材料加工物理冶金学

材料加工物理冶金学北京科技大学材料学院刘靖 参考书：参考书：1.王占学，控制轧制与控制冷却，冶金工业出版社，1988年2.刘永铨，钢的热处理，冶金工业出版社，1987年3.毛卫民，金属材料的晶体学织构与各向异性，科学出版社，2002年4.王有铭等，钢材的控制轧制与控制冷却，冶金工业出版社，1995年l 二战期间大量的船舶脆断 提高钢材的韧性。解决办法：提高Mn/C比、铝脱氧、正火工艺、900以下，变形20-30%的低温大压下 构成控轧控冷的基础；1.绪论控轧控冷技术的发展:l 50年代发现Nb的强化作用，但含Nb钢板脆转温度高，60年代后期 为控轧工艺的发展提供了理论依据；l 70年代后应用普及，新钢种、新工艺逐渐开发出来。控制轧制+控制冷却的方法称为热机械控制工艺。(TMCP,Thermo Momechanical Controlled Processing)。热加工中的微观组织性能控制塑性加工的作用:改形、改性形变热处理:热挤压：图6 挤压过程可能产生的组织变化轧制：锻造：大型锻件金属流动非常复杂 经验成分占主导地位；锻造设备以及辅助工具不完全配套；毛坏为含有粗大的树枝状晶粒、偏析严重、孔洞、疏松、夹杂等缺陷的大型钢锭。研究进展：德国Aachen大学的RKopp教授采用不断细化网格的有限元法对热镦粗时的动态再结晶状况进行了数值模拟，引入边界条件对于有限元数值模拟的影响，并对模锻过程中的微观组织结构变化进行了模拟研究；清华大学也曾采用三维刚粘塑性有限元方法模拟了热镦粗过程中的动态软化变化过程。图11 变形体中软化机制分布示意图 (在发生再结晶时，同时伴随有恢复)图12 拔长时随锻造过程的进行各处所发生的 软化机制(当前压下第三砧)材料的化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间的关系：图图1-2 钢材性能与冶金因素、组织的关系钢材性能与冶金因素、组织的关系组织组织工艺工艺性能性能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：S、b；塑性指标：、；韧性指标：k、Kc。金属的理论屈服强度 切应力与位移之间的关系可表示为：令a=b则 aGbm2bxm2sin2Gm图图1-3 原子面受力后产生的位移原子面受力后产生的位移 一般金属的剪切弹性模量G：104105MPa，金属的理论屈服强度：103 104MPa。实际纯金属单晶体的屈服强度要比此值低100 1000倍。对钢而言，G78453 MPa，理论屈服强度s=212486Mpa，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 断裂强度：x2max210maxaEs图图1-4 1-4 原子间结合力的双原子模型原子间结合力的双原子模型1-1-吸引力；吸引力；2-2-排斥力；排斥力；3-3-合应力合应力max就是理论断裂强度。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：实际金属不是理想晶体，滑移过程不是刚性的、整体的移动；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；滑移是一个逐步进行的过程，材料的断裂也可以用位错的塞积、塞积群的扩展和攀移来说明。（3）金属的韧性 1）韧性的定义及其表示：综合应用较高冲击速度和缺口试样的应力集中，来测定金属从变形到断裂所消耗的冲击能量的大小。韧性指标：Ak(J)、ak(J/cm2)韧性-脆性转化温度Tk（C）及表示方法 选取一定的冲击功所对应的温度为Tk；用夏比V 形缺口试样，冲击功为20.34J的Tk用V15TT表示；断口面积上出现50%结晶状断口时的温度为Tk，以50%FATT表示；以100%结晶状断口时的温度为Tk，此时为零塑性转变温度，用NDT表示。图1-5 冲击功、结晶断口比例随试验温度变化曲线1.冲击功曲线；2.断口形貌曲线2）影响冲击韧性的因素材料的组织、结构的影响：1）面心立方点阵2）体心立方、密排六方点阵3）细小均匀分布的第二相质点4）颗粒状与片状相比5）尖角状、网状连续分布6）第二相与基体的性质差异7）内部缺陷的影响：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 形变速度的影响 图3 冲击速度对钢的韧-脆转化温度的影响 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的强化：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。铁晶须：直径1.6m铁单晶纤维，max可达3640MN/m2，十分接近铁的理论屈服强度8200MN/m2(2)在有缺陷的金属晶体中设法阻止位错的运动。