(原文)细晶强化的机理及其应用

细晶强化的机理及其应用

摘要：本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理，介绍了三种推导Hall-Petch关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hall-Petch关系式中σ0和k的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法-不对称挤压法。

关键词：细晶强化，Hall-Petch关系式，位错。

1 引言

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。

2 细晶强化的经典理论

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，建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为：

σy＝σ0＋kd-n （1）式中，σy为流变应力，σ0为晶格摩擦力，d为晶粒直径，k为与材料有关的参数，指数n常

取0.5。这就是有名的Hall-Petch公式，是由Hall[1]和Peteh[2]两人最先在软钢中针对屈服强

度建立起来的，并且后来被证明可广泛应用于各种体心立方、面心立方及六方结构金属和

合金。大量试验结果已证明，此关系式还可适用于整个流变范围直至断裂，仅常数σ0和k

有所不同而己。

Hall-Petch公式是一个很好的经验公式，可以从不同的物理模型出发加以推导。常见

的模型有以下几种：

2.1 位错塞积模型[3]

如图1 所示，外加切应力τ较小时，由于晶界的阻碍作用，会使晶粒1内由位错源S1放

出的位错形成位错塞积,可在晶粒2内距其r远处产生较大的切应力，其值在r《d/2时可写

为位错在晶内运动所受阻力，d为晶粒直径。若设τ*为

为。此处τ

激活位于晶粒2中r处的位错源所需的临界切应力，则晶粒2的屈服条件可写为:

(2) 即 (3)

当d》r时，可将上式简化为:

(4)

由此可得:

(5)

若将拉伸屈服强度σy以mτy表示，则：

(6)

即

(7)

在(6)式中，m为一同有效滑移系数量有关的取向因子。有效滑移系越多，m值越小。在滑移

系数量任意多时，取m=2；对有12个滑移系的立方晶体取m=3．1.

图1 位错塞积引起相邻晶粒中位错源开动示意图

2．2 晶界“坎”模型[4]

采用上述模型推导Hall-Petch公式的前提是承认在晶体中存在位错塞积。然而，这一点至少对α-Fe来说尚有争议。至今在α-Fe中，只在少数情况下才观察到晶界前的不规则的位错塞积群[5],而多数情况为不规则的位错缠结[6]。为了克服这一困难，James Li[4]提出一种不需要位错塞积的模型。他认为晶界上的“坎”可以当作位错的“施主”而放出位错，其机制示于图2。由此可将流变应力视为位错运动克服林位错的阻力，并进而求得如下的Hall-Perch公式：

(8)

(8)式中，S为“坎”的密度(单位长度晶界上的“坎”的个数)，α为与位错分布有关的实验待定常数(约为0．4)。

图2 晶界中的“坎”发射示意图

2．3 晶界区硬化模型[7]

实际上，晶界“坎”模型是着眼于晶界发射位错而构成林位错加工硬化机制，若仅考虑晶界附近区域的次滑移和加工硬化效应，还可以对Hall-Petch公式作如下推导：设想在流变条件下，晶界的影响是在晶粒内造成一定宽度(d/2)的硬化区，如图3所示。晶粒的强度σ要由晶界附近硬区强度σH和心部软区强度σS综合决定，即:

（9）又因：

（10）

若略去b2，则将上式代入(9)式整理后得：

（11）因式中σH、σS均为与材料有关的常数，故可改用下式表达：

（12）

因(12)式和(8)式的主要差别是指数不同，故对Hall-Petch公式的一般表达式为(1)。指数n 可介于0．45与1．1之间，即0．45

图3 晶界区硬化模型示意图

可见Hall-Perch公式虽是一个可靠的经验公式，可从不同的物理模型加以推导，但确切的物理模型尚难于最后确定。欲利用Hall-Petch公式得出屈服、流变或断裂的微观结论时，需要谨慎对待。

2．4 反常Hall-Petch关系[8]

