二 晶粒细化作用 1）晶粒尺寸与屈服强度和硬度的关系
长期研究和实验证明材料组织的细化是提高材 料强度的最有效的方法之一。 材料的晶粒尺寸与屈服强度和硬度间的关系可Hall2Petch 式 描述,即: σs =σ0 + k · d - 1/ 2和H = H0 + k′·d - 1/ 2 式中,σs 为应变量012 %时的屈服应力;σ0 为移动单 个位错所需克服的点阵摩擦力; k 为Petch 斜率(通 常低碳钢为12～15 MPa/ mm3/ 2 ) ; d 为晶粒平均直 径; H 为硬度; H0 , k′为与晶粒度无关的常数。 从式(1) 可 看出,材料的屈服强度和硬度与晶粒 尺寸倒数的平方根成正比,即随材料晶粒尺寸减小, 材料的屈服强度及硬度不断提高。
图3 为微合金元素(Nb 、V、Ti) 对铁素体晶粒尺寸的影响。
可见,在一定范围内,随微合金元素含量的增加, 铁素体晶粒 越细小。
晶粒细化原因有两方面:一方面,某些固溶合金化元素(W ,Mo ,Mn 等) 的加入提高了钢的再结晶温度,同时也可降低在一 定温度下晶粒长大的速度;另一方面,某些强碳化物形成元素(如 Nb ,V , Ti等) 与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级(20～100 nm)的 化合物钉扎晶界,对晶粒增长有强烈的阻碍作用,并且当这种纳 米级化合物所占体积分数为2%时,对组织的细化效果最好
2 形变诱导相变是将低碳钢[ w (C) ≤0125 %]加热到稍高于 奥氏体相变温度( Ac3 ) ,以较高的变形速率(Û ε) 、足够的变形 量(ε) 对奥氏体进行连续快速变形,然后急冷,从而获得超细铁 素体晶粒的工艺。 图四
形变诱导相变细化的机理主要是在变形过程中,有5 %～10
%的形变能被储存(主要是位错密度增加) ,系统自由能提高,增 加了相变驱动力,使奥氏体向铁素体转变的相变点温度( Ar3 ) 升高,诱发铁素体相变,形成的铁素体首先在奥氏体晶界和晶内 高畸变区域形核,随后在新生成的奥氏体/ 铁素体相界形核,且 变形后进行快速冷却,以保持形变过程中形成的超细铁素体晶 粒。 但 是形变诱导相变细化晶粒技术也有一定的局限性,主适用 于在相变过程中可发生奥氏体→铁素体相变的低碳低合金钢
细晶强化机理主要是: 晶粒越细,单位体积内的晶粒界面越多,由于晶界间 原子排列比晶粒内部的排列更加紊乱,因而位错密 度较高,致使晶界那个对正常晶格的滑移位错产生缠结, 不易穿过晶界继续滑移,变形抗力增大,表现为强度 提高。 2）晶粒尺寸与塑性和韧性的关系 晶粒尺寸与材料塑性和韧性有密切关系。根据 裂纹形成断裂理论,晶粒尺寸与裂纹扩展临界应力 (σf ) 的关系为（如下） 式中,μ为切变模量;γp 为比表面能,即裂纹扩展对 每增加一单位面积所消耗的功(大部分消耗于塑性 变形) 。
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大塑性变形细化晶粒
用大塑性变形技术也能成功制备超细晶材料。 目前大塑性变形技术有: 叠轧法、等通道挤 压法及高压旋转法等。用大塑性变形技术制 备超细晶方法的最大优点是: ①无污染; ②制备的超细晶材料内部无残留孔; ③超细晶材料内部组织均匀; ④无机械损伤和裂纹。
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热处理细化晶粒
热处理细化晶粒方法主要是对钢材进行快速加 热和冷却,以达到抑制晶核长大的一种热处理工 艺。主要方法包括循环加热淬火细化和形变热 处理细化技术。
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磁场或电场处理细化晶粒
