（材料学专业论文）纯镍细化剂的选择与细化机理初探.pdf

t h es e l e c t i o nr e f i n e ro f p u r en i c k e la n do nt h er e f i n e m e n tm e c h a n i s m b y g a o x i a o l o n g b e ( n o r t h w e s t e r np o l y t e c h n i c a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a ls c i e n c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx i at i a n d o n g a p r i l ， 2 0 0 9 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：高吮克日期：上0 d 7 年乡月矿e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 高毙龙 孝缓 日期：一z 7 年6 月猡日 醐：矸舌月g 日 硕士学位论文 目录 摘j ；暮i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 金属的细化概述1 1 2 细化晶粒的物理方法及工艺l 1 2 1 形变处理细化法一1 1 2 2 物理场细化5 1 2 3 快速冷却法8 1 2 4 机械物理细化法8 1 3 细化晶粒的化学方法及工艺9 1 3 1 添加细化剂9 1 3 2 添加变质剂细化1 0 1 4 超细晶粒钢的细化1 0 1 4 1 冶金处理细化1 0 1 4 2 形变诱导相变细化1 l 1 4 3 热处理细化1 1 1 4 4 磁场和电场处理细化a 铁素体1 2 1 4 5 新型机械控制轧制t m c p 技术1 2 1 5 铝及铝合金的细化1 2 1 5 1 铝合金细化剂的发展现状1 3 1 5 2 铝合金细化机理的发展1 4 1 6 镁及镁合金的细化1 7 1 6 1 熔剂处理法1 7 1 6 2 熔体过热法1 8 1 6 3 合金化细化晶粒18 1 7 铜及铜合金的细化1 9 1 7 1 纯铜的细化19 1 7 2 黄铜的细化2 0 1 7 3 铜基形状记忆合金2 0 1 8 本文主要研究内容2 0 第2 章形核理论2 2 2 1 均质形核理论2 2 纯镍细化剂的选择及细化机理仞探 2 2 非均质形核理论2 4 2 2 1 界面能或接触角理论2 4 2 2 2 点阵类型相似、点阵常数相当理论2 5 2 2 3 在非均质形核中静电作用的理论2 6 2 2 4 偏析系数理论2 7 2 2 5 热电效应理论一2 8 2 2 6 包晶与共晶对形核作用的理论2 8 2 3 凝固过程的形核问题2 8 2 4d 、结2 9 第3 章实验材料及实验方法3 0 3 1 实验材料与设备3 0 3 1 1 实验材料3 0 3 1 2 实验设备3 0 3 2 实验工艺3 0 3 2 1 实验工艺流程3 0 3 2 2 实验步骤3l 3 3 分析检测方法3 1 3 3 1 显微组织分析3 l 3 3 2 晶粒尺寸的测量与评定3 1 第4 章纯镍细化剂的选择3 3 4 1 实验步骤3 3 4 2 实验结果及分析3 3 4 2 1 细化效果比较3 3 4 2 2 分析与讨论3 5 4 3 小结3 7 第5 章钛化物2 对纯镍的晶粒细化3 8 5 1 实验步骤3 8 5 2 钛化物2 粉末的粒度及形貌观察3 8 5 3 钛化物2 添加量对纯镍微观组织的影响3 8 5 4 纯镍结晶核心的观察4 5 5 5 钛化物2 细化纯镍的机理初探4 7 5 6 j 、结4 8 结 仑5 0 参考文献51 致谢5 5 硕士学位论文 附录a ：攻读学位期间发表论文目录5 6 硕士学位论文 摘要 根据h a l l p e t c h 公式皿= 瓯+ 纠佗，细化晶粒既能提高材料的强度，又能改善材 料的塑性，是提高材料性能的有效手段。细化晶粒的方法分为物理和化学两大类， 其中常见的细化方法有形变处理细化法、物理场细化法、快速冷却法、机械物理 细化法及添加细化剂和变质剂等。物理细化方法处理材料纯净度高，不会对金属 熔体带来外来夹杂，细化效果好；化学添加剂法细化效果稳定、作用快、操作方 便、适应性强，是目前最普遍的细化方法。 对铝及铝合金、镁及镁合金采用化学添加剂法细化晶粒的文献报道已经 很多，但对镍及镍合金细化的文献报道却很少。