钢的强化和韧化
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钢的强韧化处理机制王立洲(辽宁工程技术大学材料科学与工程学院阜新123000)本文根据钢的淬火组织特点,归纳了提高钢强韧性的途径,介绍了一些强韧化处理工艺。
随着工业的发展,各种机械对钢铁材料的机械性能要求逐渐增高。
材料及热处理工艺的研究得到迅速的发展。
其中,利用现有材料,通过调整一般的热处理方法,在同时改善钢的强度和韧性指标方面的工作取得了显著的进步。
它对充分发挥材料的性能潜力有着重要的意义。
这些工艺方法通称为强韧化处理,是热处理发展的一个值得注意的方向。
强韧化处理的发展是建立在我们对钢中各种组织的特点,形成条件,机械性能,以及在外力作用下的破断过程的认识不断深入的基础之上的。
透射电子显微镜技术的应用,使我们对各种组织超显微精细结构的认识跨进了一大步,开始有可能比较深入地研究组织和机械性能的关系。
另一方面,从材料断裂过程的研究中知道,在各种应力作用下,材料的破断是通过微裂纹的形成及扩展的方式进行的。
钢铁材料的各种组织形态在各种应力状态下,抵抗微裂纹的形成和扩展的能力是不同的,因此表现出不同的性能指标。
但是无论哪一种组织,只要它形成微裂纹的倾向比较小,或者微裂纹一旦形成后,在这类组织中扩张时消耗的功愈大,它就会有较高的强韧性。
这样,我们就有可能采用适当的热处理工艺方法和调整工艺参数,能动地控制钢的组织,充分利用对钢强韧化有利的因素,排除不利的因素,更充分地发挥材料的强度和韧性的潜力。
目前发展的强韧化处理工艺有多种多样,归结起来,它们大多通过一种或几种途径达到强韧化效果的。
(1)充分利用位错型马氏体和下贝氏体组织形态,尽量减少或避免片状孪品马氏体的出现。
(2)细化钢的奥氏体晶粒和细化过剩碳化物。
(3)获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织。
(4)形变热处理。
下面将简要介绍这些强化处理的机理。
一位错型马氏体的扩大应用很久以来就知道,在保证淬、回火零件强度指标的前提下,选用含碳量较低的钢,能够使零件热处理后获得较高的韧性。
《Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用》篇一一、引言随着现代工业的快速发展,钢铁材料在各种工程应用中扮演着至关重要的角色。
Cr-Mo-V-Nb调质钢作为一类高强度、高韧性的钢铁材料,广泛应用于大型机械设备、桥梁建筑以及高负载构件等关键领域。
在这些钢种中,Nb元素的加入不仅能够有效改善钢的组织结构,还可以显著提高钢的强韧性能。
本文将着重探讨Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用。
二、Nb元素在Cr-Mo-V-Nb调质钢中的作用机制1. 细化晶粒Nb元素在钢中具有显著的晶粒细化作用。
当Nb元素加入到Cr-Mo-V调质钢中时,能够与C、N等元素形成稳定的化合物,这些化合物在钢的凝固过程中作为非均匀形核的核心,从而有效细化晶粒。
细化的晶粒能够提高钢的力学性能,如强度和韧性。
2. 强化固溶体Nb元素能够有效地固溶于基体中,形成固溶强化效应。
固溶的Nb原子能够阻碍位错运动,从而提高钢的强度和硬度。
此外,固溶的Nb还可以与其他合金元素形成强化相,进一步提高钢的力学性能。
三、Nb元素对Cr-Mo-V-Nb调质钢的强韧化作用1. 提高韧性Nb元素的加入能够显著提高Cr-Mo-V调质钢的韧性。
这是因为Nb元素的晶粒细化作用可以改善钢的内部结构,使其在受到外力作用时能够更好地吸收能量,从而提高韧性。
此外,固溶的Nb原子和形成的强化相也可以有效阻碍裂纹的扩展,进一步提高钢的韧性。
2. 增强抗疲劳性能由于Nb元素的加入能够显著提高钢的强度和韧性,因此Cr-Mo-V-Nb调质钢具有较好的抗疲劳性能。
在循环载荷作用下,含Nb调质钢能够更好地抵抗疲劳裂纹的产生和扩展,延长构件的使用寿命。
四、结论本文通过对Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用的研究发现,Nb元素的加入能够有效细化晶粒、强化固溶体、提高韧性以及增强抗疲劳性能。
这些作用机制使得含Nb 调质钢在工程应用中具有更高的强度、更好的韧性和更长的使用寿命。
金属的强化机制及强韧性能的控制强化一般是指金属材料的室温流变强度,即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。