在传统的租晶材料中，其硬度和屈服应力随着晶粒尺d的降低而升高，即通常所说的Hall-Petch效应。但在纳米晶粒材料中．这种效应可能会受到抑制甚至出现相反的变化趋势。通常粗晶材料的塑性变形主要是通过位错的运动和相互作用完成的．而以上模拟表明纳米晶粒的变形主要是通过晶界滑移和位错运动其同主导的，随着构成材料的晶粒的尺寸逐渐减小，片变形机理从位错运动向基于晶粒边界滑移的方式转变。而粗晶材料中晶粒边界通常是作为位错核的接收器，其阻止位错的运动，从而提高材料的硬度和屈服应力等。而在纳米材料中，晶粒边界成为了位错成核和原干滑移的源头，从而起到促进塑性变形的作用。这使得Hall-Petch效应随着晶粒尺寸的减小而失效甚至出现相反的变化趋势

3．微量碳在细晶强化中的作用

由上文可知k为与材料有关的因子关于k的物理涵义以及合金元素对k的影响，许多研究者曾经做了大量理论与实验研究[9]。结果表明，k强烈地受间隙式溶质原子的影响，同时也受热处理条件影响。但是，间隙式溶质原子和热处理条件影响k的原因尚不清楚。本文以高纯铁为试料，在尽可能地将材料微观结构(晶内与晶界析出，晶界偏析等)同一化后系统地研究微量碳在固溶状态、析出状态和偏析在晶界对σ0和k的影响，讨论微量碳影响的机理。

3、1 实验材料及方法

实验用F e-50C和Fe-80C合金铸锭是以高纯电解铁(99.995%F e)为原料，采用高真空

(6×10-3 Pa)高频感应熔炼，经Fe-4.3%C中间合金脱氧后注人水冷铜铸型得到的，其化学成分见表1。铸锭在高纯红气保护下加热后，经热锻、冷锻、冷轧和机加工得到宽15 mm，厚6 mm板材。为得到不含碳的高纯铁和碳浓度更低的试样，将Fe一80C合金板材在700℃流动湿氢和干氢气氛炉内退火不同时间，进行完全脱碳或降低碳量处理，所得试料的化学分析结果示于表1。.四种试料的板材在700℃真空退火(5×10-2 Pa)后冷轧成厚1 mm的薄板，机加工成平行部宽3 mm,长20 mm的拉伸试样。试样的热处理条件如表2所示，所有热处理均在5×10-2Pa真空炉内进行。值得指出的是，与以往的研究不同，本文在调节晶粒尺寸热处理后对所有试样进行了微观结构同一化的最终热处理.。

表1 试料的化学成分(质量分数×10-1)

表2 热处理条件

拉伸试验在室温下进行，初期应变速率为3.8×10-4s-1。显微组织观察用试样取自拉伸试样的未变形部位，用微分千涉型光学显微镜观察并测定晶粒尺寸，按ASTM规定的方法计算平均晶粒直径。

3．2实验结果与讨论

3．2．1固溶碳量对σ0和k的影晌

高纯铁的拉伸试验结果表明，应力应变曲线上不出现明显的屈服点，因此取0.2%塑性变形时的流变应力为屈服强度Fe-C合金试样的应力应变曲线上出现显著的由于屈服造成的突然应力降低，取下屈服点为σr。σy与d -1/2之间的关系见图4。对所得结果进行最小二乘法回归处理得到的直线关系表明，σy与d之间遵循Hall-Petch关系式.由直线关系可得高纯铁σ0=24MPa,k=7.5MPa·mm 1/2。随固溶碳量增加σ0和k均增加，但是固溶碳量由50×10-6

增加到80×10-6,k增加很小。因此可以认为k的最大值为22 MPa·mm。 Handing[10]采用所谓的高纯铁(0.004% C, 0.003% Si,0.001%S, 0.002%P, 0.0012%O, 0.0005% N)研究了应变速率对细晶强化的影响，结果表明，应变速率在1×10-4-2.3×103s-1范围内变化对k没有明显影响。