本文采用化学添加剂法细化 纯镍的晶粒，向纯镍熔体中添加了多种合金元素和化合物，不同的合金元素 和化合物对纯镍的晶粒细化能力不同，细化能力由强到弱依次为钛化物2 、钛化 物l 、纯c e 、混合稀土及含钛化物2 的合金。添加含钛化物2 的合金与添加钛化 物2 的细化效果相比，钛化物2 的细化效果明显大于含钛化物2 的合金的细化效 果，因此初步推断含钛化物2 的合金中间合金当中包含的合金元素对于纯镍基本 无细化效果。稀土元素在纯镍凝固过程中，易偏析造成颈缩现象，使枝晶熔断、 游离，增加形核质点；同时稀土元素降低表面能，促进形核，而使晶粒细化。但 是成分过冷引起的晶粒细化作用通常是很弱的，对纯镍晶粒的细化作用较小。 研究结果表明：随着钛化物2 添加量的增大，纯镍的晶粒尺寸不断减小， 未添加钛化物2 时纯镍晶粒尺寸为2 4 2 9 m ；当钛化物2 添加量为0 8 时，晶粒尺 寸减小为4 6 9 m ，进一步增大钛化物2 的添加量时，晶粒尺寸基本保持稳定，当钛 化物2 添加量为1 2 细化效果达到最佳。 运用电子探针对细化试样进行分析，发现当钛化物2 添加量较低时，钛化物2 在镍熔体中均匀分布，在晶内及晶界均有钛化物2 存在，钛化物2 起到了异质核心 的作用；当钛化物2 添加量较高时，钛化物2 粒子聚集，钛化物2 的含量明显晶界 高于晶内，晶界的钛化物2 减慢晶界的迁移速度，使晶粒大小不均一。 运用接触角理论、点阵常数相当理论、非均质形核中静电作用的理论，定性 的分析了钛化物2 细化纯镍的机理。钛化物2 由于具有极高的熔点、高的化学稳定 性、高的硬度和优异电性能，从不同的理论角度来看，都可以作为纯镍有效的形 核剂，促进纯镍的晶粒细化。 关键词：晶粒细化；非均质形核理论；形核；钛化物2 ；平均晶粒尺寸；形核质 点 纯镍细化剂的选择与细化机理初探 a b s t r a c t a c c o r d i n gt oh a l l - p e t c hf o r m u l a ，g r a i nr e f i n e m e n tc a ne n h a n c et h es t r e n g t ho f m a t e r i a l sa n dp l a s t i cm a t e r i a l s ，s oi ti st oi m p r o v et h em a t e r i a l p r o p e r t i e so ft h e e f f e c t i v em e a n s g r a i nr e f i n e m e n to ft h em e t h o di sd i v i d e di n t ot w om a jo rc a t e g o r i e s o fp h y s i c sa n dc h e m i s t r y ，i nw h i c ht h e r ei sac o m m o nm e t h o do fd e f o r m a t i o n p r o c e s s i n gr e f i n e m e n tm e t h o d ，t h ep h y s i c a lf i e l dr e f i n e m e n tm e t h o d ，t h er a p i dc o o l i n g m e t h o d ，m e c h a n i c a lp h y s i c a lm e t h o d ，a n da d dr e f i n i n gr e f i n e ra n dm o d i f i e r a p p r o a c h t op h y s i c a lr e f i n i n go fh i g hp u r i t ym a t e r i a l s ，w i l ln o tb eb r o u g h ta b o u tb ye x t e r n a lm e l t i n c l u s i o n s ，b e t t e rr e f i n e m e n t ；r e f i n i n ge f f e c to fc h e m i c a la d d i t i v e sl a ws t a b i l i t y ，t h e r o l eo ff a s t ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，s t r o n ga d a p t a b i l i t y ，i st h em o s tc o m m o nr e f i n e m e n t m e t h o