材料强度学金属材料强韧化金属材料强韧化在实际应用中材料常见的.DOCVIP

材料强度学 ~金属材料强韧化~ 金属材料强韧化 在实际应用中，材料常见的性能指标包括强度、硬度、塑性、韧性等，而对于结构材料而言，最重要的性能指标是强度和韧性。简单的可这样解释：强度，是指材料抵抗变形或断裂的能力。有二种：屈服强度σ b、抗拉强度σ s。强度指标是衡量结构钢的重要指标，强度越高说明钢材承受的力（也叫载荷）越大；韧性，表示材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，也叫冲击韧性，是指材料抵抗冲击变形的能力，表示方法为冲击值α k。冲击韧性是衡量钢材抗冲击能力的指标，数值越高，说明钢材抵抗运动载荷的能力越强。 提高材料的强度和韧性，可以节约材料、降低成本、增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命，但通常的材料往往二者不可兼得。 金属材料强化主要可以通过以下途径： 固溶强化 利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的一种方法。在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体（间隙式或替代式）而使金属的强度、硬度提高。 如不同含量的Zn固溶于Cu-Zn合金中将产生不同的强化效果[1]。 Zn溶于Cu晶胞中，将占据Cu的正常节点位置形成置换固溶体，从而起到固溶强化的作用，依据文献[2~4]的方法，利用平均原子模型[5]计算了Cu-Zn合金相中相结构单元的价电子结构参数统计值，，根据，计算了固溶强化系数S Cu-Zn和界面强化系数S Cu-Zn/Cu-Zn，计算数据如表Zn为10%~32%的Cu-Zn合金相的固溶强化系数S Cu-Zn值均大于1，说明合金元素的溶入强化了基体。w Zn为4%Cu-Zn合金相的固溶强化系数，而实际中合金相的强度较基体强度增加，说明合金的固溶强化不仅由固溶强化系数S Cu-Zn来决定，还要考虑固溶体的界面强化问题。 当Zn含量小于25%时，S Cu-Zn，S Cu-Zn/Cu-Zn值均随溶质的增加而单调递增，合金强度的变化趋势与S Cu-Zn，S Cu-Zn/Cu-Zn值变化相同；当Zn含量大于25%时，合金的S Cu-Zn值虽然增加但幅度变缓，S Cu-Zn/Cu-Zn值出现急剧下降，但S Cu-Zn/Cu-Zn下降态势大于S Cu-Zn增加幅度，所以两强化系数的综合表现为合金强度开始下降，出现拐点。因此，Cu-Zn合金强度提高的真正原因是固溶强化和界面强化共同作用的结果。 细晶强化 细化晶粒可以提高金属的强度，其原因在于晶界对位错的阻滞效应。金属的屈服强度与晶粒大小的关系满足Hall-Petch关系： 表2 为新开发的UP460 钢板与传统Q460 级钢板的化学成分对比。可以看出：UP460 钢中，无V 且Nb 的用量仅相当于传统Q460 钢的1/ 2。由于传统Q460 钢中含Nb 较高，为保证钢坯加热时Nb ( C，N) 易于溶解， 通常需将C 含量控制在成分下限。另外，当钢中Nb 添加量较多时，连铸坯表面易出现裂纹。UP460 钢中由于Nb 含量较低，因此冶炼时对C 含量可不做特殊要求，连铸坯表面也不易产生裂纹。 表2新开发钢UP460 与传统Q460 钢化学成分的比较（%） 应用TMCP工艺，一方面，在奥氏体再结晶区轧制时，应使形变在厚度方向充分渗透至中心部分，以使奥氏体再结晶充分进行，达到晶粒尺寸均匀、细化；另一方面，在奥氏体未再结晶区轧制时，应使钢板厚度方向形变累积效果均匀。控制冷却采用气雾式冷却，换热效率高，冷却均匀。连铸坯厚度为220mm，采用传统控轧及轧后加速冷却工艺 (CCR + ACC)，成品厚度分别为12、14、16、20 和30mm。主要工艺参数为：开轧温度1100~ 1150℃，终轧温度850℃；轧后采用气雾冷却，冷却速度为6~ 10℃/ s；终冷温度约680℃。 采用Nb 微合金化及TMCP 技术，开发了厚度为12~ 30mm 的新型细晶强化Q460 级中厚钢板，新钢种UP460 的主要化学成分为：0.12% ~0.17% C、1.20% ~ 1.60% Mn、0.20% ~0.50%Si、0.01%~ 0.02%Nb。新开发钢的晶粒尺寸细小，其中厚12~ 20mm 钢板铁素体平均晶粒尺寸为6μm，厚30mm 钢板晶粒尺寸为8μm；晶粒尺寸沿厚度方向分布均匀；UP460 钢与传统Q460 钢相比，成本大幅度降低( 按铌铁100250 元/ t、钒铁140000 元/ t 计算, 仅冶炼成本就降低240 元/ t )，具有显著的经济效益和社会效益[6]。 第二相粒子强化 按获得粒子的工艺分为：析出强化（沉淀强化、时效强化）和弥散强化； 2）按粒子大小和形变特性分为：不易变形粒子和易变形粒子，位错绕过不易变形粒子而切过易变形的粒子。 实验用材料Cu-3Si-2Ni在50kg中频感应炉中熔炼，浇铸后的合金铸锭热轧成板材，材料成分(质量分数，%)为：2.98Si，1.98N