金属材料中纳米细化技术
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]。
金属凝固组织的细化方法和机理-脉冲电场
To find the best match to improve the refining efficiency.
I
II
III
IV
1— pulse generator; 2— digital oscillograph; 3 — copper strip; 4 — electrodes; 5 — sand mould; 6— sample.
熔融金属仍是一个电阻率为ρe的导 体,当电流通过时,电子与原子晶格发 生碰撞,产生热能,即焦耳热效应 Q=ρej2,从而导致熔体温度变 化:T=j2ρeτ/ρc 式中ρ—熔体密度; c—比热容; τ— 通电时间
• 产生两大作用：
• （1）对凝固体系来讲,焦耳热相当于内热源,它使 熔体整体冷速下降,过冷度减小。
• Barnak等对 Sn60%-Pb40% 合金进行了施加 电脉冲实验。 • 其研究结果表明, 随着电流密度的 增加和频率的减 小，共晶团尺寸 也大幅减小。
• Barnak.J.P 等人的研究 还表明随电 流密度增加, 过冷度ΔT也 随之增加 （如右图所 示）。
• 脉冲电流对金属凝固组织的研究是从低温合金 逐渐向高温合金过渡的。早期研究中，主要集 中在Pb - Sn 合金。
With Mode IV, the region of the equiaxed grains expanded further, and there are some fine equiaxed grains even near the top surface. The highest proportion (82%) of fine equiaxed grain area was obtained in Mode IV.
纳米等离子抛光
纳米等离子抛光
纳米等离子抛光（Nanoplasmonic Plasma Polishing，简称
PLNP）是一种先进的金属表面处理技术，利用等离子体的特殊性质对工件表面进行精细化抛光。
该工艺结合了物理和化学作用，在微观层面上改变材料表面的结构和性能。
工作原理：
1.等离子生成：通过将气体（如氩气、氧气或氮气等）在特定条
件下电离形成等离子体，这是一种高能量状态，其中包含自由电子、离子、原子以及分子团簇。
2.表面反应：当等离子体与待抛光工件表面接触时，其内部的活
性粒子会与金属表面的分子层发生反应，去除表面杂质、氧化层和其他污染物质。
3.纳米级抛光：由于等离子体可以精确地作用于极薄的表层，因
此抛光深度仅限于几个纳米级别，从而实现超精密的表面处
理，大幅降低表面粗糙度至纳米级别。
4.表面改性：除了抛光之外，等离子体还可以引发表面活化、沉
积、交联等各种化学反应，进一步优化表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性等特性。
这项技术具有绿色环保、抛光效果优异、精度高等特点，适用于航空航天、微电子、光学器件、精密机械等领域中对材料表面质
量有极高要求的产品制造。
1。
细化晶粒的途径和方法
细化晶粒的途径和方法一、控制结晶过程。
1.1增加过冷度。
要想细化晶粒啊，增加过冷度可是个很有效的办法。
这就好比冬天里，水结冰的时候，如果温度降得特别快，那冰就会形成很多小晶体。
在金属结晶的时候也是这个道理。
过冷度越大，形核率就越高，同时晶粒长大的速度就相对慢了，这样就能得到细小的晶粒。
就像跑步比赛似的，起跑的人多了，但是大家又不能跑太快，那最后形成的队伍就比较小而分散，这晶粒也就细化了。
这是大自然给我们的一个小窍门，咱得好好利用起来。
1.2变质处理。
再说说变质处理。
这就像是给结晶过程请了个“管家”。
往液态金属里加入一些变质剂，这些变质剂就像一个个小“指挥官”。
比如说在铝合金里加入钠盐，钠盐就会吸附在晶核表面，阻止晶核长大，同时还能促进新的晶核产生。
这就好比一群小蚂蚁本来要聚成一个大团，结果来了些小障碍物，大团聚不成了，就分成了好多小团，晶粒也就变细了。
这变质处理可是个很巧妙的方法，很多金属材料的生产都离不开它呢。
二、采用机械振动或搅拌。
2.1机械振动。
机械振动这个方法也很有趣。
就像我们平常抖落灰尘一样，给正在结晶的金属来个振动。
