钢铁材料中的第二相1

1CISRI钢铁材料中的第二相CentralIron&SteelResearchInstitute2006年8月2CISRI钢铁材料中的第二相第一章概述CentralIron&SteelResearchInstitute2006年8月3CentralIron&SteelResearchInstitute主要内容钢铁结构材料的发展钢铁材料的各种显微缺陷强化方式钢铁材料的各种显微缺陷强化方式对塑韧性的影响及脆化矢量钢铁材料的各种显微缺陷强化方式与钢铁材料的抗拉强度钢铁材料中第二相的作用及意义4CentralIron&SteelResearchInstitute主要内容钢铁结构材料的发展钢铁材料的各种显微缺陷强化方式钢铁材料的各种显微缺陷强化方式对塑韧性的影响及脆化矢量钢铁材料的各种显微缺陷强化方式与钢铁材料的抗拉强度钢铁材料中第二相的作用及意义5CentralIron&SteelResearchInstitute材料是人类社会发展的基础材料、能源、信息构成人类文明，而材料是基础任何物质只要能为人类经济地使用，就成为材料结构材料是基础的基础人类社会的发展是以结构材料作为基础标志的－旧石器时代－新石器时代（陶器）－铜器时代－铁器时代CentralIron&SteelResearchInstitute6结构材料的性能要求1稳定的形态（温度、湿度、外力作用下稳定）较高的刚度（排除了气体和液体）较高的承载能力（屈服强度与断裂强度，抗拉、抗压、抗弯、耐磨、抗疲劳，轻量化要求如高层建筑、运输工具）温度稳定性（低温、热强性）环境介质作用稳定性（耐候性）CentralIron&SteelResearchInstitute7结构材料的性能要求2安全性韧性（冲击载荷作用下吸收能量）屈强比（需要深入研究）耐温（不同使用条件下有不同要求，如低温钢、耐火钢）耐蚀（不同使用条件下有不同要求，如耐候钢、耐海水腐蚀钢、耐酸钢）自我修复（如加工硬化）CentralIron&SteelResearchInstitute8结构材料的性能要求3易于成型和加工－不同结构要求不同的形状流态成型（铸造、沉积）半固态成型（带液芯轧制或带液芯锻造）固态成型（压力加工：热加工与冷加工）固态成型（机械切削加工：反复软化与硬化）连接成型（焊接、粘合、机械结合、复合、涂饰）CentralIron&SteelResearchInstitute9结构材料的性能要求4生产成本低廉且能大规模生产资源丰富且易于开采接近自然平衡态（硅酸盐材料具有特殊优势）满足大规模生产要求（生产工艺技术、成型工艺技术、产品生产工艺技术、性能提高的工艺技术等）CentralIron&SteelResearchInstitute10结构材料的性能要求5舒适性与装饰性现代要求且是发展趋势表面质量与涂装金属光泽与抗氧化抗震降噪隔热色彩（如彩钢）特殊性能（如抗菌、手感）CentralIron&SteelResearchInstitute11主要结构材料•硅酸盐材料•木材与塑料•钢铁材料•有色金属•其他CentralIron&SteelResearchInstitute12钢铁材料的特点资源丰富地壳丰度5％，位居第四成本廉价大部分钢材的售价在3000元/吨高回收率95％的钢铁材料可回收CentralIron&SteelResearchInstitute13钢铁材料的特点•固态多形性相变使得性能可大幅改变•性能优良且多样–强度和韧度–耐腐蚀性能–耐磨性能–低温性能–特殊功能CentralIron&SteelResearchInstitute14世界和我国粗钢产量020040060080010001200production,millionmetrictons198019901992199419961998200020022004ChinaWorldCentralIron&SteelResearchInstitute15显微缺陷组织•点缺陷：空位、间隙原子、固溶原子（置换固溶、间隙固溶）•线缺陷：位错•面缺陷：晶界、相界、表面•体缺陷：第二相、夹杂物CentralIron&SteelResearchInstitute16提高钢铁材料性能的方法•研制无缺陷材料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），强度基本达到理想晶体理论强度，但由于生产成本和工艺限制了无缺陷材料的普及。•显微缺陷强化技术在材料中大量“制造”显微缺陷并使之合理分布，利用这些显微缺陷与位错或微裂纹的相互作用有效阻止材料中不可避免地存在的位错的运动或微裂纹的扩展，从而使材料强化。CentralIron&SteelResearchInstitute17位错与显微缺陷作用及强化方式显微缺陷强化的效果随各种显微缺陷的量的增加而增大，要想大幅度提高材料的强度，就必须在材料中大量地“制造”显微缺陷，以缺陷制缺陷CentralIron&SteelResearchInstitute18常见强化工艺机理•马氏体强化：碳间隙固溶强化、孪晶界强化、相变位错强化，低温回火后ε-碳化物沉淀强化•应变硬化：位错强化•时效硬化：实质上是第二相强化，但多用金属间化合物CentralIron&SteelResearchInstitute19钢铁材料的强度的发展010002000300040005000600070008000900010000纯铁单晶固溶微量碳的铁素体细化晶粒后的铁素体冷加工硬化低碳钢共析钢(珠光体)共析钢(贝氏体)低合金马氏体钢形变处理马氏体钢冷拉钢丝理想强度钢铁种类强度，MPa待发展采用不同的缺陷强化机制，可以使材料的强度提高，通过位错强化方式，可以使冷拉钢丝的强度达到5000MPa以上CentralIron&SteelResearchInstitute20位错点阵阻力•位错运动的点阵阻力，即P-N力τP：)4exp(12PbG)1(2dCentralIron&SteelResearchInstitute21位错点阵阻力•位错宽度增加将使P-N力降低，因而刃位错较螺位错的P-N力低而更容易滑移•位错柏矢量绝对值减小及位错滑移面间距的增大将使P-N力降低，因而位错总是在密排面上沿密排方向滑移•fcc和hcp晶体较bcc晶体在密排面上的原子排列更紧密，因而fcc和hcp晶体的P-N力较低而体心立方点阵的晶体的P-N力较高CentralIron&SteelResearchInstitute22一些金属晶体在室温的τP实验测定值（MPa）金属AlCuAgAuNiFeMgZnCdSnBiτP1.81.00.60.95.728.40.80.90.61.32.2体心立方金属Schmid位向因子M为2，故铁的P-N力约为56.8MPa面心立方金属Schmid位向因子M为3.1，故铜的P-N力约为3.1MPa，镍的P-N力约为17.7MPaCentralIron&SteelResearchInstitute23固溶强化溶质原子进入基体晶体点阵中，将使晶体点阵发生畸变，畸变产生一弹性应力场，与位错周围的弹性应力场将发生模量相互作用、电相互作用、层错相互作用、有序化相互作用以及形成气团钉扎位错，这些作用将导致位错运动的阻力增大从而使材料强化。钢铁材料中固溶强化强度增量与固溶原子量的大致变化关系CentralIron&SteelResearchInstitute24固溶强化•强固溶强化元素固溶强化强度增量:•弱固溶强化元素固溶强化强度增量:2/1CC][CkYS][MMMkYSCentralIron&SteelResearchInstitute25固溶强化效果•C、N间隙固溶强化是钢中最经济有效的强化方式，强化系数高达4570MPa/1%，0.2%提供强度增量约900MPa，0.8%提供强度增量约1800MPa•大多数置换固溶元素的固溶强化是很不经济的强化方式，强化系数多在100MPa/1%以内（P的特殊性）•只有处于固溶态的部分才能产生固溶强化作用CentralIron&SteelResearchInstitute26位错强化•位错强化滑移位错运动时，邻近的其他位错将与之产生各种交互作用，使其运动受阻从而产生强化。位错强化是钢铁材料中目前最有效的强化方式。常通过塑性变形和固态相变来获得高的位错密度。•位错强化理论林位错理论即长程应力场理论、缠结位错网长度理论、位错塞积理论、位错交截理论、割阶理论等。CentralIron&SteelResearchInstitute27位错强化2/1D2GbYS•体心立方晶体的α大致在0.4-0.5之间•位错密度：正火态钢铁材料107/mm2的数量级低碳位错马氏体中表面冷变形强化的钢铁材料剧烈冷加工态钢铁材料可高达5×1010/mm2，108-109/mm2的数量级CentralIron&SteelResearchInstitute28位错强化效果•退火态：6.4~20.3MPa•正火态：64MPa•低碳位错马氏体或表面冷变形强化：203~641MPa•剧烈冷加工态：最高4529MPa（目前人们获得的最高强度就是在冷拉钢丝中通过剧烈冷加工得到）•问题：位错密度测定或估算？CentralIron&SteelResearchInstitute29细晶强化•细晶强化细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移产生强化。细晶强化是各种强化机制中唯一使材料强化的同时并使之韧化的最为有利于钢铁材料强韧化的方式。晶粒细化和强度增量YSG与晶粒尺寸的关系常用Hall-Petch公式表示：2/1yGDkYS屈服强度与晶粒尺寸的Hall-Petch关系CentralIron&SteelResearchInstitute30细晶强化效果•系数ky约为17.4MPamm1/2•传统热轧或正火钢材的晶粒度在6~8级之间，晶粒尺寸20~40μm，即7.07~5mm-1/2，强化增量为123~87MPa•工业化生产的超细晶钢晶粒尺寸达5μm，即14.14mm-1/2，强化增量为246MPa•实验室控制水平可达1μm，即31.62mm-1/2，强化增量为550MPaCentralIron&SteelResearchInstitute31第二相强化•第二相强化细小弥散的第二相与位错交互作用使材料强度提高的方法。•第二相强化机制位错绕过第二相的Orowan机制位错切过第二相的切过机制。dCOrowanMechanismCuttingMecanismSizeofSecondPhasesd，nmStrengthIncrementYSP，MPa两种强化机制不同，第二相尺寸对强化增量的影响不同，在临界转换尺寸时，第二相强化效果最明显。CentralIron&SteelResearchInstitute32第二相强化效果•钢铁材料中大多数情况下为Orowan机制，细化第二相尺寸可显著提高强化效果•微合金化低碳钢中，通过体积分数为0.1~0.2%平均尺寸为2~5nm的微合金碳氮化物的沉淀强化可提供200~400MPa的强度增量•高碳钢中采用体积分数约为15%平均尺寸约为0.2μm的渗碳体的沉淀强化，可提供的强度增量约为200MPaCentralIron&SteelResearchInstitute33不同强化方式的叠加1大多数固溶原子对位错运动的阻碍作用是基本相互独立的，且与位错、晶界或第二相对位错运动的阻碍作用也是基本独立的，不同固溶元素所产生的固溶强化效果可以直接线性叠加；固溶强化效果与位错强化、细晶强化或第二相强化的强化效果也可直接线性叠加。强化方式较少且各种强化方式的强化效果较小时，可采用强化效果直接线性叠加。CentralIron&SteelResearchInstitute34不同强化方式的叠加2某一强化方式的强化效果远大于其他强化方式的强化效果时，可忽略同类其他强化方式的强化效果而将非同类强化方式产生的强化效果直接线性叠加。当所涉及的强化方式较多或各种强化