材料加工物理冶金學北京科技大學材料學院劉靖材料加工組織性能控制（第一二章）1參考書：1.王占學，控制軋制與控制冷卻，冶金工業出版社，1988年2.劉永銓，鋼的熱處理，冶金工業出版社，1987年3.毛衛民，金屬材料的晶體學織構與各向異性，科學出版社，2002年4.王有銘等，鋼材的控制軋制與控制冷卻，冶金工業出版社，1995年參考書：2二戰期間大量的船舶脆斷提高鋼材的韌性。解決辦法：提高Mn/C比、鋁脫氧、正火工藝、900℃以下，變形20-30%的低溫大壓下構成控軋控冷的基礎；1.緒論控軋控冷技術的發展:50年代發現Nb的強化作用，但含Nb鋼板脆轉溫度高，60年代后期為控軋工藝的發展提供了理論依據；70年代后應用普及，新鋼種、新工藝逐漸開發出來。控制軋制+控制冷卻的方法稱為熱機械控制工藝。(TMCP,ThermoMomechanicalControlledProcessing)。二戰期間大量的船舶脆斷提高鋼材的韌性。解決辦法3熱加工中的微觀組織性能控制塑性加工的作用:改形、改性形變熱處理:熱擠壓：圖6擠壓過程可能產生的組織變化熱加工中的微觀組織性能控制圖6擠壓過程可能產生的組織變化4軋制：鍛造：大型鍛件金屬流動非常復雜經驗成分占主導地位；鍛造設備以及輔助工具不完全配套；毛壞為含有粗大的樹枝狀晶粒、偏析嚴重、孔洞、疏松、夾雜等缺陷的大型鋼錠。軋制：5

研究進展：德國Aachen大學的R．Kopp教授采用不斷細化網格的有限元法對熱鐓粗時的動態再結晶狀況進行了數值模擬，引入邊界條件對于有限元數值模擬的影響，并對模鍛過程中的微觀組織結構變化進行了模擬研究；清華大學也曾采用三維剛粘塑性有限元方法模擬了熱鐓粗過程中的動態軟化變化過程。研究進展：6圖11變形體中軟化機制分布示意圖(在發生再結晶時，同時伴隨有恢復)圖11變形體中軟化機制分布示意圖7圖12拔長時隨鍛造過程的進行各處所發生的軟化機制(當前壓下第三砧)圖12拔長時隨鍛造過程的進行各處所發生的8

材料的化學成分和加工過程、顯微組織與力學性能之間的關系：

材料的化學成分和加工過程、顯微組織與力學性能之間的關系9圖1-2鋼材性能與冶金因素、組織的關系組織工藝性能圖1-2鋼材性能與冶金因素、組織的關系組織工藝性能10金屬材料的力學性能：

金屬材料的力學性能是指金屬在外加載荷(外力或能量)作用下或載荷與環境因素(溫度、介質和加載速率)聯合作用下所表現的行為。

力學性能通常包括：

強度指標：σS、σb；塑性指標：δ、ψ；韌性指標：k、Kc。

金屬材料的力學性能：11⑴

金屬的理論屈服強度

切應力與位移之間的關系可表示為：

令a=b則

圖1-3原子面受力后產生的位移⑴金屬的理論屈服強度圖1-3原子面受力后產生的位移12

一般金屬的剪切彈性模量G：104~105MPa，金屬的理論屈服強度：103~104MPa。實際純金屬單晶體的屈服強度要比此值低100~1000倍。 對鋼而言，G＝78453MPa，理論屈服強度σs=2×12486Mpa，鋼的實際屈服強度遠遠低于理論屈服強度。

一般金屬的剪切彈性模量G：104~105MPa，13（2）金屬的理論斷裂強度

斷裂強度：圖1-4原子間結合力的雙原子模型1-吸引力；2-排斥力；3-合應力max就是理論斷裂強度。（2）金屬的理論斷裂強度圖1-4原子間結合力的雙原子模型14高強度鋼的斷裂強度可達2100Mpa，約為理論斷裂強度的十分之一。一般工程材料的斷裂強度比理論斷裂強度低10-1000倍。原因：①實際金屬不是理想晶體，滑移過程不是剛性的、整體的移動；②在實際晶體中存在有位錯，位錯具有可動性，位錯可以通過點陣滑移從一個位置移向另一個位置；③滑移是一個逐步進行的過程，材料的斷裂也可以用位錯的塞積、塞積群的擴展和攀移來說明。高強度鋼的斷裂強度可達2100Mpa，約為理15（3）金屬的韌性1）韌性的定義及其表示：綜合應用較高沖擊速度和缺口試樣的應力集中，來測定金屬從變形到斷裂所消耗的沖擊能量的大小。韌性指標：Ak(J)、ak(J/cm2)（3）金屬的韌性16韌性-脆性轉化溫度Tk（C）