d a l u m i n u ma n da l u m i n u ma l l o y ，m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o yb yc h e m i c a l a d d i t i v em e t h o do f g r a i nr e f i n e m e n th a sb e e nr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e ，b u tf o rr e f i n e d n i c k e la n dn i c k e la l l o y sa r er a r e l yr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e i nt h i sp a p e r ，t h ec h e m i c a l a d d i t i v em e t h o do fg r a i nr e f i n e m e n to f p u r en i c k e l ，p u r en i c k e lm e l tt oa d dav a r i e t yo f a l l o y i n ge l e m e n t sa n dc o m p o u n d s ，d i f f e r e n ta l l o y i n ge l e m e n t sa n dc o m p o u n d so nt h e g r a i nr e f i n e m e n to fp u r en i c k e li nd i f f e r e n tc a p a c i t i e s ，r e f i n i n gc a p a c i t yo ft h ew e a kb y t h es t r o n go r d e ro ft i t a n i u mc o m p o u n d s2 ，t i t a n i u mc o m p o u n d s l ，p u r ec e ，r a r ee a r t h m i x e da n da l l o yc o n t a i n i n gt i t a n i u mc o m p o u n d sa l l o y2 a d da l l o yc o n t a i n i n gt i t a n i u m c o m p o u n d sa l l o y2w i t ht h ea d d e de f f e c to ft i t a n i u mc o m p o u n d s 2c o m p a r e dt ot h e r e f i n e d ，t i t a n i u mc o m p o u n d s2s i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h ee f f e c to ft h er e f i n e m e n t a l l o yc o n t a i n i n gt i t a n i u mc o m p o u n d sa l l o y2o ft h er e s u l t s ，t h ei n f e r r e di n i t i a la l l o y c o n t a i n i n gt i t a n i u mc o m p o u n d sa l l o y2w h i c hc o n t a i n st h ea l l o y i n ge l e m e n t sf o r r e f i n e m e n to f p u r en i c k e l h a sn oe f f e c t r a r ee a r t he l e m e n t si nt h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o no fp u r en i c k e l ，e a s y - n e c k i n gc a u s e db yt h ep h e n o m e n o no fs e g r e g a t i o n ， s ot h a td e n d r i t ef u s e ，f r e e ，a ni n c r e a s eo fp a r t i t a n i u mc o m p o u