细晶强化的理论及发展.docx

细晶强化的理论及发展黄一聪（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院阜新123000）摘要：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒 的数目来表示，数目越多，晶粒越细实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶 粒金属有更高的强度、硬度、塑形和韧性⑴因此，在实际使用中，人们常用细 晶强化的方法来提高金属的力学性能关键词：定义、细晶强化机制、细化晶粒本质与途径、细晶强化新方法、位错0前言：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的 数目来表示，数目越多，晶粒越细实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒 金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形 可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细， 晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展故工业上将通过细化晶粒以 提高材料强度的方法称为细晶强化细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻 滞效应位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质 原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进 入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作。

这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起了强度的增高可见， 晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越 多，多晶体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了这一点另 外，位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源，在 应力的作用下，此位错源不断放出位错，使晶体产生滑移位错在运动的过程中， 首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服晶界的障碍， 才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服因此，材料的屈 服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错 的阻碍大小晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大外力才能使晶 体产生滑移所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大细化晶粒是众多材料 强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方法其提高塑 性机制为：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变 形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力 集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量提高强度机制 为：晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位 错的通过。

⑵1细晶强化的理论与发展细晶强化的机理细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应位错在多晶体中运动时， 由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑 移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上 形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作这同样导致位错不易穿过晶界，而 是塞积在晶界处，引起了强度的增高可见，晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞 的地方就越多，多晶体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了 这一点另外，位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位 错源，在应力的作用下，此位错源不断放出位错，使晶体产生滑移位错在运动 的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服 晶界的障碍，才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服因 此，材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力 和晶界对位错的阻碍大小晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大 外力才能使晶体产生滑移所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大细化晶 粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方 法。

其提高塑性机制为：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性 变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位 错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量 提高强度机制为：晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量 较高，阻碍位错的通过晶粒细化是钢最主要的强化方式之一，同时,它也是使钢铁材料韧性大幅度 提高的最重要的韧化晶方式晶界两边的晶粒的取向完全不同且完全无规，晶界 是原子排列相当紊乱的地区因此，当塑性变形和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进 入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界就比较困难另外，穿过晶界后滑移方 向和裂纹扩展又需改变因此，和晶内的变形及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界 而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很大的能量故晶界的存在将使材料 的强度和韧性都得到提高材料的晶粒越细，晶界面积就越大，材料的强度和韧性 就越高2细晶强化的机制2.1晶界强化一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好所以细晶强化成为金属材 料的一种重要强化方式，获得了广泛的应用在大量试验基础上，实验证明，金 属的屈服强度与其晶粒尺寸之间有下列关系：8 =8 +K D-i 2s i 1此式称为霍耳-配奇公式(Hall-petch公式)。

式中：&――为常数，相当于单晶体的屈服强度D——为多晶体中各晶粒 的平均直径K――为晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关as — —开始发生塑性变形的最小应力ai包含着不可避免的残留元素如Mn、Si、N 等对位错滑动的阻力对于铁素体一珠光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元 素的作用，因此Hall—Petch公式可以改写为：8 =8 +( 3.7M + 8.3S +291.8N +1. 5 1D-i2)x9.8s 0 n i式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶强化系 数,即每1%重量百分数可以提高的屈服强度aO为单晶纯铁的屈服强度，实际 上铁中总是含有微量碳的Q0值随不同的处理而异空冷时oO =86.24MPa,炉 冷时为60.76MPaD为等轴铁素体晶粒平均截线长，以mm为单位铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D小时，D的很小变化将 使D-1/2产生较大的变化上式适用于钢中珠光体含量＜30%的组织当珠光体 量大于30%时，珠光体对材料强度的影响不能忽视，Hall—Petch公式可以改写8 = f 8 +f 8 + fKD-i2s F 0.2 P P Fl式中fF、fP是铁素体和珠光体的体积百分数，即fF+fP=1； o0.2和oP相应 为纯铁素体钢和纯珠光体钢的屈服强度。

由公式看出，曲线斜率fFKl随含碳量提高而变小，从而降低了细化铁素体 晶粒的强化作用相反含碳量提高使珠光体量增加，珠光体对os的贡献加大 由此可得出结论：与细化晶粒有关的提高钢强度的方法中，钢中含碳量愈低其强 化效果愈大；相反在组织中珠光体愈多在微合金化或控制轧制制度下所得到的细 化晶粒效果也就愈差2.2亚晶强化低温加工的材料因动态、静态回复形成亚晶，亚晶的数量、大小与变形温 度、变形量有关亚晶强化的原因是位错密度增高亚晶本身是位错墙，亚晶细小位错密度也 高另外有些亚晶间的位向差稍大，也如同晶界一样阻止位错运动晶界是位错运动过程中的障碍晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强， 致使位错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强度增加；在单个晶粒内部， 塞积的位错群的长度减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必须增加外力生产中细化晶粒的方法：（1）加快凝固速度 （2）变质处理（如纯铝铸锭）（3）振动和搅拌3超细晶钢的应用和发展正是由于超细晶粒钢性能价格比更高、强韧性和使用寿命均提高一倍、宏观 偏析基本消除等诸多优点，超级钢得到了广泛的应用，尤其在汽车制造行业应 用最多因为这种钢的应用不仅使国产汽车的成本降低，还提高了汽车品质，增 强国产汽车参与国际竞争的能力，同时，减小汽车质量，降低能源消耗和减少 环境污染。

目前超细晶粒钢的生产技术已经不成问题，但其焊接难点在于热影响 区晶粒的长大（晶粒直径越小，长大驱动力越大）目前，焊接的适应性研究也取 得了进展例如，赵洪运⑶等人采用TIG焊分别在空冷和水冷条件下分析焊接 接头组织性能，得知水冷条件下接头的强度比母材有所提高，综合力学性能与 母材相差不大，同时也降低了晶粒长大的程度，故可用于实际生产中另外，他 还采用CO2气体保护焊［34］在空冷和水冷不同条件下测得水冷后得到少量的马 氏体和贝氏体，这样就提高了接头的强度，同时使冲击韧度下降较大，而空冷 条件下的强度并没有降低，综合力学性能都满足需要，所以采用CO2气体保护 焊在实际生产中不必水冷处理然而无论采用什么焊接工艺，尽管可以通过控制 热输入与焊后冷速避免热影响区出现软化这一问题，但近缝区晶粒仍会有不同 程度的长大如果超细晶粒钢热影响区晶粒粗化这一难题能得到部分或根本性改 善，则其原始优异性能得以充分发挥，其应用范围将得到进一步拓展4结束语工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化•通常金属是 由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数 目越多，晶粒越细•实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强 度、硬度、塑性和韧性•这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的 晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶 界越曲折，越不利于裂纹的扩展•故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方 法称为细晶强化参考文献［1］ 于超清，金属材料细晶强化工艺综述【J】电工材料2006, 3： 34［2］ 祥占林等，超细晶钢铁材料细晶强化的进展【J】钢铁研究2009， 3： 61［3］ 邸洪双，赫冀成,鲍培玮，等•电磁场作用下塑性变形组织细化实验研究［J］.东北大学学 报（自然科学版）,2000,21（6）： 465.。