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金属塑性变形理论第五讲 第四章 钢材的性能控制 主要内容 Main Content 金属的强化机制 强韧性能控制 冲压性能控制 电磁性能控制 热强性能控制 4.1 金属的强化机制 晶界强化 形变强化 固溶强化 分散强化 4.1.1 晶界强化 多晶体晶界的特征 在多晶体金属内存在有大量的晶界 在晶界上原子排列的正常结构遭到破坏，存在有大量的晶格缺陷 在晶界及其附近的区域通常偏聚着比平均浓度高得多的异类原子，在某些情况下晶界上还含有第二相或夹杂物。 在多晶体中由于有晶界存在，其变形是不均匀的，晶界处不易产生塑性变形，而晶粒内部则容易变形。 不同的晶粒由于其取向不同，也不是同时发生塑性变形的。滑移首先是在取向有利的晶粒内出现。 造成变形有很大的不均匀性 多晶体的强度一般要比单晶体为高 晶界的存在，使得滑移难以从一个晶粒直接传播到有取向差异的另一个晶粒上，为了使邻近的晶粒也发生滑移，就必须要加大外力。 多晶体晶粒越细小，相对来说晶界所占的体积要越大，金属强度也相应提高。即金属的强度是与晶粒大小有关的。 所以“细化晶粒”一直为材料界研究者所追求，比如日本、韩国的“超级钢”计划，我国的新一代钢铁材料研究等。 晶界强化是一种能够同时提高强度而不损失韧性的有效的强化手段。晶界强化的本质在于晶界对位错运动的阻碍作用，是属于源硬化一类的。 晶界对滑移的阻碍作用在以下两种情况下显得比较突出： 一是当金属的摩擦阻力比较小，如在充分退火的很纯的金属中，由于在金属组织中的位错密度较小，杂质原子的钉扎作用也不大，就比较容易看到晶粒细化对强度的改善； 二是当晶粒尺寸足够小，使Hall－Petch关系式中晶粒细化对强度的升高的作用迅速增大的时候。 4.1.2 形变强化 金属的变形主要是通过原有位错的运动和许多附加位错的产生（例如，Frank－Read源的作用）而进行。虽然对形变强化还没有充分的了解，但其基本特征是给定的位错在运动中受其邻近位错所造成的“障碍物”所阻碍。 在多晶体材料中，位错间的相互干扰特别显著，这是由于几何学上的要求，在每一个晶粒中至少要有五个滑移系同时开动，晶粒才能任意地改变形状，每个晶粒的晶界仍保持连续性。 晶界，它是另一种类型的障碍物，使位错产生塞积。 密排六方点阵的单晶体：变形时仅是其主滑移系起作用，作用的位错限制在一组单一的平行平面上，而最终它们将在自由表面移出晶体。这样，位错密度及其相互干扰的范围就比较小，因而应变硬化也小。 面心立方和体心立方点阵的合金，不论在单晶体中还是在多晶体中，都允许许多滑移系开动。相互作用的位错成为其它位错运动的障碍，使其它位错依次塞积，从而增加了继续变形所需的切应力，导致强化。 4.1.3 固溶强化 一般，固溶体的强度总是要高于其基本金属的强度。 在多数合金系中固溶度是有限的。一般来说，固溶度越有限，单位浓度的溶质原子所引起的晶格畸变也越大，从而对屈服强度的提高也越大。 Au和Ag在整个成分范围内形成连续固溶体。Au和Ag形成固溶体后，其强度要比纯金属时为高，并其最大值在曲线的中点部分。 在一般的稀固溶体中，流变（屈服）应力随溶质浓度的变化可用下式表示 固溶强化的机理 位错钉扎机制。位错被可运动的溶质原子钉扎而造成强化。这种钉扎主要是在合金开始屈服时起作用； 摩擦机制。运动的位错受到相对不动的溶质原子所引起的内应力场的阻碍，而增加了位错运动的阻力； 结构机制。溶质原子通过影响合金中的位错结构，而间接地影响使位错运动所需应力的大小。 4.1.4 分散强化 当在合金组织中含有一定数量的分散的异相粒子时，对位错的运动起阻碍作用，可使其强度有很大的提高。这种由第二相分散质点造成的强化过程统称为分散强化（或弥散强化）。 位错跨过障碍的运动方式 位错切过第二相质点 位错绕过第二相质点 4.2 强韧性能控制 控制轧制的概念 强韧性的概念 影响强韧性能的主要因素 轧制工艺参数控制 4.2.1 控制轧制的概念 控制轧制是指从轧前的加热到最后轧制道次结束为止的整个轧制过程实现最佳控制，以使钢材获得预期良好性能的轧制方法。 控制轧制由四个阶段组成的模型图和各阶段的组织变化 控制轧制的四个阶段 奥氏体g再结晶区轧制 奥氏体g未再结晶区轧制 （g＋a）两相区轧制 铁素体区轧制 奥氏体g再结晶区轧制≥950 ℃ 在高温轧制后急速进行再结晶。在这个阶段把由于加热发生粗化的初期晶粒(200－500μm)通过反复轧制——再结晶进行细化，这是再结晶区轧制的主要目的，～950℃以上的温度范围属于这个区域。 然而，通过再结晶区的轧制不能使再结晶g晶粒直径得到无限地减小，并存在其决定于化学成分和初期晶粒直径的极限值。再结晶区轧制是通过再结晶进行g晶粒细化处理，从这种意义上说，是控制轧制的准备阶段