图4 固溶碳量对σ0和k的影晌

3.2.2 碳化物析出对σ0和k的影晌

将Fe-80C合金在250℃时效5h，使大部分碳原子以渗碳体形式析出后得到的σy与d -1/2之间的关系如图2所示。图中同时给出了高纯铁和碳完全固溶状态下Fe-80C合金的结果。与碳完全固溶状态下的结果比较，使碳析出为碳化物，σ0稍有降低，但k并不受影响。这一结果表明，k不直接受固溶碳量的影响，也不受碳化物析出的影响。

图5 碳化物析出对σ0和k的影晌

3.2.3 碳在晶界偏析对k的影响

在二元Fe-C合金中碳原子在晶界的偏析量受晶内固溶碳量和温度控制[10]。固溶碳量一定时，降低热处理温度将增加碳在晶界的偏析量。具有不同晶粒直径的Fe一5C合金分别在500℃保温20h和在700℃保温2h后得到的，σy与d -1/2之间的关系如图3所示。考虑到5×10-6固溶碳造成的固溶强化很小，所以在假定σ0与高纯铁相同的条件下对结果进行了最小二乘法回归处理结果表明，随碳在晶界的偏析量增加k显著增加。

图6 碳在晶界偏析对k的影响

3.3 结论

由上分析可知，Hall-petch关系式中的σ0项只受晶内固溶碳量和碳化物析出支配，这与基于位错理论的观点是一致的k项不直接受固溶碳量影响，而受碳在晶界的偏析量控制。随晶界碳量增大，k直线增加。这与Hall、petch和Cotterll的理论：k应受晶内固溶原子和析出物的影响，不因晶界偏析而变化相矛盾。但这可由用Li和Behnood等的理论：k取决于晶界上位错源的密度和稳定性，而晶界上位错源的密度和稳定性又受溶质原子在晶界的偏析影响解释。

4 一种细晶强化金属材料的新方法

细晶强化通常采用的方法有添加细化剂、快速凝固、振动凝固等铸造方法，以及等通道挤压、累积叠轧焊、异步轧制等塑性变形方法。关于对称挤压方法来实现细晶强化的研究已经很多，并取得了很好的强化效果，下面介绍一种将剪切变形与传统挤压变形合二为一的挤压方法—不对称挤压方法，即将挤压模口设置在偏离中心的位置上，利用挤压时的较大静水压力和不对称挤压时的剪切变形来细化金属的组织。

4.1试验方法

试验材料：2A50和2A12铝合金圆棒，经冷锻和机加工制成φ90 mm x长100 mm的试验坯料，在6.5 MN多功能材料挤压机上挤压成形。

试验过程：两种材料分别用中心孔和偏心孔模具做了挤压对比试验，挤出后的材料进行了力学性能测试，并通过光学显微镜进行组织观察。组织观察选用低浓度氢氟酸水溶液，即1mL浓度为50%的氢氟酸+ 99 mL水制成的试剂，侵蚀时间为30 s左右。

4.2 试验结果及分析

4.2.1挤压制品表面质量

图7为不对称挤压后的2A50,2A12铝合金制品照片，从图2中可以看出，挤压后的合金表面非常光亮，挤压痕不明显。不对称挤压制品不仅没有发生弯曲和扭拧现象，而且呈现出比中心对称挤压制品更好的平直度，这说明在模具设计过程中，采用不对称的模孔人口锥角的设计是正确的。

图7 挤压制品表面

4.2.2 微观组织

合金在挤压前后均进行了内部显微组织的观察。2A50铝合金属于All-Cu-Mg-Si系锻造铝合金，2A12铝合金属于Al-Cu-Mg-Mn系硬铝合金，图8 a、b分别为挤压前2A50、2A12铝合金坯料的内部组织。从图8中可以看出, 2A12合金的原始晶粒为α-A1等轴晶，但晶粒尺寸较粗大，平均为300μm。α-A1基体内部有大量弥散分布的第二相粒子，通过斑点标定确定是第二相A12CuMg相。同时，由于经过了锻造加工成试验坯料尺寸，因此可看到晶粒内部被破碎成细小等轴的亚组织结构，这些小角度晶粒的平均尺寸为30μm。2A50铝合金组织为α-A1固溶体基体上弥散分布大量的黑色β相(Mg2Si )颗粒状析出物，并且晶界模糊、粗糙，沿晶界析出有较粗大的β相质点，与2A12合金相比，内部经冷锻破碎细化的亚结构不明显，晶粒平均尺寸为20μm。

