鋼材的控制軋制和控制冷卻

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1、控 制 軋 制 與 控 制 冷 卻昆 明 理 工 大 學 多 媒 體 課 件材 料 科 學 與 工 程 學 院材 料 加 工 工 程 系 任 課 教 師 ： 王 華 昆2012年 9月 0 緒 論 （ Introduction）v課 程 簡 介v教 學 要 求v學 習 內(nèi) 容v教 學 安 排v參 考 書 目v 控 軋 和 控 冷 的 概 念v 控 軋 和 控 冷 技 術 的 發(fā) 展 過 程v 我 國 控 軋 和 控 冷 發(fā) 展 概 況 課 程 簡 介 控 制 軋 制 冷 卻 技 術 是 近 十 多 年 來 國 內(nèi) 外 新發(fā) 展 起 來 的 軋 鋼 新 技 術 ， 已 成 功 而 廣 泛 地 應

2、用 于 生 產(chǎn) 過 程 中 ， 能 明 顯 改 善 鋼 材 組 織 結(jié) 構 ，提 高 鋼 材 的 強 韌 性 和 使 用 性 能 。 學 生 通 過 學習 課 程 ， 能 進 一 步 理 解 壓 力 加 工 過 程 不 僅 是解 決 成 型 及 尺 寸 精 度 問 題 ， 而 且 成 型 過 程 本身 也 能 影 響 金 屬 材 料 的 組 織 轉(zhuǎn) 變 ， 最 終 影 響產(chǎn) 品 性 能 ， 通 過 控 制 工 藝 過 程 的 影 響 因 素 能在 一 定 條 件 下 獲 得 所 需 的 組 織 結(jié) 構 及 產(chǎn) 品 性稱 。 課 程 簡 介 本 課 程 作 為 金 屬 材 料 加 工 方 向選

3、修 課 ， 可 使 學 生 擴 大 和 加 深 本 專業(yè) 的 知 識 ， 掌 握 材 料 加 工 的 前 沿 技術 。 控 制 軋 制 的 核 心 就 是 將 軋 制 的 動態(tài) 過 程 和 熱 處 理 的 動 態(tài) 過 程 相 結(jié) 合 ， 來 提 高 產(chǎn) 品 的 綜 合 性 能 。 教 學 要 求v 理 解 通 過 對 金 屬 加 熱 制 度 、 變 形 制 度 和 溫度 制 度 的 合 理 控 制 ， 使 熱 塑 性 變 形 與 固 態(tài)相 變 結(jié) 合 ， 以 獲 得 細 小 晶 粒 組 織 ， 使 鋼 材具 有 優(yōu) 異 的 綜 合 力 學 性 能 。v 了 解 控 制 冷 卻 的 工 藝 作

4、用 ， 控 制 軋 制 和 控制 冷 卻 技 術 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 的 應 用 。v 掌 握 鋼 的 強 韌 化 理 論 ， 變 形 條 件 下 再 結(jié) 晶和 相 變 的 組 織 行 為 理 論 ， 典 型 微 合 金 元 素在 控 制 軋 制 中 的 作 用 機 理 及 控 制 冷 卻 中 的強 化 冷 卻 方 式 等 控 軋 控 冷 的 基 本 知 識 。 學 習 內(nèi) 容v 第 一 篇 ： 控 制 軋 制 及 控 制 冷 卻 理 論 鋼 的 強 化 和 韌 化 鋼 的 奧 氏 體 形 變 與 再 結(jié) 晶 在 變 形 條 件 下 的 相 變 微 合 金 元 素 在 控 制 軋 制 中

5、的 作 用 鋼 材 控 制 冷 卻 理 論 基 礎v 第 二 篇 ： 控 制 軋 制 及 控 制 冷 卻 技 術 的 應 用 控 制 軋 制 及 控 制 冷 卻 技 術 在 鋼 板 生 產(chǎn) 中 的 應 用 控 制 軋 制 及 控 制 冷 卻 技 術 在 型 鋼 生 產(chǎn) 中 的 應 用 控 制 軋 制 及 控 制 冷 卻 技 術 在 鋼 管 生 產(chǎn) 中 的 應 用 教 學 安 排v 教 學 ： 本 課 程 2學 分 ， 總 課 時 為 32學 時 ， 每周 2學 時 ， 1-16周 上 課 。v 考 核 ： 總 成 績 平 時 成 績 (30%) 期 末 大 作業(yè) (70%)平 時 成 績 ：

6、考 勤 課 堂 提 問 課 堂 討 論等期 末 大 作 業(yè) 作 為 考 試 無 故 缺 課 達 到 學 校 規(guī) 定 的 次 數(shù) 者 ， 不能 獲 得 本 課 程 學 分 。 參 考 書 目v 教 材 ： 王 有 銘 ， 鋼 材 的 控 制 軋 制 和 控 制 冷卻 ， 冶 金 工 藝 出 版 社 ， 2008.6v 劉 永 銓 ， 鋼 的 形 變 熱 處 理 ， 冶 金 工 業(yè) 出 版社 v 李 曼 云 ， 鋼 的 控 制 軋 制 和 控 制 冷 卻 技 術 手冊 ， 冶 金 工 業(yè) 出 版 社 v 田 中 智 夫 ， 鋼 的 微 合 金 化 及 控 制 軋 制 ， 冶金 工 業(yè) 出 版 社

7、v 鋼 鐵 冶 金 學 報 控 制 軋 制 和 控 制 冷 卻 概 念v 控 制 軋 制 （ Controlled Rolling)： 在 熱軋 過 程 中 通 過 對 金 屬 加 熱 制 度 、 變 形 制 度 和溫 度 制 度 的 合 理 控 制 ， 使 塑 性 變 形 與 固 態(tài) 相變 結(jié) 合 ， 以 獲 得 細 小 晶 粒 組 織 ， 使 鋼 材 具 有優(yōu) 異 的 綜 合 力 學 性 能 的 軋 制 新 工 藝 。 對 低 碳 鋼 和 低 合 金 鋼 來 說 ， 采 用 控 制 軋 制工 藝 主 要 通 過 控 制 工 藝 參 數(shù) ， 細 化 變 形 晶粒 ， 經(jīng) 過 向 和 P的 相

