控轧控冷-强韧化
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控轧控冷(讲稿)
绪论控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小品粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。
控制冷却。
是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。
加热制度：加热温度，加热速度变形制度：各道次压下分配，变形间隔时间，变形速度等温度制度：开轧温度，各道次变形温度，终轧温度，快冷温度，快冷速度，卷取温度。
提高性能的主要手段：细化晶粒。
快冷作用：改善组织结构，抑制晶粒长大。
1钢的奥氏体形变与再结晶重点：1)热变形过程中各阶段的特征2)变形量与热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为特征的关系难点：细化动态再结晶晶粒尺寸与促使动态再结晶进行的矛盾1.1. 热变形过程中的奥氏体再结晶行为（动态再结晶）1.1.1.热变形各阶段的特征热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、再结晶软化过程的矛盾统一，如果钢在常温附近变形(冷加工)，随着变形量的增加钢的变形抗力增大。
从微观的观点看，随着变形量的增加位错密度增大。
这时异号位错合并以及由于位借的再排列引起的加工软化数量很少，因此变形应力不断增大。
在高温奥氏体区变形的钢，随着变形量的增大加工硬化过程和高温动态软化过程(动态回复和动态再结晶)同时进行，根据这两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。
图1-1表示了奥氏体热加工时的真应力—真应变曲线及其组织结构变化示意图，该真应力—真应变曲线由几个子阶段组成：图1-1 奥氏体热加工真应力-真应变曲线与材料结构变化示意图阶段应力变化动态再结晶情况位错变化宏观效果组织1 不断增加但增加速率变小发生动态回复，未发生动态再结晶密度不断增加，但增加速度变小，位错发生交滑移和攀移，动态多边形化加工硬化晶粒不断拉长2 先增到直到最大值发生部分动态再结晶位错大量消失，但增加的速度仍大于消失的速度加工硬化速度大于加工软化大部分晶粒被拉长，开始产生细小的再结晶晶粒3 减小发生部分动态再结晶位错大量消失，且消失速度大于增加速度加工硬化速度小于软化速度小部分晶粒被拉长，大量细小的再结晶晶粒产生4rcεε〈近似不变发生连续的完全动态再结晶位错大量消失，消失速度等于增加速度加工硬化与软化速度相等所有晶粒最终都变成细小的再结晶晶粒rcεε〉增加与减少交替，波浪式发生间断的完全动态再结晶位错大量消失，在一个周期内消失速度等于增加速度在一个周期内加工硬化与软化速度相等所有晶粒最终都变成细小的再结晶晶粒值得注意的是第三阶段。
钢材控制轧制和控制冷却技术
④、总变形量和道次变形量要大。 总变形量和道次变形量要大。 1）总变形量应 ） ，可得F体晶粒 （ ～ 级 >45%，可得 体晶粒 < 5µm 12～13级）
2）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。 ）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。 体晶粒尺寸（ ） ⑤、未再结晶区材料强度由固溶强化（ σ sh）和F体晶粒尺寸（d） 未再结晶区材料强度由固溶强化（ 体晶粒尺寸 等决定。 等决定。
§2控轧控冷理论
3、变形条件对A 变形条件对A
→ P转变的影响
r1的影响
变形使P体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。 （1）、变形使P体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。 （2）、变形对A 变形对A
§2控轧控冷理论
