細(xì)晶強(qiáng)化工藝及其應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY材料強(qiáng)韌化（結(jié)課論文）題 目 細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理及其工藝 學(xué)生姓名 閆 旺 學(xué) 號 1 專業(yè)班級 材料加工工程 任課教師 季根順 學(xué) 院 材料科學(xué)與工程學(xué)院 日 期 2014.04.30 第 頁 細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理及其工藝材料加工工程 閆旺 1摘 要金屬是由許多組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目來表示，數(shù)目越多，晶粒越細(xì)。在下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、塑性和韌性。這是因?yàn)榧?xì)受到外力發(fā)生可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較??；此外，晶粒越細(xì)，面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋

2、的擴(kuò)展。工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒以提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。關(guān)鍵字:細(xì)晶強(qiáng)化 位錯 晶界 ABSTRACTPolycrystalline metal is composed of a plurality of grains, the grain size can be used within a number of grains per unit volume expressed as the number, the more fine grains. At room temperature, the metal fine grains have a higher strength, har

3、dness, ductility and toughness of metals coarse grain. This is because the fine grains can be plastically deformed by external force in a more dispersed crystal grains, uniform plastic deformation, the stress concentration is small; Furthermore, the finer the grain size, the larger the grain boundar

4、y area, the more tortuous the grain boundary, Vietnam is not conducive to crack. Industry will be through grain refinement to improve the strength of the material is known as fine grain strengthening.Key words：Fine grain strengthening Grain boundary dislocations一、細(xì)晶強(qiáng)化簡述通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內(nèi)

5、晶粒的數(shù)目來表示，數(shù)目越多，晶粒越細(xì)。實(shí)驗(yàn)表明，在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因?yàn)榧?xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小；此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。故工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒以提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。 細(xì)晶強(qiáng)化的關(guān)鍵在于晶界對位錯滑移的阻滯效應(yīng)。位錯在多晶體中運(yùn)動時，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一側(cè)晶粒中的滑移帶不能直接進(jìn)入第二個晶粒，而且要滿足晶界上形變的協(xié)調(diào)性，需要多個滑移系統(tǒng)同時動作。這同樣導(dǎo)致位錯不易穿過晶界，而是

6、塞積在晶界處，引起了強(qiáng)度的增高?？梢?，晶界面是位錯運(yùn)動的障礙，因而晶粒越細(xì)小，晶界越多，位錯被阻滯的地方就越多，多晶體的強(qiáng)度就越高，已經(jīng)有大量實(shí)驗(yàn)和理論的研究工作證實(shí)了這一點(diǎn)。另外，位錯在晶體中是三維分布的，位錯網(wǎng)在滑移面上的線段可以成為位錯源，在應(yīng)力的作用下，此位錯源不斷放出位錯，使晶體產(chǎn)生滑移。位錯在運(yùn)動的過程中，首先必須克服附近位錯網(wǎng)的阻礙，當(dāng)位錯移動到晶界時，又必須克服晶界的障礙，才能使變形由一個晶粒轉(zhuǎn)移到另一個晶粒上，使材料產(chǎn)生屈服。因此，材料的屈服強(qiáng)度取決于使位錯源運(yùn)動所需的力、位錯網(wǎng)給予移動位錯的阻力和晶界對位錯的阻礙大小。晶粒越細(xì)小，晶界就越多，障礙也就越大，需要加大外力才能使

7、晶體產(chǎn)生滑移。所以，晶粒越細(xì)小，材料的屈服強(qiáng)度就越大 。細(xì)化晶粒是眾多材料強(qiáng)化方法中唯一可在提高強(qiáng)度的同時提高材料塑性、韌性的強(qiáng)化方法。其提高塑性機(jī)制為：晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量。提高強(qiáng)度機(jī)制為：晶界增多，而晶界上的原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過。二、 細(xì)晶強(qiáng)化的經(jīng)典理論 一般而言，細(xì)晶試樣不但強(qiáng)度高，而且韌性也好。所以細(xì)晶強(qiáng)化成為金屬材料的一種重要強(qiáng)化方式，獲得了廣泛的應(yīng)用。在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了晶粒大小與