8、 變 ， 形 成 細 化 的 和較 為 細 小 的 P球 團 ， 從 而 達 到 提 高 鋼 的 強 度 、韌 性 和 焊 接 性 能 的 目 的 。 控 制 軋 制 和 控 制 冷 卻 概 念v 控 制 冷 卻 （ Controlled Cooling)： 控制 軋 制 后 鋼 材 的 冷 卻 速 度 達 到 改 善 鋼 材 組織 和 性 能 的 目 的 。 控 制 軋 制 和 控 制 冷 卻 相 結(jié) 合 能 將 熱 軋 鋼材 的 兩 種 強 化 效 果 相 加 ， 進 一 步 提 高 鋼 材的 強 韌 性 和 獲 得 合 理 的 綜 合 力 學 性 能 。 目 前 ， 控 制 軋 制 和

9、控 制 冷 卻 工 藝 已 應 用到 中 、 高 碳 鋼 和 合 金 鋼 的 軋 制 生 產(chǎn) 中 ， 取得 了 明 顯 的 經(jīng) 濟 效 果 。 控 軋 控 冷 技 術 發(fā) 展 過 程v 20世 紀 20年 代 開 始 研 究 鋼 在 熱 加 工 時 ，溫 度 和 變 形 條 件 對 顯 微 組 織 和 力 學 性 能 的影 響 ；v 二 戰(zhàn) 時 ， 荷 蘭 等 國 采 用 “ 低 溫 大 壓 下 ” 細化 低 碳 鋼 的 晶 粒 ， 提 高 強 韌 性 ；v 50年 代 末 和 60年 代 初 ， 美 國 和 原 蘇 聯(lián) 等國 開 展 鋼 的 形 變 熱 處 理 工 藝 與 鋼 材 組 織 和

10、性 能 關 系 的 理 論 研 究 工 作 ， 為 控 制 軋 制 和控 制 冷 卻 的 機 理 研 究 和 工 藝 的 實 踐 奠 定 了基 礎 ； 控 軋 控 冷 技 術 發(fā) 展 過 程v 20世 紀 20年 代 開 始 研 究 鋼 在 熱 加 工 時 ，溫 度 和 變 形 條 件 對 顯 微 組 織 和 力 學 性 能 的影 響 ；v 二 戰(zhàn) 時 ， 荷 蘭 等 國 采 用 “ 低 溫 大 壓 下 ” 細化 低 碳 鋼 的 晶 粒 ， 提 高 強 韌 性 ；v 50年 代 末 和 60年 代 初 ， 美 國 和 原 蘇 聯(lián) 等國 開 展 鋼 的 形 變 熱 處 理 工 藝 與 鋼 材 組

11、 織 和性 能 關 系 的 理 論 研 究 工 作 ， 為 控 制 軋 制 和控 制 冷 卻 的 機 理 研 究 和 工 藝 的 實 踐 奠 定 了基 礎 ； 控 軋 控 冷 技 術 發(fā) 展 過 程v 60年 代 中 期 ， 英 國 鋼 鐵 研 究 會 對 鋼 的 成 分與 鋼 的 力 學 性 能 之 間 的 關 系 進 行 了 系 列 研究 ， 提 出 了 相 應 的 控 制 軋 制 理 論 ；v 在 開 發(fā) 控 制 軋 制 工 藝 時 ， 人 們 致 力 于 降 低終 軋 溫 度 ；v 近 些 年 來 ， 控 制 冷 卻 工 藝 已 經(jīng) 成 功 地 運 用到 棒 材 、 螺 紋 鋼 、 鋼

12、 管 及 型 鋼 生 產(chǎn) 和 合 金鋼 生 產(chǎn) 中 ， 并 取 得 了 明 顯 的 經(jīng) 濟 效 益 和 社會 效 益 。 我 國 控 軋 控 冷 技 術 概 況v 我 國 控 制 控 冷 起 步 于 60年 代 初 ， 并 取 得 了初 步 成 果 ， 例 如 對 含 有 Cr、 Ni、 V的 超 高強 度 鋼 德 形 變 熱 處 理 工 藝 研 究 ， 軸 承 鋼 軋后 快 冷 工 藝 研 究 等 ；v 1978年 開 始 對 控 制 控 冷 進 行 系 統(tǒng) 研 究 ；v 武 鋼 、 鞍 鋼 、 重 鋼 、 太 鋼 等 鋼 鐵 企 業(yè) 采 用控 制 控 冷 技 術 生 產(chǎn) 高 強 度 、 高

13、 韌 性 的 造 船 、鍋 爐 及 壓 力 容 器 用 各 種 鋼 材 ， 開 發(fā) 了 新 鋼種 ， 填 補 了 國 內(nèi) 鋼 材 的 部 分 空 白 。 第 一 篇 控 制 軋 制 及控 制 冷 卻 理 論1 鋼 的 強 化 和 韌 化 1.1 鋼 的 強 化 機 制 金 屬 材 料 的 機 械 性 能 是 指 金 屬 材 料 在 外 力（ 載 荷 ） 作 用 時 表 現(xiàn) 出 來 的 性 能 ， 包 括 強 度 、塑 性 、 硬 度 、 韌 性 及 疲 勞 強 度 等 。 載 荷 的 形 式 1.1 鋼 的 強 化 機 制 材 料 機 械 性 能 指 標 1 鋼 的 強 化 和 韌 化 對 于

