钢铁材料的晶粒细化研究

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1、2007年第2期钢铁技术·29··材料研究·钢铁材料的晶粒细化研究李江(中冶赛迪公司物流事业部,重庆400013)[摘要]回顾了最近几年来在钢铁材料晶粒细化方面取得的一些研究成果，叙述了钢铁材料晶粒细化的目的与晶粒细化理论，阐述了目前常用的几种晶粒细化方法(微合金化、形变诱导相变、形变热处理等)的理论依据、适用条件、应用情况以及存在的问题，为今后材料科学工作者研究钢铁材料晶粒细化以及实际工程应用提供参考。[关键词]钢铁材料晶粒细化形变诱导相变铁素体1前言前，晶粒细化已成为新型高性能钢铁材料研究的一钢铁材料作为一种常规材料，由于其原料丰富个趋

2、势。[5]可以廉价的大规模工业化生产，并可以通过合金霍尔-配奇(Hall-Petch)描述了材料强度与化、冷热加工、热处理等技术改变材料形状、尺寸、晶粒大小的关系式为：性能，其优异的使用性能，能满足机械、冶金、矿-1/2σS=σ0+kSd（1）山、建筑、化工、海洋等行业的不同需要，因此，式中，σS为材料的屈服强度；σ0为单晶体中在21世纪钢铁材料仍然是人类社会使用的最主要材料。位错运动的摩擦阻力；kS为一个与材料本质有关而随着我国社会和经济的发展，对钢铁材料的需与晶粒直径无关的常数；d为晶粒直径。由公式(1)求不断增长，这就带来了环境污染、

3、能源枯竭、资可知：通过将当前工业细晶粒尺寸(一般为20μm源匮乏等一系列问题，只有研究和开发新一代的高左右)细化一个数量级，钢铁材料的强度可提高一性能钢铁材料才能更好地促进我国执行可持续发倍，同时保持良好的塑性和韧性配合，使用寿命增展战略。加一倍，其理想微观组织的晶粒尺寸为微米、亚微为了研究和开发新一代高性能钢铁材料，各国米级。晶粒尺寸与屈服强度和韧脆转变温度的关系[6]相继启动了一系列的研究计划，如20世纪末日本如图1所示。当钢铁材料的晶粒直径达到0.1μm[1]以下时，应力集中消失，变形均匀，可达到钢铁材政府启动的“STX-21超级钢铁

4、材料”研究计划，[7]韩国启动的“高性能结构钢计划”[2]，我国启动的料的理想强度，同时材料表现出很高的韧性。[3]“新一代钢铁材料”研究项目，都把提高钢铁结构材料的性能作为研究重点。我国研究“新一代钢3晶粒细化方法铁材料”项目的材料科学工作者通过大量的研究，晶粒细化一般包括相变前奥氏体细化或位错总结新一代钢铁材料的特征是超细晶、高洁净、高化、奥氏体内部增加形核质点和相变冷却细化等。[4]利用结晶生核、长大现象进行晶粒细化时，临界晶均匀，其中核心技术是超细晶。核尺寸大小成为晶粒细化极限的大体目标。临界晶2晶粒细化的目的与理论核的尺寸是形核驱

5、动力的函数，驱动力越大，临界研究表明，高性能钢铁材料的主要指标为强度晶核尺寸就越小。通常情况下，相变时的驱动力比和韧性，而晶粒细化是同时提高材料的强度和韧性再结晶时的驱动力大很多。因此，利用相变时得到的唯一方法，这就是钢铁材料晶粒细化的目的。目很细小的临界晶核尺寸，再控制冷却速度，就可使·30·钢铁技术2006年第2期钢铁材料组织超细化。3.1微合金化细化晶粒通过对钢铁材料微合金化可以有效地细化晶d(μm)11040161064.532.5450＋50粒，其主要原因为：一是有些固溶合金化元素(如W、0Mo等)的加入提高了钢的再结晶温度，同时

6、可降低在一定温度下晶粒长大的速度；二是一些强碳氮化300－50物形成元素(如V、Ti、Nb等)与钢中的碳或氮形成Δs(MPa)－100尺寸为纳米级的化合物，它们对晶粒的长大起强烈150的阻碍作用，并且这种纳米级的化合物所占的体积－150脆性转折温度Tc（℃)[7]分数为2％时，对组织的细化效果最好。这些强05101520碳氮化物形成元素主要通过以下几种机制细化铁-1/2-1/2素体晶粒：d(μm)1)阻止均热时奥氏体晶粒的长大图1晶粒尺寸(d)对α-Fe屈服强度V、Ti、Nb等微合金钢在锻造或轧制前加热和和冲击韧性的影响均热时，未溶解的微合

7、金碳氮化物质点钉扎奥氏体晶界的迁移，阻止其晶粒长大，因而使微合金钢在对低碳微合金钢而言，发生奥氏体(γ)向铁素压力加工之前就具备了较小的奥氏体晶粒，为进一体(α)相变时，应尽可能生成大量晶核。图2给出步细化铁素体晶粒提供了有利的条件。了奥氏体(γ)向铁素体(α)相变得到细晶α的几2)奥氏体形变过程中阻止奥氏体再结晶[8]种方法：1)增大冷却速度；2)使母相奥氏体晶粒在奥氏体形变过程中，通过应变诱导析出的V、细化；3)使加工硬化的奥氏体发生相变；4)使奥氏Ti、Nb的碳氮化物沉淀能抑制形变奥氏体再结晶和体晶粒内弥散分布适量的析出物和非金属夹杂

8、物。再结晶后晶粒的长大，起到细化晶粒的效果。这是方法1)是通过提高冷却速度以增大过冷度来提高因为热加工过程中应变诱导析出的微合金元素的相变时形核的驱动力，方法2)、3)、4)是增