图9（1）、（2）分别为2A50和2A12铝合金经中心扁方孔、偏心30 nun扁方孔不对称挤压后制品横截面的金相组织照片。对比图8可以看出，铝合金在挤压变形之后晶粒得到明显细化，并且沿孔型长度方向被挤扁压长。

图8试验材料原始微观组织

(1)2A50 (2)2A12

图9 两种合金经两种方法挤压后的微观组织

本试验中，2A50,2A12铝合金在不对称挤压过程中的细化现象，应该归因于挤压同时发生的强制剪切变形，并且在基体剪切细化的同时，维氏硬度达到4000 Mpa-6000 MP[11]，无法变形的第二相粒子Mg2Si和Al2 CuMg分别切过2A50,2A12的α-Al固溶体基体，从而使得基体材料得到明显细化。

4.2.3力学性能

本试验中，2A50,2A12铝合金经对称及不对称挤压后的力学性能指标如表3所示，从表中可见，合金的力学性能与其对应的图10中的组织十分吻合，即细晶组织呈现出高强度、高韧性。通过测试结果可以看出，2A50铝合金经过不对称挤压后，与对称挤压相比，其强度差别不大甚至略有降低，Rm分别为280 N/mm2和275 N/mm2，但断裂伸长率由14.5%提高至18.1%。

对于2A12铝合金，模孔偏心设置后的不对称挤压材料的强度明显提高，这与其经不对称挤压后组织得到明显细化有直接关系，其Rm比中心对称挤压材的提高60 N/mm2。同时，伸长率降低不多。

表3 经两种挤压方式挤压后合金的力学性能

4.3 结论

不对称挤压制品表面光洁，无明显挤压痕，无弯曲、扭拧现象发生。不对称制品得到的晶粒比对称制品的更为细小，组织致密。2A50铝合金的晶粒直径由挤压前的30μm细化为挤压后的几μm;2A12合金的大角度晶粒尺寸由挤压前的300μm细化至5 μm左右。不对称挤压后制品的综合力学性能有较大提高，特别是2A12合金的抗拉强度明显高于中心模孔对称挤压制品的。

细晶强化的机理及其应用

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 材料强化与质量评定细晶强化的机理及其应用 Fine-grain strengthening mechanism and its application 学院名称：机械工程学院 专业班级：机械1402 学生姓名：XX 指导教师姓名：XX 指导教师职称：副教授 2015年8 月

细晶强化的机理及其应用 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、塑性和韧性[1]。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Fine-grain strengthening mechanism and its application Abstract: polycrystal metal is usually composed of many grain, grain size can be used to represent the number of grain per unit volume, the more the number, grain is fine. Experiments show that the fine grained metal at room temperature than coarse grain metal has higher strength, hardness, plasticity and toughness . Therefore, in the practical use, people often use fine-grain strengthening method to increase mechanical properties of the metal. Keywords:definition, fine-grain strengthening mechanism, refining grain essence new methods and ways, fine-grain strengthening 1引言 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化[2]。 细晶强化机制包括提高塑性机制和提高强度机制。提高塑性的机制是：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较为均匀，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。提高强度的机制是[3]：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。 细化晶粒本质[4]：形成足够多的晶核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成结晶过程。

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原文细晶强化的机理及其应用

细晶强化的机理及其应用 摘要:本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理,介绍了三种推导Halｌ-Pｅtch关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hａlｌ-Pｅtch关系式中σ0和k的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法－不对称挤压法。 关键词:细晶强化,Ｈall-Petｃh关系式,位错。 1 引言 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。 2 细晶强化的经典理论 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,建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为: σｙ=σ0+kd-n (1）

