晶粒细化的现状和未来

1、钢铁组织控 制的现状与展望及 存在的 问题晶粒 细化法 的现 状与 未来 晶粒微细化是结构 材料提高各 项力学性 能的基础 。作为获得 超微细晶粒的方法 , 近年 来, 快速凝固 、机械合金化、超微粒烧结、非晶 态结晶 等新方法正在积极研究之中 。这些 都 以毫微米 尺度的晶粒为研究对象 , 蕴 藏着出 现新功能的可 能 比 给人 以极大的诱惑 。但制 品的大小 、形状受到很大限制 。 对于大 型材料 而言, 今后还必须通过热处理 、加工热处理达 到晶粒微细化的 目 的。 要通过相变和再结晶细化晶粒 , 关键是 要尽可能多地产生结晶晶核 。为此应增加形 核部位的密度和增大形核驱 动力。例如3

2、为了 使低碳钢从奥氏体向铁 素体转变时的铁素 体 晶粒细化有 四 种途径 。152 尽可 能加大冷却速 度6 17 2 尽可能地细化奥氏体晶粒 6 182 使处于 加工硬化状态的奥氏体发生相变 6 192 在奥氏 体晶粒内有适当的夹杂物和析出物 分散 分 布。其中 第182 项奥氏 体加工 硬化是细化 铁素 体晶粒最 有效 的方法 。具 有代 表性的加 工热 处理即控 制轧制十块 速冷却法1# : ! ; 2 是 在热轧工 艺中巧妙地 采 用了上述方法 中 的 15 2 1 7 2 18 2 项 。利用奥 氏 体晶内的夹杂物和析出物作为 铁素体的成核部 位的方 法192 现在还没怎 么 采用,

3、 但今后可能会 成为重要的组织细化手 段。 作为替代目前 厚板坯连铸 < 热轧流程的 新工艺, 即从钢水直接制成薄 板的方法近年 来很受重视 , 对这 种薄的连铸板坯不可能实 施大的热轧压下 量, 因此现行的# : ! ; 工艺 中最基 本的也是最重要的组织细化手段 17 2182 项在 薄板坯连轧工艺中几乎用不上。1?2 182 项组织 微细化技术正最大限度 地应用于# : ! ; 工艺中, 其细化原理也 已基 本明确 。 有关方法 19 2的微细化 原 理还有一些 不明之点4 还没有作为组织细 化技术最终确定下 来。这个方法不 仅对薄 板连 铸, 而且 对大 线能量焊接热影响区 中

4、铁 素体晶粒 细化 也是 有效的 。这项技术的确 立对钢 铁材 料的高性 能化和新工艺的开发 将会有大的贡献 。要让 原来作为不利因 素 的夹杂物积极地用于组织 控制并使材料的性能得 以提高, 这真是一 件 十分有趣的事情同样, 探讨一种方法, 使凝固时必然产生的 合金元 素的偏析积极地用于 组织控制不也是 十分有意义的吗 =7 追求 晶 粒细化的极限经过 以相 变和再结晶为基础的热处理武钢技术1还有加工热处 理2得到的最细的晶粒目 前大 概为5 拼 左右。据藤田广志预测 , 当晶粒尺 寸达 到 ?拜 时, 就可以获 得不发生应力 集 中、变形均匀和 接近 理想强度的材料 。所以, 将把获 得

5、? 拼 晶 粒 尺寸 作为结构材料组织控 制上的一大目标 。当利用形核 、成长过程 获得细化的晶 粒时, 临界晶核 大 小就成为晶 粒细化极限的一个 大致的 目标 。临界晶核大小是 驱动力的 函数, 驱动力越 大临界晶核尺 寸越小。通常相变 比再结晶具有更大的驱动 力1例如3 从奥氏体中形成先共 析铁素体晶核的驱动力为数！ ？5 A B5 6再结晶时为几个! ?5 A B5 2，相变时可获得的临界晶核尺寸在?拜 以下, 而再结晶时通常达 到?拜 左 右也就是说 , 从本质上 讲 相变 细化晶粒的能 力比 再结晶强 。但是要获得 ? 拼 > 左右的超 微细晶粒单靠相变还不 行, 还必须尽可

6、能地 加大过冷 度产生大的成核驱动力 并且通过 加工变形使母相中形成大量位错 , 以便尽可 能多地提供优 先成 核位置。再者, 即使获得了 超微细晶粒随之 又急速长 大的话也毫无意 义, 抑制晶粒长大也 十分关键。然而晶粒 尺寸 越小其晶粒长大速 度越 大, 这一点使得抑 制 超微细晶粒长大很困 难 。所 以有必要最大限 度地利用微细析出物的钉扎作用 。 想通过相 变获 得超 微细晶粒还有一个问 题, 这就是新生相与母相间结晶位向的 等效 结晶方位的问题 。以往我们一贯认为不同晶 核各自 具有不同的结晶方向 1等效结晶方 位2 , 一个晶核长成一个晶粒 。然而如 果相变 晶核具有相同等效结晶方

7、位 1结晶方位相同 2 的话, 即使生成了大量微细晶核 , 也会成长合 并并形成亚晶界 4 这些亚晶粒 集 团就变成了 一个大晶粒 , 得不到微细晶粒 , 实际上在晶界 和位错等晶格缺 陷上成核时它们的等效结晶 方位非常受限制只在有限的几个 等效结晶 方位成核 。因此, 在超微细组织 中亚晶粒出现 的频度增大 , 往往把它们误认 为是超微细晶 粒 , 这 一点值得 注意。过去等效结 晶方 泣 只是 从织构的观 点受到重视, 而对于要获得超微细组织的情形来说 , 在晶格 缺陷 上成核的新 相的等效结 晶方位的选择性 及其 控制4也是 组织控 制中 的重要间 题。8 控制凝固组织 的重 要性 薄板

8、坯连铸和薄带坯连铸是目前人们普 遍关注的 新工 艺。而从组织控制 、材 质控制的 角度来看 , 还存在以下几个大的问题3 1? 2 它 的最初组织, 即凝固组织是粗大 的结晶咬有时 是柱状晶2 6 172 由于凝固后的冷却速度比较 大, 合金元 素的固溶析出行为与常 规连铸坯 有大的差异 6 182 热轧时的总压下率 比正常连 铸坯小。一般晶粒越大使 其发 生再结晶所必 须的临界压下 率越大, 而且再结晶速度也慢 。 所以,薄板坯连铸后不再加热而直接热车 X时 因其具有难以发生再结晶的初始组织 再加 上受到热轧总压下 率小的 限制, 根本不可能 象常规 连铸坯那样通过再结晶细化组织 。为 了细 化奥氏体晶粒就要使 铸造组织细化 4 或者反 复利 用奥氏 体一 铁素体 、奥氏体相变来 实现。虽然加热、冷却的热循环 已尽可能地朝 简化的工艺发展 , 但到目前为止如