1、提高钢的强度、韧性、延展性、加工性能以及使提高钢的强度、韧性、延展性、加工性能以及使用寿命是用寿命是21 世纪钢铁工业的主要奋斗目标之一。世纪钢铁工业的主要奋斗目标之一。传统方法是通过提高钢中合金元素总量来达到目传统方法是通过提高钢中合金元素总量来达到目的的,但这不仅会对冶炼工艺及设备提出更高的要求但这不仅会对冶炼工艺及设备提出更高的要求,增加炼钢生产成本增加炼钢生产成本,而且只能提高材料某一方面的而且只能提高材料某一方面的性能。性能。20 世纪末世纪末,提出新一代钢铁材料提出新一代钢铁材料(超级钢超级钢) 概概念并进行了研发。主要是通过控制钢的微合金化、念并进行了研发。主要是通过控制钢的微合
2、金化、显微组织形态、固态相变和晶粒细化等方法来实显微组织形态、固态相变和晶粒细化等方法来实现现 。这些方法中的核心技术是晶粒细化。这些方法中的核心技术是晶粒细化超细超细晶技术晶技术。该技术的好处该技术的好处 如果将晶粒细化一个数量级如果将晶粒细化一个数量级,钢铁钢铁材料的强度可提高材料的强度可提高1 倍倍,同时仍然保持同时仍然保持良好的塑性和韧性。良好的塑性和韧性。该技术生产工艺和设备简单且又能在该技术生产工艺和设备简单且又能在满足钢铁材料综合力学性能的同时消满足钢铁材料综合力学性能的同时消耗最少的资源。耗最少的资源。 因此因此,钢铁材料超细化技术已成为钢铁材料超细化技术已成为许多工业发达国家
3、竞相研发的重要课许多工业发达国家竞相研发的重要课题。题。 晶粒大小与性能的关系晶粒大小与性能的关系 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，金金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，金属的晶粒的大小可以用单位体积内的晶粒数目来属的晶粒的大小可以用单位体积内的晶粒数目来表示，数目越多，晶粒越细小。为了测量方便，表示，数目越多，晶粒越细小。为了测量方便，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明在常温下细晶粒金属比粗晶粒金属示。实验表明在常温下细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度，硬度，塑性和韧性。这是因为具有较高的强度，硬度，塑性和韧性。这是因为细晶
4、粒受到外力发生塑性变形时，其塑性变形可细晶粒受到外力发生塑性变形时，其塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形均匀，应力分散在更多的晶粒内进行，塑性变形均匀，应力集中较小。此外，晶粒越细，晶界越多，晶界越集中较小。此外，晶粒越细，晶界越多，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。曲折，越不利于裂纹的扩展。二晶粒细化作用二晶粒细化作用 1）晶粒尺寸与屈服强度和硬度的关系）晶粒尺寸与屈服强度和硬度的关系长期研究和实验证明材料组织的细化是提高材长期研究和实验证明材料组织的细化是提高材料强度的最有效的方法之一。料强度的最有效的方法之一。材料的晶粒尺寸与屈服强度和硬度间的关系可材料的晶粒尺寸与屈服强度和硬度间
5、的关系可Hall2Petch 式式描述描述,即即:s =0 + k d - 1/ 2和和H = H0 + kd - 1/ 2 式中式中,s 为应变量为应变量012 %时的屈服应力时的屈服应力;0 为移动单为移动单个位错所需克服的点阵摩擦力个位错所需克服的点阵摩擦力; k 为为Petch 斜率斜率(通通常低碳钢为常低碳钢为1215 MPa/ mm3/ 2 ) ; d 为晶粒平均直为晶粒平均直径径; H 为硬度为硬度; H0 , k为与晶粒度无关的常数。为与晶粒度无关的常数。 从式从式(1) 可可看出看出,材料的屈服强度和硬度与晶粒材料的屈服强度和硬度与晶粒尺寸倒数的平方根成正比尺寸倒数的平方根成
