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韧性是钢铁材料另外一个重要指标,这是因为强度指标可以作为结构设计所承负载荷的依据,然而,大量应用实践表明,在严酷的服役环境下,钢铁材料也会发生脆性断裂,人们已经探索了裂纹(材料中的缺陷)在载荷作用下的起裂判据,相关重要指标就是冲击韧性、韧脆转变温度等。可见,为了避免发生脆性断裂,应该降低钢铁材料的韧脆转变温度（DBTT）.
与钢铁材料韧性相关的理论也有如 Hall-Petch公式所给出的关系(Cottrell- Petch关系)即晶粒越细,韧脆转变温度越低。可见,细化晶粒既可以提高强度,又可以提高韧性。
然而,对于马氏体和贝氏体类型的组织,有效晶粒尺寸一直有待研究。在中低温转变组织中,由于发生的协变相变,子相与母相存在着某种位相继承成关系的相变中,何种结构单元是与韧性和强度相关的有效晶粒?
当今钢材加工中的多数处理工艺都是以细化晶粒为基础而展开的。细化晶粒可以同时使钢的强度和韧性得到提高。在实际应用中,控轧控冷是细化晶粒的有效方法。在奥氏体化温度区间对铸坯进行轧制,可以有效地消除铸造组织、细化原奥氏体晶粒,并可以消除内部的缺陷,使钢材的组织结构更加密实,而显著改善其性能。
此外,通过FCC-BCC(BCT)相变,也可以在一定程度上达到细化晶粒的目的,但实际上该相变的作用十分有限。Morris等的计算表明,由原奥氏体相相变生成的贝氏体、马氏体组织尽管具有很细的组织结构,但由于新相在相变时通常会与母相遵循K-S、N-W或者Bain等特定的晶体学取向关系,该关系使得新生组织之间也具有协变相变关系。这种协变相变关系的存在,使得马氏体相变晶粒之间的解理面只有较小的夹角,而不能有效地阻止裂纹的扩展,此外,其滑移面之间也仅有较小的夹角,而降低了位错通过滑移面的阻力,最终晶粒细化的效果不够理想。
在此基础上, Morris提出了有效晶粒的概念,该理论认为钢中纯马氏体组织的有效晶粒尺寸大致相当于马氏体束( block)或马氏体领域( packet)的大小,只有通过特殊的处理在马氏体板条之间引入奥氏体等特定相而隔断马氏体板条间的特定晶体学关系时,才能减小有效晶粒尺寸,并达到提高钢材韧性的目的。同时,由于马氏体板条间奥氏体的存在,对裂纹的扩展有一定的阻碍作用,也在一定程度上增强了钢材的塑性和韧性。
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南京诺金高速分析仪器厂
2021年8月13日