五大细晶强化

金属强化机制 一．固溶强化 通过溶入某种溶质元素形成固溶体（固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构）而使金属强度硬度提高的现象称为固溶强化。分为间隙固溶强化（尺寸比较小的间隙原子引起的强化如：Fe 与 C ，N ，O ，H 形成间隙固溶体）和置换固溶强化（尺寸比较大的置换原子引起的强化如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体）。 1.固溶强化机制： 运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。 由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错（弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。 2.固溶强化的规律： （1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好 （2）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加 例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加而增大 （3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很显著，而

置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。 （4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。 3. 实例: 纯Cu 中加入19%的Ni ，可使合金的强度由220MPa 提高到380~400MPa ，硬度由44HBS 升高到70HBS ，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若按其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。 二. 细晶强化 金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化，主要分为晶界强化和亚晶界强化两大类。 （1） 晶界强化 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： σi ——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。 σs ——开始发生塑性变形的最小应力 σi 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： 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。σ0为单晶纯铁的屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。σ0值随不同的处理而异。空冷时σ0 =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，Hall —Petch 公式可以改写为 式中f F 、f P 是铁素体和珠光体的体积百分数，即f F + f P =1；σ0.2和σP 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f F K 1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σs 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） 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。 1. 细晶强化机制： 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 2 /11-+=D K i s σσ8.9)51.18.2913.87.3(2/10?++++=-D N Si Mn s σσ2 /112.0-++=D K f f f F P P F s σσσ

论细晶强化

论细晶强化 工业上实际应用的金属材料一般是多晶体材料，材料中包含着许多小的晶粒，晶粒与晶粒之间有晶界。实验和理论都证明，金属的晶粒越细，金属材料在常温时的强度、硬度便越高，塑性和韧性也越好。因此，人们常常用细晶强化的方法来提高金属的力学性能。 金属的塑性变形，主要是以滑移方式进行的。所谓滑移，是指晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面发生相对移动。通常金属晶体中存在大量的位错，滑移变形是通过位错运动来实现的。 晶界处的塑性变形抗力远较晶粒内的抗力高。这是由于在晶界处原子排列混乱，并聚集了一些杂质，使得滑移过程中的位错运动受到阻碍和制约，增加了塑性变形的抗力。由此可得出细晶强化的推论：若金属材料的晶粒越细，则晶界越多，对位错运动的阻力越大，即塑性变形的抗力增大，强度、硬度增大。 由于多晶体中各晶粒的位向不同，因此当任何一个晶粒滑移变形时，将受到周围不同位向的晶粒的阻碍，这也使塑性变形抗力增加。当金属受力产生塑性变形时，处于软位向的晶粒首先发生塑性变形，但它的塑性变形要受到周围不同位向晶粒的阻碍，特别是受到处于硬位向的晶粒的阻碍，这使得塑性变形的抗力增大。从位向差别影响的分析，也可得出细晶强化的推论：金属材料的晶粒越细，每个晶粒周围不同位向的晶粒增多，特别是处于硬位向的晶粒增多，使得金属强度、硬度增大。 由于晶粒越细，在单位体积中的晶粒数越多，因此金属的总变形量可以分散到更多的晶粒中，使变形均匀。这减少了因变形不均匀而引起的应力集中，使多晶体金属能产生较大的塑性变形而不致破裂。此外，晶粒越细，形成的晶界越曲折，这可阻碍裂纹的扩展。故金属材料的晶粒越细，不仅强度高，而且塑性和韧性也越好。

材料的强化机制

材料的强化机制： 强韧化意义 提高材料的强度和韧性。节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础 提高金属材料强度途径 1.完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度 2.主要采用另一条途径来强化金属，即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动 目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力 金属材料的强化 在生产实践中，主要采用在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动的方法来强化金属，包括 1.固溶强化 2.细晶强化 3.第二相粒子强化 4.形变强化 固溶强化 固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法 溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分填隙式和替代式两种不同方式 1.填隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示 2.替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小，但在高温下，替代式固溶强化变得较为重要 细化晶粒可以提高金属的强度 1.晶界对位错滑移的阻滞效应 2.晶界上形变要满足协调性，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，引起强度的增高 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，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

