细晶强化
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 andits 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 itsapplicationAbstract: 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 strengthening1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]。
4第4章纯金属的结晶与细晶强化1
• 2.柱状晶区：稳定的凝固壳 层一旦形成，柱状晶就直接 由表面细等轴晶凝固层某些 晶粒为基底向内生长，发展
成由外向内生长的柱状晶区。
枝晶主干取向与热流方向平
行的枝晶生长迅速 。
铸
型
液 态 金 属
柱状晶生长过程的动态演示
• 3.中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散 热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液
变质处理前
变质处理使组织 细化。变质剂为 硅铁或硅钙合金。
变质处理后
• 3.振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或 搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核， 另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目 显著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)
素偏聚于最终结晶区，造
成宏观上的成分不均匀，
称宏观偏析。适当控制浇
注温度和结晶速度可减轻 宏观偏析。
硫在钢锭中偏析的模拟结果
• ⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成 的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡. 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气 孔需要切除。铸件中出现气
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
4.2
4.2.1
冷却曲线与过冷度
冷却曲线
热分析法
1.过冷现象和过冷度
温 度 Tm
雾 凇
理论冷却曲线
Tn
实际冷却曲线
过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling
纯金属的冷却曲线
时间
ΔT = Tm – Tn
过冷是结晶的必要条件
细晶强化
定义：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。
原理：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。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
霍尔-配奇关系式：
σy代表了材料的屈服极限，是材料发生0.2%变形时的屈服应力σ0.2通常可以用显微硬度Hv来表示
σ0表示移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力
Ky一个常数与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关
d平均晶粒直径
细化晶粒的方法：
1，控制过冷度
形核率与长大速度都增加，但两者的增加速度不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。
2. 动态晶粒细化
动态晶粒细化就是对凝固的金属进行振动和搅动。
一方面依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面使成长中的枝晶破碎，增加晶核数目。
3.变质处理
4其他。
比较形变强化,细晶强化,合金强化,热处理强化的异同点。
比较形变强化，细晶强化，合金强化，热处理强化的异同点。
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工程材料第4章 纯金属的结晶与细晶强化
⑵ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区 前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热， 使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。
⑶中心等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断
减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至熔点以
下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大 的等轴晶粒。
Tn G 自 由 能 ΔG = GS – GL < 0
ΔT
GS GL Tm
图4-4 液相和固相自由能随温 度变化示意图
§4.3 纯金属的结晶过程
结晶由形核和长大两个基本过程组成. 一、 形核
