细晶强化工艺及其应用样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY材料强韧化( 结课论文) 题 目 细晶强化机理及其工艺 学生姓名 闫 旺 学 号 1 专业班级 材料加工工程 任课教师 季根顺 学 院 材料科学与工程学院 日 期 .04.30 第 页 细晶强化机理及其工艺材料加工工程 闫旺 1摘 要金属是由许多晶粒组成的多晶体, 晶粒的大小能够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; 另外, 晶粒越细, 晶界面积越大, 晶界越曲折, 越不利于裂纹的扩展。工业上将经过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。关键字:细晶强化 位错 晶界 ABSTRACTPolycrystalline metal is composed of a plurality of grains, the grain size can be used within a number of grains per unit volume expressed as the number, the more fine grains. At room temperature, the metal fine grains have a higher strength, hardness, ductility and toughness of metals coarse grain. This is because the fine grains can be plastically deformed by external force in a more dispersed crystal grains, uniform plastic deformation, the stress concentration is small; Furthermore, the finer the grain size, the larger the grain boundary area, the more tortuous the grain boundary, Vietnam is not conducive to crack. Industry will be through grain refinement to improve the strength of the material is known as fine grain strengthening.Key words: Fine grain strengthening Grain boundary dislocations一、 细晶强化简述一般金属是由许多晶粒组成的多晶体, 晶粒的大小能够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; 另外, 晶粒越细, 晶界面积越大, 晶界越曲折, 越不利于裂纹的扩展。故工业上将经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, 位错网在滑移面上的线段能够成为位错源, 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。因此, 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, 阻碍位错的经过。二、 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。因此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示式为: y0kd-n ( 1) 式中, y为流变应力, 0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Hall和Peteh两人最先在软钢中针对屈服强度建立起来的, 而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0和k有所不同而己。Hall-Petch公式是一个很好的经验公式, 能够从不同的物理模型出发加以推导。常见的模型有以下几种: ( 一) 位错塞积模型位错运动遇到障碍( 晶界、 第二相粒子以及不动位错等) , 如果其向前运动的力不能克服障碍物的力, 位错就会停在障碍物面前, 由同一个位错源放出的其它位错也会被阻在障碍物前, 这种现象称为位错塞积。紧挨障碍物的那个位错就被称为领头位错或领先位错, 塞积的位错数目越多, 领头位错对障碍物的作用力就越大, 达到一定程度时, 就会引起邻近晶粒的位错源开动, 进而发生塑性变形或萌生裂纹。如图1 所示, 外加切应力较小时, 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rd/2时可写为 。此处0为位错在晶内运动所受阻力, d为晶粒直径。若设*为激活位于晶粒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dr时, 可将上式简化为: (4)由此可得: (5)若将拉伸屈服强度y以my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=31.图1 位错塞积引起相邻晶粒中位错源开动示意图( 二) 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-Fe来说尚有争议。至今在-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,而多数情况为不规则的位错缠结。为了克服这一困难, James Li提出一种不需要位错塞积的模型。