8、金屬強(qiáng)度的定量關(guān)系的一般表達(dá)式為： y0kd-n （1）式中，y為流變應(yīng)力，0為晶格摩擦力，d為晶粒直徑，k為與材料有關(guān)的參數(shù)，指數(shù)n常取0.5。這就是有名的Hall-Petch公式，是由Hall和Peteh兩人最先在軟鋼中針對屈服強(qiáng)度建立起來的，并且后來被證明可廣泛應(yīng)用于各種體心立方、面心立方及六方結(jié)構(gòu)金屬和合金。大量試驗(yàn)結(jié)果已證明，此關(guān)系式還可適用于整個流變范圍直至斷裂，僅常數(shù)0和k有所不同而己。Hall-Petch公式是一個很好的經(jīng)驗(yàn)公式，可以從不同的物理模型出發(fā)加以推導(dǎo)。常見的模型有以下幾種：（一）位錯塞積模型位錯運(yùn)動遇到障礙（晶界、第二相粒子以及不動位錯等），如果其向前運(yùn)動的力不能克

9、服障礙物的力，位錯就會停在障礙物面前，由同一個位錯源放出的其他位錯也會被阻在障礙物前，這種現(xiàn)象稱為位錯塞積。緊挨障礙物的那個位錯就被稱為領(lǐng)頭位錯或領(lǐng)先位錯，塞積的位錯數(shù)目越多，領(lǐng)頭位錯對障礙物的作用力就越大，達(dá)到一定程度時，就會引起鄰近晶粒的位錯源開動，進(jìn)而發(fā)生塑性變形或萌生裂紋。如圖1 所示，外加切應(yīng)力較小時，由于晶界的阻礙作用，會使晶粒1內(nèi)由位錯源S1放出的位錯形成位錯塞積,可在晶粒2內(nèi)距其r遠(yuǎn)處產(chǎn)生較大的切應(yīng)力，其值在rd/2時可寫為 。此處0為位錯在晶內(nèi)運(yùn)動所受阻力，d為晶粒直徑。若設(shè)*為激活位于晶粒2中r處的位錯源所需的臨界切應(yīng)力，則晶粒2的屈服條件可寫為: (2) 即 (3)當(dāng)dr

10、時，可將上式簡化為: (4)由此可得: (5)若將拉伸屈服強(qiáng)度y以my表示，則： (6) 即 (7)在(6)式中，m為一同有效滑移系數(shù)量有關(guān)的取向因子。有效滑移系越多，m值越小。在滑移系數(shù)量任意多時，取m=2；對有12個滑移系的立方晶體取m=31.圖1 位錯塞積引起相鄰晶粒中位錯源開動示意圖（二）晶界“坎”模型4采用上述模型推導(dǎo)Hall-Petch公式的前提是承認(rèn)在晶體中存在位錯塞積。然而，這一點(diǎn)至少對-Fe來說尚有爭議。至今在-Fe中，只在少數(shù)情況下才觀察到晶界前的不規(guī)則的位錯塞積群,而多數(shù)情況為不規(guī)則的位錯纏結(jié)。為了克服這一困難，James Li提出一種不需要位錯塞積的模型。他認(rèn)為晶界上的