14、 鋼 材 來 說 ， 在 大 多 數(shù) 情 況 下 其 力 學 性能 是 最 重 要 的 ， 其 中 強 度 性 能 又 居 首 位 。 除 了 強 度 之 外 ， 鋼 材 還 要 求 一 定 的 韌 性 和可 焊 性 能 ， 這 兩 個 指 標 和 強 度 是 相 互 關 聯(lián) 甚至 互 相 矛 盾 的 ， 很 難 單 方 面 改 變 某 一 指 標 而其 它 不 變 。 結(jié) 構 鋼 的 最 新 發(fā) 展 方 向 是 高 強 、 高 韌 和良 好 的 焊 接 性 能 ， 控 制 控 冷 是 滿 足 這 一 要 求的 一 種 較 好 的 工 藝 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制 強 度 ： 金 屬

15、 材 料 抵 抗 塑 性 變 形 或 斷 裂 的能 力 ， 用 給 定 條 件 下 所 能 承 受 的 應 力 來表 示 。 圓形拉伸試樣拉 伸 前拉 伸 后 應 變應 力 1.1 鋼 的 強 化 機 制低 碳 鋼 和 鑄 鐵 的 拉 伸 曲 線彈 性 變 形 階 段屈 服 階 段強 化 階 段頸 縮 階 段 1.1 鋼 的 強 化 機 制v 彈 性 極 限 （ e） ： 表 示 材 料 保 持 彈 性 變 形 ，不 產(chǎn) 生 永 久 變 形 的 最 大 應 力 ， 是 彈 性 零 件 的設 計 依 據(jù) 。v 屈 服 極 限 （ 屈 服 強 度 s） ： 表 示 金 屬 開 始發(fā) 生 明 顯 塑

16、 性 變 形 的 抗 力 ， 鑄 鐵 等 材 料 沒 有明 顯 的 屈 服 現(xiàn) 象 ， 則 用 條 件 屈 服 點 （ 0.2 ）來 表 示 ： 產(chǎn) 生 0.2%殘 余 應 變 時 的 應 力 值 。v 強 度 極 限 （ 抗 拉 強 度 b ） ： 表 示 金 屬 受 拉時 所 能 承 受 的 最 大 應 力 。 e 、 s 、 b 是 機 械 零 件 和 構 件 設 計 和 選材 的 主 要 依 據(jù) 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制金 屬 強 度 的 影 響 因 素v 化 學 成 分 ： W(C) 0.9%時 ， 碳 鋼 隨 含碳 量 的 增 加 ， 其 強 度 增 加 。v 加 工 工

17、 藝 過 程 ： 純 Cu和 純 Al的 s分 別 為60MPa和 40MPa， 經(jīng) 過 冷 加 工 后 強 度 明顯 增 加 。v 熱 處 理 工 藝 ： W(C) 0.4%的 碳 鋼 經(jīng) 淬火 和 高 溫 回 火 （ 調(diào) 質(zhì) 處 理 ） 后 ， 其 強 度 由500MPa增 至 700 800MPa。 1.1 鋼 的 強 化 機 制v 強 化 ： 通 過 合 金 化 、 塑 性 變 形 和 熱 處 理 等手 段 提 高 金 屬 強 度 的 方 法 。v 屈 服 強 度 ： 指 金 屬 抵 抗 塑 性 變 形 的 抗 力 ，來 源 于 金 屬 原 子 間 的 結(jié) 合 力 ， 理 論 值 為G

18、/2， 奧 羅 萬 修 正 值 為 G/30（ G為 晶體 的 彈 性 模 量 ） 。 由 于 實 際 金 屬 中 存 在 各種 晶 體 缺 陷 ， 特 別 是 存 在 位 錯 ， 位 錯 很 容易 運 動 ， 因 而 不 能 充 分 發(fā) 揮 原 子 間 結(jié) 合 力的 作 用 ， 故 金 屬 的 實 際 強 度 遠 低 于 理 論 值 1.1 鋼 的 強 化 機 制 金 屬 和 合 金 塑 性 變 形 包 含 晶 內(nèi) 變 形和 晶 間 變 形 。 晶 內(nèi) 變 形 是 通 過 各 種 位錯 運 動 而 實 現(xiàn) 的 晶 內(nèi) 一 部 分 相 對 于 另一 部 分 的 剪 切 運 動 ， 最 基 本

19、的 是 滑 移 、孿 生 和 扭 折 。v 在 T0.5Tm時 ， 可 能 出 現(xiàn) 晶 間 變 形和 晶 界 滑 移 ， 這 類 變 形 不 僅 同 位 錯 運動 有 關 ， 而 且 擴 散 過 程 也 起 重 要 作 用 . 1.1 鋼 的 強 化 機 制v 室 溫 時 ， 金 屬 的 塑 性 變 形 實 質(zhì) 上 就 是位 錯 運 動 （ 或 者 更 全 面 的 說 是 晶 體 缺陷 運 動 ， 但 位 錯 運 動 是 基 本 的 ， 主 要的 ） 。 提 高 位 錯 源 開 動 所 需 要 的 應 力和 位 錯 運 動 的 阻 力 ， 就 提 高 了 金 屬 材料 的 屈 服 強 度 ，

20、也 就 提 高 了 金 屬 材 料的 強 度 ， 故 提 高 鋼 的 強 度 首 先 要 提 高鋼 的 屈 服 強 度 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制一 、 冷 變 形 強 化 (strainstrengthening)（ 或 應 變 硬 化 、 應 變 強 化 、 冷 作 硬 化 、加 工 硬 化 、 位 錯 強 化 )1、 基 本 概 念v 冷 變 形 ： 金 屬 材 料 在 再 結(jié) 晶 溫 度 以 下的 變 形 。v 冷 變 形 強 化 ： 金 屬 材 料 在 冷 塑 性 變 形過 程 中 ， 隨 著 變 形 程 度 增 加 ， 其 強 度和 硬 度 提 高 而 塑 韌 性 顯 著

