(原文)细晶强化的机理及其应用

细晶强化的机理及其应用

摘要：

本文讲述了细晶强化的含义及其微观机理，介绍了三种推导

Hall-Pet ch

关系式的物

理模型，并说明了微量碳在钢铁材料中细晶强化 时对

Hall-Petch

关系式中

σ

0

和

k

的影响 。

本文还介绍了一种细晶强化金属材料的新方法

-

不对称挤压法。

关键词：细晶强化，

Hall- Petch

关系式，位错。

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引言

通常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。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； 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。故工业上将通过细 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

< br>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

< br>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

< br>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可以成为位错源，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，

。

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，阻碍位错的通过。

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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。所以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

量关系的一般表达 式为：

σ

y

＝

σ

0