金属材料晶粒细化的研究论文修改后

金属材料细化组织的方法和途径1 前言金属材料作为一种常规材料，由于其原料丰富可以大规模工业化生产，并可以通过合金化、冷热加工、热处理等技术改变材料形状、尺寸性能，其优异的使用性能，能满足机械、冶金、矿山、建筑、化工、海洋等行业的不同需要，因此，在 21 世纪钢铁材料仍然是人类社会使用的最主要材料。

因此，钢铁材料的研究有着十分重要的意义！然而不经过任何处理而直接得到的铸锭或铸件存在诸多缺陷，因此，改善其金属性能非常重要。

晶粒大小是影响金属性能的重要指标，一般来说，细晶粒组织的材料具有较好的综合性能，即其强度，硬度和人性，范性等都比较好，所以生产上对控制金属材料的晶粒尺寸是相当重要的。

因此，细化晶粒对钢铁材料的研究及应用有着极其重要的意义。

它是控制金属材料组织结构的最重要、最基本的方法。

本文将从金相学角度阐述晶粒细化的原理和方法。

2 晶粒细化的理论与目的研究表明，高性能钢铁材料的主要指标为强度和韧性，而晶粒细化是同时提高材料的强度和韧性的唯一方法，这就是钢铁材料晶粒细化的目的。

目前，晶粒细化已成为新型高性能钢铁材料研究的一个趋势。

根据Hall-petch 公式:σs =σ0 + kd - 1/ 2 ,其中σs 为应变量0．2 %的屈服应力;σ0 是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力; k 是常数; d 是平均晶粒尺寸。

可以看出,材料的屈服强度与晶粒尺寸倒数的平方根成正比。

因此,晶粒细化既能提高材料的强度，又能提高材料塑性,同时也能显著提高其力学性能。

细化晶粒是控制金属材料组织的最重要、最基本的方法,目前人们采用了许多办法细化金属的晶粒并取得了极大的成就。

3 晶粒细化的途径和方法细化晶粒的基本途径在于尽可能地提高晶核的形成速率，并同时减小晶体的成长速率，以使大量晶核在还没有显著长大的条件下便相互干扰而凝固结束。

利用结晶生核、长大现象进行晶粒细化时，临界晶核尺寸大小成为晶粒细化极限的大体目标。

临界晶核的尺寸是形核驱动力的函数，驱动力越大，临界晶核尺寸就越小。

通常情况下，相变时的驱动力比再结晶时的驱动力大很多。

因此，利用相变时得到很细小的临界晶核尺寸，再控制冷却速度，就可使钢铁材料组织超细化。

我们通常所知道的晶粒细化的方法或措施有：化学孕育剂法或变质法；快速冷取法；加强液体流动法（机械物理细化法）。

还包括相变前奥氏体细化或位错化、奥氏体内部增加形核质点、相变冷却细化、形变处理细化法、物理场细化等。

3.1 化学孕育法或变质法这种方法是向液体中加入所谓细化剂（孕育剂）或变质剂。

添加细化剂(孕育剂)通过增加外来晶核使晶粒细化;添加变质剂是通过加入变质剂合金的共晶组织形态或者第二相的形态来实现细化。

3.1.1 添加细化剂（孕育剂）熔炼时 ,可以通过向熔体中添加细化剂来形成晶核 ,使粗大的铸态组织变成细小的等轴晶 ,实现晶粒细化 ,从而提高合金的铸造能、物理性能、力学性能和加工性能。