21、降 低 的 現(xiàn) 象 1.1 鋼 的 強 化 機 制2、 強 化 機 理v 冷 變 形 使 金 屬 內(nèi) 位 錯 大 量 增 殖 ,密 度 增 大 ;v 位 錯 運 動 過 程 中 彼 此 交 截 ， 形 成 割 階 ， 使位 錯 的 可 動 性 減 小 ；v 許 多 位 錯 經(jīng) 交 互 作 用 后 纏 結(jié) 在 一 起 ， 形 成位 錯 纏 結(jié) ， 使 位 錯 運 動 更 困 難 ， 以 致 需 要更 大 的 力 才 能 使 位 錯 克 服 障 礙 而 運 動 。 變 形 量 越 大 ， 材 料 變 形 阻 力 越 大 ， 強 度越 高 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制3、 特 點v 金 屬 材

22、 料 的 冷 變 形 強 化 程度 隨 變 形 量 的 增 加 而 增 加 ，而 塑 性 隨 之 減 少 ；v 金 屬 材 料 的 晶 體 結(jié) 構 不 同 ，其 加 工 硬 化 率 （ 或 稱 應 變硬 化 系 數(shù) ） 也 不 同 ， HCP金屬 的 應 變 硬 化 系 數(shù) 較 小 ，而 BCC特 別 是 FCC金 屬 的 應變 硬 化 系 數(shù) 較 大 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制原 因 ： BCC和 FCC晶 體 的 滑 移 系 統(tǒng) 很 多 ， 幾 何 軟 化現(xiàn) 象 不 會 象 HCP晶 體 可 能 出 現(xiàn) 的 那 樣 強 烈 ； BCC和 FCC晶 體 滑 移 系 統(tǒng) 多 ， 容 易

23、 出 現(xiàn) 多 系滑 移 和 交 滑 移 ， 也 就 容 易 出 現(xiàn) 較 強 烈 的 物理 強 化 。 BCC： 3個 110 4個 =12個 滑 移 系 FCC： 4個 111 3個 =12個 滑 移 系 HCP： 1個 0001 3個 =3個 滑 移 系 1.1 鋼 的 強 化 機 制4、 應 用v 特 別 適 用 于 純 金 屬 及 熱 處 理 不 強 化 的 合 金 ,尤 其 是 導 電 材 料 （ 原 因 ： 雖 然 冷 變 形 使 延性 、 導 電 性 和 耐 蝕 性 降 低 ， 但 與 其 它 方 法如 固 溶 強 化 相 比 ， 其 冷 變 形 后 的 導 電 性 的降 低 要

24、小 得 多 ） ， 故 用 冷 加 工 方 法 加 工 輸電 銅 導 線 ；v 在 實 踐 中 利 用 ， 如 冷 拔 線 材 、 深 沖 薄 板 異型 件 等 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制二 、 固 溶 強 化(solidsolutionstrengthening)1、 基 本 概 念v 固 溶 強 化 ： 當 合 金 元 素 （ 溶 質(zhì) ） 固 溶到 基 體 金 屬 （ 溶 劑 ） 中 形 成 固 溶 體 時 ，合 金 的 強 度 和 硬 度 則 會 提 高 ， 稱 為 固溶 強 化 。 如 黃 銅 (Cu-Zn)強 度 要 高 于紫 銅 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制2、 強

25、化 機 理v 彈 性 交 互 作 用 ： 溶 質(zhì) 原 子 和 位 錯 周 圍 均 存在 應 力 場 ， 為 了 使 系 統(tǒng) 應 變 能 降 低 ， 二 者會 發(fā) 生 交 互 作 用 （ 比 如 溶 質(zhì) 原 子 對 正 刃 型位 錯 的 偏 聚 ） ， 形 成 柯 氏 氣 團 （ 圍 繞 位 錯而 形 成 的 溶 質(zhì) 原 子 聚 集 物 ） ， 阻 礙 位 錯 運運 動 ；v 合 金 元 素 與 基 體 金 屬 原 子 價 不 同 ， 產(chǎn) 生 電化 學 交 互 作 用 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制3、 影 響 因 素v 溶 質(zhì) 與 溶 劑 的 原 子 半徑 差 別 越 大 ， 強 化 效果

26、 越 好 ；v 有 限 固 溶 體 中 溶 質(zhì) 元素 溶 解 量 越 大 ， 強 化效 果 越 好 ；v 溶 質(zhì) 元 素 在 溶 劑 中 的飽 和 溶 解 度 越 小 ， 強化 效 果 越 好 ； 1.1 鋼 的 強 化 機 制v 形 成 間 隙 固 溶 體 的 溶 質(zhì) 元 素 （ C、 N、 B等 ）的 強 化 效 果 好 于 形 成 置 換 固 溶 體 溶 質(zhì) 元 素（ 如 Mn、 Si、 P等 ） 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制4、 特 點 提 高 合 金 的 屈 服 強 度 、 抗 拉 強 度 和 硬 度的 同 時 ， 對 其 它 影 響 如 下 ：v 幾 乎 都 使 合 金 的

27、塑 性 低 于 純 金 屬 ， 但 少 數(shù)例 外 (如 Cu-Zn合 金 的 強 度 和 韌 性 同 時 提高 )；v 使 合 金 的 導 電 性 低 于 純 金 屬 ；v 提 高 合 金 的 抗 蠕 變 性 能 ， 減 少 高 溫 下 強 度損 失 ； 1.1 鋼 的 強 化 機 制三 、 沉 淀 強 化 (preciptationstrengthening)或 時 效 強 化 (agingstrengthening)1、 基 本 概 念v 沉 淀 強 化 ： 通 過 對 過 飽 和 固 溶 體 的 時效 處 理 而 沉 淀 析 出 第 二 相 產(chǎn) 生 的 強 化 .鋼 中 常 加 入 微

