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1、u 主讲讲教师师：王建强第七讲：钢的强化机理与韧化途径(一)第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）u 工程上，希望材料即高强，又高韧。u 不同材料具有不同的性能。但有时成分差别很小的材料，也 会表现出不同的性能。比如：不同牌号的钢。u 人们总是想能够通过人工参与的方法，使材料表现出最佳的 性能来。引言-学习意义2第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）材料科学面临的任务一3第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）一、材料科学面临的任务l发展高性能和特殊物理性能的材料l提高材料的强度l改善材料的韧性途径一、设计 制造新型材料途径二、改造现有基 础材料。如金属材料 （特别是合金钢）4第七讲：钢的强化机理与韧
2、化途径（一）一、材料科学面临的任务途径一、制造新型材料新型材料新型陶瓷材料 高分子材料具有特殊物理性能的金属材料复合材料5第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）履带履带铁路辙岔6一、材料科学面临的任务第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）一、材料科学面临的任务u 新型材料的主要特点:l优点：高比强度、高比刚度、以及特殊物理性能。l缺点：原材料价格昂贵，制造技术复杂，生产成本高。新型材料主要用于航天和高新技术领域，在一般工程和 技术装备上，在相当长的时期内还难于广泛应用。因此， 对基础材料的研究显得更为重要。7第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）一、材料科学面临的任务途径二、改造现有基础材料l结构钢
3、、铝合金和钛合金等基础结构材料，提高强度、改 善韧性为主要研究方向。合金结构钢强化低强度钢 韧化高强度钢合金结构钢强韧 性相匹配地提高工艺过程8第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）p 研究钢强韧性的经济意义n节约钢材钢材的强度和韧 性成倍的提高减小钢构件的 厚度、面积等1、节约大量钢材； 2、节约生产这些钢材所需 的能源； 3、节省人力及运输成本。9一、材料科学面临的任务第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）以富产、廉价 的合金元素取 代稀缺、昂贵 的元素u节约合金元素要求：获得相近的 微观结构、组织形 态，达到相同的强 度级别大量节约贵 重的Ni、Cr 、Co等战略 元素10一、材料科学面临的
4、任务第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）钢强韧化的研究内容及理论依据二11第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）1、钢的强度及韧性l强度是材料抵抗变形与断裂的能力。强度取决于原子或离 子之间的结合力。l钢的强度：200MPa2000MPa。因实际金属中存在缺陷,实 际强度都比理论强度低。l1934年，奥罗万提出晶体位错的概念。位错理论的发展揭 示了晶体实际强度低于理论强度的本质。l强度的高低受缺陷数量的限制。l韧性是材料从变形到断裂全过程所吸收能量的总和。12二、钢强韧化的研究内容及理论依据第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）2、金属材料的强化机理金属材料的强化大致分为如下几种: (1)晶体本身
5、的内在摩擦力。 (2)由位错密度和原子空位密度的增大而引起的强化。 (3)固溶强化与有序强化。 (4)细化晶粒强化，由晶界和堆垛层错等面缺陷引起的强化。 (5)析出强化及弥散强化。除了(1)以外，其余均与金属的显微组织密切相关。13二、钢强韧化的研究内容及理论依据第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）2、金属材料的强化机理n晶体中存在三种缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷。l点缺陷增强空位、间隙原子 、杂质原子晶 格 畸 变强 度 提 高可动 位错 减少14二、钢强韧化的研究内容及理论依据第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）p途径二：向金属内引入大量晶 体缺陷，如位错、点缺 陷、异类原子、晶界、 高度
6、弥散的质点等，这 些缺陷阻碍位错运动， 也会明显提高金属强度。p途径一： 尽可能地减少金属 中的位错数量，抑制 位错源的开动，从而 使金属材料接近金属 晶体的理论强度。如复合材料中 加入金属晶须 （无位错）的 强化原理提高实际金 属强度最有 效的途径 线缺陷增强15二、钢强韧化的研究内容及理论依据第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）面缺 陷增 多晶界、亚晶界、 相界和层错等阻碍位错 运动和裂 纹的扩展 ，增大这 些过程所 消耗的能 量强 度 提 高16二、钢强韧化的研究内容及理论依据面缺陷增强第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）二、钢强韧化的研究内容及理论依据3、钢强韧化的主要研究内容钢 的