当液态金属过冷至实际结晶温度 后，经过一段孕育期，在液态金 属内部开始出现微小的固态颗粒， 称之为晶胚。当晶胚达到某一临 界尺寸后，就成为可以稳定存在 并自发长大的晶核。这一过程称 为形核。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
上节要点
1.结晶：物质由液态转变为晶态的过程 2.纯金属结晶的宏观现象
1）过冷 冷速越大，过冷度T 越大 2）恒温 结晶潜热的释放弥补了向外界损失的热量
温 度 G 自 由 能
ΔG = GS – GL < 0
ΔT
Tn Tm
GS
GL
图4-4 液相和固相自由能随温 度变化示意图 Tm Tn
s= 0+Kd-1/2
晶粒大小与金属强度的关系
多晶铁的拉伸变形
室温
高温
二、 晶粒度及其影响因素
晶粒度：表示晶粒大小的尺度。工业生产上采用晶粒度等 级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分为8级
钢的标准晶粒度级别图
单位体积中的晶粒数 ZV 0.9
细晶强化的方法
细晶强化的方法
1.机械加工：机械加工可以通过削切、拉伸、滚压等方式改变材料晶粒大小和分布。
通常情况下，机械加工会使材料的晶粒细化并且均匀分布，从而提高强度和耐磨性。
2. 热处理：热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程来改变其晶粒大小和分布的方法。
通常情况下，高温处理可以促进材料晶粒的长大，而快速冷却可以使晶粒细化。
通过热处理，可以使材料的晶粒大小和分布满足特定的要求，从而提高材料的强度和耐磨性。
3. 喷涂：喷涂是一种通过将微米级或纳米级的粉末喷涂到材料表面来改善其力学性能和耐磨性的方法。
喷涂粉末可以包括金属、陶瓷、聚合物等材料。
通过喷涂，可以在材料表面形成一个厚度很小的涂层，从而提高材料的抗腐蚀能力、耐磨性和硬度等。
4. 化学方法：化学方法包括溶胶-凝胶法、电沉积法、热氧化法等。
这些方法通过控制材料的制备过程来改变其晶粒大小和分布。
通常情况下，这些方法能够制备出具有高密度和均匀分布晶粒的材料，从而提高材料的强度和耐磨性。
总之，细晶强化是一种有效的方法，可以显著提高材料的强度和耐磨性。
不同的细晶强化方法应根据具体情况进行选择。
- 1 -。
细晶强化的名词解释
细晶强化的名词解释细晶强化（Fine grain strengthening），顾名思义，是指通过控制金属的晶粒尺寸来增强材料的力学性能。
晶粒尺寸是金属材料的一个内在特征，它取决于材料的组织结构以及其经历的热处理过程。
通过制定适当的工艺和选择合适的合金元素，可以改变晶粒尺寸，从而实现对材料性能的调控和提升。
细晶强化是金属材料领域的一项重要研究方向，它可以提供更强硬、更韧性、更耐磨损的材料。
在实际应用中，细晶强化广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域，提升材料的性能，满足工程的高要求。
细晶强化的基本原理是通过减小晶粒尺寸来提高材料的韧性。
晶粒尺寸的减小会导致晶界的增多，晶界对位错的传递具有阻碍作用，从而提高了材料的屈服强度和硬度。
此外，细晶晶界的内部能储存和吸收位错运动的能力较好，有助于提高材料的塑性，提高断裂韧度。
细晶强化的方法主要包括机械变形、热处理和合金设计。
机械变形是最常用的方法之一，通过压缩、拉伸和滚轧等加工方式，可以使材料的晶粒尺寸减小。
热处理是通过控制材料的热处理温度和时间来影响晶粒尺寸的变化。
合金设计是指通过添加合金元素来调控材料的晶粒尺寸，例如添加微量的稀土元素可以有效地限制晶粒的长大。
细晶强化不仅可以提高金属材料的力学性能，还可以改善其耐腐蚀性能和耐疲劳性能。
由于细晶材料的晶界比较密集，晶界的扩散速率较低，因此具有较好的耐腐蚀性能。
同时，细晶材料断裂韧度高，能够有效抵抗疲劳裂纹的扩展，从而提高材料的疲劳寿命。
然而，细晶强化也存在一些问题和挑战。
首先，细晶材料的各向同性较差，其机械性能的方差比较大。
此外，细晶材料的热稳定性也较低，易于发生再结晶和晶粒长大。
因此，在实际应用中，需要综合考虑材料的强度、韧性和稳定性，选择合适的细晶强化方法和工艺参数。
细晶强化作为一种先进的材料加工技术，对于推动金属材料的发展和应用具有重要意义。
它不仅可以提供更高性能的材料，还可以降低材料的成本和重量，实现可持续发展的目标。
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。
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。
金属晶粒的大小对金属性能有很大影响。
因此影响金属晶粒大小的因素和控制办法很重要。
过冷度越大，则铸件晶粒越细。
在实际铸造生产中，液态金属是在连续冷却条件下凝固。
若冷却速度越快，则结晶时的过冷度越大。
因此在铸造生产中常用提高冷却速度的方法来细化晶粒。
固溶强化和细晶强化的相同点和不同点
固溶强化和细晶强化的相同点和不同点1.引言1.1 概述固溶强化和细晶强化都是金属材料中常见的强化方法，通过对金属结构的处理来提高材料的强度和硬度。
固溶强化主要通过溶解其他元素来改变基体的原子排列结构，从而增加材料的强度。
而细晶强化则是通过控制晶粒尺寸来提高材料的性能。
尽管二者的目的相同，但它们的实现方法和效果有所不同。
固溶强化是向金属基体中引入其他元素，并通过热处理使这些元素均匀溶解在基体中，从而改变基体的晶格结构。
这样做可以使原子之间的间隙更小，增加了晶体之间的相互阻挡效应，从而提高了材料的强度和硬度。
固溶强化的过程就像是在基体中添加了“障碍物”，阻碍了晶体的滑移和位错的运动。
相比之下，细晶强化主要通过控制金属材料的晶粒尺寸来提高材料的性能。