这个振动可以是通过一些设备来实现的，像超声波振动设备之类的。
这种振动就像一阵“微风”，在液态金属里吹啊吹，它能把正在长大的晶粒给“吹乱”了，让它们不能舒舒服服地长大，而是分裂成好多小晶粒。
这就好比一群羊在草原上吃草，本来要聚成一大群，结果一阵风吹来，羊群就被吹散成好多小群了。
机械振动在一些小型的金属制品生产中很实用，效果也很不错。
2.2机械搅拌。
机械搅拌呢，就更直接了。
拿个搅拌器在液态金属里搅和搅和。
这一搅和啊，就把液态金属里的温度、成分都搅得更均匀了。
这样一来，晶核就有更多机会在不同的地方产生，而且长大的时候也不会太肆无忌惮。
这就好比在一个大锅里煮粥，你要是不搅拌，米就容易结成大块，但是你不停地搅拌，米就会均匀地分布在锅里，最后煮出来的粥就很细腻。
这机械搅拌虽然简单粗暴，但是对于细化晶粒那可是相当有效。
316L不锈钢表面纳米化组织与性能研究
果表明：冷轧处理后，粗糙度由婶３．５９ｍ，盼１５岬，降低为盼１．１ｐｍ，Ｒ刀岬；晶
粒尺寸进一步减小，由高速旋转丝变形后的约１２ｒｉｍ减小到约９ｒａｎ；材料基体的硬度急 剧增大，达到原基体的两倍，而塑性大幅下降，断后伸长率由９５％降低到５２％。 对轧制后的样品进行不同温度的真空退火处理，以寻找一个合适的温度区间，在消 除形变强化的基础上，保持纳米晶的稳定性。结果表明：在７７３Ｋ以下，晶粒尺寸增加 的幅度不大，可以认为表面纳米晶可以在７７３Ｋ以下稳定存在，当退火温度达到９７３Ｋ 时，晶粒尺寸由９ｒｉｍ增大到４０ｎｍ，发生显著长大；退火处理后，残余应力释放，诱发 马氏体相变，且随着处理温度的增加，马氏体量越来越多；７７３Ｋ退火１ｈ，表层显微硬 度约４００ＨＶ，基体硬度基本回复到轧制处理前的硬度。
的系统工程，可以使材料表面获得它本身没有而又希望具有的特殊性能［２１。
金属材料的表面纳米化，即在传统金属材料表面制备出一定厚度的具有纳米结构的 表面层，利用纳米金属材料的优异性能对传统金属材料进行表面结构优化，是一种提高 工程材料的综合性能并延长服役寿命的有效方法【３ｌ。表面纳米化技术可以用多种方法制 备出优于基体性能的表面纳米薄层，赋予零件耐磨损、高强度、耐腐蚀、耐疲劳和高硬 度等性能，使承担着工件重要功能的表层具有纳米材料的优异特性【４】 自１９９９年中国的卢柯与华裔学者吕坚联合提出结构材料表面纳米化的概念【５ｌ后，该
ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ，ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｗｉｃｅ ａｓ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓａｍｐｌｅ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ａｎｎｅａｌｌｅｄ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓａｍｐｌｅｓ
Al-4%Cu合金组织的纳米复合化调控与性能
第43卷 第2期2022年 2月
材 料 热 处 理 学 报
TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTVol.43 No.2
February2022
DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2021-0491
Al-4%Cu合金组织的纳米复合化调控与性能
雷晓维, 宋雁飞, 张觐韬, 史李格, 朱雨婧, 王 朝(西北工业大学物理科学与技术学院,陕西西安 710072)
摘 要:以Al-4mass%Cu合金为研究对象,在熔炼过程中分别加入B4C和TiO2纳米粒子,以期实现组织细化、力学性能和耐腐
蚀性能的调控。结果表明,B4C和TiO2纳米粒子的添加均具有细化晶粒作用,合金的晶粒尺寸由毫米级减小至300~500μm,
B4C粒子对晶粒的细化作用更强。B4C和TiO2纳米粒子的加入可分别使合金的硬度提高20.4%和27.1%。添加B4C纳米粒子
的合金的耐腐蚀性能稍有提升,加入TiO2纳米粒子会降低耐腐蚀性能。点蚀主要发生于晶界和枝晶界,θ(Al2
Cu)相是诱发点蚀