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：9563.03.427008676)(%50210dPNMnCFATTfPdNSiFATTf2.25.117004419%502121表2-2 合金元素对工业纯铁强度和韧性的影响溶质元素原子直径()25(C)时下屈服点变化(107Pa/原子%)冲击韧性转变温度变化（C/原子%）PPtMoMnSiNiCoCrV2.182.772.722.242.352.492.492.492.6321.14.93.63.53.52.10.40.0-0.2130-20-5-10025-10-5-Pickering:C0.25%热轧碳钢：1）P、S的影响 P：回火脆性和影响交叉滑移；S：增加夹杂物颗粒，减小夹杂物颗粒间距，使材料韧性下降。措施：尽可能降低S、P含量；加入稀土、Ti、Zr等元素。2）C的影响碳量，钢中珠光体量（Fe-C相图），50FATT。措施：在钢种允许的成分范围内降低碳含量，强度下降由增加成分中锰含量来弥补。3）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。9563.03.427008676)(%50210dPNMnCFATTf（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，减轻硫的有害影响），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。图图2-2 铸造工艺对夹杂物总量及韧性各向异性的影响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(3)压力加工工艺的控制(4)热处理工艺的选择 固溶强化固溶强化：强化的实质强化的实质：通过改变金属的化学成分来提高强度。强化的金属学基础：强化的金属学基础：运动的位错与异质原子之间的相互作用的结果。固溶强化分类：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性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：作用：Snock气团：302010302)(2)(baCiNCssNCss图2-6(SS)C+N随C、N含量的变化规律 综合考虑各种效应，可以把间隙原子对强度的影响写成下面的通式，即：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。niissssCK 2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，所以随着间隙原子浓度的增加，塑性和韧性明显下降。表 碳钢马氏体含量和冲击值的关系马氏体含碳量(%)冲击值Cv(Nm)20121658252）碳、氮间隙原子能引起低碳钢的蓝脆 应变硬化指数变大，延伸率降低（蓝脆）。同样，螺型位错线附近的Snock气团也会使塑性降低。结论：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。图图2-7 2-7 置换式元素对置换式元素对a-Fe屈服强度的影响屈服强度的影响 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。nsssubsssubssCK)(2)(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）若能降低基体的Peierls力，可提高钢的低温韧性。小结：小结：固溶强化效果取决于：溶质元素在溶剂中的溶解度大小；溶质元素溶解量；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；溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果 也愈显著。固溶强化机制固溶强化机制：位错的钉扎作用；位错运动的摩擦阻力增加；结构强化引起的强化；2.2 应变强化（位错强化）图2-10 不同结构的钢的强化状态 位错密度与强度值增加v之间关系式：B：无量纲系数，数量级为1；b：柏氏矢量；G：抗剪摩数；：位错密度。21BbGv 位错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。图图2-11 2-11 通过冷变形改变的冲击韧性和脆性转化温度通过冷变形改变的冲击韧性和脆性转化温度 2.3 晶界强化 晶界：相邻的取向不同的晶粒边界区域，或者说是周期性排列的点阵的取向发生突然转折的区域。晶界特点：（1）界面能；（2）界面能量高于晶粒内部；（3）对力学性能的影响。大角度晶界，小角度晶界。