n d sll en u c l e a t i o n ；r a r e e a r t he l e m e n t sa tt h es a m et i m er e d u c et h es u r f a c ee n e r g y ，a n dp r o m o t et h en u c l e a t i o n d u et o g r a i nr e f i n e m e n t h o w e v e r ，c o m p o n e n tc o o l i n ge f f e c tc a u s e db y g r a i n r e f i n e m e n tu s u a l l yw e a k ，t h eg r a i nr e f i n e m e n to fp u r en i c k e li sl e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt i t a n i u mc o m p o u n d s2a d d i t i v ea m o u n tw i t ht h ei n c r e a s eo f g r a i ns i z eo fp u r en i c k e ld e c r e a s e s ，w h e nn oa d d e dt i t a n iu mc o m p o u n d s 2g r a i ns i z ef o r p u r en i c k e l2 4 2 p m ；w h e nt i t a n i u mc o m p o u n d s2a d d i t i v ea m o u n to fi t sa d d i n go 8 ， t h eg r a i ns i z ed e c r e a s e st o4 6 9 m ，f u r t h e ri n c r e a s i n gt h em a s sf r a c t i o no ft i t a n i u m l i 硕士学位论文 c o m p o u n d s2a d d i t i o n ，t h eg r a i ns i z er e m a i n e ds t a b l e ，w h e nt h et i t a n i u mc o m p o u n d s 2 a d d i t i v ea m o u n tt o1 2 ，r e f i n e m e n te f f e c tr e a c h sb e s t r e f i n e m e n tt h r o u g he l e c t r o nm i c r o p r o b ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a ls a m p l ea n df o u n d t h a tw h e nt i t a n i u mc o m p o u n d s2a d d i t i v ea m o u n tl o w e r ，t i t a n i u mc o m p o u n d s2i nt h e n i c k e lm e l te v e n l yd i s t r i b u t e di nt h eg r a i na n dg r a i nb o u n d a r i e s ，t i t a n i u mc o m p o u n d s2 h a sp l a y e dac e n t r a lr o l e ；w h e nt i t a n i u mc o m p o u n d s2a d d i t i v ea m o u n t h i g h e r ，t i t a n i u m c o m p o u n d s2p a r t i t a n i u mc o m p o u n d s1l ea g g r e g a t i o n ，t i t a n i u mc o m p o u n d s2c o n t e n t o b v i o u sc r y s t a lb o u n d a r yi sh i g h e rt h a nt h ei n t e r n a lg r a i n ，t i t a n i u mc o m p o u n d s2g r a i n b o u n d a r ym i g r a t i o ns l o wd o w nt h es p e e do ft h e g r a i nb o u n d a r y t o g r a i ns i z e h e t e r o g e n e i t y t h eu s eo fc o n t a c ta n g l et h e o r y ，t h et h e o r e t i c a ll a t t i c ec o n s t a n to fac o n s i d e r a b l e ， n o n 。