细化剂（孕育剂）主要有以下 3 类[1 ]。

(1)同成分的合金细粉在合金熔体流入锭模或铸型的过程中 ,把合金粉末加入熔体 ,从而使整个熔体强烈的冷却。

这种方法是控制结晶过程 ,特别对厚铸件或铸锭结晶过程很有效。

这些合金粉末的加入像众多的小冷铁均匀分布在熔体中 ,使整个熔体得到强烈的冷却同时形成大量的晶核 ,并以很大的速度成长。

(2)具有异质晶核的合金是一种常用的方法。

如向铝合金熔体中加入具有TiB2和TiC 微粒的Al-Ti-B、 Al-Ti-C ,可以使铝合金组织显著细化。

由于 Al4 C3 为高熔点高稳定性化合物 ,并且 Al4 C3 与a-Mg均为六方晶系 ,且晶格常数相近 ,可作为 Mg原子的非均质晶核。

因此含有高熔点 Al4 C3 和 TiC颗粒的 Al-Ti-C中间合金是一种很好的镁及镁合金用的细化剂。

(3)通过反应可形成异质晶核的合金元素如向铝熔体中加入少量钛时 ,在铝结晶前，它将与铝熔体发生反应，液体中便会先形成TiAl3相，它以细小的枝晶形式悬浮在液体中，或附着在模壁上，当冷却到一定温度时，TiAl3可与液体发生包晶反应（L+ TiAl3→Al），此处TiAl3作为Al的晶核能细化铝合金组织，Al便会附着TiAl3而结晶，而把TiAl3部分包围起来，逐步吞食TiAl3。

这一方面TiAl3对Al起了非均匀形核的作用，另一方面TiAl3在消失过程中的碎枝残屑可被液体对流带到其他部位，而形成更多核心。

若向铝合金熔体中加入 B ,也能形成大量与Al有良好匹配关系的TiB2 ,它们在铝合金中具有很高的稳定性 ,也可以起到异质核心的作用而细化铝合金的组织。

其它如，铜合金中加入铁或铁合金[L(Cu)+Fe →Cu]，镁合金中加入锆或锆盐[L(Mg)+Zr→Mg]等都是利用包晶反应而起到显著细化晶粒的效果。

3.1.2 添加变质剂细化所谓变质是指加入的合金元素在凝固过程中靠自身形貌或性能的变化而影响晶体生长的现象。

变质剂分两类：一是促进形核，一是阻止长大，通常以前者为主。

促进形核的变质剂其作用也不完全相同。

在合金中,第二相晶体有三种基本形态 ,即粒状(球状、点状和块状等) 、棒状(条状、纤维状等)和片状。

不同的合金中第二相晶体的结构不同 ,它们的自然生长形态也不同 ,而晶体的自然生长形态恰恰是人们不希望得到的弱化合金性能的形状 ,必须通过变质处理改变 ,获得所需要的第二晶体形态。

有变质细化能力的合金元素如稀土、 Sr、 Ca、 Ti 等 ,偏析能力良好 ,导致枝晶生长的液 - 固界面前沿产生成分过冷区 ,从而阻碍枝晶的生长。

研究最多的变质型中间合金主要是指 Al2Si 合金中的共晶 Si ,因为 Si 未变质时呈粗大的针状或片状 ,合金的韧性较低; Si 变质时改变了形貌和尺寸 ,由粗大的针状或片状变成细小的纤维状或层片状 ,从而提高韧性达到改善力学性能的目的。

目前 ,对共晶 Si 变质的方法主要有钠盐变质、纯金属变质、磷变质和中间合金变质 4 种。

钠盐变质应用广泛 ,效果较稳定 ,但产生的有毒气体对环境及人体污染严重；纯金属变质如纯 Sr ,加入铝熔体时易烧损 ,实际吸收率不高；磷变质一般指赤磷 ,它烧损大 ,烟雾污染环境[25 ]。

中间合金变质主要指 Al-Sr、 Al-P、Al-RE、 Al-B、 Al-Si-Sr 等 ,它们加入量少 ,吸收率高 ,变质效果好 ,对环境污染轻 ,正逐渐得到铝工业重视 ,成为其他变质剂的取代者。

化学孕育法或变质法由于其效果稳定 ,作用快 ,操作方便,适应性强 ,是目前使用最广泛的细化方法。

3.2快速冷却法加快液体的冷却可以增加结晶时的冷却速度，快速凝固时的冷却速度很快(103 ～106 K/ s) ，实验证明晶粒大小与形核率N和长大速度G密切相关，一般来说，形核率N和核长大速度G都随着过冷度的加快而增大，但前者比后者随温差T的变化更大，若形核率大于核长大速度，则晶粒细小，反之晶粒粗大。