应强调指出:提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标,即使对金属结构材料来说,除了不断提高强度以外,也还必须注意材料的综合性能,即根据使用条件,要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。
一、强化机制强化的理论基础从根本上讲,金属强度来源于原子间结合力。
直到1934年,奥罗万、波拉尼和泰勒分别提出晶体位错的概念;位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度低于理论切变强度的本质。
在有位错存在的情况下,切变滑移是通过位错的运动来实现的,所涉及的是位错线附近的几列原子。
而对于无位错的近完整晶体,切变时滑移面上的所有原子将同时滑移,这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。
金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别,为金属的强化提供了可能性和必要性。
可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度,是材料强度的下限值;而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
强化途径金属材料的强化途径不外两个,一是提高合金的原子间结合力,提高其理论强度,并制得无缺陷的完整晶体,如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值,可以认为这是因为晶须中没有位错,或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
可惜当晶须的直径较大时,强度会急剧下降。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷。
事实证明,这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说,一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。
固溶强化结构用的金属材料很少是纯金属,一般都要合金化。
合金化的主要目的之一是产生固溶强化,另外,也可能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等,这要看合金元素的作用和热处理条件而定。
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度:强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度,称为金属的强化。
随试验条件不同,强度有不同的表示方法,如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等;压缩试验中的抗压强度;弯曲试验中的抗弯强度;疲劳试验中的疲劳强度;高温条件静态拉伸所测的持久强度。
强化机理主要有:固溶强化、形变强化、细晶强化和第二相弥散强化等四种,以下将分别予以介绍。
1.2 固溶强化即利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。
合金元素的固溶强化效果一般可以表示为:△σs= K i C i n式中,K i为系数;C i n为固溶度。
对于C、N等间隙原子,n=0.33~2.0;对于Mo、Si、Mn等置换原子,n=0.5~1.0。
固溶强化的机理:原子固溶与钢的基体中,一般都会使晶格发生畸变,从而在基体中产生了弹性应力场,弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力,宏观上即表现为提高了材料的强度。
1.3 形变强化金属在塑性变形过程中位错密度不断增加,使弹性应力场不断增大,位错间的交互作用不断增强,因而位错的运动越来越困难—位错强化。
作用是为了提高材料的强度,使变形更均匀,防止材料偶然过载引起破坏。
金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的,位错密度愈高,位错运动愈困难,金属抵抗塑性变形的能力就愈大,表现在力学性能上,金属强度提高,即当造成金属晶体内部位错大量增殖时,金属表现出强化效果。
