钢铁材料中的第二相

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1、钢铁结构材料中的第二相SecondPhasesinStructuralSteels第一章概述1.1钢铁结构材料的发展材料、能源与信息是人类文明的三大支柱，其中材料是物质基础。在各种材料中，结构材料是人类最早使用且最广泛使用的基础材料，人类的生产和生活须臾不可离开结构材料。人类广泛使用的结构材料中，硅酸盐材料（其主要化学成分为硅、氧、铝）如水泥、土石占据了低端位置，年使用量为数千亿吨；钢铁材料（其主要化学成分为铁）稳定保持了中高端位置，年使用量近10亿吨；其他材料如有色金属、高分子材料和各种不断开发出的新材料则起到补

2、充中端、主导高端的作用，年使用量近2亿吨，其中高端用材不足1000万吨。这种主要由资源（由此导致的材料价格）所确定的用材格局是基本不会改变的。钢铁材料是人类使用最为广泛的最重要的结构材料之一。铁在地壳中的丰度约为5%，仅次于氧（49%）、硅（26%）和铝（7%），而在地心中的含量有可能超过90%，其资源十分丰富。而相对于铝较高的化学活泼性而言，铁的化学活泼性适中，这使得铁矿的开采和钢铁的冶炼生产均非常方便，生产成本及销售价格相当低廉。同时，钢铁材料具有各种优良的性能特别是力学性能，可以充分满足人类生产和生活对结构材

3、料的性能需要。因此，自从3000年以前人类分地区逐步进入铁器时代以来，钢铁材料在人类的生产和生活中一直扮演了最重要的结构材料的角色，我们目前乃至今后相当长的一段时间仍将处于铁器时代。此外，钢铁材料的回收利用率在所有金属材料中是相当高的，目前已达到90%以上的回收利用率（2001年世界钢铁生产中消耗废钢4.35亿吨，占当年钢产量的51%以上），随着今后科学技术的发展，其回收利用率还可进一步提高到95%左右。因此，钢铁材料又是一种绿色材料，其开采、生产和使用过程均与环境较好地相容。19如图1-1所示，近年来，世界钢产量

4、仍处于缓慢上升的发展时期，2003年世界钢产量为9.45亿吨，其中中国为2.2亿吨。据预测，未来20年内世界钢产量仍将以平均每年2%左右的速度增加，生产量峰值可能出现在11-12亿吨（其中中国约为4-5亿吨），此后将在此产量稳定生产数十年，使人均累积在用钢量达到15吨左右（全世界累积在用钢量达到1000亿吨左右，其中中国达到200-250亿吨），世界需用钢铁材料作为结构建设材料的基础设施建设才可基本达到饱和，此后则主要以替换性使用为主，钢铁生产量缓慢下降但仍保持在年产10亿吨左右并至少生产应用数百年。图1-1世界粗

5、钢产量（http://www.worldsteel.org）人类使用材料主要是使用其相应的材料性能，对结构材料而言，主要使用其力学性能如刚度、强度和韧塑性。确定的晶体材料的刚度变化范围不大，而强度和韧塑性则可在相当大的范围内改变。因此，结构材料的强韧化是材料科学与工程不断发展的最重要的主流方向，如何获得最高的强度和韧性及其合理的配合一直是材料特别是结构材料科学与工程界数百万科学研究人员和生产技术人员孜孜以求终生奋斗的目标。作为最重要的结构材料，钢铁材料的强韧化技术与理论的研究已持续了上千年。从中国古代材料学家和冶炼

6、师所追求的“削铁如泥”、“吹毛断发”、“绕指柔”，到现代钢铁材料研究与生产技术人员所试图达到的“理论强度”，人类不断提高钢铁材料的强度的努力一直就没有中断。上世纪30年代人们就提出了材料的理论强度的概念，即若可以将材料制作成完全没有宏观缺陷及微观缺陷的理想晶体，由原子结合模型可推导出，其理论断裂强度应可达到其正弹性模量E的五分之一至十五分之一；而理论切变强度应可达到其切变弹性模量G的六分之一至十分之一。对钢铁材料而言，其室温正弹性模量E为208200MPa，切变弹性模量G为80650MPa，则其理论断裂强度TS应为

7、13900-41600MPa，理论切变强度τ应为8100-13400MPa，即理论屈服强度YS应为16200-26700MPa。研制开发接近理论强度的无缺陷材料的工作在上世纪50-60年代以来得到了广泛的重视和关注，低维材料如超细粉体（零维材料）、薄膜（一维材料）、纤维（二维材料）中已可基本消除各种显微缺陷从而得到接近于理想的晶体材料，所研制出的金属晶须和极细直径的硅纤维材料的强度相当接近于理论强度，如直径接近1μ19m的铁晶须的断裂强度最高已达到14000MPa。然而，低维材料作为结构材料使用受到了生产规模和生产

8、成本方面的极大限制，例如，要获得直径为10mm的钢丝，就需要1亿根直径为1μm的铁晶须编织起来，其生产规模根本不可能达到对结构材料所要求的年产百万吨以上的产量，而晶须的生产成本和编织工艺成本比常规钢丝的生产成本高上万倍也是工业结构材料应用根本无法承受的。根据热力学第二定律即熵增加定律，宏观尺寸（mm以上）的晶体材料中空位及溶质原子等点缺陷的存在是不可避免的。