4、铁素体的变形与再结晶 （1）F体热加工中的组织变化 ①、F体热加工应力—应变曲线 体热加工应力 应变曲线 ②、F体热加工软化方式 ③、亚晶尺寸d 亚晶尺寸d （2）F体在变形间隙时的组织变化 ①、F体发生静态回复和再结晶软化 1）静态再结晶有条件的： > ε s 静态再结晶有条件的： ε 为临界值） （ε s为临界值） 2）影响静态再结晶的因素 ②、F体再结晶晶粒大小
§2控轧控冷理论
（2）位错强化 加工硬化是位错强化的外部表现 （3）沉淀强化 低合金钢中加入微量Nb、 低合金钢中加入微量Nb、V、Ti等元素，可形成碳化物、氮化物或碳氮化 Nb Ti等元素，可形成碳化物、 等元素 物，在轧制时或轧后冷却时，它仍析出 在轧制时或轧后冷却时，它仍析出——第二相沉淀强化 第二相沉淀强化 （4）晶界强化 晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的运动的阻力越大。 晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的运动的阻力越大。 1 霍尔—佩奇公式： 霍尔 佩奇公式： σ s = σi + Ki D 佩奇公式
2）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。 ）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。 体晶粒尺寸（ ） ⑤、未再结晶区材料强度由固溶强化（ σ sh）和F体晶粒尺寸（d） 未再结晶区材料强度由固溶强化（ 体晶粒尺寸 等决定。 等决定。
§2控轧控冷理论
3、变形条件对A 变形条件对A
→ P转变的影响
r1的影响
变形使P体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。 （1）、变形使P体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。 （2）、变形对A 变形对A
§2控轧控冷理论
4、铁素体的变形与再结晶 （1）F体热加工中的组织变化 ①、F体热加工应力—应变曲线 体热加工应力 应变曲线 ②、F体热加工软化方式 ③、亚晶尺寸d 亚晶尺寸d （2）F体在变形间隙时的组织变化 ①、F体发生静态回复和再结晶软化 1）静态再结晶有条件的： > ε s 静态再结晶有条件的： ε 为临界值） （ε s为临界值） 2）影响静态再结晶的因素 ②、F体再结晶晶粒大小
§2控轧控冷理论
（2）位错强化 加工硬化是位错强化的外部表现 （3）沉淀强化 低合金钢中加入微量Nb、 低合金钢中加入微量Nb、V、Ti等元素，可形成碳化物、氮化物或碳氮化 Nb Ti等元素，可形成碳化物、 等元素 物，在轧制时或轧后冷却时，它仍析出 在轧制时或轧后冷却时，它仍析出——第二相沉淀强化 第二相沉淀强化 （4）晶界强化 晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的运动的阻力越大。 晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的运动的阻力越大。 1 霍尔—佩奇公式： 霍尔 佩奇公式： σ s = σi + Ki D 佩奇公式
控轧控冷技术的发展及在钢管轧制中应用的设想
就之 一 ［ 。
写 Ｔ Ｐ技 术是 随着钢铁 材料性 能的提 高 和新 钢 种 ＭＣ ）
开发 的需要 而产 生 的 ，并 随之 得到 了持 续 的发 展 与
应 用 ，其 可在不 降低 韧性 的前 提下 获得更 高 的强度
王 国栋 （ ９ ２ ） １４ 一 ，男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，中 国工 程 院 院士 ，中 国金 属 学 会 常 务理 事 ，中 国金 属 学 会 轧 钢 学
在 Ｔ Ｐ技 术 的发 展 历 程 中 ，人 们 首 先 认 识 ＭＣ 到 的是控 制轧 制 。控 制轧制 是 一种用 预定 的程序 来
控 制热 轧 钢 的变形 温度 、压 下量 、变 形道 次 、变 形
会副理事长 、轧制理论学术委 员会 主任 。长期从事钢铁 材料轧制理论 、工艺 、自动化等领域的应用基础和工程 技术研究。先后 主持 和完成多项 国家重点基础研究发展 计划 （ ７ ） 目、高技术 研究 发展计划 （６ ） 目、国 ９ ３项 ８ ３项