通常情况下，细小的晶粒能够提供更多的晶界强化效应，晶界能够有效地阻碍位错的滑移和扩展。
细晶强化的方法主要包括变形加工、热处理和添加强化剂等。
在这些方法的作用下，原本较大的晶粒会被细化，从而增加材料的强度和塑性，并且提高材料的耐疲劳和耐腐蚀性能。
总的来说，固溶强化和细晶强化都是在金属材料中引入一些外部因素来改善材料性能的方法。
固溶强化主要通过控制金属晶体的组成来增加强度，而细晶强化则通过控制晶粒尺寸来提高材料的性能。
这两种方法在理论和实践上都有其独特的优势，并在不同的应用领域中得到了广泛的应用。
在接下来的篇章中，我们将详细讨论固溶强化和细晶强化的要点，以及它们之间的相同点和不同点。
1.2文章结构文章目录中的1.2 "文章结构"部分应包括有关整篇文章的结构和组织的信息。
以下是可能包括在该部分的一些内容：在本文中，将详细介绍固溶强化和细晶强化的相同点和不同点。
本文将按照以下结构展开讨论：首先，引言部分将简要介绍固溶强化和细晶强化的概念和背景。
其次，正文部分将分为两个小节，分别讨论固溶强化和细晶强化的要点。
在固溶强化的要点部分，将探讨固溶强化的原理、影响因素以及在材料加工中的应用。
材料强度学细晶强化
晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围内的原 子的混乱排列，可视为一个过渡区。
小角度晶界：
晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分为 对称倾侧晶界和扭转晶界。
亚晶界：
位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。
晶粒的平均直径通常在0.015—0.25mm范围内，而 亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内
Strengthening Materials by Engineering Coherent Internal Boundaries at the Nanoscale K.Lu Science 17 April 2009: Vol. 324 no. 5925 pp. 349-352
Revealing the Maximum Strength in Nanotwinned Copper L.Lu. Science 30 January 2009: Vol. 323 no. 5914 pp. 607-610
？ 强度
硬度
硬度： 材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是 衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标
钢和黄铜的强度－硬度关系（选自美国 Metal Handbook第九版第一卷）
材料强度的影响因素：
强度： 化学成分
微观结构 环境 应力状态
Graphite
Diamond
材料强度学的任务：
本节完
多晶体金属塑性变形的特点
1．各晶粒变形的不同时性和不均匀性。 2．各晶粒变形的相互协调性，需要五个以上的独立滑移 系同时动作。 由于晶界阻滞效应及取向差效应，变形从 某个晶粒开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一 个晶粒之中，但多晶体作为一个连续的整体，每个晶粒 处于其它晶粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移 系中自由变形，否则必将造成晶界开裂，为使每一晶粒 与邻近晶粒产生协调变形，Von Mises指出：晶粒应至少 能在五个独立的滑移系上进行滑移。 fcc和bcc金属能满足五个以上独立滑移系的条件，塑性 通常较好；而hcp金属独立滑移系少，塑性通常不好。
《金属与合金强化》第3章 细晶强化
续长大，故使α进一步细化。
4、超级金属研究中采用的晶粒细化新方法
以往的晶粒细化方法只能将晶粒细化到10μm左右，为了进 一步将晶粒细化到1μm左右，在超级金属研究中采用了一些 新的细化晶粒方法： 1）大应变量变形 三维高应变锻造 高速大压下量轧制 2）剪切变形 3）低温轧制 4）叠层轧制 5）快速再结晶处理
2、形变热处理 7475合金：（成分） 0.004Si、0.04Fe、0.57Cu、<0.01Mn、2.37Mg、0.20Cr、5.58Zn
较低温度时效（673K）并水淬时，大 的第二相粒子和过饱和溶质原子存在，大 粒子和基体不共格使冷变形时变形均匀形 成位错网络。过饱和原子在位错网络上析 出。在高温时效使Cr的沉淀阻止再结晶时 晶界移动
比变形前有所增加， 即热力学上 处于不稳定状态，有自发回复到变
形前状态的趋势。如果升高温度使
原子能够依靠热激活来克服势垒， 则可加速变形金属由不稳定状态向 稳定状态的转变过程。
加热时，依加热温度的高低和保温时间 长短，变形金属依次发生三种组织变化现象。
3. 回复
一般认为，回复过程是点缺陷和位错在退
在(γ+α)两相区形变又将突破无再结晶形变所能
达到的晶粒细化的极限而使晶粒进一步细化。在两
相区形变，使变形的γ转化为多边形的α，同时形
变的α则由于再结晶过程极为缓慢，故不易发生再
结晶，只发生回复而转变为亚晶，变形后冷却时，
未再结晶的γ转变成α时只能在回复的位错亚结构
上形核，而且长大过程中很快碰上亚晶界而不能继
的铁素体产生亚结构α′
在再结晶区内，随热变形及期间的停顿而发生的动态再结 晶和静态再结晶导致奥氏体晶粒细化。由于静态再结晶只发生 在晶界上，而且优先在三晶粒连接处形核，导致有些晶粒上形 核较多，有些晶粒上则少有形核。故晶粒分布不均匀。