细晶强化工艺及其应用

LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 材料强韧化（结课论文）题目细晶强化机理及其工艺 学生姓名闫旺 学号132080503101 专业班级材料加工工程 任课教师季根顺 学院材料科学与工程学院 日期2014.04.30

细晶强化机理及其工艺 材料加工工程闫旺 132080503101 摘要 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。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。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。 关键字:细晶强化位错晶界 ABSTRACT Polycrystalline metal is composed of a plurality of grains, the grain size can be used within a number of grains per unit volume expressed as the number, the more fine grains. At room temperature, the metal fine grains have a higher strength, hardness, ductility and toughness of metals coarse grain. This is because the fine grains can be plastically deformed by external force in a more dispersed crystal grains, uniform plastic deformation, the stress concentration is small; Furthermore, the finer the grain size, the larger the grain boundary area, the more tortuous the grain boundary, Vietnam is not conducive to crack. Industry will be through grain refinement to improve the strength of the material is known as fine grain strengthening. Key words：Fine grain strengthening Grain boundary dislocations 一、细晶强化简述 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

《材料科学基础》考试重点及答案

1晶体点阵有实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排列方式称为晶体结构或为晶体点阵。 2晶格用以描述晶体中原子排列规律的空间格架。 3配位数原子周围最近邻等距离的原子数目；在离子晶体里，一个正离子周围的最近邻负离子数称为配位数。 4晶体缺陷晶体中原子偏离其平衡位置而出现的不完整性区域。 5位错晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 6位错反应有两个位错合成为一个新位错或有一个位错分解为几个新位错的过程。 7小角晶界两个相邻晶粒位向差小于10 度的晶界称为小角晶界。 8晶面能由于晶界上原子排列不规律产生点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为晶面能。 9固熔体固态下一种组元熔解在另一种组元中而形成的新相。 10间隙相又称为简单间隙化合物非金属原子与过渡族原子的半径的比值小于0.59，化合物具有比较简单的结构称为间隙化合物。 11过冷度实际开始结晶温度与理论结晶温度之间的温度差称为过冷度。 12均匀形核在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力由晶胚直接形核的过程。 13非均匀形核在过冷液态金属中，若晶胚是依附在其他物质表面上成核的过程。 14形核率单位时间单位体积内所形成的晶核数目。 15相图又称状态图或平衡图表示材料系统中相得状态与温度及成分之间关系的一种图形。成分过冷这种有液相成分改变而形成的的过冷。 16伪共晶这种有非共晶成分的合金得到的共晶组织。 17包晶转变当有些合金凝固到达一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余的液相发生反应生成另一种固相，这种转变为共晶转变。 18扩散第一定律：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质量（通称为扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。。 19科肯道尔效应：由于两种原子扩散速度不同，导致扩散偶的一侧向另一侧发生物质静输送的性质。 20本征扩散：以本征缺陷为媒介发生的扩散称为本征扩散。(处于热平衡状态的晶体内部总存在一定数量的点缺陷，这类点缺陷也称为本征缺陷)。 21非本征扩散：受非本征缺陷控制的扩散称为非本征扩散。（扩散受外界因素，如杂质离子的电价和浓度等控制的而非本征因素，即结构中本征热缺陷提供的空位浓度远小于杂质空位浓度的扩散，称为非本征扩散. 22上坡扩散：原子由低浓度向高浓度处的扩散。） 23下坡扩散：原子由高浓度向低浓度处的扩散。 24反应扩散：通过扩散使固溶体内的熔质组元超过固溶体极限而不断形成新相的扩散过程，称为反应扩散或称相变扩散。 25滑移：滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿着晶面发生的平移滑动，滑移后在晶体表面留下滑移台阶。 26滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向组成一个滑移系。 27单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向（m 最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移，即单滑移。 28多滑移：若有几组滑移系相对于外力轴的取向相同，分切应力同时达到临界值，或者由于滑移时晶体的转动，使另一组滑移系的分切应力也达到临界值，则滑移就在两组或多组滑

