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。但是冷却速度的增加有一定限度，尤其对大的铸件，不仅不易使整个铸件获得快的冷却速度，而且会因冷却速度过大，使铸件表面和内部温差过大而导致开裂。

当某些高熔点杂质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似时，这些杂质在结晶过程中能起到晶核的作用，促使非均匀形核，使单位体积中的晶核数增加，因而细化了晶粒。因此，在生产中往往加入一些变质剂做变质处理。

金属结晶时，对液态金属附加机械振动、超声振动、电磁振动等措施，会增加液态金属在铸模中的运动，造成晶枝破碎。这就不仅使已生长的晶粒因破碎而细化，而且破碎的枝晶尖端可起到晶核作用，使单位体积晶核的数量增加，因而细化了晶粒。

固体金属往往通过热处理再结晶的方式得到细小均匀的晶粒，或者用热轧、锻压加工的方式消除铸态金属的某些缺陷，破碎粗大的铸态晶枝和碳化物，从而细化晶粒，提高金属的综合力学性能。