的主要原因。关键词:铝铜合金; 纳米粒子; 微观组织; 腐蚀性能; 析出相中图分类号:TG146.2;TB333 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2022)02-0010-07RegulationofmicrostructureandpropertiesofAl-4%Cu
alloybyaddingnanoparticlesLEIXiao-wei, SONGYan-fei, ZHANGJin-tao, SHILi-ge, ZHUYu-jing, WANGZhao(SchoolofPhysicalScienceandTechnology,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)Abstract:TakingAl-4mass%Cualloyastheresearchobject,B4CandTiO2nanoparticleswereaddedrespectivelyinthemeltingprocessinordertorealizethemicrostructurerefinementandoptimizationofmechanicalpropertyandcorrosionresistance.TheresultsshowthattheadditionofB4CandTiO2nanoparticlescanrefinethegrains,andthegrainsizeofthealloyisreducedfrommillimeterlevelto300-500μm,andtheB4Cnanoparticleshaveastrongereffectongrainrefinement.TheadditionofB4CandTiO2nanoparticlescanincreasethehardnessofthealloyby20.4%and27.1%,respectively.ThecorrosionresistanceofthealloywithB4Cnanoparticlesadditionisslightlyimproved,andtheadditionofTiO2nanoparticleswillreducethecorrosionresistance.Pittingcorrosionmainlyoccursatthegrainboundariesanddendriticgrainboundaries,andtheθ(Al2Cu)phaseisthemaincauseofthepittingcorrosion.Keywords:Al-Cualloy;nanoparticles;microstructure;corrosionproperty;precipitates
晶粒细化的控制方法
通过采用工艺方法控制可使金属材料的晶粒细化、均匀，从而提高材料的强度、韧性和塑性，更好适应工程项目对材料的要求。
对于晶粒细化，目前的控制方法有：1、氧化物冶金技术基本原理是利用钢中形成较早、且分布均匀，氧化物作为钢中硫化物、氮化物和碳化物等析出物的非均质形核核心，并通过控制这些析出物的位置和分布，完成对晶粒成长的控制，然后利用钢中的复合夹杂物来诱导晶内针状铁素体形核来细化材料的组织。
该方法的关键是如何在钢中获得细小的夹杂物。
首先，必须提高钢液的纯净度，并且去除钢液中已生成的各种较大颗粒的非金属夹杂物;其次，为了确保获得细小的第二相粒子，以保证第二相粒子能够在固态下析出，应将各种夹杂物生成元素的浓度积控制在固相线的平衡浓度积以下。
获得第二相离子的方法有内部析出法和外部加入法。
前者利用钢中析出物作为非均质形核核心的原来来细化组织，后者通过在材质外部添加第二相粒子的方法对组织细化。
2、TMCP工艺TMCP工艺包括控制轧制工艺和轧制后的控制冷却工艺2个阶段，它主要是通过控制轧制温度和轧制后的冷却速度，以及冷却的开始温度和终止温度来控制高温奥氏体的组织形态和相变过程，目的是细化奥氏体晶粒组织，增加奥氏体的位错密度，提高铁素体的形核率来细化相变后的组织，从而达到细化组织和提高力学性能的目的。
3、HIP工艺与弛豫技术1)HIP工艺是在常规TMCP工艺的基础上发展起来的，它主要是增加钢中Nb的含量。
由于Nb除了具有阻止奥氏体再结晶和细化铁素体晶粒的作用以外，它还具有显著提高钢的再结晶和细化铁素体晶粒的作用以外，它还具有显著提高钢的再结晶终止温度和降低相变温度的作用，因此，通过HIP技术可以显著提高管线钢的终轧温度，然后配以较快的冷却速度，从而得到细小的针状铁素体组织，从而细化晶粒。
