D0I:10.13374/j.issm1001-053x.2002.02.029 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 低碳钢组织与力学性能关系 刘靖 鹿守理 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要从钢的强韧化理论入手，逐一分析了低碳钢中各组织因子与力学性能的关系，并在H- petdh关系式的基础了，结合低碳钢生产的特点，通过定量的热模拟实验研究，回归分析得到了低 碳钢组织与力学性能间的基本关系式. 关键词组织；力学性能：低碳钢：强韧化：回归分析 分类号TG142.1*1:TG142.12 1钢的强韧化理论- 1)间隙式固溶强化.间隙原子嵌入铁素体 基体的八面体间隙中，使晶格产生不对称畸变， 在钢中化学成分一定的条件下，控制钢的 造成强化效应. 力学性能指标的主要因素是钢的内部显微组 (2)置换式固溶强化.它是金属基体中的置 织，而对钢的显微组织与力学性能之间关系的 换原子产生的强化，其强化效能要比间隙式原 认识则依赖于对钢的强韧化机制的分析与研 子小（约小两个数量级），称为弱强化 究.实际使用的钢基本上是由不同量、不同点阵 1.3晶界强化 类型的相所组成的，这些相具有不同的结构、形 就晶界强化与塑性、韧性的关系而言，晶界 态和分布方式，钢的强韧性就是其中各个相对 是位错运动的障碍.晶界两边的原子排列方位 强韧性的综合贡献.因此，研究钢的强韧性机制· 是不相同的，一个晶粒中的位错滑移带不能穿 就是研究各个相对强韧性的控制作用. 越晶界传播到相邻的晶粒中去，要使相邻晶粒 1.1钢的力学性能与强化途径 也产生滑移必须启动它自身的位错源.晶界强 金属材料的强化可以通过2个基本途径： 化，还应考虑基体中的亚晶.晶粒中经常存在的 (1)制成无缺陷的完整晶体，使金属的晶体强度 亚晶也对屈服强度有一定的贡献. 接近理论强度；(2)在有缺陷的金属晶体中设法 晶界可以把塑性变形限定在一定的范围 阻止位错的运动.早在本世纪50年代就已循第 内，使变形均匀化，因此细化晶粒可以提高钢的 一种方法的思路制造出屈服强度接近理论屈服 塑性.晶界又是裂纹扩展的阻力，细化晶粒还可 强度的铁晶须，但由于晶须强度的极不稳定性 改善钢的韧性. 以及工业生产成本很大的缘故，这一途径至今 1.4第2相析出强化 仍未用于工业生产.目前，工程上采用的基本上 在钢中，微合金化元素钛(T),铌Nb),钒(V) 都是第2种强化方法，即在晶体中引入大量缺 等与碳、氨原子等结合成化合物，如碳氮化铌、 陷及阻止位错运动来提高强度.钢中最常见的 碳氨化钛等.这些化合物在加热时溶解，在热轧 强化方式是固溶强化、晶界强化、第2相粒子析 过程中随温度的降低而析出.当这些第2相粒 出强化以及位错强化等 子析出时，析出相在基体中形成应力场，应力场 1.2固溶强化 和运动位错之间的交互作用使基体强化 固溶强化是钢铁材料的主要强化手段之 根据Orowan理论，阻碍位错运动的析出强 一.它是利用点缺陷对金属基体进行强化，可分 化可用下式描述： 成两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化. o: (1) 式中，一刚性模量，b一柏格斯矢量，1一析出物 收稿日期200106-20刘靖女，36岁，讲师 *国家自然科学基金资助课题No.59575051) 间距，Q一常数.第 2 4 卷 第 2 期 2 00 2 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n 加e r s iyt o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o gy B e ij i n g V b l.2 4 N 0 . 