原文細(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)用摘要： 本文講述了細(xì)品強(qiáng)化的含義及其微觀機(jī)理， 介紹了三種推導(dǎo) Hall-Petch 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(shí)對(duì) Hall-Petch 關(guān)系式中(70 和 k 的影響。本文還介紹了一種細(xì)品強(qiáng)化金屬材料的新方法-不對(duì)稱擠壓法。關(guān)鍵詞：細(xì)晶強(qiáng)化，Hall-Petch 關(guān)系式，位錯(cuò)。1 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(shí)驗(yàn)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?yàn)榧?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??；

2、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)品強(qiáng)化。細(xì)品強(qiáng)化的關(guān)鍵在于晶界對(duì)位錯(cuò)滑移的阻滯效應(yīng)。位錯(cuò)在多晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，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)晶粒中的滑移帶不能直接進(jìn)入第二個(gè)晶粒，而且要滿足晶界上形變的協(xié)調(diào)性，需要多個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作。這同樣導(dǎo)致位錯(cuò)不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起了強(qiáng)度的增高。可見，品界面是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，因而晶粒越細(xì)小，晶界越多，位錯(cuò)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(shí)驗(yàn)和理論的研究工作證實(shí)了這一點(diǎn)。另外，位錯(cuò)在晶體中是三維分布

3、的，位錯(cuò)網(wǎng)在滑移面上的線段可以成為位錯(cuò)源，在應(yīng)力的作用下，此位錯(cuò)源不斷放出位錯(cuò)，使晶體產(chǎn)生滑移。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)的過程中，首先必須克服附近位錯(cuò)網(wǎng)的阻礙，當(dāng)位錯(cuò)移動(dòng)到晶界時(shí)，又必須克服晶界的障礙，才能使變形由一個(gè)晶粒轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(cuò)源運(yùn)動(dòng)所需的力、位錯(cuò)網(wǎng)給予移動(dòng)位錯(cuò)的阻力和晶界對(duì)位錯(cuò)的阻礙大小。晶粒越細(xì)小，品界就越多，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(shí)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)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，則在同樣塑性變形

4、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(gè)晶粒中塞積的位錯(cuò)少，因應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會(huì)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：品界增多，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(cuò)的通過。2 細(xì)晶強(qiáng)化的經(jīng)典理論一般而言，細(xì)品試樣不但強(qiáng)度高，而且韌性也好。所以細(xì)品強(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(yàn)基礎(chǔ)上，建立了晶粒大小與金屬強(qiáng)度的定量關(guān)系的一般表達(dá)式為：r=(To+kd-n(1)式中，cry 為流變應(yīng)力，(70 為品格摩擦力，d 為晶粒直徑，k 為與材料有關(guān)的參數(shù)，指數(shù) n 常取 0.5。這就是有名的 Hall-Petch 公

5、式，是由 Hall和 Peteh2兩人最先在軟鋼中針對(duì)屈服強(qiáng)度建立起來的，并且后來被證明可廣泛應(yīng)用于各種體心立方、面心立方及六方結(jié)構(gòu)金屬和合金。大量試驗(yàn)結(jié)果已證明，此關(guān)系式還可適用于整個(gè)流變范圍直至斷裂，僅常數(shù)(Toffik有所不同而己。Hall-Petch 公式是一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)公式，可以從不同的物理模型出發(fā)加以推導(dǎo)。常見的模型有以下幾種：2.1 位錯(cuò)塞積模型3如圖 1 所示，外加切應(yīng)力較小時(shí)，由于晶界的阻礙作用，會(huì)使晶粒 1 內(nèi)由位錯(cuò)源 S1 放出的位錯(cuò)形成位錯(cuò)塞積，可在晶粒 2 內(nèi)距其 r 遠(yuǎn)處產(chǎn)生較大的切應(yīng)力，其值在 rd/2 時(shí)可寫.*.為尸。此處 co 為位錯(cuò)在晶內(nèi)運(yùn)動(dòng)所受阻力，d

