细晶强化的理论及发展

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1、细晶强化的理论及发展黄一聪（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院阜新123000}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口来表示，数口越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属省更高的强度、硬度、塑形和韧性［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、位错。0前言：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n来表示，数n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w为细品粒受

2、到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒A进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，品粒越细,品界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化品粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动吋，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，也增大了晶界附近的滑移阻力，w而一侧品粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且耍满足晶界上形变的协调性，需耍多个滑移系统同吋动作。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起了强度的增高。可见，晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度

3、就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实了这一点。另外，位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源，在应力的作用下，此位错源不断放出位错，使品体产生滑移。位错在运动的过程中,首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，乂必须克服晶界的障碍,冰能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此，材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和品界对位错的阻碍大小。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大外力冰能使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大。细化晶粒是众多材料强化方法中唯一町在提高强度的同吋提高材料塑性、

4、韧性的强化方法。M:提高塑性机制为：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数□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，因应力集屮引起的开裂机会较少，冇可能在断裂之前承受较大的变形量。提高强度机制>j：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。[2]1细晶强化的理论与发展1.1细晶强化的机理细品强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动吋，由于品界W侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原了较多，也增大了品界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒屮的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个

5、滑移系统同吋动作。这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在品界处，引起了强度的培高。可见，品界面是位错运动的障碍，因而品粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多品体的强度就越高，已经有大量实验和理论的研究工作证实丫这一点另外，位错在晶体屮是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源，在应力的作用下，此位错源不断放出位错，使晶体产生滑移。位错在运动的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须兑服晶界的障碍，才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此，材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错的阻碍大小。晶

6、粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大外力才能使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大。细化晶粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料塑性、韧性的强化方法。其提高塑性机制为：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不，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个品粒中塞积的位错少，因应力集屮引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形景。提高强度机制为：品界增多，而品界上的原了排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，限碍位错的通过。晶粒细化是钢最主要的强化方式之一，同吋，它也是使钢铁材料韧性大幅度提高的最重要的韧化晶方式。晶界W边的晶粒的

7、取向完全不同且完全无规，晶界是原子排列相当紊乱的地区。因此，当塑性变形和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大,穿过晶界就比较困难另外，穿过晶界I;•滑移方h'd和裂纹扩展又需改变。因此,和晶内的变形及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很大的能量。故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高。材料的晶粒越细，晶界面积就越大,材料的强度和韧性就越高。2细晶强化的机制2.1晶界强化一般而