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ABSTRACTPolycrystalline 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，阻碍位错的通过二、 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：O =O +kd-n （ 1 ）y0式中，O y为流变应力，O 0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和Peteh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 诈吐有所不同 而己。
Hall-Pe tch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：（一）位错塞积模型位错运动遇到障碍（晶界、第二相粒子以及不动位错等），如果其向前运动的力不能克 服障碍物的力，位错就会停在障碍物面前，由同一个位错源放出的其他位错也会被阻在障碍 物前，这种现象称为位错塞积紧挨障碍物的那个位错就被称为领头位错或领先位错，塞积 的位错数目越多，领头位错对障碍物的作用力就越大，达到一定程度时，就会引起邻近晶粒 的位错源开动，进而发生塑性变形或萌生裂纹如图1所示，外加切应力T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（孑-口）/77茹 为位错在晶内运动所受阻力’d为晶粒直径若设T *为激 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)当d》r时，可将上式简化为:由此可得:若将拉伸屈服强度O y以mT y表示，则:即(7y(5)(6)(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 二）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a -Fe来说尚有争议至今在a -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，而多数情况为不规则的位错缠结为了克服这一困难，James Li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）式中， S 为“坎”的密度（单位长度晶界上的“坎”的个数）， a 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（三） 晶界区硬化模型实际上，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 a要由晶界附近硬区强度和心部软区强度<综合决定，即：HS又因：（10）若略去b2,则将上式代入（9）式整理后得:11)因式中aH、a s均为与材料有关的常数，故可改用下式表达: HS（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
G表示单位时间内晶核生长的长度，即长大速度N/G比值越 大，晶粒越细小2. 变质处理，外来杂质能增加金属的形核率或阻碍晶核的长大在浇注前向液态金属中 加入某些难容的固体颗粒，会显著的增加晶核数量，使晶粒细化如：Al、Ti、Nb、V等元 素在钢中形成强碳化物或氮化物，形成弥散的分布颗粒来阻止晶粒的长大四、细晶强化工艺（一）熔炼合金化细化1 、微合金化微合金化技术较为成熟，应用广泛如含Nb铁素体钢，当Nb含量由0.1%增加到0.5%时，晶粒 由40p m细化到1p m,屈服强度由150〜230MPa提高到600〜650MPa,并有望达到800MPa目前可供实行微合金化的元素主要有Al、Sc、Ti、V、Y、Zr、Nb、Ce、La等，添加量为0.1%〜 0.5%其作用机理为:（1） 微合金元素在金属熔炼中处于晶粒成长的前沿，有助于加大前沿金属的过冷度，提高一次 成核率， 增加均质成核数量， 使金属晶粒细化2） 微合金元素一般化学性质活泼，与0、N及金属元素形成化合物,聚集在晶界上，成为弥散 强化相， 阻止晶粒继续长大3） 弥散分布的微合金元素化合物，在金属塑性变形时，根据奥罗万机制，阻止金属晶界滑移， 强化金属本体。
如,AgCe0.5是应用普遍的电接触材料,Ce的作用不仅可强化和韧化Ag基体 （包括Ag基合金），而且对提高抗电蚀、改善电接触性能有特殊功效Ce的这种特性在早年 研发的WCe电极材料中，在改善起弧特性、提高抗电弧烧损方面得到应用刘生发犤2犦等 研究了 Ce对镁合金组织细化的影响2、纳米细晶强化纳米细晶强化技术在贵金属器具中的应用成效卓著，如,Ti_Pt（Al2O3增强），ZGS_Pt（ZrO2增 强）。