h o m o g e n e o u sn u c l e a t i o ni nt h er a t i o n a l ef o re l e c t r o s t a t i ct h e o r y q u a l i t a t i v e a n a l y s i so ft h et i t a n i u mc o m p o u n d s2r e f i n e m e n tm e c h a n i s mo fp u r en i c k e l t i t a n i u m c o m p o u n d s2a sar e s u l to fa ne x t r e m e l yh i g hm e l t i n gp o i n t ，h i g hc h e m i c a ls t a b i l i t y ， h i g hh a r d n e s sa n de x c e l l e n te l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，f r o mad i f f e r e n tt h e o r e t i c a lp o i n to f v i e w ，t i t a n i u mc o m p o u n d s2c a nb eu s e da sa ne f f e c t i v en u c l e a t i o na g e n t ，t op r o m o t e g r a i nr e f i n e m e n to fp u r en i c k e l k e y w o r d s ：g r a i nr e f i n e m e n t ；n o n h o m o g e n e o u sn u c l e a t i o n t h e o r y ；n u c l e a t i o n ； t i t a n i u mc o m p o u n d s2 ；t h ea v e r a g eg r a i ns i z e ；p a r t i c l en u c l e a t i o n 硕士学位论文 1 1 金属的细化概述 第1 章绪论 随着金属材料的广泛使用和飞速发展，各种后续深加工工艺对金属组织提出 了严格的要求。根据h a l l - p e t c h 公式： q = + 访2( 1 一1 ) 其中仃。为应变量为o 2 的屈服应力；仃。是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的 力；k 是常数；d 是均晶粒尺寸。可以看出，材料的屈服强度与晶粒尺寸的倒数的 平方根成正比。因此，晶粒细化既能提高材料的强度，又能提高材料塑性。因此， 细化晶粒是控制金属材料组织的最重要、最基本的方法。目前人们采用了许多办 法细化金属的晶粒。细化晶粒的方法按照细化手段可以分为物理和化学两大类。 物理方法主要包括形变处理细化法、物理场细化、快速冷却法、机械物理细化法； 化学方法可分为添加细化剂与添加变质剂。 1 2 细化晶粒的物理方法及工艺 1 2 1 形变处理细化法 形变处理细化利用各种塑形变形工艺，如挤压、轧制、锻造等，在加工过程 中，通过温度、应变、应变速率等参数的配合，利用再结晶或者相变来控制变形 态晶粒的尺寸。由于传统的机械变形方法生产微米晶，生产微米晶材料往往受工 件尺寸的限制，不能获得很大的变形量，例如：要求产品最终厚度为i m m ，则最大 能达到的真应变量仅能达到3 4 ，当制备亚微米细晶材料时就更加捉襟见肘了。 为了突破总应变量的限制，很多不改变工件形状而获得大变形量的方法被发明出 来了，并得到了越来越多的关注。其中研究最多的是等通道角挤压法。 1 2 1 1 挤压细化 所谓挤压，就是对放在挤压筒内的锭坯一端施加以挤压力，在强烈的三向压 应力作用下，使之从挤压模孔中流出，从而成为具有一定形状、尺寸和性能的金 属制品的一种压力加工方法。