控制轧制与控制冷却控制轧制与控制冷却昆明理工大学多媒体课件昆明理工大学多媒体课件材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料加工工程系材料加工工程系任课教师：王华昆任课教师：王华昆2012年年9月月0 0 绪论绪论（Introduction）v课程简介课程简介v教学要求教学要求v学习内容学习内容v教学安排教学安排v参考书目参考书目v控轧和控冷的概念控轧和控冷的概念v控轧和控冷技术的发展过程控轧和控冷技术的发展过程v我国控轧和控冷发展概况我国控轧和控冷发展概况课程简介课程简介控制轧制冷却技术是近十多年来国内外新控制轧制冷却技术是近十多年来国内外新发展起来的轧钢新技术，已成功而广泛地应发展起来的轧钢新技术，已成功而广泛地应用于生产过程中，能明显改善钢材组织结构，用于生产过程中，能明显改善钢材组织结构，提高钢材的强韧性和使用性能。学生通过学提高钢材的强韧性和使用性能。学生通过学习课程，能进一步理解压力加工过程不仅是习课程，能进一步理解压力加工过程不仅是解决成型及尺寸精度问题，而且成型过程本解决成型及尺寸精度问题，而且成型过程本身也能影响金属材料的组织转变，最终影响身也能影响金属材料的组织转变，最终影响产品性能，通过控制工艺过程的影响因素能产品性能，通过控制工艺过程的影响因素能在一定条件下获得所需的组织结构及产品性在一定条件下获得所需的组织结构及产品性称。称。课程简介课程简介本课程作为金属材料加工方向选本课程作为金属材料加工方向选修课，可使学生扩大和加深本专业修课，可使学生扩大和加深本专业的知识，掌握材料加工的前沿技术。的知识，掌握材料加工的前沿技术。控制轧制的核心就是将轧制的动态控制轧制的核心就是将轧制的动态过程和热处理的动态过程相结合，过程和热处理的动态过程相结合，来提高产品的综合性能。来提高产品的综合性能。教学要求教学要求v理解通过对金属加热制度、变形制度和温理解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，以获得细小晶粒组织，使钢材相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能。具有优异的综合力学性能。v了解控制冷却的工艺作用，控制轧制和控了解控制冷却的工艺作用，控制轧制和控制冷却技术在工业生产中的应用。制冷却技术在工业生产中的应用。v掌握钢的强韧化理论，变形条件下再结晶掌握钢的强韧化理论，变形条件下再结晶和相变的组织行为理论，典型微合金元素和相变的组织行为理论，典型微合金元素在控制轧制中的作用机理及控制冷却中的在控制轧制中的作用机理及控制冷却中的强化冷却方式等控轧控冷的基本知识。强化冷却方式等控轧控冷的基本知识。学习内容学习内容v第一篇：控制轧制及控制冷却理论第一篇：控制轧制及控制冷却理论钢的强化和韧化钢的强化和韧化钢的奥氏体形变与再结晶钢的奥氏体形变与再结晶在变形条件下的相变在变形条件下的相变微合金元素在控制轧制中的作用微合金元素在控制轧制中的作用钢材控制冷却理论基础钢材控制冷却理论基础v第二篇：控制轧制及控制冷却技术的应用第二篇：控制轧制及控制冷却技术的应用控制轧制及控制冷却技术在钢板生产中的应用控制轧制及控制冷却技术在钢板生产中的应用控制轧制及控制冷却技术在型钢生产中的应用控制轧制及控制冷却技术在型钢生产中的应用控制轧制及控制冷却技术在钢管生产中的应用控制轧制及控制冷却技术在钢管生产中的应用教学安排教学安排v教学：教学：本课程本课程2 2学分，总课时为学分，总课时为3232学时，每学时，每周周2 2学时，学时，1-161-16周上课。周上课。v考核考核：总成绩平时成绩：总成绩平时成绩( (30%30%) )期末大作期末大作业业( (70%70%) )平时成绩：考勤课堂提问课堂讨论平时成绩：考勤课堂提问课堂讨论等等期末大作业作为考试期末大作业作为考试 无故缺课达到学校规定的次数者，不无故缺课达到学校规定的次数者，不能获得本课程学分。能获得本课程学分。 参考书目参考书目v教材：王有铭，钢材的控制轧制和控制冷教材：王有铭，钢材的控制轧制和控制冷却，冶金工艺出版社，却，冶金工艺出版社，2008.62008.6v刘永铨，钢的形变热处理，冶金工业出版刘永铨，钢的形变热处理，冶金工业出版社社v李曼云，钢的控制轧制和控制冷却技术手李曼云，钢的控制轧制和控制冷却技术手册，冶金工业出版社册，冶金工业出版社v田中智夫，钢的微合金化及控制轧制，冶田中智夫，钢的微合金化及控制轧制，冶金工业出版社金工业出版社v钢铁冶金学报钢铁冶金学报控制轧制和控制冷却概念控制轧制和控制冷却概念v控制轧制（控制轧制（ControlledRolling)：在热：在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和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，使塑性变形与固态相温度制度的合理控制，使塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。