细晶强化
细晶强化的机理及其应用
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 材料强化与质量评定细晶强化的机理及其应用Fine-grain strengthening mechanism andits application学院名称：机械工程学院专业班级：机械1402学生姓名：XX指导教师姓名：XX指导教师职称：副教授2015年8 月细晶强化的机理及其应用摘要：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目来表示，数目越多，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[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Fine-grain strengthening mechanism and itsapplicationAbstract: polycrystal metal is usually composed of many grain, grain size can be used to represent the number of grain per unit volume, the more the number, grain is fine. Experiments show that the fine grained metal at room temperature than coarse grain metal has higher strength, hardness, plasticity and toughness . Therefore, in the practical use, people often use fine-grain strengthening method to increase mechanical properties of the metal.Keywords:definition, fine-grain strengthening mechanism, refining grain essence new methods and ways, fine-grain strengthening1引言通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化[2]。
4第4章纯金属的结晶与细晶强化1
• 2.柱状晶区：稳定的凝固壳 层一旦形成，柱状晶就直接 由表面细等轴晶凝固层某些 晶粒为基底向内生长，发展
成由外向内生长的柱状晶区。
枝晶主干取向与热流方向平
行的枝晶生长迅速 。
铸
型
液 态 金 属
柱状晶生长过程的动态演示
• 3.中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散 热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液
变质处理前
变质处理使组织 细化。变质剂为 硅铁或硅钙合金。
变质处理后
• 3.振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或 搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核， 另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目 显著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)
素偏聚于最终结晶区，造
成宏观上的成分不均匀，
称宏观偏析。适当控制浇
注温度和结晶速度可减轻 宏观偏析。
硫在钢锭中偏析的模拟结果
• ⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成 的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡. 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气 孔需要切除。铸件中出现气
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
4.2
4.2.1
冷却曲线与过冷度
冷却曲线
热分析法
1.过冷现象和过冷度
温 度 Tm
雾 凇
理论冷却曲线
Tn
实际冷却曲线
过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling
纯金属的冷却曲线
时间
ΔT = Tm – Tn
过冷是结晶的必要条件
细晶强化
定义：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。
原理：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目来表示，数目越多，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。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
霍尔-配奇关系式：
σy代表了材料的屈服极限，是材料发生0.2%变形时的屈服应力σ0.2通常可以用显微硬度Hv来表示
σ0表示移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力
Ky一个常数与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关
d平均晶粒直径
细化晶粒的方法：
1，控制过冷度
形核率与长大速度都增加，但两者的增加速度不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。
2. 动态晶粒细化
动态晶粒细化就是对凝固的金属进行振动和搅动。
一方面依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面使成长中的枝晶破碎，增加晶核数目。
3.变质处理
4其他。
比较形变强化,细晶强化,合金强化,热处理强化的异同点。
比较形变强化，细晶强化，合金强化，热处理强化的异同点。
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工程材料第4章 纯金属的结晶与细晶强化
⑵ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区 前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热， 使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。
⑶中心等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断
减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至熔点以
下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大 的等轴晶粒。
Tn G 自 由 能 ΔG = GS – GL < 0
ΔT
GS GL Tm
图4-4 液相和固相自由能随温 度变化示意图
§4.3 纯金属的结晶过程
结晶由形核和长大两个基本过程组成. 一、 形核
当液态金属过冷至实际结晶温度 后，经过一段孕育期，在液态金 属内部开始出现微小的固态颗粒， 称之为晶胚。当晶胚达到某一临 界尺寸后，就成为可以稳定存在 并自发长大的晶核。这一过程称 为形核。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
上节要点
1.结晶：物质由液态转变为晶态的过程 2.纯金属结晶的宏观现象
