材料加工组织性能控制(第一、二章)

对强度的影响：
式中i、K分别是Hall-Petch公式的单晶体的屈服 强度和晶界强化系数；D：没有亚晶的等轴铁素 体尺寸；d：铁素体亚晶的尺寸；fF：等轴铁素体 的分数。
2.5 沉淀强化 定义：第二相质点沉淀时，沉淀相在基体中造成 应力场，应力场与运动位错之间的交互作用。 沉淀强化（时效强化）： 弥散强化： 2.5.1 沉淀析出条件 固溶度随温度的降低而减少。
(3) 压力加工工艺的控制 (4) 热处理工艺的选择 2.1 固溶强化 固溶强化概念： 强化的实质：通过改变金属的化学成分来提高强度 （晶格中铁素体的组织状态没有变化）。 运动的位错与异质原子之间相 强化的金属学基础： 互作用的结果。
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 不对称正方形畸变造 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 ： Snock气团 ：
作用：
图 2-6 (SS)C+N 随 C 、 N 含量的变化 规律
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 。
4）影响冲击韧性的因素 ①材料的组织、结构的影响： a）点阵类型的影响： b）第二相质点的影响： c）第二相与基体的性质差异的影响： d）内部缺陷的影响： e）晶粒大小的影响：
② 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域
图2 不同含碳量的钢的冷脆和蓝 脆温度范围
（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，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。
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
响。
纯金属、单相固溶体、化合物塑性的比较： 面心、体心、六方晶格金属塑性的比较： 多相、单相金属塑性的比较： 晶粒大小的影响：
塑性的表示方式：
金属的强度：
塑性与柔软性的区别：
塑性加工的作用：改形、改性。
改形：
改性：
形变热处理：
强韧性能的基本概念及理论
冶炼、浇注、冷热 加工成形和热处理 等。
图 化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间关系
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 d 12 比较 )； 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 2S p 12 愈大，材料的韧性愈高。 c d Ky
性能
手段
工艺
图1-2 钢材性能与冶金因素、组织的关系
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： 强度指标：Re、Rm； 塑性指标：A、Z； 韧性指标：k、Kc。
⑴ 金属的理论屈服强度
1）C的影响
C，钢中珠光体量（Fe-C相图）， 50％FATT 。 措施：增加Mn/C比 2）Al的影响 Al两方面的作用：
3）P、S的影响 P：回火脆性和影响交叉滑移； S：产生应力集中及各向异性（P含量；2）加入 稀土、Ti、Zr等元素。
4）N的影响 a)增加钢的时效性；b)产生“蓝脆”；c) 细化晶粒。 5）V的影响：VN的形成阻止奥氏体再结 晶细化转变后的晶粒。问题：过多的固 溶V阻止交叉滑移而影响韧性。
2.2 应变强化（位错强化） 位错密度与强度值增加v之间关系式：
无量纲系数， 数量级为1 抗剪摩数
柏氏矢量
位错密度
位错强化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。
冲击值Cv(Nm) >20 1216 5 8 2 5
2）碳、氮间隙原子能引起低碳钢的蓝脆 结果：产生吕德斯带、应变硬化指数变大、 延伸率降低。 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。
加入Cr、V等元素可以和基体中的间隙元素碳、 氮形成化合物，抵消了碳和氮的强化作用。因此， 在考虑溶质元素的强化作用时，必须保证这些元 素是处于固溶状态。
间隙式固溶强化对塑性、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，随着间 隙原子浓度的增加，塑性和韧性明显下降。
马氏体含碳量(%) <0.2 0.3 0.5 0.7
-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 〇-静拉；●-变形速度1.4×102S-1; 变形速度2.1×102S-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：
③ 形变速度的影响
④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。
（2）在有缺 陷的金属晶体 中设法阻止位 错的运动。
铁晶须： 最大剪切 应力可达 3640MPa。
2.5.3 弥散强化 特点： (1) 强化相质点是通过机械混合，压制烧结 到基体中去的。没有沉淀析出过程。 (2) 第二相在 基体中一般溶解度都很小，甚至在高温下。所以很 稳定，不易长大。 (3) 第二相与基体没有共格关系。 (4)弥散强化合金不要求随温度降低固溶体的溶解 度要降低的限制，可以设计大量的弥散合金系统。 机理：绕过理论
令 a=b
图 原子面受力后产生的位移
对钢而言，G＝78453 MPa，理论屈服强度 Re=12492MPa，实际纯金属单晶体的屈服 强度要比此值低100 ~ 1000倍。 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
理论断裂强度
正弦函 数波长
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
公式的适用范围
变量 平均 范围
%Mn %Si %Nf %珠光体 d-1/2(mm-1/2) FATT(C)
0.93 0.07 0.006 14.9 8.06 -24.4
01.90 00.34 00.21 053 02014.48 -122.8075.6
表2-2 合金元素对工业纯铁强度和韧性的影响
溶质元素
P Pt Mo Mn Si Ni Co Cr V
原子直径(Å)
2.18 2.77 2.72 2.24 2.35 2.49 2.49 2.49 2.63
25(C)时下屈服点变 冲击韧性转变温度变 (107Pa/原子%) 化（C/原子%）
21.1 4.9 3.6 3.5 3.5 2.1 0.4 0.0 -0.2 130,300 -20 -5 -100 25 -10 -5 -
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： 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)对基体Peierls力的影响。
单位面积 表面能
高强度钢的断裂强度可达2100Mpa，约为理论断裂强 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：
①实际金属不是理想晶体，滑移过程不是刚性的、整 体的移动； ②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； ③材料中存在微裂纹。
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：
固溶的自 由氮含量 珠光体的 百分数 晶粒 尺寸
Mn含量
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：①在奥氏体未再结晶区或奥氏体、 铁素体两相区变形；②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。
小结： 固溶强化效果取决于： ① 溶质元素在溶剂中的溶解度大小； ② 溶质元素溶解量； ③ 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； ④ 溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果 也愈显著。