优异的综合力学性能的轧制新工艺。对低碳钢和低合金钢来说，采用控制轧制对低碳钢和低合金钢来说，采用控制轧制工艺主要通过控制工艺参数，细化变形工艺主要通过控制工艺参数，细化变形晶晶粒，经过粒，经过向向和和P的相变，形成细化的的相变，形成细化的和和较为细小的较为细小的P球团，从而达到提高钢的强度、球团，从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性能的目的。韧性和焊接性能的目的。控制轧制和控制冷却概念控制轧制和控制冷却概念v控制冷却（控制冷却（ControlledCooling)：控：控制轧制后钢材的冷却速度达到改善钢材组制轧制后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。织和性能的目的。控制轧制和控制冷却相结合能将热轧钢控制轧制和控制冷却相结合能将热轧钢材的两种强化效果相加，进一步提高钢材材的两种强化效果相加，进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合力学性能。的强韧性和获得合理的综合力学性能。目前，控制轧制和控制冷却工艺已应用目前，控制轧制和控制冷却工艺已应用到中、高碳钢和合金钢的轧制生产中，取到中、高碳钢和合金钢的轧制生产中，取得了明显的经济效果。得了明显的经济效果。控轧控冷技术发展过程控轧控冷技术发展过程v20世纪世纪20年代开始研究钢在热加工时，年代开始研究钢在热加工时，温度和变形条件对显微组织和力学性能的温度和变形条件对显微组织和力学性能的影响；影响；v二战时，荷兰等国采用二战时，荷兰等国采用“低温大压下低温大压下”细细化低碳钢的化低碳钢的晶粒，提高强韧性；晶粒，提高强韧性；v50年代末和年代末和60年代初，美国和原苏联等年代初，美国和原苏联等国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了基础；基础；控轧控冷技术发展过程控轧控冷技术发展过程v20世纪世纪20年代开始研究钢在热加工时，年代开始研究钢在热加工时，温度和变形条件对显微组织和力学性能的温度和变形条件对显微组织和力学性能的影响；影响；v二战时，荷兰等国采用二战时，荷兰等国采用“低温大压下低温大压下”细细化低碳钢的化低碳钢的晶粒，提高强韧性；晶粒，提高强韧性；v50年代末和年代末和60年代初，美国和原苏联等年代初，美国和原苏联等国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了基础；基础；控轧控冷技术发展过程控轧控冷技术发展过程v60年代中期，英国钢铁研究会对钢的成分年代中期，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；究，提出了相应的控制轧制理论；v在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度；终轧温度；v近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用近些年来，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钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益。会效益。我国控轧控冷技术概况我国控轧控冷技术概况v我国控制控冷起步于我国控制控冷起步于60年代初，并取得了年代初，并取得了初步成果，例如对含有初步成果，例如对含有Cr、Ni、V的超高的超高强度钢德形变热处理工艺研究，轴承钢轧强度钢德形变热处理工艺研究，轴承钢轧后快冷工艺研究等；后快冷工艺研究等；v1978年开始对控制控冷进行系统研究；年开始对控制控冷进行系统研究；v武钢、鞍钢、重钢、太钢等钢铁企业采用武钢、鞍钢、重钢、太钢等钢铁企业采用控制控冷技术生产高强度、高韧性的造船、控制控冷技术生产高强度、高韧性的造船、锅炉及压力容器用各种钢材，开发了新钢锅炉及压力容器用各种钢材，开发了新钢种，填补了国内钢材的部分空白。种，填补了国内钢材的部分空白。第一篇第一篇 控制轧制及控制轧制及控制冷却理论控制冷却理论1钢的强化和韧化钢的强化和韧化1.1钢的强化机制钢的强化机制金属材料的机械性能是指金属材料在外力金属材料的机械性能是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。载荷的形式载荷的形式1.1钢的强化机制钢的强化机制材料机械性能指标材料机械性能指标 1钢的强化和韧化钢的强化和韧化对于钢材来说，在大多数情况下其力学性对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其中能是最重要的，其中强度强度性能又居首位。