28、量 Nb、 V、 Ti元 素 ， 形 成碳 化 物 、 氮 化 物 或 碳 氮 化 合 物 ， 在 軋制 中 或 軋 后 冷 卻 時 析 出 ， 起 到 第 二 相沉 淀 強 化 作 用 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制2、 沉 淀 強 化 條 件v 能 形 成 有 限 固 溶 體 ；v 固 溶 度 隨 溫 度 的 降 低 而 減 小 。v 有 析 出 的 位 置 晶 體 缺 陷 。3、 強 化 機 理v 位 錯 與 析 出 第 二 相 顆 粒 之 間 的 相 互 作用 ， 包 括 對 提 高 強 度 有 積 極 作 用 的 繞過 過 程 和 對 強 度 作 用 較 小 的 剪 切 過 程

29、。 1.1 鋼 的 強 化 機 制4、 沉 淀 強 化 影 響 因 素v 析 出 相 的 顆 粒 尺 寸 和 其 體 積 百 分 比 ，質(zhì) 點 越 小 ， 百 分 比 越 大 ， 強 化 效 果 越大 。 但 質(zhì) 點 尺 寸 又 不 能 過 分 小 ， 質(zhì) 點之 間 的 距 離 也 不 能 過 分 小 ， 否 則 位 錯不 能 在 質(zhì) 點 直 徑 彎 曲 ， 變 繞 過 機 制 為切 過 機 制 ， 強 化 效 果 下 降 。 根 據(jù) 計 算 ，一 般 的 質(zhì) 點 為 20-50個 原 子 間 距 ， 體 積占 2%左 右 時 效 果 最 佳 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制v 析 出 相

30、的 特 性 ： 析 出 顆 粒 分 布 于 整 個基 體 上 比 晶 界 析 出 好 ； 球 狀 顆 粒 比 片狀 好 ； 顆 粒 彌 散 度 越 大 ， 效 果 越 好 ;比如 ： 形 變 熱 處 理 使 基 體 中 位 錯 密 度 增大 ， 甚 至 形 成 亞 晶 ， 有 利 于 沉 淀 相 的形 核 和 更 彌 散 析 出 ， 增 加 強 化 效 果 。v 時 效 時 間 ： 時 間 越 長 ， 析 出 相 顆 粒 越大 ， 顆 粒 間 距 越 大 ， 強 化 效 果 越 差 。在 高 溫 條 件 下 ， 顆 粒 有 隨 時 間 長 大 的趨 勢 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制四 、

31、 細 晶 強 化 (grainsizestrengthening) 1、 基 本 概 念v 細 晶 強 化 ： 通 過 細 化 晶 粒 來 提 高 材 料室 溫 強 度 的 強 化 方 法 。2、 特 點v 同 時 提 高 金 屬 材 料 的 室 溫 強 度 、 塑 性和 韌 性 ， 是 金 屬 材 料 常 用 的 強 韌 方 法之 一 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制3、 強 化 效 果v Hall Petch公 式 ： 晶 粒 度 與 屈 服 強 度的 關 系 式 中 ： s 屈 服 強 度 ； D 平 均 晶 粒 尺 寸 ; i 常 數(shù) ， 相 當 于 單 晶 的 屈 服 強 度 ；

32、K 斜 率 ， 表 征 晶 界 對 強 度 影 響 程 度 的 系數(shù) ， 和 晶 界 結(jié) 構 有 關 ， 而 和 溫 度 關 系 不 大 。211 DKis 1.1 鋼 的 強 化 機 制 1.1 鋼 的 強 化 機 制v P30%時 ， Hall Petch公 式 變 為 式 中 ： s 屈 服 強 度 ， MPa； 0 純 鐵 單 晶 的 屈 服 強 度 ， MPa ； Mn、 Si、 N 鋼 中 各 元 素 的 重 量 百 分 比 ； D 等 軸 晶 粒 的 平 均 截 線 長 。 由 此 可 知 ， 晶 粒 細 化 可 明 顯 提 高 鋼 的 屈服 強 度 。 8.9)51.18.29

33、13.87.3( 210 DNSiMns 1.1 鋼 的 強 化 機 制v P30%時 ， Hall Petch公 式 變 為 式 中 ： s 屈 服 強 度 ； fF、 fP F和 P的 體 積 百 分 比 ； 0.2、 P 純 鐵 素 體 鋼 和 純 珠 光 體 鋼 的屈 服 強 度 ； 由 此 可 知 ， 鋼 中 C含 量 越 低 ， 細 化 晶 粒 的強 化 效 果 越 大 。 212.0 KDfff FPPFs 1.1 鋼 的 強 化 機 制4、 強 化 機 理v 晶 界 對 位 錯 滑 動 的 阻 礙 ： 位 錯 被 晶 界 阻 擋而 塞 積 在 晶 界 前 面 ， 從 而 迫 使

34、 晶 粒 內(nèi) 的 滑移 系 由 易 到 難 都 被 開 動 ；v 相 鄰 晶 粒 取 向 不 同 引 起 強 化 ： 滑 移 帶 在 位錯 塞 積 群 頂 部 產(chǎn) 生 引 力 集 中 ， 只 有 外 力 大到 一 定 程 度 才 能 開 動 相 鄰 晶 粒 內(nèi) 的 位 錯 源 ，滑 移 才 能 從 一 個 晶 粒 傳 到 下 一 個 晶 粒 。 另外 ， 相 鄰 晶 粒 的 取 向 不 一 致 ， 還 要 在 此 應力 上 乘 一 個 放 大 系 數(shù) 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制5、 韌 化 機 理v 晶 粒 細 小 時 ， 單 位 體 積 中 晶 粒 越 多 ， 金 屬的 總 變 形