时间
（ 例如 Ｎ ） ｂ 是为了提高奥氏体 的再结晶温度 ，使奥 氏体在 比较 高 的温度下 还 处于未 再结 晶区 ，从 而增 大奥 氏体在 未再 结 晶区 的变形量 ，实现奥 氏体 的硬 化。 仅 通过控 制 轧制对 钢材 性能 的提 高有一 定 的局 限性 。比如 “ 温大 压 下 ” 长 久 以来 形成 的 “ 低 与 趁热 打铁” 的传统观念背道而驰 ，它必然受到设备能力 等 条件 的 限制 。操 作方 面 的 问题 也不 容 回避 。为 了 突破控 Ｎ￣Ｎ 的限制 ，同时也是 为 了进一 步强 化钢 Ｆ Ｌ 材 的性 能 ，在控 制轧制 的基 础上 ，又 开发 了利用 轧 材余 热 进行 热处 理 的控 制冷 却技 术 。控制冷 却 的核
写 Ｔ Ｐ技 术是 随着钢铁 材料性 能的提 高 和新 钢 种 ＭＣ ）
开发 的需要 而产 生 的 ，并 随之 得到 了持 续 的发 展 与
应 用 ，其 可在不 降低 韧性 的前 提下 获得更 高 的强度
王 国栋 （ ９ ２ ） １４ 一 ，男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，中 国工 程 院 院士 ，中 国金 属 学 会 常 务理 事 ，中 国金 属 学 会 轧 钢 学
在 Ｔ Ｐ技 术 的发 展 历 程 中 ，人 们 首 先 认 识 ＭＣ 到 的是控 制轧 制 。控 制轧制 是 一种用 预定 的程序 来
控 制热 轧 钢 的变形 温度 、压 下量 、变 形道 次 、变 形
会副理事长 、轧制理论学术委 员会 主任 。长期从事钢铁 材料轧制理论 、工艺 、自动化等领域的应用基础和工程 技术研究。先后 主持 和完成多项 国家重点基础研究发展 计划 （ ７ ） 目、高技术 研究 发展计划 （６ ） 目、国 ９ ３项 ８ ３项
时间
（ 例如 Ｎ ） ｂ 是为了提高奥氏体 的再结晶温度 ，使奥 氏体在 比较 高 的温度下 还 处于未 再结 晶区 ，从 而增 大奥 氏体在 未再 结 晶区 的变形量 ，实现奥 氏体 的硬 化。 仅 通过控 制 轧制对 钢材 性能 的提 高有一 定 的局 限性 。比如 “ 温大 压 下 ” 长 久 以来 形成 的 “ 低 与 趁热 打铁” 的传统观念背道而驰 ，它必然受到设备能力 等 条件 的 限制 。操 作方 面 的 问题 也不 容 回避 。为 了 突破控 Ｎ￣Ｎ 的限制 ，同时也是 为 了进一 步强 化钢 Ｆ Ｌ 材 的性 能 ，在控 制轧制 的基 础上 ，又 开发 了利用 轧 材余 热 进行 热处 理 的控 制冷 却技 术 。控制冷 却 的核
控轧控冷
六十年代初：英国斯温顿研究所提出，铁素体珠光体钢中显 微组织与性能之间的定量关系。
著名的Petch关系式明确表明了热轧时晶粒细
化的重要性。
六十年代中期：英国钢铁研究会进行了一系列
研究：降碳改善塑性和焊接性能，利用Nb、V 获得高强度，Nb对奥氏体再结晶的抑制作用以 及细化奥氏体晶粒的各种途径。
六十年代后期：美国采用控制轧制工艺生产出σs＞ 422MPa的含Nb钢板，用来制造大口径输油钢管。日 本用控制轧制工艺生产出强度高，低温韧性好的钢板， 并开发出一系列新的控制轧制工艺，提出了相应的控 制轧制理论。这期间人们重视奥氏体再结晶行为的研 究，开始认识到未再结晶区轧制的重要性。 七十年代：完成了控轧三阶段，Nb、V、Ti应用逐步 完善。
１．再结晶热轧
２．板材加速冷却
水——钢的最有效的合金化添加剂
1. 控轧工艺分哪几类？控轧实践中最常用的
是哪种工艺？分别画出示意图。 ２.Ⅰ型控轧与Ⅱ型控轧相比，哪种工艺轧材 的性能更好些？为什么？
３.如何理解“水是最有效的合金化添加剂”这
句话.
4. 对结构钢的要求有哪些要素?
２．钢的热加工金属学基础
工程应力 ζ＝P/A0
工程应变 ε＝(l－l0)/l0
A’: 比例极限
A：弹性极限
B：屈服强度
C：抗拉强度
7
6
7 8
真应变：e＝lnl/l0
ε＝(l－l0)/l0＝l/l0－1
l/l0 ＝ε＋1
e＝ lnl/l0＝ ln (ε＋1)
从上式看出： ε较小时， e≈ ε，随ε↑，其
差别显著 e＜ε
Nb钢的晶粒比Si-Mn钢要细，见图2--34.