性能又居首位。除了强度之外，钢材还要求一定的除了强度之外，钢材还要求一定的韧性韧性和和可焊性能可焊性能，这两个指标和强度是相互关联甚，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至互相矛盾的，很难单方面改变某一指标而其它不变。其它不变。结构钢的最新发展方向是高强、高韧和良结构钢的最新发展方向是高强、高韧和良好的焊接性能，好的焊接性能，控制控冷控制控冷是满足这一要求的是满足这一要求的一种较好的工艺。一种较好的工艺。1.1钢的强化机制钢的强化机制强度：强度：金属材料抵抗塑性变形或断裂的金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，用给定条件下所能承受的应力来能力，用给定条件下所能承受的应力来表示。表示。圆圆形形拉拉伸伸试试样样拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后应变应力1.1钢的强化机制钢的强化机制低碳钢和铸铁的拉伸曲线低碳钢和铸铁的拉伸曲线弹性变形阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段1.1钢的强化机制钢的强化机制v弹性极限（弹性极限（e）：）：表示材料保持弹性变形，表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。设计依据。v屈服极限（屈服极限（屈服强度屈服强度s）：）：表示金属开始表示金属开始发生明显塑性变形的抗力，铸铁等材料没有发生明显塑性变形的抗力，铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（明显的屈服现象，则用条件屈服点（0.2）来表示：产生）来表示：产生0.2%残余应变时的应力值。残余应变时的应力值。v强度极限（抗拉强度强度极限（抗拉强度b）：）：表示金属受拉表示金属受拉时所能承受的最大应力。时所能承受的最大应力。 e、s、b是机械零件和构件设计和选是机械零件和构件设计和选材的主要依据。材的主要依据。1.1钢的强化机制钢的强化机制金属强度的影响因素金属强度的影响因素v化学成分：化学成分：W(C)0.9%时，碳钢随含时，碳钢随含碳量的增加，其强度增加。碳量的增加，其强度增加。v加工工艺过程：加工工艺过程：纯纯Cu和纯和纯Al的的s分别为分别为60MPa和和40MPa，经过冷加工后强度明，经过冷加工后强度明显增加。显增加。v热处理工艺：热处理工艺：W(C)0.4%的碳钢经淬的碳钢经淬火和高温回火（火和高温回火（调质处理调质处理）后，其强度由）后，其强度由500MPa增至增至700800MPa。1.1钢的强化机制钢的强化机制v强化：强化：通过合金化、塑性变形和热处理等通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法。手段提高金属强度的方法。v屈服强度：屈服强度：指金属抵抗塑性变形的抗力，指金属抵抗塑性变形的抗力，来源于金属原子间的结合力，理论值为来源于金属原子间的结合力，理论值为G/2，奥，奥罗罗万修正万修正值为值为G/30（G为晶为晶体的弹性模量）。由于实际金属中存在各体的弹性模量）。由于实际金属中存在各种晶体缺陷，特别是存在位错，位错很容种晶体缺陷，特别是存在位错，位错很容易运动，因而不能充分发挥原子间结合力易运动，因而不能充分发挥原子间结合力的作用，故的作用，故金属的实际强度远低于理论值金属的实际强度远低于理论值1.1钢的强化机制钢的强化机制金属和合金塑性变形包含晶内变形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、一部分的剪切运动，最基本的是滑移、孪生和扭折。孪生和扭折。v在在T0.5Tm时，可能出现晶间变形时，可能出现晶间变形和晶界滑移，这类变形不仅同位错运和晶界滑移，这类变形不仅同位错运动有关，而且扩散过程也起重要作用动有关，而且扩散过程也起重要作用. .1.1钢的强化机制钢的强化机制v室温时，金属的塑性变形实质上就是室温时，金属的塑性变形实质上就是位错运动（或者更全面的说是晶体缺位错运动（或者更全面的说是晶体缺陷运动，但位错运动是基本的，主要陷运动，但位错运动是基本的，主要的）。的）。提高位错源开动所需要的应力提高位错源开动所需要的应力和位错运动的阻力，就提高了金属材和位错运动的阻力，就提高了金属材料的屈服强度，也就提高了金属材料料的屈服强度，也就提高了金属材料的强度的强度，故提高钢的强度首先要提高故提高钢的强度首先要提高钢的屈服强度。钢的屈服强度。1.1钢的强化机制钢的强化机制一、冷变形强化一、冷变形强化( (strainstrengthening) )（或应变硬化、应变强化、冷作硬化、（或应变硬化、应变强化、冷作硬化、加工硬化、加工硬化、位错强化位错强化) )1 1、基本概念、基本概念v冷变形：金属材料在再结晶温度以下冷变形：金属材料在再结晶温度以下的变形。