1-钢的强韧化原理全解.ppt

铁碳合金平衡组织 第1章 钢的强韧化机理 塞积群对障碍物的作用力（虚功原理） 假设在外加切应力τ0的作用下，整个塞积群向前移动了δx的距离，则外力场所作的功为nτ0bδx 。如果假定障碍物只和塞积群中的领先位错有相互作用，作用力为τ`，则当领先位错受到外力场的作用向前移动了δx时，则障碍物作用在领先位错上的力为τ` b，此时τ` b所作的功为τ` bδx。这两个功应相等，即 nτ0bδx=τ` bδx 所以 τ`= nτ0 此结果表明，塞积群的领先位错对障碍物的作用力比外力增加了n倍，在障碍物前产生了应力集中。当塞积群中的位错数量增加，应力集中达到一定程度时，位错可以借助交滑移或攀移越过障碍而使应力松弛下来；否则，就可能摧毁障碍或者在应力集中处引起裂纹。 固溶强化机理 　　其一是溶质原子溶入铁的基体中，造成基体晶格畸变，从而使基体的强度提高。置换固溶体中的异质原子，能在不改变晶格内部的原子分布状态的条件下，阻止不断进行的位错运动。因此，其应力应变曲线向着较高的应力值方向推移，而曲线的形状基本上保持不变。与其它强化机制相比，由均匀的置换固溶体所引起的强化作用是较小的。 　　其二是溶质原子进入位错张应力区，与位错产生弹性交互作用，阻止位错的运动，从而使材料的强度提高与铁原子形成间隙固溶体的异质原子有氢、硼、碳、氮和氧等。其中以碳和氮对于强度提高起着较大的作用。在过饱和的间隙固溶体中，由于碳氮原子有着较大的扩散能力，可以直接在位错附近和位错中心聚集，形成Cottrel气团，对移动着的位错起钉扎作用，只有当位错摆脱了气团的钉扎之后，塑性变形才能继续进行。为此，就必须提高外加应力，从而使材料得到了强化。 均匀固溶强化理论 　　溶质原子均匀而无规地分布在基体中，溶质原子的平均间距为l。由于溶质原子和基体原子之间半径不相适应，因此在基体中造成以溶质原子为核心的长程应力场。溶质原子造成的弹性应力场与位错的弹性应力场交互作用，会使运动位错受一定的障碍，并使位错弯曲成弧形。 　　这时位错线张力T的合力F将与溶质原子障碍对位错的作用力保持平衡，即 式中θ为障碍处位错偏离直线的角度。 　　当外力τ加大时，位错弯曲加剧，θ加大，与障碍间的相互作用也增大。当切应力增大至某一临界值τc时，θ达到某一临界值θc，l长位错段上所受的力刚好可以克服障碍向前继续滑移，这是的交互作用力F为Fm，即 　　　　　　　　　　　Fm可以看成是障碍的强度。 位错在无规分布的溶质原子中受阻 　　对于强相互作用的固溶强化，溶质原子造成的畸变应力场较大，障碍的强度Fm也较大，故θc较大。而弱相互作用的固溶强化θc较小，位错线不必偏离直线太多即可克服障碍而滑移。 　　对于浓度相同但相互作用强度不同的固溶体，位错线在滑移过程中的弯曲程度不同。强相互作用，弯曲程度较大；弱相互作用，位错线较直。　　 　　尽管溶质原子的浓度相同，但位错线上障碍的平均距离却不一样。对于强相互作用，该平均距离大致就是溶质原子的平均间距l。对于弱相互作用，该平均距离Ll。 溶质原子对位错的障碍 (ａ)强相互作用　(ｂ)弱相互作用 　　在一般的稀固溶体中，溶质的固溶强化造成的屈服强度增量为： σMi＝KMi[Mi]mi 式中 [Mi]——固溶体中溶质元素Mi的固溶量； 　　KMi、mi——常数，取决于基体及溶质元素的性质 　　　　　　　mi介于0.5和l之间 　　当钢中间隙固溶的碳、氮含量很小时，也可用直线代替抛物线关系。在微合金化钢中，间隙固溶的碳氮含量的变化范围很小，其固溶强化效果可以采用近似的直线关系式表示如下： σMi＝KMi[Mi] 　非均匀固溶强化理论 　　在很多情况下，溶质原子在基体中并非完全无规分布，而是因为与位错有交互作用而在位错周围聚集，是非均匀的。 柯垂尔气团强化 　　由于溶质原子与刃型位错的交互作用，在温度和时间允许的条件下，为了减少畸变能，溶质原子将聚集在位错线周围，形成溶质原子云，也称为柯垂尔气团。 　　从一级效应考虑，螺位错周围只有切应变而没有体应变，因此不能形成柯垂尔气团；但从二级效应考虑，螺位错仍造成体应变，螺位错芯部处于引张状态，故半径很小的间隙原子也会趋于处在螺位错心部，使系统能量降低。 　　溶质原子在位错周围聚集形成的气团障碍了位错的运动，因此使基体的强度升高。利用位错与溶质原子的弹性交互作用，可以解释低碳钢等金属的上、下屈服点现象和应变时效现象。 斯诺克气团强化 　　螺位错与非球形对称的点缺陷之间的交互作用形成斯诺克气团。斯诺克气团的强化效果与间隙的溶质原子浓度成正比，常温下对位错的钉扎作用并不亚于柯垂尔气团。 　　由于斯诺克气团的有序化太快，形变温度稍高或速度很小时其作用就不太显著。 铃木气团强化 气团的形成 　　对于位错明显扩展的合金，基体与层错