1微合金化钢的概念.ppt

第1章 微合金化钢的概念和强韧化机理 气团的强化效应 　　假设溶质原子在层错和基体中的浓度分别为c1和c0，扩展位错在外力的作用下进行滑移运动，由于原子扩散速度慢，层错带移入了与它不相适应的浓度中c0，而将不适合于基体的浓度c1留给基体，破坏了平衡，增高了晶体的自由能，使位错运动受到阻力，从而使合金强化。 (a)扩展位错运动前的平衡态 (b)运动后平衡态被破坏 　　铃木气团给位错运动带来的阻力主要有合金的浓度决定，与温度无关，因此该强化机制在高温时显得重要，室温下该气团的作用只有柯垂尔气团的十分之一。 固溶对强化的贡献 　　钉扎作用因溶质原子和溶剂原子的尺寸差别及弹性模量的变化而异，强化效应与溶质组元含量Cs%的1/2(或2/3)次方成正比，这可以用下式表达为： △σs∝Ks(△Cs)1/2～2/3 式中△Cs——溶质组元含量的变化值； 　　　Ks——与该溶质组元有关的常数。 　所有溶于铁素体中的合金元素均能提高其硬度、抗拉强度和屈服强度，如锰溶于α-Fe铁素体中，形成固溶体，使钢的强度显著提高。Si、Mn的固溶强化作用最大，其次是Ni、Nb、V等，但在低合金高强度钢中，其强化作用较小。　 固溶强化--有限的强化方式 　　在一般的正火态或热轧态使用的结构钢中，碳氮的固溶强化并不能成为主要的强化方式，因为碳、氮的固溶是间隙固溶，高问隙固溶的碳氮含量将极大损坏钢的韧性和可焊性。 　　一般的置换固溶强化效果都很弱(磷除外)，添加1%的合金元素仅能得到数十兆帕的强度增量，而且随着添加量的增加，强化效果还将减弱，所以置换固溶强化成本很高。此外置换固溶强化效果越大的元素(如P、Si等)对韧性的危害作用也越大。 　　因此微合金化钢中，间隙固溶强化和置换固溶强化都不是一种主要的强化手段。 析出强化(沉淀强化) 　　材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法称为第二相强化或析出强化。析出强化是一种非常有效的重要强化方式。 　　微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得沉淀相质点。钢中细小弥散的沉淀相通过与位错发生交互作用，造成对位错运动的障碍度得以提高，也称为沉淀强化。添加微量的微合金元素可获得成百MPa的强度增量，同时微合金碳氮化物析出相还有晶粒细化作用。因此，微合金碳氮化物的析出强化是微合金钢中最重要的强化方式之一。 位错绕过机制（奥罗万机制1948年） 　　运动中的位错在滑移面上受到第二相质点的阻碍时，如果质点的尺寸和间距较大，则位错线将绕着它弯曲。随着切应力增大，位错线逐渐弯成环状并在某处相遇，由于相遇处两段位错的符号相反而相互抵消，所以形成了包围质点的位错环。同时，原位错将继续前进，并在线张力的作用下，重新变直而恢复原状。 位错线绕过第二相质点 　　位错按这种方式运动时受到的阻力较大，因为除了位错线弯曲需要作功以外，每个位错通过质点以后，还有留下一个位错环，这些环对位错源产生反向应力，使后续位错前进的阻力增大。 Orowan关系式 　　位错和质点的交互作用所产生的力，可以用Orowan关系式来表示： 式中D——质点之间的间距； 　　r——两个质点之间位错线的弯曲半径； 　　G——基体金属的切变模量。 由等式： d/D=f1.3C 式中f——质点的体积占总体积的百分数； C——质点分布系数； d——质点的直径(d《D)。 可得到下式： 　　从上式可以看出，剪切应力随质点的体积分数增加而提高，质点的直径愈小，△τP也愈大。　 位错切过机制 　位错切过质点时必然会形成新的界面，因此需要作功； 　由于质点与基体的晶体结构和柏氏矢量不同，所以位错切过时，必然引起滑移面上原子的错排，从而增加位错运动的阻力； 　若质点是有序结构，则位错切过后，滑移面上将出现反向畴界，这也需要作功；　 位错切过第二相质点 　若质点的滑移面与基体的滑移面不一致，则在位错与质点相交的界面上形成割阶，也会增加位错运动的阻力。 　　质点的数量、形状和大小与合金强度也有密切的关系。 　　第二相的体积分数越大，合金的强度越高； 　　在体积分数相同时，若第二相质点成球状则位错切过的机会最少，而成盘状或棒状时，位错切过的机会依次增多，因此强化作用一个比一个大； 　　质点的尺寸越大，强化效果就越显著。 * * 钢铁材料微结构设计与控制原理 （钢的控扎控冷与微合金化） 王立军 副教授 2010.09 第１节　微合金化钢的概念 钢的微合金化 　　在钢中加入微量的铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、硼(B)等碳化物、氮化物形成元素，在热循环或应变的作用下，通过C、N化合物的溶解和析出机制，钢铁材料的物理、化学及力学性能产生十分明显的变化。 微合金化钢 　　是在普通的C-Mn钢或低合金钢中添加微量(质量分数通常小于0.1%