细晶强化的理论及发展

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。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。1细晶强化的理论与发展1.1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：此式称为霍耳-配奇公式(Hall-petch公式)。式中：i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。s开始发生塑性变形的最小应力。i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HallPetch公式可以改写为：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。0为单晶纯铁的屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。0值随不同的处理而异。空冷时0=86.24MPa，炉冷时为60.76MPa。D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，HallPetch公式可以改写式中fF、fP是铁素体和珠光体的体积百分数，即fF+fP=1；0.2和P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fFK1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s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。 .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,