6、為晶粒直徑。若設(shè) p 為激活位于晶粒 2 中 r 處的位錯(cuò)源所需的臨界切應(yīng)力，則晶粒 2 的屈服條件可寫為：若將拉伸屈服強(qiáng)度(Ty 以 mpy 表示，則：二,二；制 6)=1即二一-在(6)式中，m 訥一同有效滑移系數(shù)量有關(guān)的取向因子。有效滑移系越多，ms 越小。在滑移系數(shù)量任意多時(shí)，取 m=2Xt 有 12 個(gè)滑移系的立方晶體取 m=31.當(dāng) dr 時(shí)，可將上式簡(jiǎn)化為由此可得：圖 1 位錯(cuò)塞積引起相鄰晶粒中位錯(cuò)源開動(dòng)示意圖采用上述模型推導(dǎo) Hall-Petch 公式的前提是承認(rèn)在晶體中存在位錯(cuò)塞積。然而，這一點(diǎn)至少對(duì) eFe 來說尚有爭(zhēng)議。至今在 eFe 中，只在少數(shù)情況下才觀察到晶界前的不

7、規(guī)則的位錯(cuò)塞積群而多數(shù)情況為不規(guī)則的位錯(cuò)纏結(jié)6。為了克服這一困難，James 廿4提出一種不需要位錯(cuò)塞積的模型。他認(rèn)為晶界上的“坎”可以當(dāng)作位錯(cuò)的“施主”而放出位錯(cuò)，其機(jī)制示于圖 2。由此可將流變應(yīng)力視為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)克服林位錯(cuò)的阻力，并進(jìn)而求得如下的Hall-Perch 公式:（8）式中，S 為“坎”的密度（單位長度晶界上的“坎”的個(gè)數(shù)），a 為與位錯(cuò)分布有關(guān)的實(shí)驗(yàn)待定常數(shù)（約為 0.4）。圖2晶界中的坎”發(fā)射示意圖2.3 晶界區(qū)硬化模型7實(shí)際上，品界“坎”模型是著眼于晶界發(fā)射位錯(cuò)而構(gòu)成林位錯(cuò)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(duì) Hall-Petch 公式作如下推導(dǎo)：

8、設(shè)想在流變條件下，品界的影響是在晶粒內(nèi)造成一定寬度（d/2）的硬化區(qū)，如圖 3 所示。晶粒的強(qiáng)度 6 要由晶界附近硬區(qū)強(qiáng)度（7H 和心部軟區(qū)強(qiáng)度 us 綜合決定，即：=。工。$+（d*又因：/雪盧小娟.f若略去 b；則將上式代入（9）式整理后得：2.2 晶界“坎”模型4(8)(9)(10)(11)因式中（TH、（TS 均為與材料有關(guān)的常數(shù)，故可改用下式表達(dá)：a-ABd因(12)式和(8)式的主要差別是指數(shù)不同，故對(duì) Hall-Petch 公式的一般表達(dá)式為(1)。指數(shù) n可介于 0.45 與 1.1 之間，即 0.45n10可見 Hall-Perch 公式雖是一個(gè)可靠的經(jīng)驗(yàn)公式，可從不同的物理

9、模型加以推導(dǎo)，但確切的物理模型尚難于最后確定。欲利用 Hall-Petch 公式得出屈服、流變或斷裂的微觀結(jié)論時(shí)，需要謹(jǐn)慎對(duì)待。2.4 反常 Hall-Petch 關(guān)系8在傳統(tǒng)的租品材料中，其硬度和屈服應(yīng)力隨著晶粒尺 d 的降低而升高，即通常所說的Hall-Petch 效應(yīng)。但在納米晶粒材料中.這種效應(yīng)可能會(huì)受到抑制甚至出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。通常粗晶材料的塑性變形主要是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和相互作用完成的.而以上模擬表明納米晶粒的變形主要是通過晶界滑移和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)其同主導(dǎo)的，隨著構(gòu)成材料的晶粒的尺寸逐漸減小，片變形機(jī)理從位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向基于晶粒邊界滑移的方式轉(zhuǎn)變。 而粗晶材料中晶粒邊界通常是作為位錯(cuò)核的接收器