35、量 可 以 分 布 在 更 多 的 晶 粒 內(nèi) ， 晶內(nèi) 不 同 區(qū) 域 之 間 的 變 形 不 均 勻 性 減 小 ； 晶粒 內(nèi) 部 和 晶 界 附 件 的 變 形 量 差 減 小 ， 晶 粒的 變 形 也 會 比 較 均 勻 ， 減 小 應 力 集 中 ， 這些 推 遲 了 裂 紋 的 形 成 與 擴 展 ， 使 金 屬 在 斷裂 之 前 可 以 發(fā) 生 較 大 的 塑 性 變 形 。v 強 度 和 塑 性 提 高 ， 斷 裂 要 消 耗 更 大 的 功 ，因 而 韌 性 也 較 好 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制五 、 馬 氏 體 強 化(Martensitestrengthenin

36、g) 1、 基 本 概 念v 馬 氏 體 強 化 ： 將 鋼 鐵 淬 火 成 馬 氏 體 使鋼 得 到 強 化 的 強 化 方 法 。 1.1 鋼 的 強 化 機 制1、 馬 氏 體 強 化 機 制v 固 溶 強 化 ： M是 C在 中 的 過 飽 和 間 隙固 溶 體 ， C引 起 FCC中 正 八 面 體 間 隙 對稱 晶 格 畸 變 ， 產(chǎn) 生 應 力 場 ， 阻 礙 位 錯運 動 ；v 時 效 （ 自 回 火 ） 強 化 ： M相 變 是 非 擴散 型 相 變 ， 但 M形 成 之 后 ， M中 的 C原子 發(fā) 生 偏 聚 ， 使 強 度 提 高 。 C含 量 越高 ， 時 效 強 化

37、 效 果 越 明 顯 ； 1.1 鋼 的 強 化 機 制v 細 晶 強 化 ： A轉(zhuǎn) 變 為 M時 ， 形 成 了 許 多極 細 的 、 取 向 不 同 的 M束 ， 產(chǎn) 生 細 晶強 化 效 應 ， 且 原 始 A晶 粒 越 細 ， M晶 群也 越 細 ， 強 化 效 果 越 好 ；v 位 錯 強 化 ： M相 變 是 一 種 切 變 過 程 ，且 轉(zhuǎn) 變 速 度 極 快 ， 使 位 錯 密 度 大 增 ，使 位 錯 運 動 阻 力 增 加 ；v 孿 晶 強 化 ： C0.3 時 ， M亞 結(jié) 構 中 的孿 晶 數(shù) 量 增 多 ， C原 子 在 孿 晶 界 面 上偏 聚 ， 產(chǎn) 生 強 化

38、。 1.1 鋼 的 強 化 機 制2、 變 形 對 馬 氏 體 強 化 的 影 響v 原 A晶 粒 大 小 影 響 M晶 群 大 小 ， 合 理 的 變 形工 藝 可 顯 著 細 化 A晶 粒 ， 從 而 細 化 M晶 粒 ，增 加 M強 化 效 果 ；v A的 塑 性 變 形 對 M轉(zhuǎn) 變 按 不 同 的 鋼 種 、 變 形條 件 有 不 同 的 作 用 ， 即 可 促 進 M轉(zhuǎn) 變 ， 也 可抑 制 M轉(zhuǎn) 變 。v 變 形 引 起 的 A晶 體 結(jié) 構 的 不 完 善 性 （ 位 錯 密度 增 加 而 形 成 亞 結(jié) 構 ） 可 被 M繼 承 ， 提 高 強度 ， 增 加 塑 性 。 （

39、形 變 熱 處 理 ） 1.1 鋼 的 強 化 機 制六 、 其 它 強 化 方 式v 盡 量 增 加 晶 體 中的 缺 陷 ， 以 阻 礙位 錯 運 動 ， 提 高強 度 ；v 盡 量 減 少 晶 體 中的 缺 陷 ， 提 高 強度 。 理 論 強 度晶 須 強 度未 強 化 的 純金 屬 強 度 合 金 化 、 加工 硬 化 或 熱處 理 的 合 金強 度缺 陷 數(shù) 量強度 1.2 材 料 的 韌 性一 、 韌 性 定 義 及 其 表 示1、 沖 擊 韌 性 （ 缺 口 斷 裂 韌 性 ） 許 多 機 械 零 件 和 工 具 在 工 作 中 ， 往 往 要受 到 沖 擊 載 荷 的 作 用

40、 ， 如 活 塞 銷 、 錘 桿 、沖 模 和 鍛 模 等 。 材 料 抵 抗 沖 擊 載 荷 作 用 的 能力 稱 為 沖 擊 韌 性 ， 常 用 一 次 擺 錘 沖 擊 彎 曲 試驗 來 測 定 。 測 得 試 樣 沖 擊 吸 收 功 ， 用 符 號 Ak 表 示 。 用 沖 擊 吸 收 功 除 以 試 樣 缺 口 處 截面 積 S 0 , 即 得 到 材 料 的 沖 擊 韌 度 ak（ 單 位 ：J/m2） 。 0SAa kk 1.2 材 料 的 韌 性v Ak 或 ak越 大 ， 則 材 料 的 沖 擊 韌 性 越 好 。v 沖 擊 韌 性 與 材 料 的 組 織 密 切 相 關 。