挤压可以按金属的流向、挤压制品的形状、挤压时 锭坯的温度分类、挤压金属的种类进行分类。按照在挤压时金属的流动方向与挤 压杆的运动方向的关系，挤压主要分为正向挤压和反向挤压两种。按照挤压时挤 压制品的断面形状，挤压可以分为空心制品( 空心型材和管材) 的挤压和实心制 品( 实心型材和棒材) 的挤压根据挤压时锭坯的温度，可以把挤压分为热挤压、 冷挤压两种。有色金属主要包括轻有色金属、重有色金属和稀有金属三大类，有 纯锞细化剂的选择与细化机坪仞探 色金属挤压也可按此分类。轻金属挤压挤压制品主要有铝、镁、钛等的挤压，其 中铝及铝合金型、管材的挤压占绝大多数。重有色金属主要包括铜、镍、钨、钼、 铅、锌等及其合金的挤压，其中前者产量最大。近几年对镁合金的挤压研究较多， 许多研究者都通过挤压变形得到了细小的镁合金组织和较好的力学性能。 黄光胜【l 】等在研究a z 3 1 镁合金挤压工艺时发现在挤压过程中均发生了动态再 结晶，组织以绝热剪切条纹和细小的口再结晶等轴晶为基本特征，呈现出良好的 力学性能，其抗拉强度为2 7 5 n m m 2 - 、, 2 8 5 n m m 2 ，屈服强度为2 2 0 - - - 2 2 5 n m m 2 ， 伸长率为1 5 1 7 。华北工学院的李保成等人【2 】利用铸态坯料也研究a z 3 1 镁合金 等温变形后的组织与性能，发现在等温挤压过程中，随着变形量的增大，抗拉强 度增加，但变形量达到一定值时下降。在相同的变形量下，挤压温度为2 1 0 c 时强 度增加最多，变形量为8 0 ，仃b 达到3 0 5 m p a 。通过挤压变形，晶粒得到细化，其 尺寸由铸态的1 0 0 p m 减少到5 p m 。重庆大学的汪凌云【3 1 等人研究表明再结晶晶粒大 小不仅与温度有关，还与应变速率有关。应变速率增加，变形过程中产生的位错 来不及抵消，增加了再结晶形核位置，即位错的增加是晶粒细化的原因。 1 2 1 2 轧制细化 轧制是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进轧辊之间的缝隙 ( 辊缝) 、并使之受到压缩产生塑性变形的过程。轧制过程除使轧件获得一定形状和 尺寸之外，还必须使轧件具有一定的组织和性能。轧制可以生产箔材、型材和管 材，由于具有生产率高、产量大、产品种类多等优点，致使轧制成为“金属塑性加 工”中最广泛使用的成型方法。 温度是金属轧制过程中重要的工艺参数。轧制温度偏低，高的应力集中可导 致切变断裂；车l s t j 温度偏高，晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大。轧制温度应 保证合金具有最大的塑性而不使其发生碎裂。 通过控制轧制，快速冷却( t m c p ) 处理低碳钢，得到约5 m 的细小a 晶粒。 t m c p t 艺由再结晶y 区轧制、未再结晶y 区轧制、( a + y ) 二相区轧制和加速冷却4 个阶段组成【4 1 。图1 1 所示t m c p 各阶段是将口晶粒细化法巧妙地组合在一起了，即 在第一阶段( 再结晶 ，区轧制) ，粗大的初始y 晶粒经反复轧制、再结晶细化，第二 阶段( 未再结晶y 区轧制) 获得含位错和形变带的加工硬化状态y 组织，第四阶段通 过加速冷却，使0 f 相变在尽可能低的温度下进行。其中，能最有效细化a 晶粒的 方法是在第二阶段的9 0 0 9 5 0 轧制，以获得加工硬化的，组织。t m c p 在热轧 状态也能获得细小的a 晶粒，然而，最小的a 晶粒直径也有5 p , m 左右。 为了追求超细晶，新t m c p 涌现出来。以往的t m c p 的要点是由加工硬化) ，( 在 9 0 0 9 5 0 轧制) 发生a 相变及加速冷却。而新t m c p 的关键技术则是低温大变形 量。每道5 0 的大压下量在5 0 0 7 0 0 低温区进行。由于存在变形抗力增大问 2 硕士学位论文 题，这是一个以往t m c p 几乎无法进行的尚未开拓的领域。通过研究，开发了各种 类型的低温大变形量加工的t m c p 。实验室模拟的小试样均获得了o 5 1 _ l m - 0 8 p m 的超细晶，而且也已证实，采用大型轧制试验机，已使5 m m 厚、1 0 0 m m 宽、2 0 0 0 m m 长，甚至更大的钢板获得了约l p m 的超细晶。最近，具有2 i _ t m - - - 5 p m 铁素体晶粒的 细晶组织的热轧钢板也可以工业规模生产。 留 蛹 却r 一定 对网 图1 1 低碳钢t m c p ( 控轧、加速冷却) 四 个阶段及各阶段的组织 刘长瑞等人1 5 j 研究了a z 3 1 镁合金板材在常温下的塑性变形行为，通过挤压、 轧制方法获得了晶粒尺寸5 2 1 x m 的镁板。