi)應(yīng)力場的阻礙，而增加了位錯運動的阻力；結(jié)構(gòu)機制。溶質(zhì)原子通過影響合金中的位錯結(jié)構(gòu)，而間接地影響使位錯運動所需應(yīng)力的大小。2/4/2023204.1.4分散強化當(dāng)在合金組織中含有一定數(shù)量的分散的異相粒子時，對位錯的運動起阻礙作用，可使其強度有很大的提高。這種由第二相分散質(zhì)點造成的強化過程統(tǒng)稱為分散強化（或彌散強化）。2/4/202321位錯跨過障礙的運動方式位錯切過第二相質(zhì)點位錯繞過第二相質(zhì)點2/4/2023224.2強韌性能控制控制軋制的概念強韌性的概念影響強韌性能的主要因素軋制工藝參數(shù)控制2/4/2023234.2.1控制軋制的概念控制軋制是指從軋前的加熱到最后軋制道次結(jié)束為止的整個軋制過程實現(xiàn)最佳控制，以使鋼材獲得預(yù)期良好性能的軋制方法。2/4/202324控制軋制由四個階段組成的模型圖和各階段的組織變化2/4/202325控制軋制的四個階段奧氏體g再結(jié)晶區(qū)軋制奧氏體g未再結(jié)晶區(qū)軋制（g＋a）兩相區(qū)軋制鐵素體區(qū)軋制2/4/202326奧氏體g再結(jié)晶區(qū)軋制≥950℃在高溫軋制后急速進行再結(jié)晶。在這個階段把由于加熱發(fā)生粗化的初期晶粒(200－500μm)通過反復(fù)軋制——再結(jié)晶進行細化，這是再結(jié)晶區(qū)軋制的主要目的，～950℃以上的溫度范圍屬于這個區(qū)域。然而，通過再結(jié)晶區(qū)的軋制不能使再結(jié)晶g晶粒直徑得到無限地減小，并存在其決定于化學(xué)成分和初期晶粒直徑的極限值。再結(jié)晶區(qū)軋制是通過再結(jié)晶進行g(shù)晶粒細化處理，從這種意義上說，是控制軋制的準(zhǔn)備階段。通常的熱軋工序在這個再結(jié)晶區(qū)軋制終了。2/4/202327奧氏體g未再結(jié)晶區(qū)軋制（950℃～Ar3）在g溫度區(qū)間，當(dāng)軋制溫度降低到950℃以下時，g的再結(jié)晶被抑制。此時，隨著壓下量的增加，g晶粒伸長，同時晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量變形帶。g/a相變時在g晶粒界和變形帶上都同等地產(chǎn)生a核，a的形核點增多，a晶粒進一步細化。因此，在g未再結(jié)晶區(qū)進行軋制時由于變形帶的產(chǎn)生，實質(zhì)上是分解了g晶粒。2/4/202328（g＋a）兩相區(qū)軋制（≤Ar3）在Ar3點以下的(g十a(chǎn))雙相區(qū)軋制時，未相變的g晶粒更加伸長，在晶粒內(nèi)形成變形帶，另一方面，相變后的a晶粒在受壓下時在晶粒內(nèi)形成亞結(jié)構(gòu)。在軋后的冷卻過程中前者發(fā)生相變變成了微細的多邊化晶粒，而后者因處于回復(fù)狀態(tài)，變成內(nèi)部包含亞晶粒的a晶粒。雙相區(qū)軋制材料具有大傾角晶粒和亞晶粒的混合組織。這種包含亞晶粒的混合組織可使強度增大。亞晶粒的形成也有使脆性轉(zhuǎn)變溫度下降的效果。2/4/202329鐵素體區(qū)軋制鐵素體區(qū)軋制技術(shù)即相變控制軋制，又稱低溫?zé)釞C械控制，是近幾年發(fā)展起來的一種新的軋制工藝。這一新技術(shù)，可以生產(chǎn)出高延伸率的帶卷，并具有成本低、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點，已經(jīng)成為熱軋帶鋼生產(chǎn)工藝的一個重要發(fā)展方向。而鐵素體區(qū)軋制工藝則要求粗軋在盡量低的溫度下使奧氏體發(fā)生變形，以增加鐵素體的形核率，精軋則在鐵素體區(qū)進行，隨后采用較高的卷取溫度，以得到粗晶粒鐵素體組織，降低熱軋帶鋼的硬度。

2/4/202330控制軋制具有常規(guī)軋制方法所不具備的突出優(yōu)點。許多試驗資料表明，用控制軋制方法生產(chǎn)的鋼材其強度與韌性等綜合性能不僅比常規(guī)的熱軋后的鋼材為好，而且也比某些經(jīng)過常規(guī)熱處理的鋼材為好。2/4/20233136CrSi鋼經(jīng)控軋控冷工藝和一般軋制工藝后的力學(xué)性能比較2013-3-82/4/2023324.2.2強韌性的概念強韌性是指金屬材料的強度和韌性而言。衡量金屬材料強度的指標(biāo)有屈服極限、抗拉強度等。但常用者為屈服強度。衡量韌性的指標(biāo)可有沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度等。2/4/202333沖擊韌性或沖擊功沖擊功的大小，一般是用沖擊彎曲試驗方法將試樣沖斷時所消耗的功來確定。