2 A p .r 2 002 低碳钢组织与力学性能关 系 刘 靖 鹿 守理 北京科技 大学材料科学 与工程学院 ,北京 10 0 08 摘 要 从钢的强 韧化 理论人 手 ,逐 一分 析 了低碳钢 中各组织 因子 与力学性 能 的关系 ,并在 H al - pe 记h 关系式 的基础 了 ,结合低 碳钢 生产 的特点 ,通 过定量 的热模 拟实验研究 , 回归分析得 到 了低 碳 钢组 织与 力学性 能间的基本关系式 . 关键词 组织 ; 力 学性 能 ; 低碳钢 ; 强韧 化 ; 回归分析 分 类号 T G 14 2 . 1 + l ; T G 14 2 . 1+2 1 钢的强韧化理论1srI , 在钢 中化学成 分一定 的条件下 , 控制钢 的 力 学性 能指 标 的主 要 因素是 钢 的 内部显 微组 织 , 而对 钢的显微组织 与力学性能 之间关系 的 认识 则依 赖 于 对 钢 的强 韧化 机制 的分析 与研 究 . 实际使用 的钢基本上是 由不同量 、 不 同点 阵 类型 的相所组成 的 , 这些相具有不同的结构 、 形 态和分 布方式 , 钢的强韧性就是其 中各个相对 强 韧性的综合 贡献 . 因此 , 研究 钢的强韧性机制 就是研究 各个相对强韧 性的控制作用 , 1 . 1 钢的力学性能与强化途径 金属材料 的强化可 以通过 2 个基本途径 : ( l) 制成无缺 陷的完整 晶体 , 使金属 的晶体强度 接近理论强度 ; (2 )在有缺陷 的金属 晶体 中设法 阻止位错 的运 动 . 早在本世 纪 50 年代就 已循第 一种方法的思路 制造出屈 服强 度接近理论屈 服 强 度 的铁 晶须 , 但 由于 晶须强 度 的极不稳定性 以及工业 生产成本很大 的缘 故 , 这 一途 径至今 仍未用于 工业生产 . 目前 , 工程上采用 的基本上 都是第 2 种强 化方法 , 即 在 晶体 中引人大量缺 陷及阻止位错运 动来提 高强 度 . 钢中最 常见 的 强化方式是 固溶强 化 、 晶界强化 、 第 2 相粒子析 出强化 以及 位错强化等 . L Z 固溶强 化 固溶 强 化 是钢 铁 材料 的主 要强 化 手段 之 一 它是利用点缺 陷对金属基体进行强 化 , 可分 成两类 : 间隙式 固 溶强化和置换 式 固溶强 化 . ( 1) 间隙式 固溶强化 , 间隙原子嵌人铁素体 基体 的八 面体 间隙 中 , 使 晶格产生不对称畸变 , 造成 强化效应 . (2 ) 置换式 固溶强 化 . 它是金属基体 中的置 换 原子产生的强化 , 其强化效 能要 比间隙式原 子小 (约小两个数 量级) , 称 为弱 强 化 . 1.3 晶界强化 就晶界强化与塑性 、 韧性的关系而言 , 晶界 是位错 运动 的障碍 . 晶界 两边 的原子排列方位 是不相 同的 , 一个 晶粒 中的位 错滑移带不能穿 越 晶界传播到相邻 的晶粒 中去 , 要使相邻 晶粒 也 产生滑移必须启 动它 自身的位错源 . 晶界强 化 , 还应考虑基体中的亚 晶 . 晶粒 中经常存在 的 亚 晶也对屈服强度 有一定 的贡献 . 晶界 可 以 把 塑 性 变 形 限定 在一 定 的范 围 内 , 使变形均匀化 , 因此细化晶粒可 以提高钢的 塑 性 . 晶界又 是裂纹扩展 的阻力 , 细化晶粒还 可 改善 钢的韧性 . L 4 第 2 相析 出强化 在钢 中 , 微合金化元 素钦 (iT ) ,钥 (肠) , 钒 (V) 等 与碳 、 氮原子 等结 合成化合 物 , 如碳氮化钥 、 碳氮化钦等 . 这些化合物在加热时溶解 , 在热轧 过程 中随温度 的降低 而析 出 . 当这些第 2 相粒 子析 出时 , 析出相在基体 中形成应力场 , 应力场 和运 动位错之 间的交互作用使基体 强化 . 根据 O r ow an 理论 , 阻碍位错运 动的析 出强 化 可用 下 式描述 : 收稿日期 2 0 01 刁企20 刘靖 女 , 36 岁 , 讲师 * 国家 自然 科学基金 资助课 题伽 。 . 5 9 5 7 5 0 51 ) 氏 p t 二 式 中 , #一 刚性模量 间距 , ~ 常数 . : 牢 ( 1) , b一柏格斯矢量 沐一析 出物 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 02. 029