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1、材料加工物理冶金学 北京科技大学材料学院 刘靖,参考书： 1.王占学，控制轧制与控制冷却，冶金工业出版社，1988年 2.刘永铨，钢的热处理，冶金工业出版社，1987年 3.毛卫民，金属材料的晶体学织构与各向异性，科学出版社，2002年 4.王有铭等，钢材的控制轧制与控制冷却，冶金工业出版社，1995年,二战期间大量的船舶脆断 提高钢材的韧性。解决办法：提高Mn/C比、铝脱氧、正火工艺、900以下，变形20-30%的低温大压下 构成控轧控冷的基础；,1. 绪论,控轧控冷技术的发展:,50年代发现Nb的强化作用，但含Nb钢板脆转温度高，60年代后期 为控轧工艺的发展提供了理论依据；,70年代后应
2、用普及，新钢种、新工艺逐渐开发出来。 控制轧制+控制冷却的方法称为热机械控制工艺。(TMCP,Thermo Momechanical Controlled Processing)。,热加工中的微观组织性能控制 塑性加工的作用:改形、改性 形变热处理: 热挤压：,图6 挤压过程可能产生的组织变化,轧制 ： 锻造： 大型锻件金属流动非常复杂 经验成分占主 导地位； 锻造设备以及辅助工具不完全配套； 毛坏为含有粗大的树枝状晶粒、偏析严重、 孔洞、疏松、夹杂等缺陷的大型钢锭。,研究进展： 德国Aachen大学的RKopp教授采用不断细化 网格的有限元法对热镦粗时的动态再结晶状况进 行了数值模拟，引入边
3、界条件对于有限元数值模 拟的影响，并对模锻过程中的微观组织结构变化 进行了模拟研究； 清华大学也曾采用三维刚粘塑性有限元方法模 拟了热镦粗过程中的动态软化变化过程。,图11 变形体中软化机制分布示意图 (在发生再结晶时，同时伴随有恢复),图12 拔长时随锻造过程的进行各处所发生的 软化机制(当前压下第三砧),材料的化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间的关系 ：,图1-2 钢材性能与冶金因素、组织的关系,组织,工艺,性能,金属材料的力学性能： 金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外 力或能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质 和加载速率)联合作用下所表现的行为。 力学性能通常包括： 强
4、度指标：S、b； 塑性指标：、； 韧性指标：k、Kc。, 金属的理论屈服强度 切应力与位移之间的关系 可表示为： 令a=b则,图1-3 原子面受力后产生的位移,一般金属的剪切弹性模量G：104105MPa， 金属的理论屈服强度：103 104MPa。实际纯 金属单晶体的屈服强度要比此值低100 1000 倍。 对钢而言，G78453 MPa，理论屈服强 度s=212486Mpa，钢的实际屈服强度远远 低于理论屈服强度。,（2）金属的理论断裂强度 断裂强度：,图1-4 原子间结合力的双原子模型 1-吸引力；2-排斥力；3-合应力,max就是理论断裂强度。,高强度钢的断裂强度可达2100Mpa，约
5、为理 论断裂强度的十分之一。一般工程材料的断裂强 度比理论断裂强度低10-1000倍。 原因：,实际金属不是理想晶体，滑移过程不是刚性的、整体的移动； 在实际晶体中存在有位错，位错具有可动性，位错可以通过点阵滑移从一个位置移向另一个位置； 滑移是一个逐步进行的过程，材料的断裂也可以用位错的塞积、塞积群的扩展和攀移来说明。,（3）金属的韧性 1）韧性的定义及其表示：综合应用较高冲击速 度和缺口试样的应力集中，来测定金属从变形到 断裂所消耗的冲击能量的大小。 韧性指标：Ak(J)、ak(J/cm2),韧性-脆性转化温度Tk（C） 及表示方法 选取一定的冲击功所对应 的温度为Tk；用夏比V 形缺 口