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精品文档细晶强化的机理及其应用 摘要：本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理，介绍了三种推导Hall-Petch 关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hall-Petch 关系式中σ0和 k 的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法-不对称挤压法。 关键词：细晶强化， Hall-Petch 关系式，位错。 1引言 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。 2 细晶强化的经典理论 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，建立了晶粒大小与金属强度的定 量关系的一般表达式为： σy＝σ0＋kd-n（1）式中，σ y为流变应力，σ为晶格摩擦力， d为晶粒直径， k为与材料有关的参数，指数

超细晶钢理论及技术进展

第40卷　第3期　2005年3月 钢铁 Iron and Steel Vol.40,No.3 　March 2005 超细晶钢理论及技术进展 翁宇庆 (中国金属学会,北京100711) 摘　要:叙述了由国家973项目:“新一代钢铁材料的重大基础研究”所开展的超细晶钢理论及技术进展。形变-相变耦合、纳米析出相引起超细晶以及机械制造用钢的超细晶热处理是3个主要手段。相应的组织性能预报、超细晶钢的焊接及化学冶金高洁净、凝固均质化及细化是制造和应用的关键技术。关键词:钢;超细晶;技术 中图分类号:T G14211 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2005)0320001208 Progress of Theory and Controlled T echnology of U ltraf ine G rained Steel WEN G Yu 2qing (The Chinese Society for Metals ,Beijing 100711,China ) Abstract :Progress on theories and technologies for ultrafine grained steels in National Project :“Fundamental Re 2search on New Generation Steel ”has been reviewed.Interaction between deformation and phase transformation ,ul 2trafine grain phenomenon caused by nano 2scale precipitates and specific heat treatment for ultrafine grained steels of machinery industry are three major measures.Microstructure prediction ,welding technology for ultrafine grained steels ,high 2cleanness technology in chemical metallurgy and homogeneous distribution of solute in solidification process are key technologies for processing and application.K ey w ords :steel ;ultrafine grain ;technology 基金项目:国家重大基础研究规划(973)———“新一代钢铁材料重大基础研究”资助项目(G1998061500) 作者简介:翁宇庆(19402),男,博士,教授级高级工程师; E 2m ail :weng @https://www.wendangku.net/doc/e38825020.html, ; 修订日期:2004211206 1997年4月,日本开始了“新世纪结构材料(或超级钢材料)”为期10年的研究计划,提出将现有钢材强度翻番和使用寿命翻番为目标的新一代钢材,称为“超级钢”并在国家组织下开展研究[1]。之后韩国在1998年启动了“21世纪高性能结构钢”、我国在1998年10月启动了“新一代钢铁材料”的国家重大基础研究计划。东亚三国相差不到一年,设立相同目标的研究项目带动了欧美各国钢铁界竞相参与和重视。按照我们的认识,“新一代钢铁材料”的特征是超细晶、高洁净和高均匀(高均质),其研发目标是在制造成本基本不增加,少用合金资源和能源,塑性和韧性基本不降低条件下强度翻番和使用寿命翻番。它的核心理论和技术是实现钢材的超细晶(或超细组织)。本文就我国的进展作简要扼述。 1　超细晶是新一代钢铁结构材料的 核心 钢铁结构材料约占钢铁材料的90%,强韧化是 结构材料的基本发展方向。钢铁材料提高强度的途径主要有4条: (1)通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体组织产生固溶强化,它是点缺陷的强化作用; (2)通过加工变形增加位错密度造成钢材承载时位错运动困难(位错强化),它是线缺陷的强化作用; (3)通过晶粒细化使位错穿过晶界受阻产生细 晶强化,它是面缺陷的强化作用; (4)通过第二相(一般为M x (C.N )y 析出相或弥散相)使位错发生弓弯(奥罗万机制)和受阻产生析出强化,它是体缺陷的强化作用。 这4种强化作用中,细晶强化在普通结构钢中强化效果最明显,也是唯一的强度与韧性同时增加的机制。其他3种强化机制表现为强度增加,塑性(有时韧性)下降。发展超细晶钢,就是利用超细晶化发展细晶强化的强韧化作用,其增加屈服强度的效果见图1。 应当对钢铁材料的“超细晶”作一个说明。按

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]1[。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