2)为了满足高级别材质高强度高韧性的同时并具有高塑性这一发展趋势，开发了弛豫技术。
这种技术的关键是将终轧后的钢板空冷一段时间，使钢板在入水前的温度降低到Ar3以下30-50℃，生成一定量的先共析铁素体，最后通过一定冷速的水冷，得到先共析铁素体和贝氏体/MA的双相组织，从而极大提高管线钢的强度、塑性及韧性。
金属强化的四种机理
金属强化的四种机理金属强化是指通过一系列的工艺和技术手段，使金属材料的力学性能得到提高的过程。
金属强化的机理可以分为四种：晶粒细化、位错增多、析出硬化和变形诱导强化。
一、晶粒细化晶粒细化是指通过控制金属材料的晶粒尺寸，使其变得更小，从而提高材料的强度和硬度。
晶粒细化的机理主要是通过加工变形来实现的。
在加工变形过程中，金属材料的晶粒会被拉伸和压缩，从而发生变形和细化。
此外，还可以通过热处理来实现晶粒细化，例如退火和等温退火等。
二、位错增多位错是指金属材料中的晶格缺陷，它们可以通过加工变形来增多。
位错增多的机理是通过加工变形使晶体中的位错密度增加，从而提高材料的强度和硬度。
位错增多还可以通过热处理来实现，例如冷变形和等温退火等。
三、析出硬化析出硬化是指通过在金属材料中形成固溶体和析出相，从而提高材料的强度和硬度。
析出硬化的机理是通过在金属材料中形成固溶体和析出相，从而限制晶体的滑移和扩散，从而提高材料的强度和硬度。
析出硬化还可以通过热处理来实现，例如固溶处理和时效处理等。
四、变形诱导强化变形诱导强化是指通过加工变形来引起金属材料中的位错和晶界移动，从而提高材料的强度和硬度。
变形诱导强化的机理是通过加工变形来引起金属材料中的位错和晶界移动，从而限制晶体的滑移和扩散，从而提高材料的强度和硬度。
变形诱导强化还可以通过热处理来实现，例如等温退火和时效处理等。
综上所述，金属强化的机理可以分为晶粒细化、位错增多、析出硬化和变形诱导强化四种。
这些机理可以通过加工变形和热处理等工艺手段来实现，从而提高金属材料的力学性能。
细化晶粒的主要方法
细化晶粒的主要方法
细化晶粒的主要方法包括以下几种：
1. 热处理：通过控制材料的加热和冷却过程，可以使晶粒尺寸变小。
例如，淬火是一种常用的热处理方法，它能够迅速冷却金属材料，从而细化晶粒。
2. 压制变形：通过对材料施加外力进行压制变形，既可以减小晶粒尺寸，又可以增加材料的强度和硬度。
常用的压制变形方法包括冷轧、热轧、挤压等。
3. 退火处理：将材料加热到一定温度后进行缓慢冷却，使晶粒重新长大，然后通过再次变形或其他方式使其再细化。
这种方法可以消除材料中的内应力，提高材料的塑性和韧性。
4. 增加杂质：适量加入一定的杂质元素可以促进晶粒的细化。
杂质元素会改变晶界的能量，从而限制晶粒生长。
5. 机械合金化：通过在制备过程中加入固溶体或亚稳相，可以阻止晶粒的长大，从而达到细化晶粒的效果。
6. 化学方法：通过在材料中引入化学添加剂或采用特定的溶液处理方法，可以控制晶粒的尺寸和形貌。
7. 温度梯度控制：通过在材料加热和冷却过程中控制温度梯度分布，可以使晶粒尺寸变小。
需要注意的是，不同材料的细化晶粒方法可能有所不同，选择合适的方法必须考虑材料的性质和工艺要求。
【初中化学】纳米金属用途简介
【初中化学】纳米金属用途简介钴(co)高密度磁记录材料：利用纳米钴粉的高记录密度、高矫顽力（高达119.4ka/M）、高信噪比和良好的抗氧化性等优点，可以大大提高磁带和大容量软硬盘的性能。
磁流体：用铁、钴、镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等。
吸波材料：金属纳米粉末对电磁波有特殊的吸收效果。
铁、钴、氧化锌粉末和碳包覆金属粉末可作为军用高性能毫米波隐身材料料、可见光--红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。
铜（Cu）金属和非金属的表面导电涂层处理：纳米铝、铜、镍粉体有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层。
此技术可应用于微电子器件的生产。
高效催化剂：采用铜及其合金纳米粉末作为催化剂，效率高，选择性强。
在二氧化碳和氢气制甲醇的反应过程中，它可用作催化剂。
导电浆料：用纳米铜粉替代贵金属粉末制备性能优越的电子浆料，可大大降低成本。