這樣，試樣斷裂時所消耗的功Ak可由三部分組成：(1)消耗于試樣彈性變形的彈性功Ae；(2)消耗于試樣塑性變形的塑性功Ap；(3)裂紋出現(xiàn)后，消耗于裂紋的發(fā)展以致完全斷裂的斯裂功Ad。Ak＝Ae+Ap+Ad2/4/202334對于不同材料，沖擊時所消耗的總功可能相同，但其中彈性功、塑性功和撕裂功三者所占的比例卻可能相差很大。彈性功——是表示材料在開始塑性變形前所吸收的變形能的大??；塑性功——是表示材料開始塑性變形以后以及進一步發(fā)展直到裂紋形成以前，所吸收的變形能的大??；撕裂功——表示裂紋發(fā)展直到完全斷裂所吸收的變形能。2/4/202335材料所表現(xiàn)的“韌”、“脆”如果材料有較大的塑性功，則表現(xiàn)為斷裂前有顯著的塑性變形。如果材料有很大的撕裂功，則表現(xiàn)為裂紋發(fā)展很慢，在斷口附近有明顯的塑性交形，而且斷口為纖維狀。如果Ak值相同，但塑性功很小，撕裂功幾乎沒有，則材料在斷裂時，將無明顯塑性變形，并且斷裂出現(xiàn)后，突然斷裂，斷裂面為晶粒狀，因此表現(xiàn)為脆性斷裂。因此Ak值的大小，并不能完全清楚地表明材料的韌和脆。實際上，塑性功、撕裂功，特別是撕裂功的大小，才能真正地顯示材料的韌脆情況。2011-9-29-32/4/202336沖擊值－溫度曲線示意圖2/4/2023374.2.3影響強韌性的因素晶粒的大小珠光體的數(shù)量、大小及分布Nb、V、Ti等合金元素的作用2/4/202338晶粒的大小隨著晶粒尺寸的減少，金屬的屈服極限升高，脆性轉(zhuǎn)變溫度下降。2/4/202339晶粒越細，晶界越多，對位錯運動的阻礙越大（滑移從某一晶粒轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒）晶粒越細，晶粒內(nèi)部的位錯源越少晶粒越細，位錯在晶界處塞積而引起的應(yīng)力集中越小且分散，不容易產(chǎn)生微裂紋，韌性提高2/4/202340珠光體的數(shù)量、大小及分布珠光體為滲碳體與鐵素體所組成的混合物。在通常的情況下，珠光體中的滲碳體與鐵素體成相間排列而構(gòu)成片層狀組織。在一定的條件下，珠光體中的滲碳體可呈顆粒狀，稱為粒狀珠光體。一般來說，珠光體的體積百分數(shù)增大時，使鋼材硬化，從而導(dǎo)致鋼的韌性變壞。2/4/202341控制軋制0.8%Mn低碳結(jié)構(gòu)鋼的珠光體量，鐵素體晶粒直徑對脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響2/4/202342Nb、V、Ti等合金元素的作用鈮、釩、鈦等合金元素皆與碳、氮有極強的親合力，能夠形成極為穩(wěn)定的碳氮化物。在鋼中都有細化晶粒，提高晶粒粗化溫度的作用，并對強度和韌性也各自有其不同的影響。2/4/202343延遲再結(jié)晶和阻礙再結(jié)晶后的晶粒長大，鈮對再結(jié)晶的抑制作用甚為明顯。在g區(qū)域內(nèi)進行熱加工時，將會產(chǎn)生應(yīng)變誘引析出，如析出NbC、VkC3等，這種析出可在受到熱加工的g晶界、亞晶界上進行。由于這種析出而使再結(jié)晶受到延遲。細化晶粒，提高晶粒粗化溫度。Nb、V等合金元素皆有細化晶粒和提高晶粒粗化溫度的良好作用（與控制軋制結(jié)合）。產(chǎn)生析出硬化。如前所述，在鋼中加入Nb、V、Ti等合金元素后皆可形成碳氮化物。其所產(chǎn)生的強化作用與析出碳化物質(zhì)點的大小有關(guān)。當(dāng)析出物微細而阻礙位錯運動時，可使金屬的強度提高。2/4/2023444.2.4軋制工藝參數(shù)控制溫度參數(shù)：加熱溫度、軋制溫度、冷卻開始和終了溫度速度參數(shù)：變形速度、冷卻速度變形程度參數(shù)：總變形程度、道次變形程度(特別是終軋道次變形程度)時間參數(shù)：道次間的間隙時間、變形終了到開始急冷的時間2/4/202345軋制時奧氏體及鐵素體組織變化2/4/202346變形溫度的控制鋼在軋前進行加熱時可進行碳氮化物(或氮化物)的溶解和奧氏體晶粒的長大兩個過程。奧氏體晶粒的尺寸決定于剩余相質(zhì)點的溶解度軋前奧氏體晶粒尺寸主要決定于加熱溫度和形成碳化物的微量合金元素的含量降低軋前加熱溫度，促進軋制前后組織的細化，改善了鋼的強韌性。2/4/202347終軋溫度隨著終軋溫度的降低，所有鋼的屈服極限都升高。這是由于獲得了比較細小的鐵素體晶粒的結(jié)果。隨著終軋溫度由950℃下降至800℃左右時，脆性轉(zhuǎn)變溫度也下降。但終軋溫度進一步下降到700℃時，脆性轉(zhuǎn)變溫度反而升高。很顯然，在軋制過程中所形成的鐵素體本身產(chǎn)生了變形，且再結(jié)晶不完全，從而使抗沖擊能力下降。在700℃終軋后所出現(xiàn)的鐵素體中產(chǎn)生了亞結(jié)構(gòu)。2/4/202348變形程度的控制在控制軋制過程中，一般隨變形程度的增加，晶粒變細。從而使鋼材的強度升高，脆性轉(zhuǎn)變溫度下降。2/4/2023