研究结果表明：随着冷轧变形量的增加， 晶粒尺寸减小，反之，晶粒的细化也可以使冷变形程度增加，两者存在相互依赖 关系。同时发现小变形量、多道次冷轧可以提高板材两次退火间的总变形程度。 杨平等人【6 】研究了利用道次间退火改善a z 3 1 镁合金的成形性，在变形速率0 0 1 s 的实验条件下，确定合理的终轧温度为l8 0 一2 6 0 ，并获得了晶粒尺寸为6 9 p m 的a z 3 1 镁合金。 1 2 1 3 锻造细化 影响产品韧性的重要因素之一是材料内部的微观组织结构。当成分确定之后， 在生产过程中，锻造是能够有效地进行细化晶粒的重要途径。充分利用锻造高温 形变的再结晶软化机制，利用合适的变形温度、均匀的变形分布以及其它热力参 数，可以获得满足产品性能要求的均匀细晶。 王淑云【_ 7 】等将t i 4 7 a 1 2 c r 1 n b 经两次等温锻造和退火处理的形变热处理后， 显微组织显著细化，得到晶粒尺寸1 5 - - 2 0 p m 的细小、均匀的双态组织。将7 0 7 5 8 】 铝合金经多向反复热锻后可使7 0 7 5 铝合金的晶粒尺寸细化到1 “m 2 p m ，由于晶粒 的细化，锻件的力学性能有很大提高。退火状态，其室温强度的增幅较大；淬火 时效状态，塑韧性的提高十分显著，在保持较高强度的情况下，室温拉伸伸长率 3 纯镣细化刹的选择与细化机坪幸刀探 高于标准规定值的2 倍，接近退火态水平。x i n gj 等【9 1 利用逐步降温多向锻造( m u l t i d i r e e t i o n f o r g i n g ，m d f ) 技术，；i ! e 3 xl o 。3 s 。1 的应变速率条件下，锻造温度1 a 3 5 0 c 逐 步降低到1 5 0 c ，使晶粒细化到了2 3 0 n m ，得到了组织均匀的高性能a z 3 1 镁合金。 1 2 1 4 等通道转角挤压法( e c a e e c a p ) 近来，采用等通道转角挤压法( e q u a l - c h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n p r e s s i n g ，简 称e c a e e c a p ) 技术制备超细晶材料已成为材料领域的一个研究热点。它被认为是 细化常规材料至亚微米级甚至纳米级最具有工业化应用前景的技术之一。 等径角挤压利用由两个按一定角度相互交截的等径通道组成的挤压模具来使 金属获得大的塑性纯剪切变形，整个试样变形前后的结构和性能均一，可以在保 持材料横截面不发生变化的情况下获得大的变形，因而可以进行多次挤压变形， 增大变形量，等径角挤压的原理如图1 2 a 所示。工件在模具内产生的剪切变形图 1 2 b 所示。 模具 a 等径角挤压原理b 剪切变形 图1 2 等径角挤压过程示意图 在挤压过程中晶粒的细化分为3 个过程：首先，粗大晶粒被粉碎成一系列具有 小角度晶界的亚晶，亚晶沿着一定方向拉长形成带状组织，亚晶带宽度一般为几 微米或亚微米；然后亚晶被继续破坏，开始出现部分具有大角度界面的等轴晶组 织；最后，亚晶带消失，显微组织主要为具有大角度晶界的等轴晶组织，晶粒位 相差随剪切变形量的增加而增大。 e c a p 采用塑性变形的方法，变形前后试样的形状和尺寸基本不变。因此可以 进行多道次的挤压，利用加工过程中剪切变形和加工硬化，从而在不改变材料成 分和形状的条件下，利用加工过程中存在的加工硬化、动态回复以及动态再结晶 4 硕十学位论文 来控制材料微观组织的形成和发展，达到细化晶粒提高材料性能的目的【l 们。该技 术直接使用铸锭作为生产原料，大大降低了生产成本。目前一些学者已利用该方 法成功制备了铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、低碳钢、复合材料和金属 间化合物等的超细晶组织。 e c a p 法制备超细晶铜的研究表明，在室温下，采用e c a p 技术对纯铜进行1 1 0 道次的挤压，使其组织大大细化，得到了均匀、细小的等轴晶，平均晶粒尺寸 为0 7 5 t m ，同时工业纯铜的再结晶温度降低，且变形量越大，开始再结晶的温度 越低，退火过程中再结晶软化的速率越大【1 1 1 。纯钛通过e c a p 技术细化晶粒【1 2 】后， 其屈服强度从3 8 0 m p a 提高到6 4 0 m p a ，极限强度从4 6 0 m p a 提高到7 1 0 m p a ，热稳定 温度也提高到3 0 0 1 2 。