11、“坎”可以當(dāng)作位錯的“施主”而放出位錯，其機(jī)制示于圖2。由此可將流變應(yīng)力視為位錯運(yùn)動克服林位錯的阻力，并進(jìn)而求得如下的Hall-Perch公式： (8)(8)式中，S為“坎”的密度(單位長度晶界上的“坎”的個數(shù))，為與位錯分布有關(guān)的實(shí)驗(yàn)待定常數(shù)(約為04)。圖2 晶界中的“坎”發(fā)射示意圖 （三） 晶界區(qū)硬化模型實(shí)際上，晶界“坎”模型是著眼于晶界發(fā)射位錯而構(gòu)成林位錯加工硬化機(jī)制，若僅考慮晶界附近區(qū)域的次滑移和加工硬化效應(yīng)，還可以對Hall-Petch公式作如下推導(dǎo)：設(shè)想在流變條件下，晶界的影響是在晶粒內(nèi)造成一定寬度(d/2)的硬化區(qū)，如圖3所示。晶粒的強(qiáng)度要由晶界附近硬區(qū)強(qiáng)度H和心部軟區(qū)強(qiáng)度S綜

12、合決定，即: （9） 又因： （10） 若略去b2，則將上式代入(9)式整理后得： （11）因式中H、S均為與材料有關(guān)的常數(shù)，故可改用下式表達(dá)： （12）因(12)式和(8)式的主要差別是指數(shù)不同，故對Hall-Petch公式的一般表達(dá)式為(1)。指數(shù)n可介于045與11之間，即045<n<1。圖3 晶界區(qū)硬化模型示意圖可見Hall-Perch公式雖是一個可靠的經(jīng)驗(yàn)公式，可從不同的物理模型加以推導(dǎo)，但確切的物理模型尚難于最后確定。欲利用Hall-Petch公式得出屈服、流變或斷裂的微觀結(jié)論時，需要謹(jǐn)慎對待。（四） 反常Hall-Petch關(guān)系 在傳統(tǒng)的租晶材料中，其硬度和屈服應(yīng)力隨

13、著晶粒尺d的降低而升高，即通常所說的Hall-Petch效應(yīng)。但在納米晶粒材料中這種效應(yīng)可能會受到抑制甚至出現(xiàn)相反的變化趨勢。通常粗晶材料的塑性變形主要是通過位錯的運(yùn)動和相互作用完成的而以上模擬表明納米晶粒的變形主要是通過晶界滑移和位錯運(yùn)動其同主導(dǎo)的，隨著構(gòu)成材料的晶粒的尺寸逐漸減小，片變形機(jī)理從位錯運(yùn)動向基于晶粒邊界滑移的方式轉(zhuǎn)變。而粗晶材料中晶粒邊界通常是作為位錯核的接收器，其阻止位錯的運(yùn)動，從而提高材料的硬度和屈服應(yīng)力等。而在納米材料中，晶粒邊界成為了位錯成核和原干滑移的源頭，從而起到促進(jìn)塑性變形的作用。這使得Hall-Petch效應(yīng)隨著晶粒尺寸的減小而失效甚至出現(xiàn)相反的變化趨勢三、細(xì)晶

14、強(qiáng)化的方法（一）細(xì)晶強(qiáng)化的方法： 1.提高過冷度，單位體積中的晶粒數(shù)Zv=0.9(N/G)3/4，N表示單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目，即性和率。G表示單位時間內(nèi)晶核生長的長度，即長大速度。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。 2.變質(zhì)處理，外來雜質(zhì)能增加金屬的形核率或阻礙晶核的長大。在澆注前向液態(tài)金屬中加入某些難容的固體顆粒，會顯著的增加晶核數(shù)量，使晶粒細(xì)化。如：Al、Ti、Nb、V等元素在鋼中形成強(qiáng)碳化物或氮化物，形成彌散的分布顆粒來阻止晶粒的長大。四、細(xì)晶強(qiáng)化工藝（一）熔煉合金化細(xì)化1、微合金化微合金化技術(shù)較為成熟,應(yīng)用廣泛。如含Nb鐵素體鋼,當(dāng)Nb含量由0.1%增加到0