如图所示。

因此，只有提高过冷度,使得过冷度很大时,形核率大于核长大速度,并使得两者的差距很大,晶粒才会被进一步细化。

实际上一般采用的加热冷却的方法是设法使模壁激冷，或加强模壁的冷却能力。

例如，水冷模壁，或在模壁上镶嵌导热板等都是行之有效的方法。

如果能够使整个铸件差不多同时获得很大的过冷度，那么就可以一举两得，既细化了晶粒又可使整个组织均匀一致。

在工业上,通常采用导热性好的的金属模来代替砂模,在模外采取强制冷却以及采用低温慢速浇注等都是有效的快速冷却方法。

3.3 加强液体流动法（机械物理细化法）加强液体流动法,如机械搅拌,机械振动，加压浇筑以及离心浇筑等都可以达到细化晶粒的目的。

这些方法都在于增加液体流动，使液体与已生成的枝晶之间产生剪切作用，加快晶体的剥落，增加枝晶的繁殖。

此外，振动还可以使形核率N增大从而达到细化晶粒的作用。

搅拌和振动可以向液态金属中提供能量以提供形核功,促进晶核的形成。

同时,搅拌和机械振动也能使已结晶的晶体在液流对流冲击下破碎形成新的晶核,增加晶核数量达到细化晶粒的目的。

王红霞[2] 等用机械振动方法改变纯Al 的凝固生长方式,使其由逐层凝固方式改变为糊状凝固方式,能明显细化晶粒,改善纯Al 收缩。

随着振动的加强,纯Al 中心的等轴晶区逐渐增大。

边缘部位的柱状晶区逐渐增大,当振击力达到81.87 N 时整个试样端面全部变为等轴晶。

快速冷却法和机械物理细化法是比较传统的方法,快速冷却法在生产简单的小型件或粉末制品时比较常用,对大型厚断面铸件的生产很难实现,而且该方法不易操作,人为因素及偶然性较大。

机械物理细化法操作复杂,消耗大,易掺入杂质,而且细化效果不稳定。

3.4 形变诱导相变细化晶粒形变诱导相变(deformation inducedferritetransformation)是将低碳钢加热到奥氏体相变温度Ac3 以上，保温一段时间，使其奥氏体化，然后以一定速度冷却到Ar3 和Ae3 之间，进行大压下量变形，从而获得超细铁素体晶粒。

在变形过程中，形变能的积聚使Ar3 点温度上升，在变形的同时发生铁素体相变，并且变形后进行快速冷却，以保持在变形过程中形成的超细铁素体晶粒。

在形变诱导相变细化晶粒中，形变量和形变温度是两个最为重要的参数，随着形变量的增加和形变温度的降低，应变诱导铁素体相变的转变量增加，同时铁素体晶粒变细[3]。

形变诱导相变现象的发现是研究提高传统材料性能的重要突破，它的出现为大幅度提高传统金属材料的性能提供了新手段。

与传统形变热处理工艺相比，形变诱导相变工艺强调将形变温度控制在Ar3 附近，从而使γ→α相变的起始温度高于平衡相变温度。

研究表明，在Ar3 附近进行低温大变形通过形变诱导铁素体相变和铁素体的动态再结晶两种机制，可以获得超细的铁素体晶粒。

韩国的Lee等人利用形变诱导相变将C-Mn-Ni-Nb 钢的铁素体晶粒细化到1μm 以下[4]。

20 世纪80 年代末，Yada[5]等人通过采用形变诱导铁素体相变和铁素体动态再结晶两种机制在热模拟机上使C-Mn 钢中铁素体晶粒细化到2～3μm。

Hodgson 等人利用形变诱导相变将普通的Ni-Ti 复合微合金化钢的铁素体晶粒细化到1μm 以下[6]。

我国东北大学的张红梅[7]等通过SS400 钢在Gleeble-1500 热模拟机上720℃、变形量较大（ε＞1 以上）时可在实验室的条件下得到得到平均直径为1.86μm 的铁素体晶粒，且铁素体体积分数达到85％以上。

我国钢铁研究总院的刘清友等人将应变诱导轧制技术与常规控轧工艺相结合，通过实验室模拟轧制，获得了体积分数为97％，晶粒直径达0.92μm 的亚微晶组织[8]。

3.5 形变处理细化法形变处理细化利用各种塑形变形工艺,如挤压、轧制、锻造等,在加工过程中,通过温度、应变、应变速率等参数的配合,利用再结晶或者相变来控制变形态晶粒的尺寸。