6、正比,即随材料晶粒尺寸减小即随材料晶粒尺寸减小,材料的屈服强度及硬度不断提高。材料的屈服强度及硬度不断提高。细晶强化机理主要是:晶粒越细,单位体积内的晶粒界面越多,由于晶界间原子排列比晶粒内部的排列更加紊乱,因而位错密度较高,致使晶界那个对正常晶格的滑移位错产生缠结,不易穿过晶界继续滑移,变形抗力增大,表现为强度提高。 2）晶粒尺寸与塑性和韧性的关系）晶粒尺寸与塑性和韧性的关系晶粒尺寸与材料塑性和韧性有密切关系。根据裂纹形成断裂理论,晶粒尺寸与裂纹扩展临界应力(f ) 的关系为（如下）式中,为切变模量;p 为比表面能,即裂纹扩展对每增加一单位面积所消耗的功(大部分消耗于塑性变形) 。通过以上各
7、式得：细化晶粒成为提高钢铁材料塑性和韧性通过以上各式得：细化晶粒成为提高钢铁材料塑性和韧性的最主要和最有效的方法。的最主要和最有效的方法。 分析显微组织结构得知:晶粒越细小,晶粒内部的空位数目和位错均减少,位错与空位以及位错间的弹性交互作用的机遇下降,位错易于运动,亦即表现出较好的塑性;位错数目减少,塞积位错数目下降,只能产生轻度的应力场,从而将推迟微孔和微裂纹的萌发,致使断裂应变增加。除此之外,细晶粒为同时在更多的晶粒内开动位错和增值位错提供了机遇,即细晶粒能使塑性变形更加均匀,呈现出较高的塑性变形。研究结果表明,当晶粒小于011m 时,应力集中消失,变形均匀,材料具有很高的塑性和韧性,同时
8、强度也较理 图图2 钢铁材料晶粒尺寸与塑性钢铁材料晶粒尺寸与塑性(断面收缩率断面收缩率) 的关系。的关系。 图图1 晶粒尺寸与屈服强度晶粒尺寸与屈服强度( a) 和硬度和硬度( b) 的关系的关系三 制备超细晶粒钢的关键技术1微合金化细化晶粒微合金化细化晶粒 2形变诱导相变细化晶粒形变诱导相变细化晶粒 3大塑性变形细化晶粒大塑性变形细化晶粒4 热处理细化晶粒热处理细化晶粒6 磁场或电场处理细化晶粒磁场或电场处理细化晶粒5 新型机械控制轧制技术细化晶粒新型机械控制轧制技术细化晶粒1 一般的晶粒细化方法是在炼钢过程中向钢液添加微合一般的晶粒细化方法是在炼钢过程中向钢液添加微合金元素金元素(Nb 、
9、V、Ti 、B、N 等等) 进行变质处理进行变质处理,以提供大量的弥以提供大量的弥散质点促进非均质形核散质点促进非均质形核,从而使钢液凝固后获得更多的细晶粒。从而使钢液凝固后获得更多的细晶粒。图图3 为微合金元素为微合金元素(Nb 、V、Ti) 对铁素体晶粒尺寸的影响。对铁素体晶粒尺寸的影响。可见可见,在一定范围内在一定范围内,随微合金元素含量的增加随微合金元素含量的增加, 铁素体晶粒铁素体晶粒越细小。越细小。 晶粒细化原因有两方面晶粒细化原因有两方面:一方面一方面,某些固溶合金化元素某些固溶合金化元素(W ,Mo ,Mn 等等) 的加入提高了钢的再结晶温度的加入提高了钢的再结晶温度,同时也可
10、降低同时也可降低在一定温度下晶粒长大的速度在一定温度下晶粒长大的速度;另一方面另一方面,某些强碳化物形成元某些强碳化物形成元素素(如如Nb ,V , Ti等等) 与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级(20100 nm)的化合物钉扎晶界的化合物钉扎晶界,对晶粒增长有强烈的阻碍作用对晶粒增长有强烈的阻碍作用,并且当并且当这种纳米级化合物所占体积分数为这种纳米级化合物所占体积分数为2%时时,对组织的细化效果最对组织的细化效果最好好2 形变诱导相变是将低碳钢形变诱导相变是将低碳钢 w (C) 0125 %加加热到稍高于热到稍高于奥氏体相变温度奥氏体相变温度( Ac3 ) ,以较