３．初始晶粒直径
r0↓，再结晶晶粒也越小
控轧控冷1
• 变形带也是提供相变时的形核地点，因而相变后的铁素体晶粒更 加细小均匀。
• 5 .4在(y+a)两相区的控轧 • Y相由于变形而继续伸长并在晶内形成变形带，在a晶粒内形成 大量的位错，在高温下形戎亚晶，因而强度有所提高，脆性转变 温度降低。(r+a)相轧后形成较强的织构，故在断口上平行于轧制 面出现层状撕裂裂口。
5控轧和控冷工艺在中厚板和带钢生 产中的应用
• 5. 1板钢控轧类型 • 根据轧制过程中再结晶状态和相变机制不同可分为:奥氏体再结 晶型控轧、奥氏体未再结晶型控轧、(r+a)两相区控轧。 • 5. 2再结晶型控轧 • 轧件变形温度较高，一般在功1000℃以上，道次变形量必须大于 奥氏体再结晶变形量。普碳钢的临界变形量比较小，而含铌钢的 临界变形量较大。轧后停留时间长则晶粒长大，形成粗大的奥氏 体晶粒。再结晶控轧主要是利用静态再结晶过程去细化晶粒。 • 5. 3未再结晶型控轧 • 主要是在轧制中不发生奥氏体再结晶过程。一般是在950 C ~Ar3范围内变化，变形使奥氏体晶粒长大、压扁并在晶粒中形成 变形带。奥氏体晶粒被拉长将阻碍铁素体晶粒长大。随着变形量 的加大，变形带的数量增加，分布更加均匀。
•
4控轧和控冷技术的理论基础
• 4.1钢的奥氏体化过程 • 所谓奥氏体化是指在加工前将钢加热到奥氏体区，是形核、长大 均匀化过程。对亚共析钢来说，加热到Ac，以上，进行保温、形 核、长大、剩余渗碳体(Fe3C)溶解和奥氏体均匀化。对于共析钢 和过共析钢来说，加热到Ac,以上，使珠光体变为奥氏体。进一 步加热到Acm以上，保温足够时间，使铁素体或渗碳体溶解，获 得单相奥氏体。 • 4.2钢的变形再结晶 • 变形后的金属加热发生再结晶，根据温度不同有回复、再结晶和 晶粒长大。回复仍为拉长的晶粒，但储存能降低，为前阶段。而 再结晶是新晶粒的形核及长大过程，不是相变，无畸变能。核心 的产生一是原晶界的某部位变为核心。
钢铁的控轧控冷工艺(TMCP)介绍
4.控制轧制的效应
（1）使钢材的强度和低温韧性有较大幅度的改善
控制轧制对细化晶粒有明显的作用，按常规轧制工艺， 铁素体晶粒最好的情况为7～8级，晶粒直径>20m，而 按控制轧制工艺，铁素体晶粒可达12级，其直径可为 5m。仅从这方面就可使钢材的强韧性能得到明显的改 善。
（2）可以充分发挥微量合金元素的作用
5.控制冷却的介绍
➢ 控制冷却存在的主要问题是高冷却速率下材料冷 却不均而发生较大残余应力、甚至翘曲的问题。 例如，作为控制冷却的极限结果，直接淬火的作 用早已为人们所认识。但是，其潜在的能力一直 未得到发挥，原因在于直接淬火条件下冷却均匀 性的问题一直没有得到解决，板形控制一直因扰 着人们。
5.控制冷却的介绍
对于控制冷却，有两个通俗说法:
（1）水是最廉价的合金元素 (可以用水替代合金元素来改变钢材的性能)
控制冷却的理念可以归纳为“水是最廉价的合金元素” 这样一句话。
（2）中国的多数（中板）轧机是世界上最干旱的轧机 (目前我们还没有充分利用好水的作用) －川崎水岛：12000 m3/h，迪林根：14000 m3/h －宝钢2050：14000 m3/h，1580: 13000 m3/h
钢铁的控轧控冷 工艺介绍
知识求索人
目录
1. 何为控轧控冷工艺？ 2. 控轧控冷工艺的优势和应用 3. 控制轧制的类型 4. 控制轧制的效应 5. 控制冷却介绍
1.何为控轧控冷工艺？
➢ 控轧控冷工艺，又称TMCP（Thermo Mechanical Control Process：热机械控制工艺），是将控制轧制和控制冷却 技术结合起来的工艺，该工艺能够进一步提高钢材的强 韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量 和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本。TMCP 是20世纪钢铁业最伟大的成就之一！
控轧控冷
低碳钢的在不同温度下的变形行为：低温变形行为
400
b
A1
A3
•
低温变形区域（大约0~220℃）： – 变形抗力随温度的升高而降低