晶粒尺寸为0 1 3 i - t m 的超细晶钛与退火钛( 晶粒尺寸为3 5 i t m ) 相比，其疲劳极限从2 3 8 m p a 提高到3 8 0 m p a ，疲劳寿命也显著提高。采用e c a p 技 术制备的超细晶纯金属，在强度、疲劳极限、热稳定温度和超塑性工艺性能等方 面都有显著提高。 1 2 2 物理场细化 物理场对金属凝固的研究始于2 0 世纪3 0 年代，但由于当时物理、电子、材料 技术的落后，物理场细化凝固组织的研究没有太大的发展。进入二十纪末以来， 随着科技的进步，特别是物理、电子、材料等领域的快速发展，使得大功率电流、 磁场、超声波的产生变成可能，目前利用物理场控制凝固组织，细化铸件晶粒， 提高铸件质量的研究主要在三个方面：( 1 ) 脉冲电流处理；( 2 ) 磁场处理；( 3 ) 超声波 处理。 1 2 2 1 脉冲电流处理 脉冲电流( 装置如图1 3 所示) 可有效地促进金属液生核【玛】。脉冲电流可以减少 形核势垒而增大形核率，从而细化凝固组织。脉冲电流的充放电过程还可以在金 属液中造成收缩力，而且在金属液的不同位置，这种收缩力大小不一样，从而使 得熔体不同位置的流动速度不同。根据牛顿黏性定律，速度梯度的形成会导致产 生剪切应力当对凝固过程中的金属液施加高压脉冲电流或高频脉冲电流时，产生 的剪切力将会撕裂凝固过程中出现的柱状晶，使其成为等轴晶的晶核【l4 1 。速度梯 度形成的对流作用会使其弥散分布于熔体中，而得到细小均匀的晶粒组织。试验 表明，脉冲电流的频率和电压对凝固细晶效果均有影响，且凝固细晶效果随着脉 冲电流频率和电压的增加而增加，但何者起主导作用视合金材料及频率和电压范 围不同而异。 王建中通过对在浇铸之前的纯铝熔体施加直流电场脉冲孕育处理，在随后凝 固时，铸锭中柱状晶区缩小，等轴晶区扩大，晶粒得到了细化。且该技术的设备 和工艺均简单，无复杂的生产工艺流程，操作简便。电脉冲还可以细化铜的再结 纯镍细化剂的选择与细化机理仞探 晶晶粒。对不同冷变形的工业纯铜进行退火，并在退火时施加强脉冲电流。结果 表明，退火过程中加入电脉冲，不但可以降低再结晶的起始温度、加速其回复与 再结晶，而且明显细化再结晶晶粒。随着再结晶温度提高，纯铜的热稳定性、耐 热性能得到了改善，工作温度得到了提高【l5 1 。 电 坩 金属 电炉 脉冲发 生器 控温仪 图1 3 电脉冲实验装置示意图 图1 4 磁场处理细化晶粒装置图 1 2 2 2 磁场处理 电磁处理( 装置如图1 4 所示) 是一种没有污染的工艺，而且操作方便，越来越 受到人们的高度重视。在磁场中，导体的运动产生电动势，从而产生感应电流， 导体本身也产生磁场。液态金属作为载流导体，在； i - n 的交变磁场的作用下产生 电磁力，这种电磁力可以促使载流液体流动。电磁搅拌就是利用电磁力搅拌正在 凝固的液态金属，使己凝固的枝晶破碎并遍布在熔体中，形成更多的有效晶核， 并限制晶粒的长大，使钢液凝固过程中固液界面前沿的温度分布趋于一致，从而 获得均匀细化的等轴晶组织1 6 】。 在电磁搅拌技术中，频率是个很重要的电磁参数。根据法拉第电磁感应定律， 交变磁通穿过导体时，导体中产生涡旋状感应电流即涡流，涡流在导体中又产生 磁场，由于磁场间的交互作用便表现为磁的集肤现象，称为集肤效应。因集肤效 应的影响使电磁行波透入铸坯表面后逐渐衰减，电磁搅拌时电磁力仅在电磁波达 到的范围内产生。电磁场在铸坯中的透入深度可由式1 1 表示【l 7 j ： 6 = 压 ( 1 - 2 ) 式中：= 2 n f ，伪频率，肛为磁导率，仃为电导率。式( 1 2 ) 表明，只有改变电源 频率f 才能使电磁场在铸坯中的透入深度发生变化。在电磁搅拌器的使用过程中， 要想达到良好的搅拌效果，应根据不同的钢种，不同的铸坯尺寸，依据透入深度 的表达式，确定电源频率f f 直。目前电磁搅拌器的电源多是低电压高电流的供电器， 电源频率多为小于5 0h z 的低频率，这主要是为了获得较高的磁场透入深度。在电 6 硕士学位论文 磁搅拌技术中，电流强度是另外一个重要的电磁参数，它决定着电磁搅拌的强度， 从而对晶粒的细化效果起着决定作用。 我国从1 9 7 4 年开始工业装置的电磁铸造研究，经过多年来的实践证明电磁铸 造铸胚表面质量明显改善，枝晶间距和晶粒明显细化，机械性能大大提高。訾炳 涛【l8 】首次研究了用强脉冲磁场改善l y l 2 铝合金。结果表明，脉冲磁场能将铝合金 的凝固组织从粗大的树枝晶细化为等轴晶，而且磁场愈强，细化效果愈显著。此 外，对纯铝进行脉冲磁场处理【四】，当脉冲频率f 的范围为0 1 1 0 h z ，磁感应强度 为0 3 - 3 0 t 时，纯铝金相组织特性发生了明显变化，不但组织由原来的粗大柱状