的变形。v冷变形强化：金属材料在冷塑性变形冷变形强化：金属材料在冷塑性变形过程中，随着变形程度增加，其强度过程中，随着变形程度增加，其强度和硬度提高而塑韧性显著降低的现象和硬度提高而塑韧性显著降低的现象1.1钢的强化机制钢的强化机制2 2、强化机理、强化机理v冷变形使金属内位错大量增殖冷变形使金属内位错大量增殖, ,密度增大密度增大; ;v位错运动过程中彼此交截，形成割阶，使位错运动过程中彼此交截，形成割阶，使位错的可动性减小；位错的可动性减小；v许多位错经交互作用后缠结在一起，形成许多位错经交互作用后缠结在一起，形成位错缠结，使位错运动更困难，以致需要位错缠结，使位错运动更困难，以致需要更大的力才能使位错克服障碍而运动。更大的力才能使位错克服障碍而运动。 变形量越大，材料变形阻力越大，强度变形量越大，材料变形阻力越大，强度越高。越高。1.1钢的强化机制钢的强化机制3 3、特点、特点v金属材料的冷变形强化程度金属材料的冷变形强化程度随变形量的增加而增加，而随变形量的增加而增加，而塑性随之减少；塑性随之减少；v金属材料的晶体结构不同，金属材料的晶体结构不同，其其加工硬化率加工硬化率（或称（或称应变硬应变硬化系数化系数）也不同，）也不同，HCPHCP金属金属的应变硬化系数较小，而的应变硬化系数较小，而BCCBCC特别是特别是FCCFCC金属的应变硬金属的应变硬化系数较大。化系数较大。1.1钢的强化机制钢的强化机制原因：原因：BCCBCC和和FCCFCC晶体的滑移系统很多，几何软化晶体的滑移系统很多，几何软化现象不会象现象不会象HCPHCP晶体可能出现的那样强烈；晶体可能出现的那样强烈；BCCBCC和和FCCFCC晶体滑移系统多，容易出现多系晶体滑移系统多，容易出现多系滑移和交滑移，也就容易出现较强烈的物滑移和交滑移，也就容易出现较强烈的物理强化。理强化。 BCCBCC：3 3个个11041104个个=12=12个滑移系个滑移系 FCCFCC：4 4个个11131113个个=12=12个滑移系个滑移系 HCPHCP：1 1个个0001300013个个=3=3个滑移系个滑移系1.1钢的强化机制钢的强化机制4 4、应用、应用v特别适用于纯金属及热处理不强化的合金特别适用于纯金属及热处理不强化的合金, ,尤其是导电材料（尤其是导电材料（原因：虽然冷变形使延原因：虽然冷变形使延性、导电性和耐蚀性降低，但与其它方法性、导电性和耐蚀性降低，但与其它方法如固溶强化相比，其冷变形后的导电性的如固溶强化相比，其冷变形后的导电性的降低要小得多降低要小得多），故用冷加工方法加工输），故用冷加工方法加工输电铜导线；电铜导线；v在实践中利用，如冷拔线材、深冲薄板异在实践中利用，如冷拔线材、深冲薄板异型件等。型件等。1.1钢的强化机制钢的强化机制二、固溶强化二、固溶强化( (solidsolutionstrengthening) )1 1、基本概念、基本概念v固溶强化：当合金元素（溶质）固溶固溶强化：当合金元素（溶质）固溶到基体金属（溶剂）中形成固溶体时，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，称为固合金的强度和硬度则会提高，称为固溶强化。如黄铜溶强化。如黄铜(Cu-Zn)(Cu-Zn)强度要高于紫强度要高于紫铜。铜。1.1钢的强化机制钢的强化机制2 2、强化机理、强化机理v弹性交互作用：溶质原子和位错周围均存弹性交互作用：溶质原子和位错周围均存在应力场，为了使系统应变能降低，二者在应力场，为了使系统应变能降低，二者会发生交互作用（会发生交互作用（比如溶质原子对正刃型比如溶质原子对正刃型位错的偏聚位错的偏聚），形成柯氏气团（），形成柯氏气团（围绕位错围绕位错而形成的溶质原子聚集物而形成的溶质原子聚集物），阻碍位错运），阻碍位错运运动；运动；v合金元素与基体金属原子价不同，产生电合金元素与基体金属原子价不同，产生电化学交互作用。化学交互作用。1.1钢的强化机制钢的强化机制3 3、影响因素、影响因素v溶质与溶剂的原子半溶质与溶剂的原子半径差别径差别越大，强化效越大，强化效果越好；果越好；v有限固溶体中溶质元有限固溶体中溶质元素溶解量素溶解量越大，强化越大，强化效果越好；效果越好；v溶质元素在溶剂中的溶质元素在溶剂中的饱和溶解度饱和溶解度越小，强越小，强化效果越好；化效果越好；1.1钢的强化机制钢的强化机制v形成形成间隙固溶体间隙固溶体的溶质元素（的溶质元素（C C、N N、B B等）等）的的强化效果好于形成置换固溶体强化效果好于形成置换固溶体溶质元素溶质元素（如（如MnMn、SiSi、P P等）。等）。