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1、細晶強化的機理及其應用摘要：本文講述了細晶強化的含義及其微觀機理，介紹了三種推導Hall-Petch關系式的物理模型，并說明了微量碳在鋼鐵材料中細晶強化時對Hall-Petch關系式中σ0和k的影響。本文還介紹了一種細晶強化金屬材料的新方法-不對稱擠壓法。關鍵詞：細晶強化，Hall-Petch關系式，位錯。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晶粒的數目來表示，數目越多，晶粒越細。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為細晶粒受到外力發(fā)生塑性
2、變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小；此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。故工業(yè)上將通過細化晶粒以提高材料強度的方法稱為細晶強化。細晶強化的關鍵在于晶界對位錯滑移的阻滯效應。位錯在多晶體中運動時，由于晶界兩側晶粒的取向不同，加之這里雜質原子較多，也增大了晶界附近的滑移阻力，因而一側晶粒中的滑移帶不能直接進入第二個晶粒，而且要滿足晶界上形變的協調性，需要多個滑移系統同時動作。這同樣導致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起了強度的增高。可見，晶界面是位錯運動的障礙
3、，因而晶粒越細小，晶界越多，位錯被阻滯的地方就越多，多晶體的強度就越高，已經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，位錯網在滑移面上的線段可以成為位錯源，在應力的作用下，此位錯源不斷放出位錯，使晶體產生滑移。位錯在運動的過程中，首先必須克服附近位錯網的阻礙，當位錯移動到晶界時，又必須克服晶界的障礙，才能使變形由一個晶粒轉移到另一個晶粒上，使材料產生屈服。因此，材料的屈服強度取決于使位錯源運動所需的力、位錯網給予移動位錯的阻力和晶界對位錯的阻礙大小。晶粒越細小，晶界就越多，障礙也就
4、越大，需要加大外力才能使晶體產生滑移。所以，晶粒越細小，材料的屈服強度就越大。細化晶粒是眾多材料強化方法中唯一可在提高強度的同時提高材料塑性、韌性的強化方法。其提高塑性機制為：晶粒越細，在一定體積內的晶粒數目多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內進行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應力集中引起的開裂機會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量。提高強度機制為：晶界增多，而晶界上的原子排列不規(guī)則，雜質和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過。2細晶強化的經典理論一般而言，細晶試樣不但強度高，而且韌性也
5、好。所以細晶強化成為金屬材料的一種重要強化方式，獲得了廣泛的應用。在大量試驗基礎上，建立了晶粒大小與金屬強度的定量關系的一般表達式為：σy＝σ0＋kd-n（1）式中，σy為流變應力，σ0為晶格摩擦力，d為晶粒直徑，k為與材料有關的參數，指數n常取0.5。這就是有名的Hall-Petch公式，是由Hall[1]和Peteh[2]兩人最先在軟鋼中針對屈服強度建立起來的，并且后來被證明可廣泛應用于各種體心立方、面心立方及六方結構金屬和合金。大量試驗結果已證明，此關系式還可適用于整個流變范圍直至斷裂，僅常數σ0和k有所
6、不同而己。Hall-Petch公式是一個很好的經驗公式，可以從不同的物理模型出發(fā)加以推導。常見的模型有以下幾種：2.1位錯塞積模型[3]如圖1所示，外加切應力τ較小時，由于晶界的阻礙作用，會使晶粒1內由位錯源S1放出的位錯形成位錯塞積,可在晶粒2內距其r遠處產生較大的切應力，其值在r《d/2時可寫為。此處τ0為位錯在晶內運動所受阻力，d為晶粒直徑。若設τ*為激活位于晶粒2中r處的位錯源所需的臨界切應力，則晶粒2的屈服條件可寫為:(2)即(3)當d》r時，可將上式簡化為:(4)由此可得:(5)若將拉伸屈服強度σy
7、以mτy表示，則：(6)即(7)在(6)式中，m為一同有效滑移系數量有關的取向因子。有效滑移系越多，m值越小。在滑移系數量任意多時，取m=2；對有12個滑移系的立方晶體取m=3．1.圖1位錯塞積引起相鄰晶粒中位錯源開動示意圖2．2晶界“坎”模型[4]采用上述模型推導Hall-Petch公式的前提是承認在晶體中存在位錯塞積。然而，這一點至少對α-Fe來說尚有爭議。至今在α-Fe中，只在少數情況下才觀察到晶界前的不規(guī)則的位錯塞積群[5],而多數情況為不規(guī)則的位錯纏結[6]。為了克服這一困難，JamesLi[4]提出
8、一種不需要位錯塞積的模型。他認為晶界上的“坎”可以當作位錯的“施主”而放出位錯，其機制示于圖2。由此可將流變應力視為位錯運動克服林位錯的阻力，并進而求得如下的Hall-Perch公式：(8)(8)式中，S為“坎”的密度(單位長度晶界上的“坎”的個數)，α為與位錯分布有關的實驗待定常數(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]實際上，晶界“坎”模型是著眼于晶界