10、，其阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的硬度和屈服應(yīng)力等。而在納米材料中，晶粒邊界成為了位錯(cuò)成核和原干滑移的源頭，從而起到促進(jìn)塑性變形的作用。這使得 Hall-Petch 效應(yīng)隨著晶粒尺寸的減小而失效甚至出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)3.微量碳在細(xì)晶強(qiáng)化中的作用由上文可知 k 為與材料有關(guān)的因子關(guān)于 k 的物理涵義以及合金元素對(duì) k 的影響，許多研究者曾經(jīng)做了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究9。結(jié)果表明，k 強(qiáng)烈地受間隙式溶質(zhì)原子的影響，同時(shí)也受熱處理?xiàng)l件影響。但是，間隙式溶質(zhì)原子和熱處理?xiàng)l件影響 k 的原因尚不清楚。本文以高純鐵為試料，在盡可能地將材料微觀結(jié)構(gòu)(晶內(nèi)與晶界析出，晶界偏析等)同一化后系統(tǒng)地研究微量碳在固溶狀態(tài)

11、、析出狀態(tài)和偏析在晶界對(duì) 00 和 k 的影響，討論微量碳影響的機(jī)理。3、1 實(shí)驗(yàn)材料及方法實(shí)驗(yàn)用 Fe-505 口 Fe-80C 合金鑄錠是以高純電解鐵(99.995%Fe)為原料，采用高真空(12)圖3晶界區(qū)硬化模型示意圖(6x10-3Pa)高頻感應(yīng)/容煉,經(jīng) Fe-4.3%C 中間合金脫氧后注人水冷銅鑄型得到的， 具化學(xué)成分見表1。鑄錠在高純紅氣保護(hù)下加熱后，經(jīng)熱鍛、冷鍛、冷軋和機(jī)加工得到寬 15mm,厚 6mm 板材。為得到不含碳的高純鐵和碳濃度更低的試樣，將 Fe80C 合金板材在 700c 流動(dòng)濕氫和干氫氣氛爐內(nèi)退火不同時(shí)間，進(jìn)行完全脫碳或降低碳量處理，所得試料的化學(xué)分析結(jié)果示于表

12、 1。.四種試料的板材在 700c 真空退火(5X10-2Pa)后冷軋成厚 1mm 的薄板，機(jī)加工成平行部寬 3mm,長 20mm的拉伸試樣。試樣的熱處理?xiàng)l件如表 2 所示，所有熱處理均在 5x10-2PaM 空爐內(nèi)進(jìn)行。值得指出的是，與以往的研究不同，本文在調(diào)節(jié)晶粒尺寸熱處理后對(duì)所有試樣進(jìn)行了微觀結(jié)才同一化的最終熱處理.。表1試料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) X10-1)CN 口 P3SiAIMnCrTiNiCuBFfi1*Fc-5C5.1Fe-50C49Fc-SQC8。表2熱處理?xiàng)l件樣的未變形部位，用微分千涉型光學(xué)顯微鏡觀察并測(cè)定晶粒尺寸，按 ASTM 規(guī)定的方法計(jì)算平均晶粒直徑。3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

13、與討論4.2.1 固溶碳量對(duì)(T0 和 k 的影晌高純鐵的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力應(yīng)變曲線上不出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，因此取 0.2%塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力為屈服強(qiáng)度 Fe-C 合金試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)顯著的由于屈服造成的突然應(yīng)力降低，取下屈服點(diǎn)為(foay 與 d-1/2之間的關(guān)系見圖 4。對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行最小二調(diào)節(jié)晶粒尺寸皴處理最終熱處理C 的狀態(tài)Fe(600-900 七) )，30min 油冷民一 5c(7OO9GOr) )t30min 油冷Fe-5OC650-850ct),30min 油冷Fe-80c(630-840 七)，30min 油冷拉伸試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，初期應(yīng)變速率為550X.24,5