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s铁内溶解的原子数量（浓度）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：o =o + K D一1/2此式称为霍耳-配奇公式（Hall-Petch公式）。
式中：O i——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。
细晶强化
四、金属材料细晶强化工艺
(如何获得细晶)
1. 熔炼合金化细化 1.1微合金化 1.2 纳米弥散强化(粉末冶金法和合金内氧化法 ) 2.铸锭晶粒细化 2.1 电磁振荡 2.2 功率超声波 3. 连续铸轧工艺 4. 非晶晶化技术 5.半连铸及连铸技术
1.1微合金化机理
(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。
增大材料晶粒尺寸的方法，增加金属材料在高温下的强度。
镍基高温合金，利用定向凝固来获得较大晶粒尺寸甚至单晶，减少晶界对 材料的不利影响，提高高温下的强度。 在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反 的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。
定向凝固设备由感应熔炼部分、 石墨电阻双区加热部分、冷却部分等 3 部分组成。定向凝固过程中首先对 型壳进行预热，待型壳达到预热温度 后进行合金浇铸，熔体保温静置 一定 时间后以 一定的抽拉速率进行定向凝 固。
强度提高
位错不易穿过晶界， 而是塞积在晶界处。
一、基本原理
2、金属屈服强度与晶粒大小关系 霍尔佩奇（H-P）关系式
1 2
（ 的常 数
d为晶粒直径
多晶体的强度 和晶粒的直径呈 （ -1/2 ） 次 方 的 关 系，即晶粒越细强 度越高。
细化到1μ m , 屈服强度由 150～ 230MPa提高到 600～ 650 MPa, 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%。
1.2 纳米弥散强化(粉末冶金法和合金内氧化法 )
二、纳米尺寸晶粒（晶粒尺寸在1~100nm间）
钢材强化机制的四种途径
钢材强化机制的四种途径在材料科学领域中，钢材是一种广泛应用的建筑和工程材料，具有出色的机械性能和可塑性。
然而，传统的钢材在某些特殊应用中可能无法满足要求，因此需要对其进行强化。
钢材的强化机制可以通过多种途径实现，以下将介绍其中的四种常见方法。
1. 固溶强化固溶强化是通过向钢材中加入合金元素，使其溶解在钢体中形成固溶体，从而提高钢材的抗拉强度和硬度。
常用的合金元素包括铜、镍、铬等。
这些合金元素的加入可以改变钢铁晶格结构，增加晶格缺陷，并形成固溶体的固溶体，从而提高钢材的强度和硬度。
固溶强化还可以通过淬火和调质等热处理工艺来实现。
2. 细晶强化细晶强化是通过控制钢材的晶粒尺寸来增强其强度和硬度。
钢材的晶粒尺寸越小，晶界的数量就越多，晶界对位错的移动和滑移起到阻碍作用，从而增加钢材的抗拉强度。
细晶强化可以通过加工变形、快速冷却和退火等热处理工艺来实现。
3. 相变强化相变强化是利用钢材在相变过程中产生的显微组织变化来增强其强度。
钢材的相变包括固溶体相变和亚稳相变两种。
固溶体相变是指由于加热或冷却而引起的合金元素在钢中的溶解和析出。
亚稳相变是指钢材在加工过程中发生的组织相变，如奥氏体向马氏体相变等。
相变强化可以通过控制相变温度、相变速率和相变方式等来实现。
4. 沉淀强化沉淀强化是通过在钢材中形成微小的沉淀相来增强其强度和硬度。
沉淀相是指在固溶体中形成的新的化合物或固溶体。
沉淀相的形成可以通过合金元素在固溶体中的过饱和度和固溶体中的位错密度来控制。
沉淀强化可以通过适当的退火处理和合金元素的选择来实现。
钢材的强化可以通过固溶强化、细晶强化、相变强化和沉淀强化等四种途径来实现。
选择合适的强化方法可以根据钢材的具体应用要求和制备工艺来确定。
通过合理的强化措施，可以提高钢材的强度、硬度和耐磨性，满足不同领域对材料性能的需求。
在未来的发展中，还可以进一步探索新的强化机制和方法，以推动钢材的性能和应用范围的不断提升。
1. 强化方法的综述钢材作为一种重要的结构材料，其性能的强化是实现优化设计和提高工程安全性的关键。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化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，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
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。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。
二．固溶强化定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
影响因素（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
细晶强化的措施(一)
细晶强化的措施(一)细晶强化1. 引言细晶强化是一种新兴的技术方法，可以显著提高材料的强度和耐久性。
通过在材料内部形成细小的晶体结构，细晶强化可以有效地防止裂纹扩展并提高材料的抗拉强度。
本文将详细介绍细晶强化的各个措施，并分析其在材料领域的应用前景。