15、.5%時,晶粒由40m細(xì)化到1m,屈服強(qiáng)度由150230MPa提高到600650MPa,并有望達(dá)到800MPa。目前可供實(shí)行微合金化的元素主要有Al、Sc、Ti、V、Y、Zr、Nb、Ce、La等,添加量為0.1%0.5%。其作用機(jī)理為:(1)微合金元素在金屬熔煉中處于晶粒成長的前沿,有助于加大前沿金屬的過冷度,提高一次成核率,增加均質(zhì)成核數(shù)量,使金屬晶粒細(xì)化。(2)微合金元素一般化學(xué)性質(zhì)活潑,與O、N及金屬元素形成化合物,聚集在晶界上,成為彌散強(qiáng)化相,阻止晶粒繼續(xù)長大。(3)彌散分布的微合金元素化合物,在金屬塑性變形時,根據(jù)奧羅萬機(jī)制,阻止金屬晶界滑移,強(qiáng)化金屬本體。如,AgCe0.5是應(yīng)用普

16、遍的電接觸材料,Ce的作用不僅可強(qiáng)化和韌化Ag基體(包括Ag基合金),而且對提高抗電蝕、改善電接觸性能有特殊功效。Ce的這種特性在早年研發(fā)的WCe電極材料中,在改善起弧特性、提高抗電弧燒損方面得到應(yīng)用。劉生發(fā)犤2犦等研究了Ce對鎂合金組織細(xì)化的影響。2、納米細(xì)晶強(qiáng)化納米細(xì)晶強(qiáng)化技術(shù)在貴金屬器具中的應(yīng)用成效卓著,如,Ti_Pt(Al2O3增強(qiáng)),ZGS_Pt(ZrO2增強(qiáng)),ODS_Pt(Y2O3增強(qiáng))及重慶川儀一廠的CYQ_Pt(ZrO2、Y2O3復(fù)合增強(qiáng))及PtRh合金?？晒?jié)約貴金屬用量,提高使用壽命,經(jīng)濟(jì)效益顯著。納米彌散強(qiáng)化的制備工藝有粉末冶金法和合金內(nèi)氧化法。蔣麗娟等用粉末冶金法制得的

17、納米細(xì)晶強(qiáng)化鉑,ZrO2顆粒小于7nm,ZrO2的含量為0.6%1.0%。室溫下材料的屈服強(qiáng)度400MPa,1400高溫下的屈服強(qiáng)度15MPa。內(nèi)氧化法目前已普遍應(yīng)用,適于批量生產(chǎn)。納米細(xì)晶強(qiáng)化相多為高熔點(diǎn)化合物,如Al2O3、ZrO2、Y2O3、WC、SiC、Ta2O5等。由于納米細(xì)晶強(qiáng)化相極度分散,在金屬基體中起到“釘扎作用”,強(qiáng)化金屬基體的作用相當(dāng)明顯,尤其在高溫工作條件下,彌散強(qiáng)化相穩(wěn)定,其強(qiáng)化效果更加顯著。當(dāng)強(qiáng)化相含量為0.1%0.5%時,不會對基體的本質(zhì)特性帶來影響,有時還會增強(qiáng)材料的高溫抗蝕性。納米細(xì)晶強(qiáng)化工藝技術(shù)在其他金屬材料中也有應(yīng)用,如W_Al2、Cu_Al2、Cu_Cr_Zr_Y等。五、結(jié)束語結(jié)晶組織的細(xì)化是金屬材料加工的基礎(chǔ),由此不僅能夠改善其加工性能,而且為后序加工工藝，張力退火、過程中進(jìn)一步控制材料的晶體形狀和晶粒大小提供了有利條件,有助于通過工藝技術(shù)的不斷完善進(jìn)一步發(fā)掘金屬材料的應(yīng)用潛能,更好地服務(wù)于電子元器件制造業(yè)。參考文獻(xiàn)1 E.O. Hall, Proc. Phys, Soc., 64B(1951),747.2 N. J. Petch, J. Iron Steel Inst., 174(1953),25.3 A. H. Cot