理论研究同时也说明:制成无缺陷,几乎不存在“位错”的完整晶体,使金属晶体强度接近理论强度,则会使金属强化效果表现得更为突出。
因此,金属有两种强化途径:一是对有晶体缺陷的实际金属,即存在位错金属,可以通过位错增殖而强化,二是制成无晶体缺陷的理想金属,使晶体中几乎不存在位错,则金属强化效果会更大。
形变强化遵循以下规律:第一,随着变形量增加,强度提高而塑性和韧性逐渐降低,逐渐接近于零。
钢的强化手段及应用的探讨随着工业革命和现代科技的进步,钢材在社会的发展过程中起到的作用达到了前所未有的重要程度,成为国家建设和现代化推进必不可少的重要物资。
其广泛应用于矿山、建筑、机械、交通运输、桥梁、石油化工、轻工和电子工业等领域。
而且品种繁多,一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类。
大部分钢材加工都是钢材通过压力加工,使被加工的钢(坯、锭等)产生塑性变形,由于在很多领域有特殊的工艺要求,所以钢材需要进一步的强化。
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度,称为强化。
钢的强化主要是指加强抵抗塑性变形的能力。
强化的途径一般分为两种,一种是尽量消除位错等晶体缺陷,获得近乎理想的单晶材料。
另一种是增加位错密度和移动阻力。
因此钢的强化分为晶界强化、位错强化、固溶强化、沉淀和弥撒强化、相变强化、调幅分解强化等。
晶界强化是指向界两侧原子的取向不同中加入一些微量的表面活性元素,如硼和稀土元素等,产生内吸附现象让钢浓集于晶界,从而使钢的蠕变极限和持久强度显著提高的方法。
如珠光体耐热钢12Cr2MoWVB,即利用硼的晶界强化作用,提高了钢的蠕变极限和持久强度。
晶界强化中经常用到一种方法——细晶强化。
晶界是位错运动的最大障碍之一,晶位错集中在晶界附近晶粒越细,这种阻碍作用就越强。
近年来,用控制奥氏体再结晶技术,获得超奥氏体晶粒,淬火后得到超细马氏体组织,使其屈服强度接近2000MPa。
同时利用快速循环加热工艺对材料进行超细化处理得到进展,细晶在提高材料强度的同时,也是材料的塑性、韧性得到改善,从而使其具备了其他强化手段没有的优势。
位错强化也是金属材料中最为有效的强化方式之一。
自从位错理论提出后,人们就对位错之间的相互作用进行了大量的研究,在位错强化(加工硬化)方面取得了长足的进展。
增加金属的位错密度,例如冷加工变形。
由于位错的交互作用和缠绕作用,使位错的可动性大大降低,从而提高强度和硬度。
这种现象被称之为“加工硬化”,其强度和位错密度的平方根成正比例提高。
钢的强化方法及应用摘要:随着社会的进步,人类对钢的要求越来越高,随之便促进了钢的各种性能的发展,钢的强化便是其中重要的一项发展,提高了钢的强度,使其为人类的生活服务。
钢的强化方法包括:(1)形变强化;(2)细化晶粒强化;(3)马氏体强化;(4)形变一相变综合强化(形变热处理强化)。
把钢的强化应用在日常生活中,给人类的生活带来了很多方便,比如建筑行业,汽车制造业,还有各种生活制品。
关键词:钢强化应用正文:1钢的强化:钢的强化方法包括:(1)形变强化;(2)细化晶粒强化;(3)马氏体强化;(4)形变一相变综合强化(形变热处理强化);1.1形变强化利用形变使钢强化的方法。
也称应变强化或加工硬化。
强度是材料在宏观上(或者说是整体上)抵抗形变的能力(或称流变应力)。
硬度是材料局部抵抗塑性形变的能力(不论是显微硬度、维氏硬度、洛氏硬度,还是布氏硬度)。
材料的强度越高,塑性形变抗力越大,硬度值也越高。
反之,材料的硬度越高,可能因材料脆性增大,其强度未充分反映出来,使得强度指标数值并不高。
对于不再经受热处理,并且使用温度远低于材料再结晶温度的金属材料(譬如低碳低合金钢),经常利用冷加工(冷形变)手段使之通过形变强化来提高强度。
因而,形变强化的实质就是在材料的再结晶温度以下进行冷形变,随着形变程度(应变量)的增大,在晶体内产生高密度的位错(晶体缺陷),位错密度越高,强化的程度越大,即流变应力值越高。
利用形变强化达到高强度的钢铁制品,典型的就是高碳钢冷拉钢丝和低碳低合金双相钢冷拉钢丝。
1.2细化晶粒强化常温下,钢的强度受基体组织的晶粒尺寸影响。
通常用晶粒号(也称为晶粒度或晶粒级别)来表示晶粒的平均大小。
表中给出了晶粒号(N)与晶粒平均直径d的对应关系这一对应关系是由Z=2(N+3)变换而来,式中Z为lmm2中的平均晶粒数目,N为晶粒号。
由此可得每一晶粒平均所占的面积(截面)及每一晶粒的平均直径。
一般工业用钢中,晶粒号通常表示的是奥氏体的晶粒大小,也可特指铁素体的晶粒大小。