及表示方法

①選取一定的沖擊功所對應的溫度為Tk；②用夏比V形缺口試樣，沖擊功為20.34J的Tk用V15TT表示；③斷口面積上出現50%結晶狀斷口時的溫度為Tk，以50%FATT表示；④以100%結晶狀斷口時的溫度為Tk，此時為零塑性轉變溫度，用NDT表示。圖1-5沖擊功、結晶斷口比例隨試驗溫度變化曲線1.沖擊功曲線；2.斷口形貌曲線韌性-脆性轉化溫度Tk（C）圖1-5沖擊功、結晶斷口比172）影響沖擊韌性的因素①材料的組織、結構的影響：1）面心立方點陣—2）體心立方、密排六方點陣—3）細小均勻分布的第二相質點—4）顆粒狀與片狀相比—5）尖角狀、網狀連續分布—6）第二相與基體的性質差異—7）內部缺陷的影響：2）影響沖擊韌性的因素18②

溫度的影響：三個脆性區：冷脆性、藍脆性、重結晶脆性。

圖1

鋼的幾個脆性的溫度區域

圖2不同含碳量的鋼的冷脆和藍脆溫度范圍②溫度的影響：三個脆性區：冷脆性、藍脆圖1鋼的幾個19

③

形變速度的影響

圖3沖擊速度對鋼的韌-脆轉化溫度的影響

④試樣尺寸的影響：試樣尺寸

，韌性

，斷口纖維狀區比例減小，韌-脆轉化溫度提高（原因）。

③形變速度的影響圖3沖擊速度對鋼的韌-脆轉化溫度的影202鋼鐵材料強韌化理論金屬的強化：

金屬材料強化的基本途徑：

：(1)制成無缺陷的完整晶體，使金屬的晶體強度接近理論強度。鐵晶須：直徑1.6μm鐵單晶纖維，max可達3640MN/m2，十分接近鐵的理論屈服強度8200MN/m2(2)在有缺陷的金屬晶體中設法阻止位錯的運動。2鋼鐵材料強韌化理論金屬的強化： 21

金屬材料中的顯微缺陷組織可分為：(1)點缺陷：(2)線缺陷：(3)面缺陷：(4)體缺陷：

強化手段： 固溶強化、位錯強化、晶界強化、第二相粒子析出強化及相變強化。 金屬材料中的顯微缺陷組織可分為：22提高韌性的具體途徑：

（1）成分控制

Bucher對C-Mn-Si鋼：

提高韌性的具體途徑：23表2-2合金元素對工業純鐵強度和韌性的影響溶質元素原子直徑(?)25(C)時下屈服點變化(107Pa/原子%)沖擊韌性轉變溫度變化（C/原子%）PPt

MoMnSiNiCoCrV2.182.772.722.242.352.492.492.492.6321.14.93.63.53.52.10.40.0-0.2130-20-5-10025-10--5-Pickering:C<0.25%熱軋碳鋼：表2-2合金元素對工業純鐵強度和韌性的影響溶質元素原子直徑241）P、S的影響 P：回火脆性和影響交叉滑移；S：增加夾雜物顆粒，減小夾雜物顆粒間距，使材料韌性下降。措施：盡可能降低S、P含量；加入稀土、Ti、Zr等元素。

1）P、S的影響252）C的影響 碳量，鋼中珠光體量（Fe-C相圖），50％FATT。措施：在鋼種允許的成分范圍內降低碳含量，強度下降由增加成分中錳含量來彌補。3）V的影響：VN的形成阻止奧氏體再結晶細化轉變后的晶粒。問題：過多的固溶V阻止交叉滑移而影響韌性。

2）C的影響 26（2）氣體和夾雜物控制

氫：引起白點和氫脆；氮：使鋼的韌性下降；氧化物：使鋼的韌性下降；硫化物：硫+錳MnS夾雜（塑性，減輕硫的有害影響），缺點：熱軋鋼板橫向韌性。措施：降低鋼中硫含量；加鋯(Zr)和稀土等元素。（2）氣體和夾雜物控制27

圖2-2鑄造工藝對夾雜物總量及韌性各向異性的影響a.

頂注；b.連續鑄錠；c.壓力澆注；d.電渣重熔Ak為20C夏氏V型值（9.8J）；b均為540MPa圖2-2鑄造工藝對夾雜物總量及韌性各向異性的影響28

(3)壓力加工工藝的控制

(4)熱處理工藝的選擇

固溶強化：強化的實質：通過改變金屬的化學成分來提高強度。強化的金屬學基礎：運動的位錯與異質原子之間的相互作用的結果。

(3)壓力加工工藝的控制29固溶強化分類：間隙式固溶強化和置換式固溶強化

（1）間隙式固溶強化：碳、氮等溶質原子嵌入a-Fe晶格的八面體間隙中，使晶格產生不對稱正方性畸變造成強硬化效應。圖2-5鐵的屈服應力和含碳量的關系固溶強化分類：間隙式固溶強化和置換式固溶圖2-5鐵的屈服30柯氏氣團

