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标准与技术

细晶强化

发布时间:2018-04-11   来源:每天学点热处理  

  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。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。这是因为晶粒细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,晶界面积越大,晶界越曲折,越不利于裂纹的扩展。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。


  细粒强化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。

  其提高强度机制为:

  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。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,根据Hall-Petch公式:σs=σ0+ad-1/2式中σ0和a为常数,d为晶粒直径。一般来说,晶粒越小强度越大。


  细晶强化的方法

  细化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;金属结晶的形核率N,线长大速率G和过冷度的关系如图。


  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容的固体颗粒,会显著的增加晶核数量,使晶粒细化。如:Al、

  Ti、Nb、V等元素在钢中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,只要是境界上没有很多难熔析出物,通过一次或者多次奥氏体化,可以使晶粒细化。

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