11、高的变形速以较高的变形速率率( ) 、足够的变形、足够的变形量量() 对奥氏体进行连续快速变对奥氏体进行连续快速变形形,然后急冷然后急冷,从而获得超细铁从而获得超细铁素体晶粒的工艺。素体晶粒的工艺。图四 但但 是形变诱导相变细化晶粒技术也有一定的局限性是形变诱导相变细化晶粒技术也有一定的局限性,主适用主适用于在相变过程中可发生奥氏体于在相变过程中可发生奥氏体铁素体相变的低碳低合金钢铁素体相变的低碳低合金钢形变诱导相变细化的机理形变诱导相变细化的机理主要是在变形过程中主要是在变形过程中,有有5 %10 %的形变能被储存的形变能被储存(主要是位错密度增加主要是位错密度增加) ,系统自由能提高系统自
12、由能提高,增增加了相变驱动力加了相变驱动力,使奥氏体向铁素体转变的相变点温度使奥氏体向铁素体转变的相变点温度( Ar3 ) 升高升高,诱发铁素体相变诱发铁素体相变,形成的铁素形成的铁素体首先在奥氏体晶界和晶内体首先在奥氏体晶界和晶内高畸变区域形核高畸变区域形核,随后在新生成的奥氏体随后在新生成的奥氏体/ 铁素体相界形核铁素体相界形核,且且变形后进行快速冷却变形后进行快速冷却,以保持形变过程中形成的超细铁素体晶以保持形变过程中形成的超细铁素体晶粒粒 。3大塑性变形细化晶粒大塑性变形细化晶粒用大塑性变形技术也能成功制备超细晶材料。用大塑性变形技术也能成功制备超细晶材料。目前大塑性变形技术有目前大塑
13、性变形技术有: 叠轧法、等通道挤叠轧法、等通道挤压法及高压旋转法等。用大塑性变形技术制压法及高压旋转法等。用大塑性变形技术制备超细晶方法的最大优点是备超细晶方法的最大优点是: 无污染无污染; 制备的超细晶材料内部无残留孔制备的超细晶材料内部无残留孔; 超细晶材料内部组织均匀超细晶材料内部组织均匀; 无机械损伤和裂纹。无机械损伤和裂纹。4 热处理细化晶粒热处理细化晶粒热处理细化晶粒方法主要是对钢材进行热处理细化晶粒方法主要是对钢材进行快速加快速加热和冷却热和冷却,以达到抑制晶核长大的一种热处理工以达到抑制晶核长大的一种热处理工艺。主要方法包括艺。主要方法包括循环加热淬火细化循环加热淬火细化和和形
14、变热形变热处理细化处理细化技术。技术。5 新型机械控制轧制技术细化晶粒新型机械控制轧制技术细化晶粒新发展的机械控制轧制新发展的机械控制轧制( TMCP) 技术技术,即弛豫即弛豫-析出析出-控制相变技控制相变技术术(RPC) ,是利用微合金元素在热机械处理是利用微合金元素在热机械处理(控制轧制控制轧制) 过程中各过程中各阶段的复合作用实现两阶段控轧阶段的复合作用实现两阶段控轧,在终轧后经过一段控制温度和在终轧后经过一段控制温度和时间的弛豫过程时间的弛豫过程,利用变形奥氏体中缺陷的回复及位错网上的应利用变形奥氏体中缺陷的回复及位错网上的应变诱导析出形成完整、强化的位错胞状结构或亚晶变诱导析出形成完整、强化的位错胞状结构或亚晶,这些类似小这些类似小晶粒的位错胞状结构在中温转变时能促进晶内铁素体或不规则晶粒的位错胞状结构在中温转变时能促进晶内铁素体或不规则粒状贝氏体的形成以及贝氏体在原奥氏体晶内形核粒状贝氏体的形成以及贝氏体在原奥氏体晶内形核,并限制贝氏并限制贝氏体板条的长大体板条的长大,起到细化相变产物的作用。起到细化相变产物的作用。6 磁场或电场处理细化晶粒磁场或电场处理细化晶粒采用强磁场或电场可使奥氏体和铁素体的采用强磁场或电场可使奥氏体和铁素体的Gibbs 自由能降低自由能降低 。精品课件精品课件！精品课件精品课件！