：作用：Snock氣團：

圖2-6(SS)C+N隨C、N含量的變化規律

柯氏氣團：圖2-6(SS)C+N隨C、N含量的變化規31綜合考慮各種效應，可以把間隙原子對強度的影響寫成下面的通式，即：

Ki：由間隙原子性質、基體晶格類型、基體的剛度、溶質和溶劑原子的直徑差及二者的化學性質差別等因素決定的數值；Ci：間隙原子的固溶量（原子百分數）；n：0.332.0之間變化的一個指數。

綜合考慮各種效應，可以把間隙原子對強度的32間隙式固溶強化對塑性、韌性的影響：1）間隙原子在鐵素體晶格中造成的畸變是不對稱的，所以隨著間隙原子濃度的增加，塑性和韌性明顯下降。表碳鋼馬氏體含量和沖擊值的關系馬氏體含碳量(%)沖擊值Cv(Nm)<0.20.30.50.7>2012165825間隙式固溶強化對塑性、韌性的影響：馬氏體含碳量(%)沖擊值C332）碳、氮間隙原子能引起低碳鋼的藍脆

應變硬化指數變大，延伸率降低（藍脆）。同樣，螺型位錯線附近的Snock氣團也會使塑性降低。結論：2）碳、氮間隙原子能引起低碳鋼的藍脆34（2）置換式固溶強化：畸變大都是球面對稱，強化效能比間隙式原子小兩個數量級（弱硬化）。元素類型不同，強化效能也不同。圖2-7置換式元素對a-Fe屈服強度的影響

（2）置換式固溶強圖2-7置換式元素對a-Fe屈服強度的影35置換式固溶強化通式：

Ks：常數，Cs：溶質原子的固溶量（原子百分數），n：0.51.0之間。置換式固溶強化通式：36置換式固溶強化對韌性的影響：1）

基體中含有置換式固溶原子（如Si、P、Mn）平面滑移硬化指數n=均勻延伸率u。2)鋼中加入Ni(或Pt、Pd)，能促進低溫時螺型位錯交滑移，使韌性提高。Si、Al使低溫交滑移困難，鋼的塑性和韌性降低。3)影響鋼基體的層錯能增加層錯能的元素：降低層錯能的元素：4）若能降低基體的Peierls力，可提高鋼的低溫韌性。置換式固溶強化對韌性的影響：37小結：固溶強化效果取決于：①溶質元素在溶劑中的溶解度大小；

②溶質元素溶解量；形成間隙固溶體的溶質元素（如C、N、B）強化作用大于形成置換式固溶體（如Mn、Si、P）的溶質元素；溶質與基體的原子大小差別愈大，強化效果也愈顯著。小結：38固溶強化機制：①位錯的釘扎作用；②位錯運動的摩擦阻力增加；③結構強化引起的強化；材料加工組織性能控制（第一二章）392.2應變強化（位錯強化）

圖2-10不同結構的鋼的強化狀態

2.2應變強化（位錯強化）圖2-10不同結構的鋼的強化40位錯密度與強度值增加v之間關系式：

B：無量綱系數，數量級為1；

b：柏氏矢量；G：抗剪摩數；：位錯密度。

位錯密度與強度值增加v之間關系式：41

位錯對塑性及韌性的影響：(1)位錯的合并以及在障礙處的塞積會促使裂紋形核，使塑性和韌性降低。(2)由于位錯在裂紋尖端塑性區內的移動可減緩尖端的應力集中，使塑性和韌性升高。位錯對塑性及韌性的影響：(1)位錯的合并以42圖2-11通過冷變形改變的沖擊韌性和脆性轉化溫度

圖2-11通過冷變形改變的沖擊韌性和脆性轉化溫度432.3晶界強化

晶界：相鄰的取向不同的晶粒邊界區域，或者說是周期性排列的點陣的取向發生突然轉折的區域。晶界特點：（1）界面能；（2）界面能量高于晶粒內部；（3）對力學性能的影響。大角度晶界，小角度晶界。2.3晶界強化442.3.1晶界強化機理：①多晶體內變形的不均性；圖節狀晶體的拉伸變形2.3.1晶界強化機理：圖節狀晶體的拉伸變形45②晶界的阻礙作用；③多晶體晶粒的塑性變形必須滿足連續性的條件圖晶界對滑移的阻礙作用圖在晶界上的位錯塞積群②晶界的阻礙作用；圖晶界對滑移的阻礙作用圖在晶界上462.3.1Hall-Petch(霍爾—配奇)公式

i：常數，相當于單晶體時的屈服強度；K1：反映晶界對強度影響程度的常數，它和晶界結構有關，和溫度關系不大。圖軟鋼的晶粒大小對壓縮屈服應力和拉伸脆斷應力的影響-壓縮屈服應力；-拉伸脆斷應力2.3.1Hall-Petch(霍爾—配奇)公式圖軟鋼47

