金属材料晶粒细化的研究论文修改后

1、 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，

2、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:s =0 + kd - 1/ 2 ,其中s 为应变量02 %的屈服应力;0 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

3、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

4、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

5、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 ,

6、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

7、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)+ZrMg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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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 induced ferritetransforma

13、tion)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

14、导相变工艺强调将形变温度控制在Ar3 附近，从而使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1m 以下4。20 世纪80 年代末，Yada5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23m。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1m 以下6。我国东北大学的张红梅7等通过SS400 钢在Gleeble-1500

15、 热模拟机上720、变形量较大（ 1 以上）时可在实验室的条件下得到得到平均直径为1.86m 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0.92m 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。由于传统的机械变形方法生产微米晶和微米晶材料往往受工件尺寸的限制,不能获得很大的变形量, 例如, 要求产品最终厚度为1mm ,则最大真应变量仅

16、能达到34 mm ,当制备亚微米细晶材料时就更加捉襟见肘了。为了突破总应变量的限制,很多不改变工件形状而获得大变形量的方法被开发出来,并得到了越来越多的关注。其中研究最多的是等径角挤压法。3.5.1 挤压细化 挤压是对放在挤压模内的锭坯一端施以挤压力,在强烈的三向压应力作用下,使之从挤压模孔中流出,从而成为具有一定形状、尺寸和性能的金属制品的一种压力加工方法。挤压可以按金属的流向、挤压制品的形状、挤压时锭坯的温度以及挤压金属的种类进行分类。按照在挤压时金属的流动方向与挤压杆的运动方向的关系,挤压主要分为正向挤压和反向挤压两种。按照挤压时挤压制品的断面形状,挤压可以分为空心制品(空心型材和管材)

17、 的挤压和实心制品(实心型材和棒材) 的挤压。根据挤压时锭坯的温度,可分为热挤压、冷挤压两种。有色金属主要包括轻有色金属、重有色金属和稀有金属3大类,有色金属挤压也可按此分类。轻金属挤压制品主要有铝、镁、钛等的挤压品,其中铝及铝合金型、管材的挤压占绝大多数。重有色金属主要包括铜、镍、钨、钼、铅、锌等及其合金的挤压,其中前者产量最大。近几年对镁合金的挤压研究较多,许多研究者都通过挤压变形得到了细小的镁合金组织和较好的力学性能。黄光胜9 等在研究AZ31 镁合金挤压工艺时发现在挤压过程中均发生了动态再结晶,组织以绝热剪切条纹和细小的再结晶等轴晶为基本特征,呈现出良好的力学性能, 其抗拉强度为275

18、285 N/mm2 ,屈服强度为220225 N/ mm2 ,伸长率为15 %17 %。华北工学院的李保成等人10 利用铸态坯料也研究AZ31 镁合金等温变形后的组织与性能,发现在等温挤压过程中,随着变形量的增大,抗拉强度增加,但变形量达到一定值时下降。在相同的变形量下,挤压温度为210 时强度增加最多,变形量为80 % ,b 达到305 MPa 。通过挤压变形,晶粒得到细化,其尺寸由铸态的100m 减小到5m。重庆大学的汪凌云11 等人研究表明再结晶晶粒大小不仅与温度有关,还与应变速率有关。应变速率增高,变形过程中产生的位错来不及抵消,增加了再结晶形核位置,即位错的增加是晶粒细化的原因。3.

19、5.2 轧制细化轧制过程除使轧件获得一定形状和尺寸之外,还必须使轧件具有一定的组织和性能。温度是金属轧制过程中重要的工艺参数,轧制温度偏低,高的应力集中可导致切变断裂;轧制温度偏高,晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大。轧制温度应保证合金具有最大的塑性而不使其发生碎裂。通过控制轧制快速冷却( TMCP) 处理低碳钢,得到约5m 的细小晶粒。TMCP 工艺由再结晶区轧制、未再结晶区轧制、(+) 二相区轧制和加速冷却4 个阶段组成12 。图1 所示TMCP 各阶段是将晶粒细化法巧妙地组合在一起,即在第一阶段(再结晶区轧制) ,粗大的初始晶粒经反复轧制,再结晶细化;第二阶段(未再结晶区轧制)获得含位错和

20、形变带的加工硬化状态组织;第四阶段通过加速冷却,使相变在尽可能低的温度下进行。其中,能最有效细化晶粒的方法是在第二阶段的900950 轧制,以获得加工硬化的组织。TMCP 在热轧状态也能获得细小的晶粒,然而,最小的晶粒直径也在5m 左右。图1 低碳钢TMCP( 控轧、加速冷却)四个阶段及各阶段的组织为了获取超细晶,发展了新TMCP 法。以往的TMCP 法的要点是由加工硬化相(在900950轧制) 发生相变及加速冷却,而新TMCP 法技术关键则是低温大变形量。每道50 %的大压下量在500700 低温区进行,由于存在变形抗力增大问题,这是一个以往TMCP 法几乎无法进行的尚未开拓的领域。刘长瑞等