14、h 油冷L500%,20h 油冷畫溶1L7002h 油冷固溶600 七.4h 油冷固溶L650 七，4 八袖冷固落II.250T,5h 油冷析出( (F/C)3.8M0-4s-1。顯微組織觀察用試樣取自拉伸試乘法回歸處理得到的直線關(guān)系表明，w 與 d 之間遵循 Hall-Petch 關(guān)系式.由直線關(guān)系可得高純鐵(e=24MPa,k=7.5MPamm1/2。隨固溶碳量增加 o0 和 k 均增加，但是固溶碳量由 50X10-6增加到 80X10-6,k 增加很小。因此可以認(rèn)為 k 的最大值為 22MPammHanding10采用所謂的局純鐵(0.004%C,0.003%Si,0.001%S,0.0

15、02%P,0.0012%O,0.0005%N)研究了應(yīng)變速率對(duì)細(xì)晶強(qiáng)化的影響， 結(jié)果表明，應(yīng)變速率在 1M0-4-2.3 和3s1范圍內(nèi)變化對(duì) k沒有明顯影響。200150100500圖4固溶碳量對(duì)b0和k的影晌3.2.2 碳化物析出對(duì) 8 和 k 的影晌將 Fe-80C 合金在 250c 時(shí)效 5h,使大部分碳原子以滲碳體形式析出后得到的 W 與 d-1/2之間的關(guān)系如圖 2 所示。圖中同時(shí)給出了高純鐵和碳完全固溶狀態(tài)下 Fe-80C 合金的結(jié)果。與碳完全固溶狀態(tài)下的結(jié)果比較，使碳析出為碳化物，卬稍有降低，但 k 并不受影響。這一結(jié)果表明，k 不直接受固溶碳量的影響，也不受碳化物析出的影響。

16、d/yjn300200100806050403020150100A502345678 Fe-80C(1)AFe-80C(D)6白與皿Nd/pun3002001008。605040一 m/rrmnT 啟圖5碳化物析出對(duì)b0和k的影晌3.2.3 碳在晶界偏析對(duì) k 的影響在二元 Fe-C 合金中碳原子在晶界的偏析量受晶內(nèi)固溶碳量和溫度控制10。固溶碳量一定時(shí)，降低熱處理溫度將增加碳在晶界的偏析量。具有不同晶粒直徑的 F-5c 合金分別在500c 保溫 20h 和在 700c 保溫 2h 后得到的，卬與 d-1/2之間的關(guān)系如圖 3 所示?？紤]到 5X10-6固溶碳造成的固溶強(qiáng)化很小，所以在假定 0

17、0 與高純鐵相同的條件下對(duì)結(jié)果進(jìn)行了最小二乘法回歸處理結(jié)果表明，隨碳在晶界的偏析量增加 k 顯著增加。Z/jjLfn3002001QD806050403020200-腌Fe50C(”_上一上_機(jī)_一1.1234567圖6碳在晶界偏析對(duì)k的影響3.3 結(jié)論由上分析可知，Hall-petch 關(guān)系式中的項(xiàng)只受晶內(nèi)固溶碳量和碳化物析出支配，這與基于位錯(cuò)理論的觀點(diǎn)是一致的 k 項(xiàng)不直接受固溶碳量影響，而受碳在晶界的偏析量控制。隨晶界碳量增大，k 直線增加。這與 Hall、petch 和 Cotterll 的理論：k 應(yīng)受晶內(nèi)固溶原子和析出物的影響，不因晶界偏析而變化相矛盾。但這可由用 Li 和 Beh

