细晶强化的机理及其应用

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1、细晶强化的机理及其应用摘要：本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理，介绍了三种推导Hall-Petch关系式的物理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化时对Hall-Petch关系式中σ0和k的影响。本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法-不对称挤压法。关键词：细晶强化，Hall-Petch关系式，位错。1引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。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细

2、，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶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时，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，因而一侧晶粒中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，需要多个滑移系统同时动作。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，

3、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，又必须克服晶界的障碍，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

4、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。提高强度机制为：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细晶强化的经典理论一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好。所以细晶强化成为金属材料的一种重要强化方式，获得了广泛的应用。在大量试验基础上，建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为：σy＝σ0＋kd-n（1）式中，σy为流变应力，σ0为晶格摩擦力，d为晶粒直径，k为与材料有关的参数，指数n常取0.5。这就是有名的Hall-Petch公式，是由

5、Hall[1]和Peteh[2]两人最先在软钢中针对屈服强度建立起来的，并且后来被证明可广泛应用于各种体心立方、面心立方及六方结构金属和合金。大量试验结果已证明，此关系式还可适用于整个流变范围直至断裂，仅常数σ0和k有所不同而己。Hall-Petch公式是一个很好的经验公式，可以从不同的物理模型出发加以推导。常见的模型有以下几种：2.1位错塞积模型[3]如图1所示，外加切应力τ较小时，由于晶界的阻碍作用，会使晶粒1内由位错源S1放出的位错形成位错塞积,可在晶粒2内距其r远处产生较大的切应力，其值在r《d/2时可写为。此处τ0为位错在晶内运动所受阻力，d为晶粒直径。若设τ*为激活位于晶

6、粒2中r处的位错源所需的临界切应力，则晶粒2的屈服条件可写为:(2)即(3)当d》r时，可将上式简化为:(4)由此可得:(5)若将拉伸屈服强度σy以mτy表示，则：(6)即(7)在(6)式中，m为一同有效滑移系数量有关的取向因子。有效滑移系越多，m值越小。在滑移系数量任意多时，取m=2；对有12个滑移系的立方晶体取m=3．1.图1位错塞积引起相邻晶粒中位错源开动示意图2．2晶界“坎”模型[4]采用上述模型推导Hall-Petch公式的前提是承认在晶体中存在位错塞积。然而，这一点至少对α-Fe来说尚有争议。至今在α-Fe中，只在少数情况下才观察到晶界前的不规则的位错塞积群[5],而多数

7、情况为不规则的位错缠结[6]。为了克服这一困难，JamesLi[4]提出一种不需要位错塞积的模型。他认为晶界上的“坎”可以当作位错的“施主”而放出位错，其机制示于图2。由此可将流变应力视为位错运动克服林位错的阻力，并进而求得如下的Hall-Perch公式：(8)(8)式中，S为“坎”的密度(单位长度晶界上的“坎”的个数)，α为与位错分布有关的实验待定常数(约为0．4)。图2晶界中的“坎”发射示意图2．3晶界区硬化模型[7]实际上，晶界“坎”模型是着眼于晶界