1.1钢的强化机制钢的强化机制4 4、特点、特点 提高合金的屈服强度、抗拉强度和硬度提高合金的屈服强度、抗拉强度和硬度的同时，对其它影响如下：的同时，对其它影响如下：v几乎都使合金的塑性低于纯金属，但少数几乎都使合金的塑性低于纯金属，但少数例外例外( (如如Cu-ZnCu-Zn合金的强度和韧性同时提高合金的强度和韧性同时提高) )；v使合金的导电性低于纯金属；使合金的导电性低于纯金属；v提高合金的抗蠕变性能，减少高温下强度提高合金的抗蠕变性能，减少高温下强度损失；损失；1.1钢的强化机制钢的强化机制三、沉淀强化三、沉淀强化( (preciptationstrengthening) )或时效强化或时效强化( (agingstrengthening) )1 1、基本概念、基本概念v沉淀强化：沉淀强化：通过对过饱和固溶体的时通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出第二相产生的强化效处理而沉淀析出第二相产生的强化. .钢中常加入微量钢中常加入微量NbNb、V V、TiTi元素，形成元素，形成碳化物、氮化物或碳氮化合物，在轧碳化物、氮化物或碳氮化合物，在轧制中或轧后冷却时析出，起到第二相制中或轧后冷却时析出，起到第二相沉淀强化作用。沉淀强化作用。1.1钢的强化机制钢的强化机制2 2、沉淀强化条件、沉淀强化条件v能形成有限固溶体；能形成有限固溶体；v固溶度随温度的降低而减小。固溶度随温度的降低而减小。v有析出的位置有析出的位置晶体缺陷。晶体缺陷。3 3、强化机理、强化机理v位错与析出第二相颗粒之间的相互作位错与析出第二相颗粒之间的相互作用，包括对提高强度有积极作用的绕用，包括对提高强度有积极作用的绕过过程和对强度作用较小的剪切过程。过过程和对强度作用较小的剪切过程。1.1钢的强化机制钢的强化机制4 4、沉淀强化影响因素、沉淀强化影响因素v析出相的颗粒尺寸和其体积百分比析出相的颗粒尺寸和其体积百分比，质点越小，百分比越大，强化效果越质点越小，百分比越大，强化效果越大。但质点尺寸又不能过分小，质点大。但质点尺寸又不能过分小，质点之间的距离也不能过分小，否则位错之间的距离也不能过分小，否则位错不能在质点直径弯曲，变绕过机制为不能在质点直径弯曲，变绕过机制为切过机制，强化效果下降。根据计算，切过机制，强化效果下降。根据计算，一般的质点为一般的质点为20-5020-50个原子间距，体积个原子间距，体积占占2%2%左右时效果最佳。左右时效果最佳。1.1钢的强化机制钢的强化机制v析出相的特性析出相的特性：析出颗粒分布于整个：析出颗粒分布于整个基体上比晶界析出好；球状颗粒比片基体上比晶界析出好；球状颗粒比片状好；颗粒弥散度越大，效果越好状好；颗粒弥散度越大，效果越好; ;比比如：形变热处理使基体中位错密度增如：形变热处理使基体中位错密度增大，甚至形成亚晶，有利于沉淀相的大，甚至形成亚晶，有利于沉淀相的形核和更弥散析出，增加强化效果。形核和更弥散析出，增加强化效果。v时效时间时效时间：时间越长，析出相颗粒越：时间越长，析出相颗粒越大，颗粒间距越大，强化效果越差。大，颗粒间距越大，强化效果越差。在高温条件下，颗粒有随时间长大的在高温条件下，颗粒有随时间长大的趋势。趋势。1.1钢的强化机制钢的强化机制四、细晶强化四、细晶强化( (grainsizestrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念v细晶强化：细晶强化：通过细化晶粒来提高材料通过细化晶粒来提高材料室温强度的强化方法。室温强度的强化方法。2 2、特点、特点v同时提高金属材料的室温强度、塑性同时提高金属材料的室温强度、塑性和韧性，是金属材料常用的强韧方法和韧性，是金属材料常用的强韧方法之一。之一。1.1钢的强化机制钢的强化机制3 3、强化效果、强化效果vHallPetch公式公式：晶粒度与屈服强度的：晶粒度与屈服强度的关系关系 式中：式中：s s屈服强度；屈服强度；D D平均晶粒尺寸平均晶粒尺寸; ; i i常数，相当于单晶的屈服强度；常数，相当于单晶的屈服强度； K K斜率，表征晶界对强度影响程度的系数，斜率，表征晶界对强度影响程度的系数，和晶界结构有关，而和温度关系不大。和晶界结构有关，而和温度关系不大。1.1钢的强化机制钢的强化机制1.1钢的强化机制钢的强化机制vP30%时，时，HallPetch公式变为公式变为 式中：式中：s s屈服强度，屈服强度，MPaMPa； 0 0纯铁纯铁单晶单晶的屈服强度，的屈服强度， MPaMPa ； MnMn、SiSi、N N钢中各元素的重量百分比；钢中各元素的重量百分比； D D等轴等轴晶粒的平均截线长。晶粒的平均截线长。 由此可知，由此可知，晶粒细化可明显提高钢的屈服晶粒细化可明显提高钢的屈服强度。强度。1.1钢的强化机制钢的强化机制vP30%时，时，HallPetch公式变为公式变为 式中：式中：s s屈服强度；屈服强度； f fF F、f fP PF F和和P P的体积百分比；的体积百分比； 0.20.2、 P P纯铁素体钢和纯珠光体钢的纯铁素体钢和纯珠光体钢的屈服强度；屈服强度； 由此可知，钢中由此可知，钢中C C含量越低，细化晶粒的强含量越低，细化晶粒的强化效果越大。化效果越大。