18、nood 等的理論：k 取決于晶界上位錯(cuò)源的密度和穩(wěn)定性，而晶界上位錯(cuò)源的密度和穩(wěn)定性又受溶質(zhì)原子在晶界的偏析影響解釋。4 一種細(xì)晶強(qiáng)化金屬材料的新方法細(xì)品強(qiáng)化通常采用的方法有添加細(xì)化劑、快速凝固、振動(dòng)凝固等鑄造方法，以及等通道擠壓、累積疊軋焊、異步軋制等塑性變形方法。關(guān)于對(duì)稱擠壓方法來實(shí)現(xiàn)細(xì)品強(qiáng)化的研究已經(jīng)很多，并取得了很好的強(qiáng)化效果，下面介紹一種將剪切變形與傳統(tǒng)擠壓變形合二為一的擠壓方法一不對(duì)稱擠壓方法，即將擠壓?？谠O(shè)置在偏離中心的位置上，利用擠壓時(shí)的較大靜水壓力和不對(duì)稱擠壓時(shí)的剪切變形來細(xì)化金屬的組織。4.1 試驗(yàn)方法試驗(yàn)材料：2A50 和 2A12 鋁合金圓棒，經(jīng)冷鍛和機(jī)加工制成小 9

19、0mmxfe100mm 的試驗(yàn)坯料，在 6.5MN 多功能材料擠壓機(jī)上擠壓成形試驗(yàn)過程：兩種材料分別用中心孔和偏心孔模具做了擠壓對(duì)比試驗(yàn)，擠出后的材料進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，并通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。組織觀察選用低濃度氫氟酸水溶液,即 1mL 濃度為 50%的氫氟酸+99mL 水制成的試劑，侵蝕時(shí)間為 30s 左右。4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析4.2.1 擠壓制品表面質(zhì)量圖 7 為不對(duì)稱擠壓后的 2A50,2A12 鋁合金制品照片，從圖 2 中可以看出，擠壓后的合金表面非常光亮，擠壓痕不明顯。不對(duì)稱擠壓制品不僅沒有發(fā)生彎曲和扭擰現(xiàn)象，而且呈現(xiàn)出比中心對(duì)稱擠壓制品更好的平直度，這說明在模具設(shè)計(jì)過程中，

20、采用不對(duì)稱的?？兹丝阱F角的設(shè)計(jì)是正確的。圖7擠壓制品表面4.2.2 微觀組織合金在擠壓前后均進(jìn)行了內(nèi)部顯微組織的觀察。2A50 鋁合金屬于 All-Cu-Mg-Si 系鍛造鋁合金，2A12 鋁合金屬于 Al-Cu-Mg-Mn 系硬鋁合金，圖 8ab 分別為擠壓前 2A50、2A12 鋁合金坯料的內(nèi)部組織。從圖 8 中可以看出，2A12 合金的原始晶粒為 o-A1 等軸晶，但晶粒尺寸較粗大，平均為 300pm。 a-A1 基體內(nèi)部有大量彌散分布的第二相粒子， 通過斑點(diǎn)標(biāo)定確定是第二相 A12CuMg相。同時(shí)，由于經(jīng)過了鍛造加工成試驗(yàn)坯料尺寸，因此可看到晶粒內(nèi)部被破碎成細(xì)小等軸的亞組織結(jié)構(gòu)，這些小

21、角度晶粒的平均尺寸為 30pm。2A50 鋁合金組織為 o-A1 固溶體基體上彌散分布大量的黑色B相(Mg2Si)顆粒狀析出物，并且晶界模糊、粗糙，沿晶界析出有較粗大的 B 相質(zhì)點(diǎn)，與 2A12 合金相比，內(nèi)部經(jīng)冷鍛破碎細(xì)化的亞結(jié)構(gòu)不明顯，晶粒平均尺寸為 20pm。圖 9(1)、(2)分別為 2A50 和 2A12 鋁合金經(jīng)中心扁方孔、偏心 30nun 扁方孔不對(duì)稱擠壓后制品橫截面的金相組織照片。對(duì)比圖 8 可以看出，鋁合金在擠壓變形之后晶粒得到明顯細(xì)化，并且沿孔型長度方向被擠扁壓長。(1)2A50圖9兩種合金經(jīng)兩種方法擠壓后的微觀組織鎧合金圖8試驗(yàn)材料原始微觀組織(2)2A12a匕-偏心不對(duì)