钢的强化机理与韧化途径(一)

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1、主讲教师：王建强第七讲：钢的强化机理与韧化途径(一)工程上，希望材料即高强，又高韧。不同材料具有不同的性能。但有时成分差别很小的材料，也会表现出不同的性能。比如：不同牌号的钢。人们总是想能够通过人工参与的方法，使材料表现出最佳的性能来。引言-学习意义2材料科学面临的任务一3一、材料科学面临的任务发展高性能和特殊物理性能的材料提高材料的强度改善材料的韧性途径一、设计制造新型材料途径二、改造现有基础材料。如金属材料（特别是合金钢）4一、材料科学面临的任务途径一、制造新型材料新型材料新型陶瓷材料高分子材料具

2、有特殊物理性能的金属材料复合材料5履带铁路辙岔具有特殊物理性能的金属材料：耐磨钢不锈钢耐热钢等6一、材料科学面临的任务一、材料科学面临的任务新型材料的主要特点:优点：高比强度、高比刚度、以及特殊物理性能。缺点：原材料价格昂贵，制造技术复杂，生产成本高。新型材料主要用于航天和高新技术领域，在一般工程和技术装备上，在相当长的时期内还难于广泛应用。因此，对基础材料的研究显得更为重要。7一、材料科学面临的任务途径二、改造现有基础材料结构钢、铝合金和钛合金等基础结构材料，提高强度、改善韧性为主要研究方向。合金结

3、构钢强化低强度钢韧化高强度钢合金结构钢强韧性相匹配地提高工艺过程8研究钢强韧性的经济意义节约钢材钢材的强度和韧性成倍的提高减小钢构件的厚度、面积等1、节约大量钢材；2、节约生产这些钢材所需的能源；3、节省人力及运输成本。9一、材料科学面临的任务以富产、廉价的合金元素取代稀缺、昂贵的元素节约合金元素要求：获得相近的微观结构、组织形态，达到相同的强度级别大量节约贵重的Ni、Cr、Co等战略元素10一、材料科学面临的任务钢强韧化的研究内容及理论依据二111、钢的强度及韧性强度是材料抵抗变形与断裂的能力。强度

4、取决于原子或离子之间的结合力。钢的强度：200MPa～2000MPa。因实际金属中存在缺陷,实际强度都比理论强度低。1934年，奥罗万提出晶体位错的概念。位错理论的发展揭示了晶体实际强度低于理论强度的本质。强度的高低受缺陷数量的限制。韧性是材料从变形到断裂全过程所吸收能量的总和。12二、钢强韧化的研究内容及理论依据2、金属材料的强化机理金属材料的强化大致分为如下几种:(1)晶体本身的内在摩擦力。(2)由位错密度和原子空位密度的增大而引起的强化。(3)固溶强化与有序强化。(4)细化晶粒强化，由晶界和堆垛

5、层错等面缺陷引起的强化。(5)析出强化及弥散强化。除了(1)以外，其余均与金属的显微组织密切相关。13二、钢强韧化的研究内容及理论依据2、金属材料的强化机理晶体中存在三种缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷。点缺陷增强空位、间隙原子、杂质原子晶格畸变强度提高可动位错减少14二、钢强韧化的研究内容及理论依据途径二：向金属内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显提高金属强度。途径一：尽可能地减少金属中的位错数量，抑制位错源的开动，从而使金属材料接近金属晶

6、体的理论强度。如复合材料中加入金属晶须（无位错）的强化原理提高实际金属强度最有效的途径线缺陷增强15二、钢强韧化的研究内容及理论依据面缺陷增多晶界、亚晶界、相界和层错等阻碍位错运动和裂纹的扩展，增大这些过程所消耗的能量强度提高16二、钢强韧化的研究内容及理论依据面缺陷增强二、钢强韧化的研究内容及理论依据3、钢强韧化的主要研究内容钢的强化化学成分及工艺组织性能1、找出适宜的冶金技术途径来提高钢的强韧性2、研制出新的高强韧性钢种研究内容研究目的17如：增加晶体缺陷数目二、钢强韧化的研究内容及理论依据位错强

7、化第二相强化细晶强化固溶强化钢的强化措施理论依据具体措施影响位错等缺陷运动的难易程度改善微观组织结构184、钢强化的主要措施19钢的具体强化形式及其机理三三、钢的强化形式及其机理1、细晶强化概念通过细化晶粒提高钢强度的方法称为细晶强化。晶粒尺寸对钢屈服强度的影响可用霍耳-派赤（Hall-Petch）公式表示。σi—晶粒内部位错运动的内摩擦力K—常数d—晶粒直径可见：晶粒越小，屈服强度越高。20三、钢的强化形式及其机理例如：软钢粗晶粒（d=250μm）时，σs=100MPa软钢细晶粒（d=2.5μm）时

8、，σs=500Mpa强化机理由于晶界两侧晶粒的取向不同、杂质原子多，位错滑移阻力增大。常温下，晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，强度就越高。亚晶粒的细化也具有使钢强化的作用。21三、钢的强化形式及其机理细晶强化措施变质处理增加过冷度振动与搅拌塑性变形、再结晶、重结晶凝固过程中的措施凝固完成后的措施22三、钢的强化形式及其机理例如：对于珠光体来说，为了达到强化目的，可向钢中加入一些增加过冷奥氏体稳定性的元素Cr、Mn、Mo等，使C曲线右移，在同