此技术可促进微电子工艺的进一步优化。
铁（FE）高性能磁记录材料：利用纳米铁粉的矫顽力高、饱和磁化强度大（可达1477km2/kg）、信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。
磁流体：由铁、钴、镍及其合金粉末制成的磁流体具有优异的性能，可广泛应用于密封和减震、医疗器械、声音调节、灯光显示等领域。
吸波材料：金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用。
铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光--红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。
导磁浆料：利用纳米铁粉的高饱和磁化强度和高磁导率特性，可制成导磁浆料，用于精细磁头等结构的粘接。
纳米导向剂：一些纳米颗粒具有磁性，以其为载体制成导向剂，可使药物在外磁场的作用下聚集于体内的局部，从而对病理位置进行高浓度的药物治疗，特别适于癌症、结核等有固定病灶的疾病。
镍（Ni）磁流体：用铁、钴、镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等。
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金属材料中纳米细化技术
随着科技的不断发展，各种材料的性能不断得到了提升。
其中，金属材料以其优异的性能逐渐得到了广泛应用。
然而，传统的金
属制造技术在一定程度上受到了限制，需要不断地进行改进和创新。
其中，纳米细化技术作为一种新型的金属制造技术，正逐渐
被人们所关注。
一、纳米细化技术概述
纳米细化技术是一种将金属材料的粒径控制在纳米级别的制造
技术。
它通过改变金属材料的物理、化学、热力学等方面的状态，使其晶粒尺寸减小到纳米级别。
这种技术可以显著提高金属材料
的性能，使其强度、硬度、延展性等性能得到显著提升。
纳米细化技术的制造方法包括机械力加工法、化学合成法、湿
化学法等。
其中，机械力加工法是一种通过机械力对金属材料进
行加工，使其晶粒尺寸减小的方法；化学合成法则是将金属原子
在一定的条件下进行化学合成，形成晶粒尺寸较小的金属材料；
湿化学法则是采用液相反应合成等方法制备。
二、纳米细化技术的优势
相比传统的金属制造技术，纳米细化技术具有以下几个优势：
1. 提高金属材料的强度和硬度
通过纳米细化技术制造的金属材料晶粒尺寸更小，晶格位错密度更大，原子在晶格内的畸变更强，使得材料固体溶质强化和绕位固溶强化作用更加显著，因此提高了金属材料的强度和硬度。
2. 提高材料的延展性
虽然纳米细化技术可以提高金属材料的硬度和强度，但也会对材料的延展性造成一定的影响。
然而，经过一些特殊的处理，比如应力退火等方法，还是可以在保持强度和硬度的前提下提高材料的延展性。
3. 提高材料的耐腐蚀性
纳米细化技术制造的金属材料表面积大，使得氧化、硫化等物质较容易进入材料内部，从而降低了材料的耐腐蚀性。
但是，通过一些表面处理技术或者在材料中添加细小的合金元素，还是可以有效提高材料的耐腐蚀性。
三、纳米细化技术的应用
纳米细化技术的发展，为金属材料在各种领域的应用提供了广泛的可能性。
其中，应用最为广泛的领域包括以下几个方面：
1. 材料领域
纳米细化技术可以应用于各种材料的制造中，如钛合金、镁合金、铝合金等。
这种技术不仅可以使得材料的性能得到提升，而且还可以降低材料的消耗和环境污染。
2. 电子领域
纳米细化技术可以用来制造具有特殊电学和磁学性质的金属材料，如电子元器件、计算机芯片等。
这种技术可以使这些材料的尺寸更小、性能更优秀，为电子技术的发展提供了有力支撑。
3. 能源领域
纳米细化技术可以应用于能源领域，例如开发新型的太阳能电池和燃料电池等。
在太阳能电池中，控制太阳能电池材料晶粒尺寸的纳米细化技术可以显著提高太阳能电池的效率。
而在燃料电池中，纳米细化技术可以提高催化反应的效率，从而提高燃料电池的转换效率。
四、纳米细化技术的发展趋势
纳米细化技术作为一种新兴的金属制造技术，正迅速得到人们的关注和重视。
在未来的发展中，纳米细化技术将继续受到广泛的关注和研究，将会在材料学、物理学、化学等领域不断得到应用和创新，为人类的生产、生活和科学研究提供更加广阔和深远的可能性。