2. 控制晶体尺寸在细晶强化中，控制晶体的尺寸是关键步骤之一。
通过合适的热处理和合金设计，可以使晶体尺寸显著减小。
一些常用的措施包括：•高温固溶处理：通过高温处理将合金中的溶质原子溶解到基体晶格中，形成单一相固溶体。
•快速冷却：在快速冷却过程中，溶质原子的扩散受到限制，晶体生长速度减缓，从而形成细小的晶体。
•添加稀土元素：稀土元素在晶体生长过程中能够有效地抑制晶粒生长，从而控制晶体尺寸。
3. 晶界工程晶界是晶体之间的界面，也是材料中的弱点之一。
通过优化晶界的结构和性质，可以进一步提高材料的强度和耐久性。
以下是一些晶界工程的常用方法：•晶界控制：通过特定的热处理和添加合金元素，可以改变晶界的结构和化学成分，提高晶界的强度和韧性。
•界面涂层：在晶界上涂覆一层高强度的薄膜，可以有效地阻止晶界扩散和裂纹扩展。
•利用位错：引入适量的位错，可以提高晶界的强度，阻止位错的移动和扩展。
4. 晶体导向控制晶体导向是晶体的取向特性，对材料的力学性能和成形性能有着重要影响。
通过控制晶体的导向，可以进一步优化材料的强度和韧性。
以下是一些常见的晶体导向控制方法：•应变诱导取向：通过应变工艺，使晶体在塑性变形中发生取向选择，形成优化的晶体导向。
•晶粒取向控制：通过特定的热处理和应力控制，使晶体在凝固或再结晶过程中形成特定的取向。
5. 应用前景细晶强化技术在材料领域具有广阔的应用前景。
它可以应用于金属材料、陶瓷材料和复合材料等多种材料系统，对提高材料的强度、耐久性和成形性能具有重要作用。
在航空航天、汽车制造和电子产业等领域，细晶强化技术已经被广泛应用，并取得了显著的成效。
结论细晶强化技术通过控制晶体尺寸、优化晶界工程和调控晶体导向，可以显著提高材料的强度和耐久性。
金属材料的强化方法 细晶强化 沉淀强化 固溶强化 第二相强化 形变强化
有色金属的强度一般较低。
例如, 常用的有色金属铝、铜、钛在退火状态的强度极限分别只有80～100MPa 、220MPa 和450～600MPa 。
因此, 设法提高有色金属的强度一直是有色冶金工作者的一个重要课题。
目前, 工业上主要采用以下几种强化有色金属的方法。
1 固溶强化纯金属由于强度低, 很少用作结构材料, 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。
合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。
形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变, 但晶体结构的基本类型不变。
固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体; 按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体; 按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。
绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。
替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。
间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。
纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。
固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。
此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷, 使位错线弯曲, 从而使位错滑移的阻力增大。
在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用, 也是固溶强化的原因之一。
固溶强化遵循下列规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 则强化效果越好。
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图1
图2
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 熔的固体颗粒，会显著的增加晶核数量， 使晶粒细化。
Al、Ti、Nb、V等元素在钢种形成强碳化物 或氮化物，形成弥散的分布颗粒来阻止晶 粒的长大。
③在浇注和结晶过程中实施搅拌和震动，也
可以细化晶粒。搅拌和震动能向液体中输 入额外的能量以提供形核功；另外，还可 以使结晶的枝晶破碎，增加晶核的数量。
④热处理细化晶粒
一旦形成了粗晶粒，只要晶界上没有很多 难熔析出物，通过一次或多次奥氏体化， 总可以使晶粒细化。
Thank铸件晶粒的途径
1 细晶强化机制
提高塑性机制：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：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。
但是晶粒具有长大的趋势，因为晶粒越大，单位 体积的晶粒就越少，即晶界的面积就越小，因而 界面能或整个系统的自由能越低。
晶粒长大示意图
2细化晶粒的途径
细化铸件的晶粒的基本途径是形成足够多的晶 核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成 结晶过程。
①提高过冷度
金属结晶时的形核率N，线长大速度G和 过冷度△T的关系如图1。