她认为晶界上的”坎”能够当作位错的”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), 为与位错分布有关的实验待定常数(约为04)。图2 晶界中的”坎”发射示意图 ( 三) 晶界区硬化模型实际上, 晶界”坎”模型是着眼于晶界发射位错而构成林位错加工硬化机制, 若仅考虑晶界附近区域的次滑移和加工硬化效应, 还能够对Hall-Petch公式作如下推导: 设想在流变条件下, 晶界的影响是在晶粒内造成一定宽度(d/2)的硬化区, 如图3所示。晶粒的强度要由晶界附近硬区强度H和心部软区强度S综合决定, 即: ( 9) 又因: ( 10) 若略去b2, 则将上式代入(9)式整理后得: ( 11) 因式中H、 S均为与材料有关的常数, 故可改用下式表示: ( 12) 因(12)式和(8)式的主要差别是指数不同, 故对Hall-Petch公式的一般表示式为(1)。指数n可介于045与11之间, 即045n1。图3 晶界区硬化模型示意图可见Hall-Perch公式虽是一个可靠的经验公式, 可从不同的物理模型加以推导, 但确切的物理模型尚难于最后确定。欲利用Hall-Petch公式得出屈服、 流变或断裂的微观结论时, 需要谨慎对待。( 四) 反常Hall-Petch关系 在传统的租晶材料中, 其硬度和屈服应力随着晶粒尺d的降低而升高, 即一般所说的Hall-Petch效应。但在纳米晶粒材料中这种效应可能会受到抑制甚至出现相反的变化趋势。一般粗晶材料的塑性变形主要是经过位错的运动和相互作用完成的而以上模拟表明纳米晶粒的变形主要是经过晶界滑移和位错运动其同主导的, 随着构成材料的晶粒的尺寸逐渐减小, 片变形机理从位错运动向基于晶粒边界滑移的方式转变。而粗晶材料中晶粒边界一般是作为位错核的接收器, 其阻止位错的运动, 从而提高材料的硬度和屈服应力等。而在纳米材料中, 晶粒边界成为了位错成核和原干滑移的源头, 从而起到促进塑性变形的作用。这使得Hall-Petch效应随着晶粒尺寸的减小而失效甚至出现相反的变化趋势三、 细晶强化的方法( 一) 细晶强化的方法: 1.提高过冷度, 单位体积中的晶粒数Zv=0.9(N/G)3/4, N表示单位时间、 单位体积内形成的晶核数目, 即性和率。G表示单位时间内晶核生长的长度, 即长大速度。N/G比值越大, 晶粒越细小。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。四、 细晶强化工艺( 一) 熔炼合金化细化1、 微合金化微合金化技术较为成熟,应用广泛。如含Nb铁素体钢,当Nb含量由0.1%增加到0.5%时,晶粒由40m细化到1m,屈服强度由150230MPa提高到600650MPa,并有望达到800MPa。当前可供实行微合金化的元素主要有Al、 Sc、 Ti、 V、 Y、 Zr、 Nb、 Ce、 La等,添加量为0.1%0.5%。其作用机理为:(1)微合金元素在金属熔炼中处于晶粒成长的前沿,有助于加大前沿金属的过冷度,提高一次成核率,增加均质成核数量,使金属晶粒细化。(2)微合金元素一般化学性质活泼,与O、 N及金属元素形成化合物,聚集在晶界上,成为弥散强化相,阻止晶粒继续长大。(3)弥散分布的微合金元素化合物,在金属塑性变形时,根据奥罗万机制,阻止金属晶界滑移,强化金属本体。如,AgCe0.5是应用普遍的电接触材料,Ce的作用不但可强化和韧化Ag基体(包括Ag基合金),而且对提高抗电蚀、 改进电接触性能有特殊功效。Ce的这种特性在早年研发的WCe电极材料中,在改进起弧特性、 提高抗电弧烧损方面得到应用。刘生发犤2犦等研究了Ce对镁合金组织细化的影响。2、 纳米细晶强化纳米细晶强化技术在贵金属器具中的应用成效卓著,如,Ti_Pt(Al2O3增强),ZGS_Pt(ZrO2增强),ODS_Pt(Y2O3增强)及重庆川仪一厂的CYQ_Pt(ZrO2、 Y2O3复合增强)及PtRh合金。可节约贵金属用量,提高使用寿命,经济效益显著。纳米弥散强化的制备工艺有粉末冶金法和合金内氧化法。蒋丽娟等用粉末冶金法制得的纳米细晶强化铂,ZrO2颗粒小于7nm,ZrO2的含量为0.6%1.0%。室温下材料的屈服强度400MPa,1400高温下的屈服强度15MPa。内氧化法当前已普遍应用,适于批量生产。纳米细晶强化相多为高熔点化合物,如Al2O3、 ZrO2、 Y2O3、 WC、 SiC、 Ta2O5等。由于纳米细晶强化相极度分散,在金属基体中起到”钉扎作用”,强化金属基体的作用相当明显,特别在高温工作条件下,弥散强化相稳定,其强化效果更加显著。当强化相含量为0.1%0.5%时,不会对基体的本质特性带来影响,有时还会增强材料的高温抗蚀性。纳米细晶强化工艺技术在其它金属材料中也有应用,如W_Al2、 Cu_Al2、 Cu_Cr_Zr_Y等。五、 结束语结晶组织的细化是金属材料加工的基础,由此不但能够改进其加工性能,而且为后序加工工艺, 张力退火、 过程中进一步控制材料的晶体形状和晶粒大小提供了有利条件,有助于经过工艺技术的不断完善进一步发掘金属材料的应用潜能,更好地服务于电子元器件制造业。参考文献1 E.O. Hall, Proc. Phys, Soc., 64B(1951),747.2 N. J. Petch, J. Iron Steel Inst., 174(1953),25.3 A. H. Cottrell, Trans. AIME, 212(1958), 192.4 J. C. M. Li,Trans. AIME, 227(1963), 139.5 D. G. Brandon and J. Nutting, J. Iron Steel Inst., 196(1960), 160.6 D. G. Brandon and J. Nutting, Acta Met., 7(1959), 101.7 N. J. Petch, Phil. Mag., 1(1956), 186.8 郑勇刚. 纳米晶体材料中晶粒生长及变形机理的研究. 博士论文