圖2-15

0.15%碳鋼屈服強度和晶粒直徑間的關系〇-靜拉；●-變形速度1.4×102S-1;變形速度2.1×102S-1圖2-150.15%碳鋼屈服強度和晶粒直徑間的關系48鐵素體一珠光體鋼有下述形式的Hall-Petch關系式：式中i和p分別表示完全為鐵素體和完全為珠光體時的內摩擦應力；f和fp分別表示鐵素體和珠光體的體積分數（f+fp=1）；d為鐵素體晶粒直徑。鐵素體-珠光體鋼中Mn、Si含量對屈服強度的影響：鐵素體一珠光體鋼有下述形式的Hall-Petch關系式：49晶界強化對強度的影響：鐵素體晶粒細化，可以提高屈服強度(d與)；晶界是位錯運動的障礙，細化晶粒可使材料的屈服強度提高。晶界強化對塑性的影響：晶界可把塑性變形限定在一定的范圍內，使變形均勻化，因此晶粒細化也可以提高材料的塑性。晶界強化對韌性的影響：

晶界是裂紋擴展的阻力，晶粒愈細，裂紋擴展臨界應力c愈大，材料的韌性愈高。

晶界強化對強度的影響：50圖2-16晶粒大小與面收縮率的關系

圖2-16晶粒大小與面收縮率的關系51經驗公式：

式中A、m為常數，對于結構m=12C/mm-1/2。晶粒的均勻程度對AK值也有影響，均勻的晶粒能提高AK值。

經驗公式：52

只有晶界強化機理才能使材料強化的同時又使材料的韌塑性提高，所以細化晶粒就成為控制軋制工藝的基本目標。2.4亞晶強化

亞晶界：晶內界面，晶粒內取向差在幾度范圍的各個小區域。形成條件：①在奧氏體未再結晶區或奧氏體、鐵素體兩相區變形；②冷變形后低溫回火。

強化原因：亞晶本身是位錯墻，亞晶細小，位錯密度也高。強化作用方面與晶界具有類似的性質。 只有晶界強化機理才能使材料強化的同時又53對強度的影響：

式中i、K分別是Hall-Petch公式的單晶體的屈服強度和晶界強化系數；D：沒有亞晶的等軸鐵素體尺寸；d：鐵素體亞晶的尺寸；fF：等軸鐵素體的分數。對強度的影響：542.5沉淀強化定義：第二相質點沉淀時，沉淀相在基體中造成應力場，應力場與運動位錯之間的交互作用。沉淀強化（時效強化）：彌散強化：2.5.1沉淀析出條件

固溶度隨溫度的降低而減少。2.5沉淀強化55過時效：圖2-17可能出現沉淀強化的合金系

過時效：圖2-17可能出現沉淀強化的合金系562.5.2沉淀強化機理切過第二相的強化機理

條件：第二相比較細小，與基體存在共格關系。強化原因：1)；2）；3）位錯切過第二相質點后增加的相界面2.5.2沉淀強化機理位錯切過第二相質點后增加的相界面57(2)繞過第二相的強化機理條件：位錯繞過第二相質點時的過程示意圖

(2)繞過第二相的強化機理位錯繞過第二相質點時的過程示意58影響沉淀強化的因素：沉淀相的部位、形狀。沉淀顆粒分布在整個基體上好于分布在晶界上；顆粒形球狀比片狀更有利于強化。形變熱處理產生強化的原因：影響沉淀強化的因素：沉淀相的部位、形592.5.3彌散強化特點：(1)強化相質點是通過機械混合，壓制燒結到基體中去的。沒有沉淀析出過程。(2)第二相在基體中一般溶解度都很小，甚至在高溫下。所以很穩定，不易長大。(3)第二相與基體沒有共格關系。（4）彌散強化合金不要求隨溫度降低固溶體的溶解度要降低的限制，可以設計大量的彌散合金系統。機理：繞過理論2.5.3彌散強化60沉淀和彌散強化總結：（1）沉淀相的體積比越大，強化效果越顯著，因此必須提高基體的過飽和度。（2）第二相質點彌散度越大，強化效果越好。共格第二相比非共格第二相的強化效能大。（3）第二相質點對位錯運動的阻力越大，強化效果越大。沉淀和彌散強化總結：61沉淀強化對塑性及韌性的影響：(1)沉淀強化對裂紋擴展所需要的臨界應力c值影響不大，因此將使脆性轉化溫度升高。鐵素體晶粒內析出的質點阻礙位錯運動，使材料塑性降低。(2)微合金鋼中Nb、V、Ti的作用：沉淀強化對塑性及韌性的影響：(1)沉淀強化對裂622.6相變強化馬氏體、貝氏體強化。強化機理（碳原子固溶強化）：(1)馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體。碳原子在晶格中的位置發生改變晶格畸變晶體內部形成巨大的應力場應力場與位錯發生作用，阻礙位錯運動。(2)馬氏體轉變過程中晶粒得到細化。(3)位錯密度增加。(4)馬氏體變形時，有時會發生過飽和固溶體的分解，析出新相，從而阻礙位錯運動。