300
应力，MPa
LY
200
0 .2
– 加工硬化指数n没有大的变化。 – 单调的加工硬化
100
0
0
200
400
600 变形温度，℃
800
1000
1200
0
控制轧制与控制冷却
Controlled Rolling and Controlled Cooling of Steels
王昭东 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室
目
1. 总论
2. 钢的高温变形行为
录
3. 钢的热变形后的相变行为
4. 强韧性能的基本概念及有关理论
5. 钢材的控制轧制理论基础及应用
6. 钢材轧后控制论却技术的基础及应用
热处理 （常化）
热处理 (淬火+回火)
1.6 钢材在热加工过程（热轧）的组织演变规律
化学成分
初始组 织结构 模型 加热条件
初始奥 氏体晶 粒尺寸
奥氏体 化模型
热轧后 晶粒尺寸 残余应变
相变 模型
相变后 组织 情况
组织性能
轧制条件
冷却条件
加热炉
粗轧
精轧
冷却
卷取
2. 钢的高温变形行为
• 基础知识
– 变形抗力一般行为 – 变形抗力的温度特性和应力-应变曲线的对应关系
钢的形变热处理
• 钢的形变热处理（TMCP）是指如下工艺过程：控制奥氏体化温度、
变形温度和变形量, 获得理想的奥氏体初始状态; 变形后利用余热控
钢材的控制轧制和控制冷却PPT课件
材料抵抗裂纹失稳扩展断裂癿能力用k表示是材料本身癿特性由材料癿成分组织状态决定不裂纹癿尺寸形状及外加应力大小第54页兯72页12材料的韧性二提高钢材韧性癿途徂断裂韧性是材料癿一种性能不强度一样取决于材料癿组织结构而材料癿成分和生产加工工艺又决定了材料癿组织结构故改善材料癿韧性必然从工艺入手改变材料癿结构以达到改善材料韧性癿目癿
第11页/共72页
控轧控冷技术发展过程
• 60年代中期，英国钢铁研究会对钢的成分与钢的力学性能之间的关系进行了系 列研究，提出了相应的控制轧制理论；
• 在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度； • 近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢、钢管及型钢生产和合
金钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益。
§1 钢的强化和韧化
对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其中强度性能又居首位。 除了强度之外，钢材还要求一定的韧性和可焊性能，这两个指标和强度是相互关 联甚至互相矛盾的，很难单方面改变某一指标而其它不变。 结构钢的最新发展方向是高强、高韧和良好的焊接性能，控制控冷是满足这一 要求的一种较好的工艺。
§1.1 钢的强化机制
二、固溶强化
(solid solution strengthening)
1、基本概念
• 固溶强化：当合金元素（溶质）固溶 到基体金属（溶剂）中形成固溶体时， 合金的强度和硬度则会提高，称为固 溶强化。如黄铜(Cu-Zn)强度要高于
第30页/共72页
§1.1 钢的强化机制
2、强化机理
第22页/共72页
§1.1 钢的强化机制
金属和合金塑性变形包含晶内变 形和晶间变形。晶内变形是通过各种 位错运动而实现的晶内一部分相对于 另一部分的剪切运动，最基本的是滑 移、孪生和扭折。
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控轧控冷技术发展过程
• 60年代中期，英国钢铁研究会对钢的成分与钢的力学性能之间的关系进行了系 列研究，提出了相应的控制轧制理论；
• 在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度； • 近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢、钢管及型钢生产和合
金钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益。