6、试样，冲击功为20.34J的Tk用 V15TT表示； 断口面积上出现50%结晶状断 口时的温度为Tk，以50%FATT 表示；以100%结晶状断口时 的温度为Tk，此时为零塑性转 变温度，用NDT表示。,图1-5 冲击功、结晶断口比例随试验温度变化曲线 1.冲击功曲线；2.断口形貌曲线,2）影响冲击韧性的因素 材料的组织、结构的影响： 1）面心立方点阵 2）体心立方、密排六方点阵 3）细小均匀分布的第二相质点 4）颗粒状与片状相比 5）尖角状、网状连续分布 6）第二相与基体的性质差异 7）内部缺陷的影响：, 温度的影响：三个脆性区 ：冷脆性、蓝脆 性、重结晶脆性。,图 1 钢的几个脆性的温度区
7、域,图2 不同含碳量的钢的冷脆和蓝脆温度范围, 形变速度的影响,图3 冲击速度对钢的韧-脆转化温度的影响,试样尺寸的影响：试样尺寸 ，韧性 ，断口纤维状区比例减小，韧-脆转化温度提高（原因）。,2 钢铁材料强韧化理论,金属的强化： 金属材料强化的基本途径： ：(1)制成无缺陷 的完整晶体，使金属的晶体强度接近理论强度。 铁晶须 ：直径1.6m铁单晶纤维，max可达 3640MN/m2，十分接近铁的理论屈服强度 8200MN/m2 (2)在有缺陷的金属晶 体中设法阻止位错的运 动。,金属材料中的显微缺陷组织可分为： (1)点缺陷： (2)线缺陷： (3)面缺陷： (4)体缺陷： 强化手段： 固溶
8、强化、位错强化、晶界强化、第二相粒子析出强化及相变强化。,提高韧性的具体途径： （1）成分控制 Bucher对C-Mn-Si钢：,表2-2 合金元素对工业纯铁强度和韧性的影响,Pickering: C0.25%热轧碳钢：,1）P、S的影响 P：回火脆性和影响交叉滑移； S：增加夹杂物颗粒，减小夹杂物颗 粒间距，使材料韧性下降。 措施：尽可能降低S、P含量；加入稀 土、Ti、Zr等元素。,2）C的影响 碳量，钢中珠光体量（Fe-C相图）， 50FATT 。 措施：在钢种允许的成分范围内降低碳含量，强 度下降由增加成分中锰含量来弥补。 3）V的影响：VN的形成阻止奥氏体再结晶 细化转变后的晶粒。问
9、题：过多的固溶V阻止交 叉滑移而影响韧性。,（2）气体和夹杂物控制 氢：引起白点和氢脆；氮：使钢的韧性下 降；氧化物：使钢的韧性下降；硫化物： 硫+锰MnS夹杂（塑性，减轻硫的有害 影响） ，缺点：热轧钢板横向韧性。 措施：降低钢中硫含量；加锆(Zr)和稀土等 元素。,图2-2 铸造工艺对夹杂物总量及韧性各向异性的影响 a.顶注；b.连续铸锭；c.压力浇注；d.电渣重熔 Ak为20C夏氏V型值（9.8J）；b均为540MPa,(3) 压力加工工艺的控制 (4) 热处理工艺的选择 固溶强化： 强化的实质：通过 改变金属的化学成 分来提高强度。 强化的金属学基础： 运动的位错与异质原 子之间的相互
10、作用的 结果。,固溶强化分类：间隙式固溶强化和置换式固溶 强化 （1）间隙式固溶强化： 碳、氮等溶质原子嵌入 a-Fe晶格的八面体间隙 中，使晶格产生不对称 正方性畸变造成强硬化 效应。,图2-5 铁的屈服应力和含碳量的关系,柯氏气团 ： 作用： Snock气团 ：,图2-6 (SS)C+N随C、N含量的变化规律,综合考虑各种效应，可以把间隙原子对强度的 影响写成下面的通式，即： Ki：由间隙原子性质、基体晶格类型、基体的刚 度、溶质和溶剂原子的直径差及二者的化学性质 差别等因素决定的数值； Ci：间隙原子的固溶量（原子百分数）； n：0.332.0之间变化的一个指数 。,间隙式固溶强化对塑性
11、、韧性的影响： 1）间隙原子在铁素体晶格中造成的畸变是不对 称的，所以随着间隙原子浓度的增加，塑性和韧 性明显下降。 表 碳钢马氏体含量和冲击值的关系,2）碳、氮间隙原子能引起低碳钢的蓝脆 应变硬化指数变大，延伸率降低（蓝脆）。 同样，螺型位错线附近的Snock气团也会使 塑性降低。 结论：,（2）置换式固溶强 化：畸变大都是球面 对称，强化效能比间 隙式原子小两个数量 级 （弱硬化）。 元素类型不同，强化 效能也不同。,图2-7 置换式元素对a-Fe屈服强度的影响,置换式固溶强化通式： Ks：常数，Cs：溶质原子的固溶量（原子百 分数），n：0.51.0之间。,置换式固溶强化对韧性的影响：