1）过冷 冷速越大，过冷度T 越大 2）恒温 结晶潜热的释放弥补了向外界损失的热量
温 度 G 自 由 能
ΔG = GS – GL < 0
ΔT
Tn Tm
GS
GL
图4-4 液相和固相自由能随温 度变化示意图 Tm Tn
s= 0+Kd-1/2
晶粒大小与金属强度的关系
多晶铁的拉伸变形
室温
高温
二、 晶粒度及其影响因素
晶粒度：表示晶粒大小的尺度。工业生产上采用晶粒度等 级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分为8级
钢的标准晶粒度级别图
单位体积中的晶粒数 ZV 0.9
细晶强化的方法
细晶强化的方法
1.机械加工：机械加工可以通过削切、拉伸、滚压等方式改变材料晶粒大小和分布。
通常情况下，机械加工会使材料的晶粒细化并且均匀分布，从而提高强度和耐磨性。
2. 热处理：热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程来改变其晶粒大小和分布的方法。
通常情况下，高温处理可以促进材料晶粒的长大，而快速冷却可以使晶粒细化。
通过热处理，可以使材料的晶粒大小和分布满足特定的要求，从而提高材料的强度和耐磨性。
3. 喷涂：喷涂是一种通过将微米级或纳米级的粉末喷涂到材料表面来改善其力学性能和耐磨性的方法。
喷涂粉末可以包括金属、陶瓷、聚合物等材料。
通过喷涂，可以在材料表面形成一个厚度很小的涂层，从而提高材料的抗腐蚀能力、耐磨性和硬度等。
4. 化学方法：化学方法包括溶胶-凝胶法、电沉积法、热氧化法等。
这些方法通过控制材料的制备过程来改变其晶粒大小和分布。
通常情况下，这些方法能够制备出具有高密度和均匀分布晶粒的材料，从而提高材料的强度和耐磨性。
总之，细晶强化是一种有效的方法，可以显著提高材料的强度和耐磨性。
不同的细晶强化方法应根据具体情况进行选择。
- 1 -。
细晶强化的名词解释
细晶强化的名词解释细晶强化（Fine grain strengthening），顾名思义，是指通过控制金属的晶粒尺寸来增强材料的力学性能。
晶粒尺寸是金属材料的一个内在特征，它取决于材料的组织结构以及其经历的热处理过程。
通过制定适当的工艺和选择合适的合金元素，可以改变晶粒尺寸，从而实现对材料性能的调控和提升。
细晶强化是金属材料领域的一项重要研究方向，它可以提供更强硬、更韧性、更耐磨损的材料。
在实际应用中，细晶强化广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域，提升材料的性能，满足工程的高要求。
细晶强化的基本原理是通过减小晶粒尺寸来提高材料的韧性。
晶粒尺寸的减小会导致晶界的增多，晶界对位错的传递具有阻碍作用，从而提高了材料的屈服强度和硬度。
此外，细晶晶界的内部能储存和吸收位错运动的能力较好，有助于提高材料的塑性，提高断裂韧度。
细晶强化的方法主要包括机械变形、热处理和合金设计。
机械变形是最常用的方法之一，通过压缩、拉伸和滚轧等加工方式，可以使材料的晶粒尺寸减小。
热处理是通过控制材料的热处理温度和时间来影响晶粒尺寸的变化。
合金设计是指通过添加合金元素来调控材料的晶粒尺寸，例如添加微量的稀土元素可以有效地限制晶粒的长大。
细晶强化不仅可以提高金属材料的力学性能，还可以改善其耐腐蚀性能和耐疲劳性能。
由于细晶材料的晶界比较密集，晶界的扩散速率较低，因此具有较好的耐腐蚀性能。
同时，细晶材料断裂韧度高，能够有效抵抗疲劳裂纹的扩展，从而提高材料的疲劳寿命。
然而，细晶强化也存在一些问题和挑战。
首先，细晶材料的各向同性较差，其机械性能的方差比较大。
此外，细晶材料的热稳定性也较低，易于发生再结晶和晶粒长大。
因此，在实际应用中，需要综合考虑材料的强度、韧性和稳定性，选择合适的细晶强化方法和工艺参数。
细晶强化作为一种先进的材料加工技术，对于推动金属材料的发展和应用具有重要意义。
它不仅可以提供更高性能的材料，还可以降低材料的成本和重量，实现可持续发展的目标。
五大细晶强化
金属强化机制一．固溶强化通过溶入某种溶质元素形成固溶体（固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构）而使金属强度硬度提高的现象称为固溶强化。
分为间隙固溶强化（尺寸比较小的间隙原子引起的强化如：Fe 与 C ，N ，O ，H 形成间隙固溶体）和置换固溶强化（尺寸比较大的置换原子引起的强化如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体）。
1.固溶强化机制：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。
由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错（弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与溶质间形成偶极子（电学交互作用）。
这些现象都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。
2.固溶强化的规律：（1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好（2）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加而增大（3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。
但对韧性、塑性的削弱也很显著，而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。
（4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。
3. 实例: 纯Cu 中加入19%的Ni ，可使合金的强度由220MPa 提高到380~400MPa ，硬度由44HBS 升高到70HBS ，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。
若按其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。
二. 细晶强化金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化，主要分为晶界强化和亚晶界强化两大类。
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图1
图2
②变质处理
外来杂质能增加金属的形核率或阻碍晶核的 长大。在浇注前向液态金属中加入某些难 熔的固体颗粒，会显著的增加晶核数量， 使晶粒细化。
Al、Ti、Nb、V等元素在钢种形成强碳化物 或氮化物，形成弥散的分布颗粒来阻止晶 粒的长大。
③在浇注和结晶过程中实施搅拌和震动，也
可以细化晶粒。搅拌和震动能向液体中输 入额外的能量以提供形核功；另外，还可 以使结晶的枝晶破碎，增加晶核的数量。
④热处理细化晶粒
一旦形成了粗晶粒，只要晶界上没有很多 难熔析出物，通过一次或多次奥氏体化， 总可以使晶粒细化。
Thank铸件晶粒的途径
1 细晶强化机制
提高塑性机制：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 集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂 之前承受较大的变形量。
提高强度机制：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。
但是晶粒具有长大的趋势，因为晶粒越大，单位 体积的晶粒就越少，即晶界的面积就越小，因而 界面能或整个系统的自由能越低。
晶粒长大示意图
2细化晶粒的途径
细化铸件的晶粒的基本途径是形成足够多的晶 核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成 结晶过程。
①提高过冷度
金属结晶时的形核率N，线长大速度G和 过冷度△T的关系如图1。