細(xì)晶強(qiáng)化的機(jī)理及其應(yīng)用

1、細(xì)晶強(qiáng)化的機(jī)理及其應(yīng)用細(xì)晶強(qiáng)化的機(jī)理及其應(yīng)用摘要：摘要：本文講述了細(xì)晶強(qiáng)化的含義及其微觀機(jī)理，介紹了三種推導(dǎo)HallPetch關(guān)系式的物理模型，并說明了微量碳在鋼鐵材料中細(xì)晶強(qiáng)化時對HallPetch關(guān)系式中σ0和k的影響。本文還介紹了一種細(xì)晶強(qiáng)化金屬材料的新方法不對稱擠壓法。關(guān)鍵詞：細(xì)晶強(qiáng)化，HallPetch關(guān)系式，位錯。1引言引言通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目來表示，數(shù)目越多，晶粒越細(xì)。實驗

2、表明，在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因為細(xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較??；此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。故工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒以提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化的關(guān)鍵在于晶界對位錯滑移的阻滯效應(yīng)。位錯在多晶體中運動時，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一側(cè)晶粒中的滑

3、移帶不能直接進(jìn)入第二個晶粒，而且要滿足晶界上形變的協(xié)調(diào)性，需要多個滑移系統(tǒng)同時動作。這同樣導(dǎo)致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起了強(qiáng)度的增高?？梢?，晶界面是位錯運動的障礙，因而晶粒越細(xì)小，晶界越多，位錯被阻滯的地方就越多，多晶體的強(qiáng)度就越高，已經(jīng)有大量實驗和理論的研究工作證實了這一點。另外，位錯在晶體中是三維分布的，位錯網(wǎng)在滑移面上的線段可以成為位錯源，在應(yīng)力的作用下，此位錯源不斷放出位錯，使晶體產(chǎn)生滑移。位錯在運動的過程中，首先

4、必須克服附近位錯網(wǎng)的阻礙，當(dāng)位錯移動到晶界時，又必須克服晶界的障礙，才能使變形由一個晶粒轉(zhuǎn)移到另一個晶粒上，使材料產(chǎn)生屈服。因此，材料的屈服強(qiáng)度取決于使位錯源運動所需的力、位錯網(wǎng)給予移動位錯的阻力和晶界對位錯的阻礙大小。晶粒越細(xì)小，晶界就越多，障礙也就越大，需要加大外力才能使晶體產(chǎn)生滑移。所以，晶粒越細(xì)小，材料的屈服強(qiáng)度就越大。細(xì)化晶粒是眾多材料強(qiáng)化方法中唯一可在提高強(qiáng)度的同時提高材料塑性、韌性的強(qiáng)化方法。其提高塑性機(jī)制為：晶粒越細(xì)，在

5、一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量。提高強(qiáng)度機(jī)制為：晶界增多，而晶界上的原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過。2細(xì)晶強(qiáng)化的經(jīng)典理論細(xì)晶強(qiáng)化的經(jīng)典理論一般而言，細(xì)晶試樣不但強(qiáng)度高，而且韌性也好。所以細(xì)晶強(qiáng)化成為金屬材料的一種重要強(qiáng)化方式，獲得了廣泛的應(yīng)用。在大量試驗基礎(chǔ)上，建立了晶粒

6、大小與金屬強(qiáng)度的定量關(guān)系的一般表達(dá)式為：σy＝σ0＋kdn（1）圖1位錯塞積引起相鄰晶粒中位錯源開動示意圖22晶界晶界“坎”模型模型[4]采用上述模型推導(dǎo)HallPetch公式的前提是承認(rèn)在晶體中存在位錯塞積。然而，這一點至少對αFe來說尚有爭議。至今在αFe中，只在少數(shù)情況下才觀察到晶界前的不規(guī)則的位錯塞積群[5]而多數(shù)情況為不規(guī)則的位錯纏結(jié)[6]。為了克服這一困難，JamesLi[4]提出一種不需要位錯塞積的模型。他認(rèn)為晶界上的“坎

7、”可以當(dāng)作位錯的“施主”而放出位錯，其機(jī)制示于圖2。由此可將流變應(yīng)力視為位錯運動克服林位錯的阻力，并進(jìn)而求得如下的HallPerch公式：(8)(8)式中，S為“坎”的密度(單位長度晶界上的“坎”的個數(shù))，α為與位錯分布有關(guān)的實驗待定常數(shù)(約為04)。圖2晶界中的“坎”發(fā)射示意圖23晶界區(qū)硬化模型晶界區(qū)硬化模型[7]實際上，晶界“坎”模型是著眼于晶界發(fā)射位錯而構(gòu)成林位錯加工硬化機(jī)制，若僅考慮晶界附近區(qū)域的次滑移和加工硬化效應(yīng)，還可以對H