钢的韧化方法钢的韧化方法包括:(1)细化晶粒法;(2)合金化法;(3)纯净化法;(4)位错板条马氏体韧化;(5)高温形变热处理;(6)利用稳定奥氏体使钢韧化;(7)利用介稳奥氏体使钢韧化;(8)回火和其他方法。
(1)细化晶粒法常温或低温下,在利用细化晶粒提高钢的强度的同时,还可改善钢的韧性,特别是低温韧性。
这是细化晶粒方法的突出优点。
因为细化晶粒不仅增大钢的屈服强度(@),而且增大钢的断裂强度O b)。
这样,随着晶粒的不断细化,钢从脆性断裂过渡到韧性断裂(沪os),如图3所示。
晶粒尺寸]/ ■图3新裂强度s和屈服强度6与晶粒尺寸M的关糸(2)合金化法合金元素锰和镍能使钢的韧性提高。
锰因为能减少晶界碳化物,细化珠光体,相应也细化铁素体晶粒,从而提高铁素体一珠光体钢的韧性。
镍是提高钢的韧性最有效的元素,这是因为镍能提高铁素体基体的韧性,并使晶粒细化的缘故。
(3)纯净化法除去钢中夹杂、气体及有害元素,尽可能降低钢的碳含量是提高钢韧性的有效方法。
钢中非金属夹杂物是断裂的裂纹源。
在冶炼上采用真空除气,电渣重熔、真空白耗重熔和各种炉外精炼技术,提高钢的纯净度,可显著改善钢的韧性。
钢中磷、硫、砷、锑等有害元素的去除,也能改善钢的韧性。
钢中的碳,虽然在很多情况下是不可缺少的元素,但碳却使钢的韧性显著恶化,因此,在可能的条件下,应尽量降低钢的碳含量。
(4)位错板条马氏体韧化铁碳合金中,碳含量<0. 30%时,淬火马氏体的形态主要为位错板条马氏体;碳含量>0. 6%时,主要为内孪晶马氏体。
一般认为,化学成分相同,位错马氏体与内孪晶马氏体的强化效果相当,而位错马氏体具有较好的韧性。
原因可能是位错马氏体的板条尺寸很小,类似于非常细的晶粒,可阻止裂纹的传播;而孪晶片状马氏体,厚度较大,且内部孪晶取向相同,类似于粗大的晶粒,从而韧性较差。
另外,位错马氏体板条之间的残留奥氏体塑性良好,使得钢的韧性改善。
(5)高温形变热处理将钢在高于临界点A C3以上的较高温度(如在奥氏体的再结晶温度以上)奥氏体化,然后预冷到稍高于A。
材料的强化与韧化韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力,它是强度和塑性的综合表现;强度是材料抵抗变形和断裂的能力,塑性则表示材料断裂时总的塑变程度。
金属材料的强化方法大体分为四类:固溶强化、细晶强化、形变强化、沉淀相颗粒强化等。
固溶强化是指纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象。
根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体。
固溶强化的特点:(1)溶质原子的原子数分数越大,强化作用越大;(2)溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大,强化作用越大;(3)间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用;(3)溶质原子与基体金属的价电子数相差越大,固溶强化越明显。
晶粒细化是一种有效的既可提高金属材料强度又可改善韧性的手段,这是其他强化方式如加工硬化、时效强化等方法难以达到的。
细化晶粒提高材料强度和硬度主要来源于晶界对位错运动的阻碍作用,而改善韧性源于晶界面积增加使单位面积上偏聚的杂质原子数量减少,降低材料脆性转变温度。
多晶体金属的晶粒通常是大角度晶界,相邻取向不同的的晶粒受力发生塑性变形时,部分晶粒内部的位错先开动,并沿一定晶体学平面滑移和增殖,位错在晶界前被阻挡,当晶粒细化时,需要更大外加力才能使材料发生塑性变形,从而达到强化的目的。
形变强化是指金属的整个形变过程中当外力超过屈服强度后,要塑性变形继续进行必须不断增加外力,从而在真实的应力-应变曲线上表现为盈利不断上升。
随着塑性变形量的增加,金属流变强度也增加。
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加,使弹性应力场不断增大,位错间的相互作用不断加强,因而位错运动越来越困难。
晶体中的位错达到一定值后,位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力,可以有效地提高金属的强度。
曲线明显可分为三个阶段:I.易滑移阶段:发生单滑移,位错移动和增殖所遇到的阻力很小,θI 很低,约为10-4G数量级。
II.线性硬化阶段:发生多系滑移,位错运动困难,θII 远大于θI 约为G/100—G/300 ,并接近于一常数。