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第四章合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响
钢材是最广泛使用的金属材料，它能以比较低廉的价
格，按十分精确的规格进行大量生产。
钢材可提供的机械性能范围，从优良的韧性和中等强
度〔200～300Mpa〕水平到有足够韧性和极高强度〔2000Mpa
〕水平。
然而结构材料的强度和韧性，常常是一对矛盾，强度
是主要的使用性能，增加强度往往要牺牲其它性能，或者
反过来也是如此。因而当前面临的问题，不是片面地追求
强化，而是追求强韧化。
韧性是材料可靠性的量度，因而提高钢材的可靠性依
赖于韧化。
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钢材具有了优良的综合机械性能以后，下一步还需要考虑
各种工艺性能〔包括铸造性能、冷态成型性、压力加工性能、
切削性、热处理工艺性以及焊接性等〕。
如果钢材的工艺性能不能满足要求，虽然钢材的综合机
械性能优异，也将难以被使用者接受。
第一节钢的强化机理与韧化途径
一、强化机理
1、固溶强化
在许多钢中，铁素体是根本组成相之一，在结构钢中其所
占比例要≥90%。
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试验指出：定量评定合金铁素体的强化程度可以通过每
个合金元素对Fe的α固溶体性能影响的叠加效果。这样，同时
用假设干种合金元素合金化铁素体时，其对强度的奉献可以
用下式来表达：
式中：
F
Ki是1%(重量)的第i种合金元素固溶后引起铁素体屈服强
度增量的强化系数；
F
Ci为第i种合金元素溶于铁素体中的重量百分浓度。
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F
不同合金元素溶于铁素体中的强化系数Ki值如下表所示：
元素C+NPSiTiAlCuMnCrNiMoV
F
K/100MPa467069085806040353030103
i
注意：按上式评
定铁素体的强化应
该考虑合金元素溶
于铁素体的浓度，
而不是这些元素在
钢中的含量。
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2、细化晶粒强化
铁素体的屈服强度随晶粒度的减小按Hall-Petch公式而增
加，即
σs=σi+kd-0.5
其中：d为晶粒直径；
σi为在晶粒中位错运动所需的应力〔内摩擦力〕；
k为常数。
实际晶粒越细，屈服强度越高，所以在加工钢铁材料时非
常重视最终的铁素体晶粒尺寸。
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0.11%C的软钢的屈服强度与晶粒度不同温度下的关系如下
图：
当软钢的晶粒
d=0.25mm(粗晶粒)
时，屈服强度约为
100Mpa；当软钢的
晶粒d=0.0025mm
(细晶粒)时，屈服
强度高达500MPa以
上。
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最近二十多年来，软钢生产中添加低浓度特殊碳化物形成
元素〔N、Ti、V等〕以及轧制工艺的改进，可以细化铁素体
晶粒，从而使这类广泛应用的工程材料的机械性能有了惊人
的改善。
钢的韧性也是对晶粒大小很敏感的性能，对铁素体冲击试
验时，韧－脆转折温度Tc与lnd-0.5呈线性关系，即：
Tc=K－βlnd-0.5
式中，K与β为常数。
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对软钢来说，细化晶粒对软钢的屈服强度σs和冲击
韧
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