§1 钢的强化和韧化
对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其中强度性能又居首位。 除了强度之外，钢材还要求一定的韧性和可焊性能，这两个指标和强度是相互关 联甚至互相矛盾的，很难单方面改变某一指标而其它不变。 结构钢的最新发展方向是高强、高韧和良好的焊接性能，控制控冷是满足这一 要求的一种较好的工艺。
§1.1 钢的强化机制
二、固溶强化
(solid solution strengthening)
1、基本概念
• 固溶强化：当合金元素（溶质）固溶 到基体金属（溶剂）中形成固溶体时， 合金的强度和硬度则会提高，称为固 溶强化。如黄铜(Cu-Zn)强度要高于
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§1.1 钢的强化机制
2、强化机理
第22页/共72页
§1.1 钢的强化机制
金属和合金塑性变形包含晶内变 形和晶间变形。晶内变形是通过各种 位错运动而实现的晶内一部分相对于 另一部分的剪切运动，最基本的是滑 移、孪生和扭折。
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11
沉淀强化（第二相硬质点强化）
第二相的沉淀过程亦即是过饱和固溶体的分解过程。 第二相能沉淀析出的必要条件是固溶体合金的溶解度随 着温度的降低而减小，因此加热后得到的过饱和固溶体 将随着温度的降低而析出。第二相析出的动力学、析出 的形态、部位等将随加工工艺(包括冷却条件)而异。
12
沉淀强化（第二相硬质点强化）
效果：提高强度、降低塑韧性。
10
沉淀强化（第二相硬质点强化）
第二相硬质点是指那些在韧性材料中存在的不易发生 塑性变形的化合物,它们几乎不能发生塑性变形，在大的 应力下将脆性断裂。
在普通低合金钢中经常加入微量Nb、V、Ti，这些元 素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在轧 制中或轧后冷却时它们可以析出，起到第二相沉淀强化作 用。例如加热到1250℃的Nb钢，沉淀强化的作用平均每 0.01％Nb可提高屈服强度19.6MPa。
第一章 钢的强化和韧性
1
本章内容
第一节 钢的强化机制 第二节 材料的韧性
2
第一节 钢的强化机制
3
低碳钢的工程应力---工程应变曲线
σe：弹性极限 σb：抗拉强度 σs：屈服强度
GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法
4
钢的强化机制
1.固溶强化 2.位错强化 3.沉淀强化 4.晶界强化 5.亚晶强化 6.相变强化
Cu-4Ti合金中位错被堵塞在晶界附近
16
晶界强化
根据位错理论计算可得到屈服强度与晶粒尺寸的关系为： Hall-Petch公式
s i K1D1/ 2
式中σi是常数，大体相当于单晶体时的屈服强度。K1它是表 征晶界对强度影响程度的常数，它和晶界结构有关，而和温 度关系不大。
17
Hall-Petch公式 s i K1D1/2
沉淀强化的机制是位错和颗粒之间的相互作用。
在外力作用下，运动位错遇到第二相硬质点时的运动方式有 两种，(1)对提高强度有积极作用的绕过过程； (2)对提高强度 作用较小的切割/剪切过程。它们都会增加运动阻力，可以提 高材料的强度。
绕过机制
切割机制
13
材料的组织与力学性能的关系
第二相硬质点强化
如果第二相硬质点的总量(如 体积份数f)一定，单个质点的尺寸 愈小，数量多，排列密集；反之单 个质点的尺寸愈大，数量少，排列 稀疏。对位错来说，小质点容易切 割，稀疏分布时容易绕过。所以质 点对强度的作用表现为尺寸太小或 尺寸过大都会降低其效果，在特定 的合适范围才有最大的强化效果。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
7
固溶强化的规律
（2）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效 果愈好.