1.1钢的强化机制钢的强化机制4 4、强化机理、强化机理v晶界对位错滑动的阻碍：晶界对位错滑动的阻碍：位错被晶界阻挡位错被晶界阻挡而塞积在晶界前面，从而迫使晶粒内的滑而塞积在晶界前面，从而迫使晶粒内的滑移系由易到难都被开动；移系由易到难都被开动；v相邻晶粒取向不同引起强化：相邻晶粒取向不同引起强化：滑移带在位滑移带在位错塞积群顶部产生引力集中，只有外力大错塞积群顶部产生引力集中，只有外力大到一定程度才能开动相邻晶粒内的位错源，到一定程度才能开动相邻晶粒内的位错源，滑移才能从一个晶粒传到下一个晶粒。另滑移才能从一个晶粒传到下一个晶粒。另外，相邻晶粒的取向不一致，还要在此应外，相邻晶粒的取向不一致，还要在此应力上乘一个放大系数。力上乘一个放大系数。1.1钢的强化机制钢的强化机制5 5、韧化机理、韧化机理v晶粒细小时，单位体积中晶粒越多，金属晶粒细小时，单位体积中晶粒越多，金属的总变形量可以分布在更多的晶粒内，晶的总变形量可以分布在更多的晶粒内，晶内不同区域之间的变形不均匀性减小；晶内不同区域之间的变形不均匀性减小；晶粒内部和晶界附件的变形量差减小，晶粒粒内部和晶界附件的变形量差减小，晶粒的变形也会比较均匀，减小应力集中，这的变形也会比较均匀，减小应力集中，这些推迟了裂纹的形成与扩展，使金属在断些推迟了裂纹的形成与扩展，使金属在断裂之前可以发生较大的塑性变形。裂之前可以发生较大的塑性变形。v强度和塑性提高，断裂要消耗更大的功，强度和塑性提高，断裂要消耗更大的功，因而韧性也较好。因而韧性也较好。1.1钢的强化机制钢的强化机制五、马氏体强化五、马氏体强化( (Martensitestrengthening) ) 1 1、基本概念、基本概念v马氏体强化：马氏体强化：将钢铁淬火成马氏体使将钢铁淬火成马氏体使钢得到强化的强化方法。钢得到强化的强化方法。1.1钢的强化机制钢的强化机制1 1、马氏体强化机制、马氏体强化机制v固溶强化固溶强化：M M是是C C在在中的过饱和间隙中的过饱和间隙固溶体，固溶体，C C引起引起FCCFCC中正八面体间隙对中正八面体间隙对称晶格畸变，产生应力场，阻碍位错称晶格畸变，产生应力场，阻碍位错运动；运动；v时效（自回火）强化时效（自回火）强化：M M相变是非扩散相变是非扩散型相变，但型相变，但M M形成之后，形成之后，M M中的中的C C原子发原子发生偏聚，使强度提高。生偏聚，使强度提高。C C含量越高，时含量越高，时效强化效果越明显；效强化效果越明显；1.1钢的强化机制钢的强化机制v细晶强化细晶强化：A A转变为转变为M M时，形成了许多时，形成了许多极细的、取向不同的极细的、取向不同的M M束，产生细晶强束，产生细晶强化效应，且原始化效应，且原始A A晶粒越细，晶粒越细，M M晶群也晶群也越细，强化效果越好；越细，强化效果越好；v位错强化位错强化：M M相变是一种切变过程，且相变是一种切变过程，且转变速度极快，使位错密度大增，使转变速度极快，使位错密度大增，使位错运动阻力增加；位错运动阻力增加；v孪晶强化孪晶强化：C0.3C0.3时，时，M M亚结构中的亚结构中的孪晶数量增多，孪晶数量增多，C C原子在孪晶界面上偏原子在孪晶界面上偏聚，产生强化。聚，产生强化。1.1钢的强化机制钢的强化机制2 2、变形对马氏体强化的影响、变形对马氏体强化的影响v原原A A晶粒大小影响晶粒大小影响M M晶群大小，合理的变形晶群大小，合理的变形工艺可显著细化工艺可显著细化A A晶粒，从而细化晶粒，从而细化M M晶粒，晶粒，增加增加M M强化效果；强化效果；vA A的塑性变形对的塑性变形对M M转变按不同的钢种、变形转变按不同的钢种、变形条件有不同的作用，即可促进条件有不同的作用，即可促进M M转变，也可转变，也可抑制抑制M M转变。转变。v变形引起的变形引起的A A晶体结构的不完善性（位错密晶体结构的不完善性（位错密度增加而形成亚结构）可被度增加而形成亚结构）可被M M继承，提高强继承，提高强度，增加塑性。（度，增加塑性。（形变热处理形变热处理）1.1钢的强化机制钢的强化机制六、其它强化方式六、其它强化方式v尽量增加晶体中尽量增加晶体中的缺陷，以阻碍的缺陷，以阻碍位错运动，提高位错运动，提高强度强度；v尽量减少晶体中尽量减少晶体中的缺陷，提高强的缺陷，提高强度。度。理论强度理论强度晶须强度晶须强度未强化的纯未强化的纯金属强度金属强度合金化、加合金化、加工硬化或热工硬化或热处理的合金处理的合金强度强度缺陷数量缺陷数量强度强度1.2材料的韧性材料的韧性一、韧性定义及其表示一、韧性定义及其表示1、冲击韧性（缺口断裂韧性）、冲击韧性（缺口断裂韧性）许多机械零件和工具在工作中，许多机械零件和工具在工作中，往往要往往要受到冲击载荷的作用，受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。冲模和锻模等。材料抵抗冲击载荷作用的能材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功，用符号验来测定。