2.3.1 晶界强化机理：多晶体内变形的不均性；图 节状晶体的拉伸变形晶界的阻碍作用；多晶体晶粒的塑性变形必须满足连续性的条件图 晶界对滑移的阻碍作用图 在晶界上的位错塞积群2.3.1 Hall-Petch(霍尔配奇)公式 i：常数，相当于单晶体时的屈服强度；K1：反映晶界对强度影响程度的常数，它和晶界结构有关，和温度关系不大。图 软钢的晶粒大小对压缩屈服应力和拉伸脆断应力的影响-压缩屈服应力；-拉伸脆断应力211dKiy 图2-15 0.15%碳钢屈服强度和晶粒直径间的关系-静拉；-变形速度1.4102S-1;变形速度2.1102S-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：21dKfffyppiy2126%72%)9438(54dfSifMnfpy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 )；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愈大，材料的韧性愈高。21d图2-16 晶粒大小与面收缩率的关系 经验公式：式中A、m为常数，对于结构m=12C/mm-1/2。晶粒的均匀程度对AK值也有影响，均匀的晶粒能提高AK值。21mdATK 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：在奥氏体未再结晶区或奥氏体、铁素体两相区变形；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。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/)1(2121FFisfdfDK2.5 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。过时效：图 2-17 可能出现沉淀强化的合金系 2.5.2 沉淀强化机理(1)切过第二相的强化机理(2)条件：第二相比较细小，与基体存在共格关系。强化原因：1)；2）；3）位错切过第二相质点后增加的相界面(2)绕过第二相的强化机理条件：位错绕过第二相质点时的过程示意图 影响沉淀强化的因素影响沉淀强化的因素：沉淀相的部位、形状。沉淀颗粒分布在整个基体上好于分布在晶界上；颗粒形球状比片状更有利于强化。形变热处理产生强化的原因：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：绕过理论沉淀和弥散强化总结：（1）沉淀相的体积比越大，强化效果越显著，因此必须提高基体的过饱和度。（2）第二相质点弥散度越大，强化效果越好。共格第二相比非共格第二相的强化效能大。（3）第二相质点对位错运动的阻力越大，强化效果越大。沉淀强化对塑性及韧性的影响：沉淀强化对塑性及韧性的影响：(1)沉淀强化对裂纹扩展所需要的临界应力c值影响不大，因此将使脆性转化温度升高。铁素体晶粒内析出的质点阻碍位错运动，使材料塑性降低。(2)微合金钢中Nb、V、Ti的作用：2.6 相变强化 马氏体、贝氏体强化。强化机理（碳原子固溶强化）：(1)马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体。碳原子在晶格中的位置发生改变 晶格畸变 晶体内部形成巨大的应力场 应力场与位错发生作用，阻碍位错运动。(2)马氏体转变过程中晶粒得到细化。(3)位错密度增加。(4)马氏体变形时，有时会发生过饱和固溶体的分解，析出新相，从而阻碍位错运动。相变强化对塑性、韧性的影响：(1)马氏体的形成材料的强度 ；材料的淬火状态造成了很高的内应力韧性 。回火处理可不同程度的消除内应力而恢复部分韧性。(2)塑性变形可以细化奥氏体或形成位错亚结构，造成亚晶粒，提高塑性。强化机制总结：多晶体的屈服强度在单相铁素体组织的情况下可用Hall-Petch公式表示：y=o+kyd-1/2 （1）d：晶粒大小；ky：常数；o：基体强度，o：由晶格强化、固溶强化、位错强化、淀强化等几部分组成。存在有织构强化text、亚晶强化sub等强化项的情况下（1）式变成：y=o+kyd-1/2+text+sub（2）除铁素体外还有珠光体或贝氏体的混合组织的钢（1）式改写为：y=（1-f）y1+fy2 （3）其中：f：第二相体积百分数；y、y1、y2：钢的屈服强度、基体铁素体的屈服强度、第二相的屈服强度。冷脆系数K：TK：某一变化条件下脆性转化温度的变化值；S：同一变化条件下屈服强度的变化值。K0：有提高脆性断裂的倾向。sKTK/各种强化因素对金属材料强度和塑性的影响总结于表2-4中。表表2-4 各种强化因素对强度和塑性的影响各种强化因素对强度和塑性的影响强化因素强度塑性固溶强化间隙强化+-置换强化+晶界强化大角度晶界+小角度晶界+第二相粒子强化共格第二相+-非共格第二相+-位错强化均匀位错密度+-不均匀位错密度+-备注：+增加；-减少；无作用