2.6相變強化63相變強化對塑性、韌性的影響：(1)馬氏體的形成材料的強度；材料的淬火狀態造成了很高的內應力韌性。回火處理可不同程度的消除內應力而恢復部分韌性。(2)塑性變形可以細化奧氏體或形成位錯亞結構，造成亞晶粒，提高塑性。

相變強化對塑性、韌性的影響：(1)馬氏體的形成64強化機制總結：多晶體的屈服強度在單相鐵素體組織的情況下可用Hall-Petch公式表示：σy=σo+ky·d-1/2（1）d：晶粒大小；ky：常數；σo：基體強度，σo：由晶格強化、固溶強化、位錯強化、淀強化等幾部分組成。存在有織構強化σtext、亞晶強化σsub等強化項的情況下（1）式變成：σy=σo+ky·d-1/2+σtext+σsub（2）強化機制總結：65 除鐵素體外還有珠光體或貝氏體的混合組織的鋼（1）式改寫為：σy=（1-f）σy1+fσy2（3）其中：f：第二相體積百分數；σy、σy1、Σy2：鋼的屈服強度、基體鐵素體的屈服強度、第二相的屈服強度。

除鐵素體外還有珠光體或貝氏體的混合組66 冷脆系數K：

TK：某一變化條件下脆性轉化溫度的變化值；S：同一變化條件下屈服強度的變化值。K>0：有提高脆性斷裂的傾向。 冷脆系數K：67各種強化因素對金屬材料強度和塑性的影響總結于表2-4中。

表2-4各種強化因素對強度和塑性的影響強化因素強度塑性固溶強化間隙強化+++-

置換強化+晶界強化大角度晶界+++

小角度晶界+第二相粒子強化共格第二相+++-

非共格第二相++-位錯強化均勻位錯密度++-

不均勻位錯密度+-備注：+增加；-減少；

無作用各種強化因素對金屬材料強度和塑性的影響總結于表2-4中。強化68材料加工物理冶金學北京科技大學材料學院劉靖材料加工組織性能控制（第一二章）69參考書：1.王占學，控制軋制與控制冷卻，冶金工業出版社，1988年2.劉永銓，鋼的熱處理，冶金工業出版社，1987年3.毛衛民，金屬材料的晶體學織構與各向異性，科學出版社，2002年4.王有銘等，鋼材的控制軋制與控制冷卻，冶金工業出版社，1995年參考書：70二戰期間大量的船舶脆斷提高鋼材的韌性。解決辦法：提高Mn/C比、鋁脫氧、正火工藝、900℃以下，變形20-30%的低溫大壓下構成控軋控冷的基礎；1.緒論控軋控冷技術的發展:50年代發現Nb的強化作用，但含Nb鋼板脆轉溫度高，60年代后期為控軋工藝的發展提供了理論依據；70年代后應用普及，新鋼種、新工藝逐漸開發出來。控制軋制+控制冷卻的方法稱為熱機械控制工藝。(TMCP,ThermoMomechanicalControlledProcessing)。二戰期間大量的船舶脆斷提高鋼材的韌性。解決辦法71熱加工中的微觀組織性能控制塑性加工的作用:改形、改性形變熱處理:熱擠壓：圖6擠壓過程可能產生的組織變化熱加工中的微觀組織性能控制圖6擠壓過程可能產生的組織變化72軋制：鍛造：大型鍛件金屬流動非常復雜經驗成分占主導地位；鍛造設備以及輔助工具不完全配套；毛壞為含有粗大的樹枝狀晶粒、偏析嚴重、孔洞、疏松、夾雜等缺陷的大型鋼錠。軋制：73

研究進展：德國Aachen大學的R．Kopp教授采用不斷細化網格的有限元法對熱鐓粗時的動態再結晶狀況進行了數值模擬，引入邊界條件對于有限元數值模擬的影響，并對模鍛過程中的微觀組織結構變化進行了模擬研究；清華大學也曾采用三維剛粘塑性有限元方法模擬了熱鐓粗過程中的動態軟化變化過程。研究進展：74圖11變形體中軟化機制分布示意圖(在發生再結晶時，同時伴隨有恢復)圖11變形體中軟化機制分布示意圖75圖12拔長時隨鍛造過程的進行各處所發生的軟化機制(當前壓下第三砧)圖12拔長時隨鍛造過程的進行各處所發生的76

材料的化學成分和加工過程、顯微組織與力學性能之間的關系：

材料的化學成分和加工過程、顯微組織與力學性能之間的關系77圖1-2鋼材性能與冶金因素、組織的關系組織工藝性能圖1-2鋼材性能與冶金因素、組織的關系組織工藝性能78金屬材料的力學性能：