测得试样冲击吸收功，用符号Ak表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积面积S0,即得到材料的冲击韧度即得到材料的冲击韧度 ak（单位：（单位：J/m2）。）。1.2材料的韧性材料的韧性vAk或或ak越大，则材料的冲击韧性越好。越大，则材料的冲击韧性越好。v冲击韧性与材料的组织密切相关。冲击韧性与材料的组织密切相关。例如：例如：45钢正火处理后为钢正火处理后为SF组织，组织，ak为为500800kJ/m2；调质处理后其组织为回火；调质处理后其组织为回火索氏体，索氏体，ak为为8001200kJ/m2。冲击试样冲击试样U型缺口型缺口V型缺口型缺口1.2材料的韧性材料的韧性2、断裂韧性、断裂韧性（裂纹断裂韧性）（裂纹断裂韧性）桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生发生低应力脆断低应力脆断，这种断裂的名义断裂应，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹和类似裂纹的缺陷裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。失稳而扩展，导致机件破断。1.2材料的韧性材料的韧性断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力，用裂的能力，用KC表示，是材料本身的表示，是材料本身的特性，由材料的成分、组织状态决定，特性，由材料的成分、组织状态决定，与裂纹的尺寸、形状及外加应力大小无与裂纹的尺寸、形状及外加应力大小无关。关。1.2材料的韧性材料的韧性二、提高钢材韧性的途径二、提高钢材韧性的途径断裂韧性是材料的一种性能，与强断裂韧性是材料的一种性能，与强度一样取决于材料的组织结构，而材度一样取决于材料的组织结构，而材料的成分和生产加工工艺又决定了材料的成分和生产加工工艺又决定了材料的组织结构，故改善材料的韧性必料的组织结构，故改善材料的韧性必然从工艺入手改变材料的结构，以达然从工艺入手改变材料的结构，以达到改善材料韧性的目的。到改善材料韧性的目的。1.2材料的韧性材料的韧性1、成分控制、成分控制合金元素加入基体（铁）中形成固溶体合金元素加入基体（铁）中形成固溶体可强化合金，甚至可析出第二相而强化合可强化合金，甚至可析出第二相而强化合金，但同时合金元素含量的增加也造成基金，但同时合金元素含量的增加也造成基体内缺陷的增加，降低材料的塑韧性。体内缺陷的增加，降低材料的塑韧性。vV、Nb、Ti、Al、Zr等元素：等元素：能够细化能够细化晶粒，故既能提高强度又能提高韧性晶粒，故既能提高强度又能提高韧性；vS、P：对韧性有害，尽量降低含量对韧性有害，尽量降低含量；1.2材料的韧性材料的韧性vC含量：含量：C含量升高会增加钢中含量升高会增加钢中P的量，会的量，会降低钢的韧性，故在钢种成分允许的范围降低钢的韧性，故在钢种成分允许的范围内降低内降低c含量，由此产生的强度下降则由含量，由此产生的强度下降则由增加成分中的增加成分中的Mn来弥补；来弥补；v钢中一般都含有二元以上的合金元素，合钢中一般都含有二元以上的合金元素，合金组元之间有交互作用，合金元素也可以金组元之间有交互作用，合金元素也可以通过不同途径影响断裂韧性，故一般要具通过不同途径影响断裂韧性，故一般要具体分析，以使合金元素具有适当含量。体分析，以使合金元素具有适当含量。1.2材料的韧性材料的韧性2、气体和夹杂物控制、气体和夹杂物控制vH：引起白点和氢脆，应尽量降低引起白点和氢脆，应尽量降低；vN：与位错结合力强，通过形成气团而阻与位错结合力强，通过形成气团而阻止位错运动，降低韧性止位错运动，降低韧性；形成固态氮化物形成固态氮化物时对韧性危害更大；时对韧性危害更大；只有与只有与V形成形成NV，能提高钢的强度并阻止奥氏体再结晶，轻能提高钢的强度并阻止奥氏体再结晶，轻度细化晶粒；度细化晶粒；vO：常以氧化物形式存在，降低钢的韧性，常以氧化物形式存在，降低钢的韧性，含量越多，对韧性的影响越大。含量越多，对韧性的影响越大。1.2材料的韧性材料的韧性v钢中的钢中的气体量气体量和夹杂和夹杂物量的物量的多少与多少与冶炼方冶炼方法、浇法、浇注方法注方法直接有直接有关。关。1.2材料的韧性材料的韧性vS：形成硫化物，对韧性有害，解决办法：形成硫化物，对韧性有害，解决办法：降低降低S含量或者加入含量或者加入Zr和稀土元素以固定和稀土元素以固定S，改善横行韧性。，改善横行韧性。目前，采用各种冶炼和浇注新工艺目前，采用各种冶炼和浇注新工艺（真空冶炼、搅拌技术等）使钢中气体和（真空冶炼、搅拌技术等）使钢中气体和夹杂大量减少，生产出较纯净的钢材。夹杂大量减少，生产出较纯净的钢材。1.2材料的韧性材料的韧性3、压力加工工艺的控制、压力加工工艺的控制v通过加工工艺控制晶粒度通过加工工艺控制晶粒度材料理论韧性断裂强度材料理论韧性断裂强度c(2G/K)d-1/2 G G材料的切变模量，材料的切变模量，材料的表面能，材料的表面能，K K常数，常数，d d平均晶粒直径。