41、例 如 ：45鋼 正 火 處 理 后 為 S F組 織 ， ak為 500 800 kJ/m2； 調(diào) 質(zhì) 處 理 后 其 組 織 為 回 火索 氏 體 ， a k為 800 1200kJ/m2。沖 擊 試 樣 U型 缺 口 V型 缺 口 1.2 材 料 的 韌 性2、 斷 裂 韌 性 （ 裂 紋 斷 裂 韌 性 ） 橋 梁 、 船 舶 、 大 型 軋 輥 、 轉(zhuǎn) 子 等 有 時 會發(fā) 生 低 應 力 脆 斷 ， 這 種 斷 裂 的 名 義 斷 裂 應力 低 于 材 料 的 屈 服 強 度 。 盡 管 在 設 計 時 保證 了 足 夠 的 延 伸 率 、 韌 性 和 屈 服 強 度 ， 但仍 不

42、 免 破 壞 。 究 其 原 因 是 構 件 或 零 件 內(nèi) 部存 在 著 或 大 或 小 、 或 多 或 少 的 裂 紋 和 類 似裂 紋 的 缺 陷 造 成 的 。 裂 紋 在 應 力 作 用 下 可失 穩(wěn) 而 擴 展 ， 導 致 機 件 破 斷 。 1.2 材 料 的 韌 性 斷 裂 韌 性 ： 材 料 抵 抗 裂 紋 失 穩(wěn) 擴 展 斷裂 的 能 力 ， 用 K C表 示 ， 是 材 料 本 身 的特 性 ， 由 材 料 的 成 分 、 組 織 狀 態(tài) 決 定 ，與 裂 紋 的 尺 寸 、 形 狀 及 外 加 應 力 大 小無 關 。 1.2 材 料 的 韌 性二 、 提 高 鋼 材

43、韌 性 的 途 徑 斷 裂 韌 性 是 材 料 的 一 種 性 能 ， 與 強度 一 樣 取 決 于 材 料 的 組 織 結(jié) 構 ， 而 材料 的 成 分 和 生 產(chǎn) 加 工 工 藝 又 決 定 了 材料 的 組 織 結(jié) 構 ， 故 改 善 材 料 的 韌 性 必然 從 工 藝 入 手 改 變 材 料 的 結(jié) 構 ， 以 達到 改 善 材 料 韌 性 的 目 的 。 1.2 材 料 的 韌 性1、 成 分 控 制 合 金 元 素 加 入 基 體 （ 鐵 ） 中 形 成 固 溶 體可 強 化 合 金 ， 甚 至 可 析 出 第 二 相 而 強 化 合金 ， 但 同 時 合 金 元 素 含 量 的

44、 增 加 也 造 成 基體 內(nèi) 缺 陷 的 增 加 ， 降 低 材 料 的 塑 韌 性 。v V、 Nb、 Ti、 Al、 Zr等 元 素 ： 能 夠 細 化晶 粒 ， 故 既 能 提 高 強 度 又 能 提 高 韌 性 ；v S、 P： 對 韌 性 有 害 ， 盡 量 降 低 含 量 ； 1.2 材 料 的 韌 性v C含 量 ： C含 量 升 高 會 增 加 鋼 中 P的 量 ，會 降 低 鋼 的 韌 性 ， 故 在 鋼 種 成 分 允 許 的 范圍 內(nèi) 降 低 c含 量 ， 由 此 產(chǎn) 生 的 強 度 下 降 則由 增 加 成 分 中 的 Mn來 彌 補 ；v 鋼 中 一 般 都 含 有

45、 二 元 以 上 的 合 金 元 素 ， 合金 組 元 之 間 有 交 互 作 用 ， 合 金 元 素 也 可 以通 過 不 同 途 徑 影 響 斷 裂 韌 性 ， 故 一 般 要 具體 分 析 ， 以 使 合 金 元 素 具 有 適 當 含 量 。 1.2 材 料 的 韌 性2、 氣 體 和 夾 雜 物 控 制 v H： 引 起 白 點 和 氫 脆 ， 應 盡 量 降 低 ；v N： 與 位 錯 結(jié) 合 力 強 ， 通 過 形 成 氣 團 而 阻止 位 錯 運 動 ， 降 低 韌 性 ； 形 成 固 態(tài) 氮 化 物時 對 韌 性 危 害 更 大 ； 只 有 與 V形 成 NV，能 提 高 鋼

46、 的 強 度 并 阻 止 奧 氏 體 再 結(jié) 晶 ， 輕度 細 化 晶 粒 ；v O： 常 以 氧 化 物 形 式 存 在 ， 降 低 鋼 的 韌 性 ，含 量 越 多 ， 對 韌 性 的 影 響 越 大 。 1.2 材 料 的 韌 性v 鋼 中 的氣 體 量和 夾 雜物 量 的多 少 與冶 煉 方法 、 澆注 方 法直 接 有關 。 1.2 材 料 的 韌 性v S： 形 成 硫 化 物 ， 對 韌 性 有 害 ， 解 決 辦 法 ：降 低 S含 量 或 者 加 入 Zr和 稀 土 元 素 以 固 定S， 改 善 橫 行 韌 性 。 目 前 ， 采 用 各 種 冶 煉 和 澆 注 新 工 藝

47、（ 真 空 冶 煉 、 攪 拌 技 術 等 ） 使 鋼 中 氣 體 和夾 雜 大 量 減 少 ， 生 產(chǎn) 出 較 純 凈 的 鋼 材 。 1.2 材 料 的 韌 性3、 壓 力 加 工 工 藝 的 控 制 v 通 過 加 工 工 藝 控 制 晶 粒 度 材 料 理 論 韌 性 斷 裂 強 度 c (2G/K)d-1/2 G 材 料 的 切 變 模 量 ， 材 料 的 表 面 能 ，K 常 數(shù) ， d 平 均 晶 粒 直 徑 。 c d-1/2 通 過 控 制 壓 力 加 工 工 藝 可 以 控 制 晶 粒 的大 小 ， 改 變 材 料 的 韌 性 。 1.2 材 料 的 韌 性v 通 過 加