金屬材料的力學性能是指金屬在外加載荷(外力或能量)作用下或載荷與環境因素(溫度、介質和加載速率)聯合作用下所表現的行為。

力學性能通常包括：

強度指標：σS、σb；塑性指標：δ、ψ；韌性指標：k、Kc。

金屬材料的力學性能：79⑴

金屬的理論屈服強度

切應力與位移之間的關系可表示為：

令a=b則

圖1-3原子面受力后產生的位移⑴金屬的理論屈服強度圖1-3原子面受力后產生的位移80

一般金屬的剪切彈性模量G：104~105MPa，金屬的理論屈服強度：103~104MPa。實際純金屬單晶體的屈服強度要比此值低100~1000倍。 對鋼而言，G＝78453MPa，理論屈服強度σs=2×12486Mpa，鋼的實際屈服強度遠遠低于理論屈服強度。

一般金屬的剪切彈性模量G：104~105MPa，81（2）金屬的理論斷裂強度

斷裂強度：圖1-4原子間結合力的雙原子模型1-吸引力；2-排斥力；3-合應力max就是理論斷裂強度。（2）金屬的理論斷裂強度圖1-4原子間結合力的雙原子模型82高強度鋼的斷裂強度可達2100Mpa，約為理論斷裂強度的十分之一。一般工程材料的斷裂強度比理論斷裂強度低10-1000倍。原因：①實際金屬不是理想晶體，滑移過程不是剛性的、整體的移動；②在實際晶體中存在有位錯，位錯具有可動性，位錯可以通過點陣滑移從一個位置移向另一個位置；③滑移是一個逐步進行的過程，材料的斷裂也可以用位錯的塞積、塞積群的擴展和攀移來說明。高強度鋼的斷裂強度可達2100Mpa，約為理83（3）金屬的韌性1）韌性的定義及其表示：綜合應用較高沖擊速度和缺口試樣的應力集中，來測定金屬從變形到斷裂所消耗的沖擊能量的大小。韌性指標：Ak(J)、ak(J/cm2)（3）金屬的韌性84韌性-脆性轉化溫度Tk（C）

及表示方法

①選取一定的沖擊功所對應的溫度為Tk；②用夏比V形缺口試樣，沖擊功為20.34J的Tk用V15TT表示；③斷口面積上出現50%結晶狀斷口時的溫度為Tk，以50%FATT表示；④以100%結晶狀斷口時的溫度為Tk，此時為零塑性轉變溫度，用NDT表示。圖1-5沖擊功、結晶斷口比例隨試驗溫度變化曲線1.沖擊功曲線；2.斷口形貌曲線韌性-脆性轉化溫度Tk（C）圖1-5沖擊功、結晶斷口比852）影響沖擊韌性的因素①材料的組織、結構的影響：1）面心立方點陣—2）體心立方、密排六方點陣—3）細小均勻分布的第二相質點—4）顆粒狀與片狀相比—5）尖角狀、網狀連續分布—6）第二相與基體的性質差異—7）內部缺陷的影響：2）影響沖擊韌性的因素86②

溫度的影響：三個脆性區：冷脆性、藍脆性、重結晶脆性。

圖1

鋼的幾個脆性的溫度區域

圖2不同含碳量的鋼的冷脆和藍脆溫度范圍②溫度的影響：三個脆性區：冷脆性、藍脆圖1鋼的幾個87

③

形變速度的影響

圖3沖擊速度對鋼的韌-脆轉化溫度的影響

④試樣尺寸的影響：試樣尺寸

，韌性

，斷口纖維狀區比例減小，韌-脆轉化溫度提高（原因）。

③形變速度的影響圖3沖擊速度對鋼的韌-脆轉化溫度的影882鋼鐵材料強韌化理論金屬的強化：

金屬材料強化的基本途徑：

：(1)制成無缺陷的完整晶體，使金屬的晶體強度接近理論強度。鐵晶須：直徑1.6μm鐵單晶纖維，max可達3640MN/m2，十分接近鐵的理論屈服強度8200MN/m2(2)在有缺陷的金屬晶體中設法阻止位錯的運動。2鋼鐵材料強韌化理論金屬的強化： 89

金屬材料中的顯微缺陷組織可分為：(1)點缺陷：(2)線缺陷：(3)面缺陷：(4)體缺陷：

強化手段： 固溶強化、位錯強化、晶界強化、第二相粒子析出強化及相變強化。 金屬材料中的顯微缺陷組織可分為：90提高韌性的具體途徑：

（1）成分控制

Bucher對C-Mn-Si鋼：

提高韌性的具體途徑：91表2-2合金元素對工業純鐵強度和韌性的影響溶質元素原子直徑(?)25(C)時下屈服點變化(107Pa/原子%)沖擊韌性轉變溫度變化（C/原子%）PPt