（3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe 中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等 元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很 显著，而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑 性。
（4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。
8
位错强化
滑移是塑性变形的主要方 式，材料中位错密度对材
料的强度的影响
1、完全无位错存在时，在外力 作用下，没有可以发生运动的位 错，材料表现极高的强度。
例如铜，理论计算的临界切应力 约 为 1500MPa ， 而 实 际 测 出 的 仅 为0.98MPa。
晶粒细小，屈服应力就高，材料因此得到强化，即细晶强化。 σi包含着不可避免的残留元素如Mn、Si、N等对位错滑动的阻力。对于 铁素体-珠光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此 Hall—Petch公式可以改写为：
s 0 (3.7Mn 8.3Si 291 .8N 1.51D1/2 ) 9.8
形变热处理是在第二相质点沉淀前对材料施以塑性变形， 因而使位错密度增加，第二相沉淀形核位置增多，因而析出 物更为弥散。如果形变还能造成亚晶，那么第二相沉淀在亚 晶界上，其分布密度更为弥散。这就是形变热处理造成强化 的原因之一。
15
晶界强化
和单晶体的塑性变形不同，多晶体晶粒中的位错滑移除 了要克服晶格阻力、滑移面上杂质原子对位错的阻力而外 （这两点是和单晶体相同的），还要克服晶界的阻力。晶粒 愈小，晶界就相对愈多，晶界阻力也愈大，因而使材料的屈 服强度提高。
5
固溶强化
定义：采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为 固溶强化，即固溶强化是通过改变金属的化学成分来提 高强度的方法。 机理：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。 效果：提高强度、降低塑韧性。
6
固溶强化的规律
（1）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加 例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最 大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加 而增大
根据计算和实验，一般的质点间距最佳值在20-50个原子间距， 体积数的最佳值在2％左右。
14
材料的组织与力学性能的关系
沉淀相的部位、形状对强度都有影响。其一般规律是： 沉淀颗粒分布在整个基体上比晶界沉淀的效果好；颗粒形状 球状和片状相比，球状有利于强化。
因为片状颗粒对于在与其平行的原子面上运动的位错的 阻力很小，而球状颗粒对于任何原子面上运动的位错有相同 的阻力。
式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶 强化系数，即每1％重量百分数可以提高的屈服强度。σ0为单晶纯铁的 屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。σ0值随不同的处理而异。 空冷时σ0 =86.24MPa，炉冷时为60.76MPa。D为等轴铁素体晶粒平均 截线长，以mm为单位。
铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D小时，D的很小变 化将使D-1/2产生较大的变化。上式适用于钢中珠光体含量<30％的组织
但制造这种材料非常困难，目前 只能在很小尺寸的晶体中实现 (晶须),用于研究型的复合材料 中。
9
位错强化
滑移是塑性变形的主要 方式，材料中位错密度
对材料的强度的影响
2、在存在位错的晶体材料中,随 位错密度的提高，位错运动受交 割作用影响加大，材料的强度得 到提高。经过冷变形的金属材料, 发生了加工硬化，强度可以在相 当范围内得到提高，常用的冷轧 钢板、冷拔钢丝就是一例。值得 注意的是用加工硬化提高强度的 材料只能在较低温度下使用，否 则因高温发生了再结晶，加工硬 化的强化效果将全部消失。
沉淀强化（第二相硬质点强化）
第二相的沉淀过程亦即是过饱和固溶体的分解过程。 第二相能沉淀析出的必要条件是固溶体合金的溶解度随 着温度的降低而减小，因此加热后得到的过饱和固溶体 将随着温度的降低而析出。第二相析出的动力学、析出 的形态、部位等将随加工工艺(包括冷却条件)而异。
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沉淀强化（第二相硬质点强化）
效果：提高强度、降低塑韧性。
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沉淀强化（第二相硬质点强化）
第二相硬质点是指那些在韧性材料中存在的不易发生 塑性变形的化合物,它们几乎不能发生塑性变形，在大的 应力下将脆性断裂。
在普通低合金钢中经常加入微量Nb、V、Ti，这些元 素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在轧 制中或轧后冷却时它们可以析出，起到第二相沉淀强化作 用。例如加热到1250℃的Nb钢，沉淀强化的作用平均每 0.01％Nb可提高屈服强度19.6MPa。
第一章 钢的强化和韧性
1
本章内容
第一节 钢的强化机制 第二节 材料的韧性
2
第一节 钢的强化机制
3
低碳钢的工程应力---工程应变曲线
σe：弹性极限 σb：抗拉强度 σs：屈服强度
GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法
4
钢的强化机制
1.固溶强化 2.位错强化 3.沉淀强化 4.晶界强化 5.亚晶强化 6.相变强化
Cu-4Ti合金中位错被堵塞在晶界附近
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晶界强化
根据位错理论计算可得到屈服强度与晶粒尺寸的关系为： Hall-Petch公式
s i K1D1/ 2
式中σi是常数，大体相当于单晶体时的屈服强度。K1它是表 征晶界对强度影响程度的常数，它和晶界结构有关，而和温 度关系不大。
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Hall-Petch公式 s i K1D1/2
沉淀强化的机制是位错和颗粒之间的相互作用。
在外力作用下，运动位错遇到第二相硬质点时的运动方式有 两种，(1)对提高强度有积极作用的绕过过程； (2)对提高强度 作用较小的切割/剪切过程。它们都会增加运动阻力，可以提 高材料的强度。
绕过机制
切割机制
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材料的组织与力学性能的关系
第二相硬质点强化
如果第二相硬质点的总量(如 体积份数f)一定，单个质点的尺寸 愈小，数量多，排列密集；反之单 个质点的尺寸愈大，数量少，排列 稀疏。对位错来说，小质点容易切 割，稀疏分布时容易绕过。所以质 点对强度的作用表现为尺寸太小或 尺寸过大都会降低其效果，在特定 的合适范围才有最大的强化效果。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
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固溶强化的规律
（2）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效 果愈好.