平均晶粒直径。 c d-1/2通过控制压力加工工艺可以控制晶粒的通过控制压力加工工艺可以控制晶粒的大小，改变材料的韧性。大小，改变材料的韧性。1.2材料的韧性材料的韧性v通过加工工艺控制晶体取向通过加工工艺控制晶体取向钢在钢在AF或或F区轧制后，区轧制后，F不发生再结晶，不发生再结晶，形成形成111织构，引起各向异性。织构，引起各向异性。v冷却工艺和材料的成分一起影响相变产物冷却工艺和材料的成分一起影响相变产物的种类、形貌、数量等组织结构特征，从的种类、形貌、数量等组织结构特征，从而影响材料的韧性。而影响材料的韧性。4、热处理工艺控制热处理工艺控制v形变热处理形变热处理1.2材料的韧性材料的韧性三、强化机制对韧性的影响三、强化机制对韧性的影响一切提高材料强度的因素都同时影响一切提高材料强度的因素都同时影响材料的韧性。材料的韧性。1、固溶强化的影响、固溶强化的影响v间隙式固溶强化：间隙式固溶强化：不对称晶格畸变，且晶不对称晶格畸变，且晶格畸变强烈，塑韧性明显降低；格畸变强烈，塑韧性明显降低；v置换式固溶强化：置换式固溶强化：对称晶格畸变，且畸变对称晶格畸变，且畸变程度较小，塑韧性下降不多，甚至不下降。程度较小，塑韧性下降不多，甚至不下降。v合金因素降低钢的焊接性能。合金因素降低钢的焊接性能。1.2材料的韧性材料的韧性2、形变强化的影响、形变强化的影响冷变形产生的位错对塑韧性有双重作用。冷变形产生的位错对塑韧性有双重作用。v降低塑韧性（主要作用）：降低塑韧性（主要作用）：位错的合并及位错的合并及在障碍处的塞积会促使裂纹形核；在障碍处的塞积会促使裂纹形核；v提高塑韧性：提高塑韧性：位错在裂纹尖端塑性区内移位错在裂纹尖端塑性区内移动可缓解该处的应力集中。动可缓解该处的应力集中。由于位错的主要作用是降低塑韧性，故由于位错的主要作用是降低塑韧性，故随着冷变形量的增加，位错密度增大，材随着冷变形量的增加，位错密度增大，材料强度提高，塑韧性下降，韧脆转变温度料强度提高，塑韧性下降，韧脆转变温度升高。升高。1.2材料的韧性材料的韧性1.2材料的韧性材料的韧性3、沉淀强化的影响、沉淀强化的影响一般情况下，沉淀强化会提高韧脆转变一般情况下，沉淀强化会提高韧脆转变温度，降低材料塑性。温度，降低材料塑性。在控制技术生产中，在控制技术生产中，Nb、V、Ti等微合等微合金元素的碳化物析出后，一方面可起到沉金元素的碳化物析出后，一方面可起到沉淀强化作用；另一方面可细化晶粒，起到淀强化作用；另一方面可细化晶粒，起到强化和韧化作用。具体综合作用，要看哪强化和韧化作用。具体综合作用，要看哪一方面占据主导作用。一方面占据主导作用。1.2材料的韧性材料的韧性4、细晶强化的影响、细晶强化的影响晶粒细化后，晶界比例增大。晶粒细化后，晶界比例增大。v晶界可以阻碍位错运动，提高强度；晶界可以阻碍位错运动，提高强度；v使材料变形更加均匀，提高塑性；使材料变形更加均匀，提高塑性；v晶界阻碍裂纹扩展，改善材料的韧性；晶界阻碍裂纹扩展，改善材料的韧性；v降低材料的韧脆转变温度；降低材料的韧脆转变温度；v晶粒越均匀，韧性越好。晶粒越均匀，韧性越好。1.2材料的韧性材料的韧性1.2材料的韧性材料的韧性5、马氏体强化的影响、马氏体强化的影响M的形成可大大提高材料的强度，但淬的形成可大大提高材料的强度，但淬火造成很高的内应力，大大降低材料韧性，火造成很高的内应力，大大降低材料韧性，但回火处理会恢复部分韧性。但回火处理会恢复部分韧性。塑性变形塑性变形可细化奥氏体或形成亚结构，可细化奥氏体或形成亚结构，造成亚晶，并可能增加板条造成亚晶，并可能增加板条M比例，提高比例，提高材料的强度和塑韧性，故材料的强度和塑韧性，故形变热处理形变热处理的材的材料性能优于普通热处理。料性能优于普通热处理。1.2材料的韧性材料的韧性四、提高韧性，控制材料结构应遵循的规律四、提高韧性，控制材料结构应遵循的规律v细化细化A晶粒，可细化转变产物，提高韧性晶粒，可细化转变产物，提高韧性;v转变温度越低，则回火后的韧性越高，故转变温度越低，则回火后的韧性越高，故要求钢材具有足够的淬透性；要求钢材具有足够的淬透性；v调整成分和工艺，细化针状调整成分和工艺，细化针状F，改善韧性，改善韧性;v设法避免片状设法避免片状P的形成；的形成；v孪生孪生M的韧性低于板条的韧性低于板条M，调整成分和工，调整成分和工艺改变艺改变M的形貌；的形貌；v下贝氏体的韧性好于上贝氏体。下贝氏体的韧性好于上贝氏体。1.2材料的韧性材料的韧性冷脆系数冷脆系数冷脆系数冷脆系数K：全面衡量各种强化机制和成全面衡量各种强化机制和成分对强度和韧性的影响的系数。分对强度和韧性的影响的系数。KTK/s TK某一变化条件下脆性转化温度的变某一变化条件下脆性转化温度的变化值；化值；s同一同一变化条件下屈服化条件下屈服强度的度的变化化值 K0时，表示有提高脆性断裂的，表示有提高脆性断裂的倾向；向； K0时，表示有降低脆性断裂的，表示有降低脆性断裂的倾向。向。