MoMnSiNiCoCrV2.182.772.722.242.352.492.492.492.6321.14.93.63.53.52.10.40.0-0.2130-20-5-10025-10--5-Pickering:C<0.25%熱軋碳鋼：表2-2合金元素對工業純鐵強度和韌性的影響溶質元素原子直徑921）P、S的影響 P：回火脆性和影響交叉滑移；S：增加夾雜物顆粒，減小夾雜物顆粒間距，使材料韌性下降。措施：盡可能降低S、P含量；加入稀土、Ti、Zr等元素。

1）P、S的影響932）C的影響 碳量，鋼中珠光體量（Fe-C相圖），50％FATT。措施：在鋼種允許的成分范圍內降低碳含量，強度下降由增加成分中錳含量來彌補。3）V的影響：VN的形成阻止奧氏體再結晶細化轉變后的晶粒。問題：過多的固溶V阻止交叉滑移而影響韌性。

2）C的影響 94（2）氣體和夾雜物控制

氫：引起白點和氫脆；氮：使鋼的韌性下降；氧化物：使鋼的韌性下降；硫化物：硫+錳MnS夾雜（塑性，減輕硫的有害影響），缺點：熱軋鋼板橫向韌性。措施：降低鋼中硫含量；加鋯(Zr)和稀土等元素。（2）氣體和夾雜物控制95

圖2-2鑄造工藝對夾雜物總量及韌性各向異性的影響a.

頂注；b.連續鑄錠；c.壓力澆注；d.電渣重熔Ak為20C夏氏V型值（9.8J）；b均為540MPa圖2-2鑄造工藝對夾雜物總量及韌性各向異性的影響96

(3)壓力加工工藝的控制

(4)熱處理工藝的選擇

固溶強化：強化的實質：通過改變金屬的化學成分來提高強度。強化的金屬學基礎：運動的位錯與異質原子之間的相互作用的結果。

(3)壓力加工工藝的控制97固溶強化分類：間隙式固溶強化和置換式固溶強化

（1）間隙式固溶強化：碳、氮等溶質原子嵌入a-Fe晶格的八面體間隙中，使晶格產生不對稱正方性畸變造成強硬化效應。圖2-5鐵的屈服應力和含碳量的關系固溶強化分類：間隙式固溶強化和置換式固溶圖2-5鐵的屈服98柯氏氣團

：作用：Snock氣團：

圖2-6(SS)C+N隨C、N含量的變化規律

柯氏氣團：圖2-6(SS)C+N隨C、N含量的變化規99綜合考慮各種效應，可以把間隙原子對強度的影響寫成下面的通式，即：

Ki：由間隙原子性質、基體晶格類型、基體的剛度、溶質和溶劑原子的直徑差及二者的化學性質差別等因素決定的數值；Ci：間隙原子的固溶量（原子百分數）；n：0.332.0之間變化的一個指數。

綜合考慮各種效應，可以把間隙原子對強度的100間隙式固溶強化對塑性、韌性的影響：1）間隙原子在鐵素體晶格中造成的畸變是不對稱的，所以隨著間隙原子濃度的增加，塑性和韌性明顯下降。表碳鋼馬氏體含量和沖擊值的關系馬氏體含碳量(%)沖擊值Cv(Nm)<0.20.30.50.7>2012165825間隙式固溶強化對塑性、韌性的影響：馬氏體含碳量(%)沖擊值C1012）碳、氮間隙原子能引起低碳鋼的藍脆

應變硬化指數變大，延伸率降低（藍脆）。同樣，螺型位錯線附近的Snock氣團也會使塑性降低。結論：2）碳、氮間隙原子能引起低碳鋼的藍脆102（2）置換式固溶強化：畸變大都是球面對稱，強化效能比間隙式原子小兩個數量級（弱硬化）。元素類型不同，強化效能也不同。圖2-7置換式元素對a-Fe屈服強度的影響

（2）置換式固溶強圖2-7置換式元素對a-Fe屈服強度的影103置換式固溶強化通式：

Ks：常數，Cs：溶質原子的固溶量（原子百分數），n：0.51.0之間。置換式固溶強化通式：104置換式固溶強化對韌性的影響：1）

基體中含有置換式固溶原子（如Si、P、Mn）平面滑移硬化指數n=均勻延伸率u。2)鋼中加入Ni(或Pt、Pd)，能促進低溫時螺型位錯交滑移，使韌性提高。Si、Al使低溫交滑移困難，鋼的塑性和韌性降低。3)影響鋼基體的層錯能增加層錯能的元素：降低層錯能的元素：4）若能降低基體的Peierls力，可提高鋼的低溫韌性。置換式固溶強化對韌性的影響：105小結：固溶強化效果取決于：①溶質元素在溶劑中的溶解度大小；

②溶質元素溶解量；形成間隙固溶體的溶質元素（如C、N、B）強化作用大于形成置換式固溶體（如Mn、Si、P）的溶質元素；溶質與基體的原子大小差別愈大，強化效果也愈顯著。小結：106固溶強化機制：①位錯的釘扎作用；②位錯運動的摩擦阻力增加；③結構強化引起的強化；材料加工組織性能控制（第一二章）1072.2應變強化（位錯強化）