21、人 11 研究了AZ31 镁合金板材在常温下的塑性变形行为,通过挤压-轧制方法获得了晶粒尺寸5.2 m 的镁板。研究结果表明:随着冷轧变形量的增加,晶粒尺寸减小;反之,晶粒的细化也可以使冷变形程度增加,两者存在相互依赖关系。同时发现小变形量、多道次冷轧可以提高板材两次退火间的总变形程度。杨平等人12 研究了利用道次间退火改善AZ31 镁合金的成形性,在变形速率0.01/s 的实验条件下,确定合理的终轧温度为180260,并获得了晶粒尺寸为6.9m 的AZ31 镁合金。3.5.3 锻造细化 影响产品韧性的重要因素之一是材料内部的微观组织结构。当成分确定之后,在生产过程中,锻造是能够有效细化晶粒的

22、重要途径。充分利用锻造高温形变的再结晶软化机制,利用合适的变形温度、均匀的变形分布以及其它热力学参数,可以获得满足产品性能要求的均匀细晶。王淑云13 等将Ti-47Al-2Cr-1Nb 经两次等温锻造和退火处理,使显微组织显著细化,得到晶粒尺寸为1520m 的细小、均匀的组织。将707514 合金经多向反复热锻后可使7075 铝合金的晶粒尺寸细化到12m ,由于晶粒的细化,锻件的力学性能有很大提高。退火状态,其室温强度的增幅较大;淬火时效状态,塑韧性的提高十分显著,在保持较高强度的情况下,室温拉伸伸长率高于标准规定值的2 倍,接近退火态水平。Xing J 等15 利用逐步降温多向锻造(mult

23、i2direction forging ,MDF) 技术,在3 ×10 - 3s - 1的应变速率条件下,锻造温度从350 逐步降低到150 ,使晶粒细化到了230 nm ,得到了组织均匀的高性能AZ31 镁合金。3.5.4 等径角挤压法( ECAE / ECAP) 近来,采用等径角挤压法( Equal2Channel Angular Ext ru2sion / Pressing ,简称ECAE / ECAP) 技术制备超细晶材料已成为材料领域的一个研究热点,被认为是细化常规材料至亚微米级甚至纳米级最具有工业化应用前景的技术之一。等径角挤压方法使用一种圆角的L 形挤压器(图2) ,

24、挤压时原料旋转90°,将产生很大的切变, 亚晶粒很快转变一系列大角度晶粒,从而获得微细的晶粒组织。ECAP 采用塑性变形的方法, 变形前后试样的形状和尺寸基本不变。因此可以进行多道次的挤压, 利用加工过程中剪切变形和加工硬化, 从而在不改变材料成分和形状的条件下, 利用加工过程中存在的加工硬化、动态回复以及动态再结晶来控制材料微观组织的形成和发展, 达到细化晶粒提高材料性能的目的 16 。4 结束语金属材料作为支撑国民生活富裕及安全的基础结构材料而大量使用。作为金属结构材料主流的钢铁材料的生产消耗了大量的资源以及能源，但是从地球环境的观点出发，迫切需要开发能有效利用有限的资源、能源，

25、降低 CO2 排放量以控制地球温室效应等的技术。另外，随着材料使用方法的多样化，对材料特性的要求也日益严格，迫切需要与之相对的措施。因此，利用现代科学技术开发出高质量和高性能的钢铁材料将具有重大的现实意义。近年来 ,金属细化的研究呈迅速发展趋势 ,通过晶粒细化等方法改善金属的性能对金属的发展至关重要。目前 ,晶粒细化的研究已得到了很大发展 ,但研究过程中尚有认识不明的机理。化学孕育剂法或变质法简便易行 ,在实际生产中应用最广泛。但是金属凝固组织的变质细化行为对化学成分十分敏感 , 对一种合金有效的元素对另一种合金可能全无效果 , 有必要针对具体的合金来寻找适当的孕育剂（细化剂）,同时以往的研究

26、大都是定性的研究 ,对合金元素细化晶粒机理的研究涉及较少 , 有必要对其作用规律和机理两方面进行综合分析。快速冷却和加强液体流动（机械物理细化）方法是传统的细化方法 ,有一定的生产应用价值。传统的塑性变形方法 ,如挤压、 轧制、 锻造等方法在晶粒细化方面已取得工业应用 ,但是还需进一步发掘其潜力。等径角挤压技术是制得细晶粒的最有希望投入实际应用的手段 ,但目前还处于实验室研究阶段或小批量应用阶段。相信随着新技术和新设备的不断出现，人们将会更有效地通过细化钢铁材料组织结构的手段，进一步提高其综合使用性能，这必将赋予钢铁材料强大的生命力。参考文献1 郭景杰,傅恒志. 合金熔体及其处理M .北京:机械工业出版社,2005. 2 王红霞,张国平. J .铸造,2