采用强磁场或电场可使奥氏体和铁素体的 Gibbs 自由能降低 。
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图1 晶粒尺寸与屈服强度( a) 和硬度( b) 的关系 图2 钢铁材料晶粒尺寸与塑性(断面收缩率) 的关系。三来自制备超细晶粒钢的关键技术
1 微合金化细化晶粒 2 形变诱导相变细化晶粒
3 大塑性变形细化晶粒 4 5 6 热处理细化晶粒 新型机械控制轧制技术细化晶粒 磁场或电场处理细化晶粒
1 一般的晶粒细化方法是在炼钢过程中向钢液添加微合 金元素(Nb 、V、Ti 、B、N 等) 进行变质处理,以提供大量的弥 散质点促进非均质形核,从而使钢液凝固后获得更多的细晶粒。
该技术的好处
如果将晶粒细化一个数量级,钢铁 材料的强度可提高1 倍,同时仍然保持 良好的塑性和韧性。 该技术生产工艺和设备简单且又能在 满足钢铁材料综合力学性能的同时消 耗最少的资源。 因此,钢铁材料超细化技术已成为 许多工业发达国家竞相研发的重要课 题。
晶粒大小与性能的关系
金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，金 属的晶粒的大小可以用单位体积内的晶粒数目来 表示，数目越多，晶粒越细小。为了测量方便， 常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表 示。实验表明在常温下细晶粒金属比粗晶粒金属 具有较高的强度，硬度，塑性和韧性。这是因为 细晶粒受到外力发生塑性变形时，其塑性变形可 分散在更多的晶粒内进行，塑性变形均匀，应力 集中较小。此外，晶粒越细，晶界越多，晶界越 曲折，越不利于裂纹的扩展。
提高钢的强度、韧性、延展性、加工性能以及使 用寿命是21 世纪钢铁工业的主要奋斗目标之一。 传统方法是通过提高钢中合金元素总量来达到目 的,但这不仅会对冶炼工艺及设备提出更高的要求, 增加炼钢生产成本,而且只能提高材料某一方面的 性能。20 世纪末,提出新一代钢铁材料(超级钢) 概 念并进行了研发。主要是通过控制钢的微合金化、 显微组织形态、固态相变和晶粒细化等方法来实 现 。这些方法中的核心技术是晶粒细化———超细 晶技术。
通过以上各式得：细化晶粒成为提高钢铁材料塑性和韧性 的最主要和最有效的方法。 分析显微组织结构得知:晶粒越细小,晶粒内部的空位数 目和位错均减少,位错与空位以及位错间的弹性交互作用的 机遇下降,位错易于运动,亦即表现出较好的塑性;位错 数目减少,塞积位错数目下降,只能产生轻度的应力场,从而 将推迟微孔和微裂纹的萌发,致使断裂应变增加。除此之外, 细晶粒为同时在更多的晶粒内开动位错和增值位错提供了 机遇,即细晶粒能使塑性变形更加均匀,呈现出较高的塑性变 形。研究结果表明,当晶粒小于011μm 时,应力集中消失,变 形均匀,材料具有很高的塑性和韧性,同时强度也较理
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新型机械控制轧制技术细化晶粒
新发展的机械控制轧制( TMCP) 技术,即弛豫-析出-控制相变技 术(RPC) ,是利用微合金元素在热机械处理(控制轧制) 过程中各 阶段的复合作用实现两阶段控轧,在终轧后经过一段控制温度和 时间的弛豫过程,利用变形奥氏体中缺陷的回复及位错网上的应 变诱导析出形成完整、强化的位错胞状结构或亚晶,这些类似小 晶粒的位错胞状结构在中温转变时能促进晶内铁素体或不规则 粒状贝氏体的形成以及贝氏体在原奥氏体晶内形核,并限制贝氏 体板条的长大,起到细化相变产物的作用。