12、1） 基体中含有置换式固溶原子（如Si、P、Mn） 平面滑移硬化指数n=均匀延伸率u。 2)钢中加入Ni(或Pt、Pd)，能促进低温时螺型位 错交滑移，使韧性提高。Si、Al使低温交滑移困 难，钢的塑性和韧性降低。 3)影响钢基体的层错能 增加层错能的元素： 降低层错能的元素： 4）若能降低基体的Peierls力，可提高钢的低温韧 性。,小结： 固溶强化效果取决于： 溶质元素在溶剂中的溶解度大小； 溶质元素溶解量； 形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B）强 化作用大于形成置换式固溶体（如Mn、Si、P） 的溶质元素； 溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果 也愈显著。,固溶强化机制： 位错的
13、钉扎作用； 位错运动的摩擦阻力增加； 结构强化引起的强化；,2.2 应变强化（位错强化）,图2-10 不同结构的钢的强化状态,位错密度与强度值增加v之间关系式： B：无量纲系数，数量级为1； b：柏氏矢量； G：抗剪摩数； ：位错密度。,位错对塑性及韧性的影响：(1)位错的合并以 及在障碍处的塞积会促使裂纹形核，使塑性和韧 性降低。(2)由于位错在裂纹尖端塑性区内的移 动可减缓尖端的应力集中，使塑性和韧性升高。,图2-11 通过冷变形改变的冲击韧性和脆性转化温度,2.3 晶界强化 晶界：相邻的取向不同的晶粒边界区域， 或者说是周期性排列的点阵的取向发生突 然转折的区域。 晶界特点： （1）界面
14、能；（2）界面能量 高于晶粒内部；（3）对力学性能的影响。 大角度晶界，小角度晶界。,2.3.1 晶界强化机理 ： 多晶体内变形的不均性；,图 节状晶体的拉伸变形,晶界的阻碍作用 ； 多晶体晶粒的塑性变形必须满足连续性的条件,图 晶界对滑移的阻碍作用,图 在晶界上的位错塞积群,2.3.1 Hall-Petch(霍尔配奇)公式 i：常数，相当于单晶体时的屈服强度； K1：反映晶界对强度影响程度的常数，它和晶界结构有 关，和温度关系不大。,图 软钢的晶粒大小对压缩屈服应力和拉伸脆断应力的影响 -压缩屈服应力；-拉伸脆断应力,图2-15 0.15%碳钢屈服强度和晶粒直径间的关系 -静拉；-变形速度1
15、.4102S-1; 变形速度2.1102S-1,铁素体一珠光体钢有下述形式的Hall-Petch关系式： 式中i和p分别表示完全为铁素体和完全为珠光体时的 内摩擦应力；f和fp分别表示铁素体和珠光体的体积分数 （f+fp=1）；d为铁素体晶粒直径。 铁素体-珠光体钢中Mn、Si含量对屈服强度的影响：,晶界强化对强度的影响： 铁素体晶粒细化，可以提高屈服强度 (d与 )； 晶界是位错运动的障碍，细化晶粒可使材料的屈 服强度提高。 晶界强化对塑性的影响： 晶界可把塑性变形限定在一定的范围内，使变形 均匀化，因此晶粒细化也可以提高材料的塑性。 晶界强化对韧性的影响 ： 晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒愈细，裂纹扩展临 界应力c愈大，材料的韧性愈高。,图2-16 晶粒大小与面收缩率的关系,经验公式： 式中A、m为常数，对于结构m=12C/mm-1/2。 晶粒的均匀程度对AK值也有影响，均匀的晶 粒能提高AK值。,只有晶界强化机理才能使材料强化的同时又 使材料的韧塑性提高，所以细化晶粒就成为控制 轧制工艺的基本目标。 2.4 亚晶强化 亚晶界：晶内界面，晶粒内取向差在几度范 围的各个小区域。 形成条件：在奥氏体未再结晶区或奥氏 体、铁素体两相区变形；冷变形后低温回火。 强化原因：亚晶本身是位错墙，亚晶细小， 位错密度也高。强化作用方面与晶界具有类似的 性质。,对强度的影响： 式中