圖2-10不同結構的鋼的強化狀態

2.2應變強化（位錯強化）圖2-10不同結構的鋼的強化108位錯密度與強度值增加v之間關系式：

B：無量綱系數，數量級為1；

b：柏氏矢量；G：抗剪摩數；：位錯密度。

位錯密度與強度值增加v之間關系式：109

位錯對塑性及韌性的影響：(1)位錯的合并以及在障礙處的塞積會促使裂紋形核，使塑性和韌性降低。(2)由于位錯在裂紋尖端塑性區內的移動可減緩尖端的應力集中，使塑性和韌性升高。位錯對塑性及韌性的影響：(1)位錯的合并以110圖2-11通過冷變形改變的沖擊韌性和脆性轉化溫度

圖2-11通過冷變形改變的沖擊韌性和脆性轉化溫度1112.3晶界強化

晶界：相鄰的取向不同的晶粒邊界區域，或者說是周期性排列的點陣的取向發生突然轉折的區域。晶界特點：（1）界面能；（2）界面能量高于晶粒內部；（3）對力學性能的影響。大角度晶界，小角度晶界。2.3晶界強化1122.3.1晶界強化機理：①多晶體內變形的不均性；圖節狀晶體的拉伸變形2.3.1晶界強化機理：圖節狀晶體的拉伸變形113②晶界的阻礙作用；③多晶體晶粒的塑性變形必須滿足連續性的條件圖晶界對滑移的阻礙作用圖在晶界上的位錯塞積群②晶界的阻礙作用；圖晶界對滑移的阻礙作用圖在晶界上1142.3.1Hall-Petch(霍爾—配奇)公式

i：常數，相當于單晶體時的屈服強度；K1：反映晶界對強度影響程度的常數，它和晶界結構有關，和溫度關系不大。圖軟鋼的晶粒大小對壓縮屈服應力和拉伸脆斷應力的影響-壓縮屈服應力；-拉伸脆斷應力2.3.1Hall-Petch(霍爾—配奇)公式圖軟鋼115

圖2-15

0.15%碳鋼屈服強度和晶粒直徑間的關系〇-靜拉；●-變形速度1.4×102S-1;變形速度2.1×102S-1圖2-150.15%碳鋼屈服強度和晶粒直徑間的關系116鐵素體一珠光體鋼有下述形式的Hall-Petch關系式：式中i和p分別表示完全為鐵素體和完全為珠光體時的內摩擦應力；f和fp分別表示鐵素體和珠光體的體積分數（f+fp=1）；d為鐵素體晶粒直徑。鐵素體-珠光體鋼中Mn、Si含量對屈服強度的影響：鐵素體一珠光體鋼有下述形式的Hall-Petch關系式：117晶界強化對強度的影響：鐵素體晶粒細化，可以提高屈服強度(d與)；晶界是位錯運動的障礙，細化晶粒可使材料的屈服強度提高。晶界強化對塑性的影響：晶界可把塑性變形限定在一定的范圍內，使變形均勻化，因此晶粒細化也可以提高材料的塑性。晶界強化對韌性的影響：

晶界是裂紋擴展的阻力，晶粒愈細，裂紋擴展臨界應力c愈大，材料的韌性愈高。

晶界強化對強度的影響：118圖2-16晶粒大小與面收縮率的關系

圖2-16晶粒大小與面收縮率的關系119經驗公式：

式中A、m為常數，對于結構m=12C/mm-1/2。晶粒的均勻程度對AK值也有影響，均勻的晶粒能提高AK值。

經驗公式：120

只有晶界強化機理才能使材料強化的同時又使材料的韌塑性提高，所以細化晶粒就成為控制軋制工藝的基本目標。2.4亞晶強化

亞晶界：晶內界面，晶粒內取向差在幾度范圍的各個小區域。形成條件：①在奧氏體未再結晶區或奧氏體、鐵素體兩相區變形；②冷變形后低溫回火。

強化原因：亞晶本身是位錯墻，亞晶細小，位錯密度也高。強化作用方面與晶界具有類似的性質。 只有晶界強化機理才能使材料強化的同時又121對強度的影響：

式中i、K分別是Hall-Petch公式的單晶體的屈服強度和晶界強化系數；D：沒有亞晶的等軸鐵素體尺寸；d：鐵素體亞晶的尺寸；fF：等軸鐵素體的分數。對強度的影響：1222.5沉淀強化定義：第二相質點沉淀時，沉淀相在基體中造成應力場，應力場與運動位錯之間的交互作用。沉淀強化（時效強化）：彌散強化：2.5.1沉淀析出條件

固溶度隨溫度的降低而減少。2.5沉淀強化123過時效：圖2-17可能出現沉淀強化的合金系

過時效：圖2