7、强 化化学成分及工艺组织性能1、找出适宜的冶 金技术途径来提 高钢的强韧性 2、研制出新的高 强韧性钢种研究内容研究目的17第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）如：增加晶体缺陷数目二、钢强韧化的研究内容及理论依据位错强化第二相强化细晶强化固溶强化钢的 强化 措施理论依据具体措施影响位错等缺陷 运动的难易程度改善微观组织结构184、钢强化的主要措施第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一） 19钢的具体强化形式及其机理三第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）三、钢的强化形式及其机理1、细晶强化p概念p通过细化晶粒提高钢强度的方法称为细晶强化。 p晶粒尺寸对钢屈服强度的影响可用霍耳-派赤（Hall-Pet
8、ch） 公式表示。ni 晶粒内部位错运动的内摩擦力 nK 常数nd 晶粒直径可见：晶粒越小，屈服强度越高。20第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）三、钢的强化形式及其机理例如：n软钢粗晶粒（d=250m）时，s=100MPa n软钢细晶粒（d=2.5m）时，s=500Mpa p强化机理p由于晶界两侧晶粒的取向不同、杂质原子多，位错滑移 阻力增大。p常温下，晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就 越多，强度就越高。p亚晶粒的细化也具有使钢强化的作用。21第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）三、钢的强化形式及其机理p细晶强化措施n变质处理n增加过冷度n振动与搅拌 n塑性变形、再结晶、重结晶凝固过
9、程中 的措施凝固完成后 的措施22第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）三、钢的强化形式及其机理例如：n对于珠光体来说，为了达到强化目的，可向钢中加入一些增加过 冷奥氏体稳定性的元素Cr、Mn、Mo等，使C曲线右移，在同样的冷 却条件，可以得到片间距细小的珠光体(S,T)，从而达到强化的目 的。n同样，对于马氏体强化来说，也包含有马氏体晶粒细化来强化钢 的目的。注意：高温时，由于晶界滑动成为材料形变的重要组成部 分，这时，细晶材料的强度反而比粗晶材料强度低。23第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）2、固溶强化p概念p由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生 畸变，导致固溶体硬度和强度升高
10、的现象叫做固溶强化 。p强化机理p弹性模量效应p原子尺寸效应镍-铬-铁基固溶强化合金 三、钢的强化形式及其机理24钢合金化的主要目的之 一就是产生固溶强化第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）三、钢的强化形式及其机理2、固溶强化p特点2、它是利用点缺 陷对位错运动的阻 力使金属基体获得 强化的一种方法1、它是通过在金 属基体中溶入一种 或数种溶质元素形 成固溶体而使金属 强度、硬度升高碳、锰、硅、磷、铜等元素，尤其是碳和锰是钢中主要的固溶强化元素。 25第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）三、钢的强化形式及其机理2、固溶强化p分类 按溶质原子在基体金属晶格中的存在方式： 262、置换式 固溶原子
11、与溶剂原子的尺寸差异愈大，固溶原子与位错的弹 性交互作用就愈大，强化作用也愈显著。 如：钨在钢中的强化作用比钼要高。1、间隙式 溶质原子溶入体心立方结构金属，如碳、氮原子溶入a-Fe中, 强化作用特别强； 而当溶入面心立方结构金属时，如碳、氮在具有面心立方点 阵的-Fe中，强化作用不明显。 第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）2、固溶强化合金元素的固溶强化效果一般可表示为：式中，Ki为系数，Ci为固溶度。对与C、N等间隙原子，n=0.332.0，对于Mo,Si,Mn等 置换原子，n=0.5 1.0。27三、钢的强化形式及其机理第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）钢的固溶强化n铁素体是基本相 l
12、F在多数钢中是基本相。在结构钢中占95%左右。因此 ，了解合金F的性能，即可正确评定钢的一般性能水 平。n合金铁素体 lMe进入F中，形成合金F。28三、钢的强化形式及其机理第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）3035406080856904670 /100MP aCrMnCuAlTiSiP C+NiFig.1 不同元素溶于铁素体引起的值的变化式中 ：第i种Me溶于F中的重量百分浓度(不是含量)。 ：1%的第i种Me引起屈服强度增量的F强化系数多种合金元素加入钢时，对F(钢)强度的贡献等于各种Me对F （钢）强度的贡献之和。即29三、钢的强化形式及其机理第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）可见
13、，在低浓度范围内，C 、N、P对铁素体的强化效果 最大，Ni最小。 C及NPSiCu MnMoCrNi屈 服 强 度 增 加 量元素%含量0-75例：合金元素在低碳铁素体钢中的强化效果30三、钢的强化形式及其机理第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一） 31三、钢的强化形式及其机理注意：置换式固溶强化效果远低于间隙式固溶；而且置换 固溶强化效果大的元素对韧性的危害也较大。1、固溶强化 效果受固溶 度的限制固溶强化的缺点2、固溶强化会带来 其他性能的变化：降低 伸长率和冲击韧性Akv ，降低材料的加工性， 提高钢的韧脆转变温度 Tk等。第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）本讲主要内容 材料科学面临的任务钢强韧化的研究内容及理论依据钢的强化形式及其机理(细晶、固溶) 12332第七讲：钢的强化机理与韧化途径（一）作业题1、金属材料的强化机理有哪几种？2、细晶强化机理是什么？3、何谓固溶强化，其强化机理是什么？33