（3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe 中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等 元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很 显著，而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑 性。
（4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。
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位错强化
滑移是塑性变形的主要方 式，材料中位错密度对材
料的强度的影响
1、完全无位错存在时，在外力 作用下，没有可以发生运动的位 错，材料表现极高的强度。
例如铜，理论计算的临界切应力 约 为 1500MPa ， 而 实 际 测 出 的 仅 为0.98MPa。
晶粒细小，屈服应力就高，材料因此得到强化，即细晶强化。 σi包含着不可避免的残留元素如Mn、Si、N等对位错滑动的阻力。对于 铁素体-珠光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此 Hall—Petch公式可以改写为：
s 0 (3.7Mn 8.3Si 291 .8N 1.51D1/2 ) 9.8
形变热处理是在第二相质点沉淀前对材料施以塑性变形， 因而使位错密度增加，第二相沉淀形核位置增多，因而析出 物更为弥散。如果形变还能造成亚晶，那么第二相沉淀在亚 晶界上，其分布密度更为弥散。这就是形变热处理造成强化 的原因之一。
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晶界强化
和单晶体的塑性变形不同，多晶体晶粒中的位错滑移除 了要克服晶格阻力、滑移面上杂质原子对位错的阻力而外 （这两点是和单晶体相同的），还要克服晶界的阻力。晶粒 愈小，晶界就相对愈多，晶界阻力也愈大，因而使材料的屈 服强度提高。
5
固溶强化
定义：采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为 固溶强化，即固溶强化是通过改变金属的化学成分来提 高强度的方法。 机理：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。 效果：提高强度、降低塑韧性。
6
固溶强化的规律
（1）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加 例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最 大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加 而增大
根据计算和实验，一般的质点间距最佳值在20-50个原子间距， 体积数的最佳值在2％左右。
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材料的组织与力学性能的关系
沉淀相的部位、形状对强度都有影响。其一般规律是： 沉淀颗粒分布在整个基体上比晶界沉淀的效果好；颗粒形状 球状和片状相比，球状有利于强化。
因为片状颗粒对于在与其平行的原子面上运动的位错的 阻力很小，而球状颗粒对于任何原子面上运动的位错有相同 的阻力。
式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶 强化系数，即每1％重量百分数可以提高的屈服强度。σ0为单晶纯铁的 屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。σ0值随不同的处理而异。 空冷时σ0 =86.24MPa，炉冷时为60.76MPa。D为等轴铁素体晶粒平均 截线长，以mm为单位。
铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D小时，D的很小变 化将使D-1/2产生较大的变化。上式适用于钢中珠光体含量<30％的组织
但制造这种材料非常困难，目前 只能在很小尺寸的晶体中实现 (晶须),用于研究型的复合材料 中。
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位错强化
滑移是塑性变形的主要 方式，材料中位错密度
对材料的强度的影响
2、在存在位错的晶体材料中,随 位错密度的提高，位错运动受交 割作用影响加大，材料的强度得 到提高。经过冷变形的金属材料, 发生了加工硬化，强度可以在相 当范围内得到提高，常用的冷轧 钢板、冷拔钢丝就是一例。值得 注意的是用加工硬化提高强度的 材料只能在较低温度下使用，否 则因高温发生了再结晶，加工硬 化的强化效果将全部消失。