48、工 工 藝 控 制 晶 體 取 向 鋼 在 A F或 F區(qū) 軋 制 后 ， F不 發(fā) 生 再 結(jié) 晶 ，形 成 111織 構 ， 引 起 各 向 異性 。v 冷 卻 工 藝 和 材 料 的 成 分 一 起 影 響 相 變 產(chǎn) 物的 種 類 、 形 貌 、 數(shù) 量 等 組 織 結(jié) 構 特 征 ， 從而 影 響 材 料 的 韌 性 。4、 熱 處 理 工 藝 控 制v 形 變 熱 處 理 1.2 材 料 的 韌 性三 、 強 化 機 制 對 韌 性 的 影 響 一 切 提 高 材 料 強 度 的 因 素 都 同 時 影 響材 料 的 韌 性 。1、 固 溶 強 化 的 影 響v 間 隙 式 固 溶

49、 強 化 ： 不 對 稱 晶 格 畸 變 ， 且 晶格 畸 變 強 烈 ， 塑 韌 性 明 顯 降 低 ；v 置 換 式 固 溶 強 化 ： 對 稱 晶 格 畸 變 ， 且 畸 變程 度 較 小 ， 塑 韌 性 下 降 不 多 ， 甚 至 不 下 降 。v 合 金 因 素 降 低 鋼 的 焊 接 性 能 。 1.2 材 料 的 韌 性2、 形 變 強 化 的 影 響 冷 變 形 產(chǎn) 生 的 位 錯 對 塑 韌 性 有 雙 重 作 用 。v 降 低 塑 韌 性 （ 主 要 作 用 ） ： 位 錯 的 合 并 及在 障 礙 處 的 塞 積 會 促 使 裂 紋 形 核 ；v 提 高 塑 韌 性 ：

50、位 錯 在 裂 紋 尖 端 塑 性 區(qū) 內(nèi) 移動 可 緩 解 該 處 的 應 力 集 中 。 由 于 位 錯 的 主 要 作 用 是 降 低 塑 韌 性 ， 故隨 著 冷 變 形 量 的 增 加 ， 位 錯 密 度 增 大 ， 材料 強 度 提 高 ， 塑 韌 性 下 降 ， 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度升 高 。 1.2 材 料 的 韌 性 1.2 材 料 的 韌 性3、 沉 淀 強 化 的 影 響 一 般 情 況 下 ， 沉 淀 強 化 會 提 高 韌 脆 轉(zhuǎn) 變溫 度 ， 降 低 材 料 塑 性 。 在 控 制 技 術 生 產(chǎn) 中 ， Nb、 V、 Ti等 微合 金 元 素 的 碳 化 物 析

51、 出 后 ， 一 方 面 可 起 到沉 淀 強 化 作 用 ； 另 一 方 面 可 細 化 晶 粒 ， 起到 強 化 和 韌 化 作 用 。 具 體 綜 合 作 用 ， 要 看哪 一 方 面 占 據(jù) 主 導 作 用 。 1.2 材 料 的 韌 性4、 細 晶 強 化 的 影 響 晶 粒 細 化 后 ， 晶 界 比 例 增 大 。v 晶 界 可 以 阻 礙 位 錯 運 動 ， 提 高 強 度 ；v 使 材 料 變 形 更 加 均 勻 ， 提 高 塑 性 ；v 晶 界 阻 礙 裂 紋 擴 展 ， 改 善 材 料 的 韌 性 ；v 降 低 材 料 的 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度 ；v 晶 粒 越 均 勻

52、 ， 韌 性 越 好 。 1.2 材 料 的 韌 性 1.2 材 料 的 韌 性5、 馬 氏 體 強 化 的 影 響 M的 形 成 可 大 大 提 高 材 料 的 強 度 ， 但 淬火 造 成 很 高 的 內(nèi) 應 力 ， 大 大 降 低 材 料 韌 性 ，但 回 火 處 理 會 恢 復 部 分 韌 性 。 塑 性 變 形 可 細 化 奧 氏 體 或 形 成 亞 結(jié) 構 ，造 成 亞 晶 ， 并 可 能 增 加 板 條 M比 例 ， 提 高材 料 的 強 度 和 塑 韌 性 ， 故 形 變 熱 處 理 的 材料 性 能 優(yōu) 于 普 通 熱 處 理 。 1.2 材 料 的 韌 性四 、 提 高 韌

53、 性 ， 控 制 材 料 結(jié) 構 應 遵 循 的 規(guī) 律v 細 化 A晶 粒 ， 可 細 化 轉(zhuǎn) 變 產(chǎn) 物 ， 提 高 韌 性 ;v 轉(zhuǎn) 變 溫 度 越 低 ， 則 回 火 后 的 韌 性 越 高 ， 故要 求 鋼 材 具 有 足 夠 的 淬 透 性 ；v 調(diào) 整 成 分 和 工 藝 ， 細 化 針 狀 F， 改 善 韌 性 ;v 設 法 避 免 片 狀 P的 形 成 ；v 孿 生 M的 韌 性 低 于 板 條 M， 調(diào) 整 成 分 和 工藝 改 變 M的 形 貌 ；v 下 貝 氏 體 的 韌 性 好 于 上 貝 氏 體 。 1.2 材 料 的 韌 性冷 脆 系 數(shù) 冷 脆 系 數(shù) K： 全 面 衡 量 各 種 強 化 機 制 和 成分 對 強 度 和 韌 性 的 影 響 的 系 數(shù) 。 K TK/ s TK 某 一 變 化 條 件 下 脆 性 轉(zhuǎn) 化 溫 度 的 變化 值 ； s 同 一 變 化 條 件 下 屈 服 強 度 的變 化 值 K0時 ， 表 示 有 提 高 脆 性 斷 裂 的 傾 向 ； K0時 ， 表 示 有 降 低 脆 性 斷 裂 的 傾 向 。