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1、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。0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
2、，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
3、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
4、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：o y=o 0+kd-n(1 )式中，oy为流变应力，。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H
5、all-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rd/2时可写0为。此处t为位错在晶内运动所受阻力，d为晶粒直径。若设激活位于晶粒
6、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：即当dr时，可将上式简化为:由此可得： 若将拉伸屈服强度oy以m Ty表示，则：m -)即.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=31.图 1 位错塞积引起相邻晶粒中位错源开动示意图22晶界“坎”模型采用上述模型推导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，
7、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04)。zr图2晶界中的“坎”发射示意图23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a*)a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
8、化区，如图3所示。晶粒的强度o要 由晶界附近硬区强度oH和心部软区强度o S综合决定，即：(rf又因:(10)若略去b2，则将上式代入(9)式整理后得:(11)+ 2(0广0小因式中oH、oS均为与材料有关的常数，故可改用下式表达：a = yj + Bd(12 )图 3 晶界区硬化模型示意图因（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045与11之间，即045nIJS5iAlMnCrTiNiCuBFe14311 226i21 121Fc-5C乳1431226 1 21I2IFf? - 50C4944122311 21 12iFe
9、- 80C804311 2261 21I121表2热处理条件甲调节晶鞍尺寸轴处理最终热处理c的狀态(600-900 人 30 min 油冷550 X, 24.5 h 油拎(700-900 1：) , 30min 油冷k 300 % . 20 h 油冷h油冷IL 700 七，2 i晦溶Fe-SOC(6SD 850 乜)30 mil)油冷600 C4 h油冷固涪(650-84OX；)f 30 mhi 油冷匚650 r. 4 h油冷固陪re-socf11. 250 T, 5 h 油搀析出拉伸试验在室温下进行，初期应变速率为 3.8 X10-4s-1。显微组织观察用试样取自拉伸试 样的未变形部位，用微
10、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。32 实验结果与讨论3. 2. 1固溶碳量对。0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orOoy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，oy与d之间遵循Hall-Petch关系式由直线关系可得高纯铁 。0=24MPa,k=75MPa mm 1/2。随固溶碳量增加。0和k均增加，但是固溶碳量由50 X 1
11、0-6增加到80 X 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,0.0 01%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 X10-4X31范围内变化对k没有明显-2.3 10 s影响。修血300200|000 6050 403020150100!J，;图4固溶碳量对。0和k的影晌碳化物析出对。和k的影晌3220将Fe-80C合金在250 C时效5h，使大部分碳原子以渗碳体形式析出后得到的oy 与 d-1/2Fe-80C合金的结果。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与 碳完全固溶状态下的结果比较，使碳析出为碳化物，。0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
