?试验研究? 高强度钢的动态再结晶行为研究 关奎英１，唐荻１，武会宾１，谢勇１，孙全社２ （１北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京１０００８３；２宝山钢铁股份有限公司技术中心，上海２０１９００）摘 要：采用Ｇｌｅｅｂｌｅ１５００热模拟实验机研究了高强度钢在不同条件下热变形时的动态再结晶行为以及晶粒尺寸的变化规 律，确定了该钢的动态再结晶激活能为２９４０９６Ｊ／ｍｏｌ，建立了动态再结晶行为的数学模型，分析了变形工艺参数对再结晶行为以及晶粒尺寸的影响。变形温度和变形速率是影响动态再结晶的主要因素，一般在高的变形温度和小的变形速率下，动态再结晶才能发生。 关键词：高强度钢；动态再结晶；变形温度；变形速率；热模拟实验机中图分类号：ＴＧ１１１．７ 文献标识码： Ａ文章编号： １００４－４６２０（２００７）０２－００４２－０３收稿日期：２００６－１２－１２ 作者简介：关奎英（１９８１–），男，陕西西安人，北京科技大学高效轧制国家工程研究中心２００４级材料加工专业硕士研究生。研究方向：金属加工工艺。 １前言 高强度钢在工程机械大型钢结构等领域有着广 泛的应用，因此在国民经济中发挥着重要的作用。近几年，上海宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢）开发了一系列高强度和超高强度钢，供应市场，满足机械和航空航天等行业的需求。本研究主要探讨高强度钢热变形后冷却过程中奥氏体的转变规律。 一般金属在热变形过程中，位错增殖产生的加工硬化逐渐被动态回复或动态再结晶软化所平衡，最终达到稳态流变。应变速率越大，再结晶的驱动力也越大，然而，加工硬化作用也随着应变速率的增大而增大，因此，再结晶软化与加工硬化二者的作用相 互平衡时的峰值应力及峰值应变均增大［１， ２］ 。微合金钢热变形过程中的动态再结晶以及变形后的静态再结晶行为是影响变形抗力的主要因素，同时也对随后的奥氏体相变行为产生影响。因此，通过建立奥氏体再结晶行为的预测模型，由钢材的化学成分及工艺参数可预测并控制钢材最终的机械性能，完成钢材的化学成分及轧制工艺参数的设计优化［３］。利用单道次压缩的实验方法， 研究了实验钢热变形过程中的动态再结晶行为。同时，利用双道次压缩的实验方法，研究了实验钢变形间隔时间内奥氏体的静态再结晶行为，为研究相变行为和制定轧制工艺提供理论依据。 ２实验材料和方法 实验用材料为宝钢生产的热轧高强度钢，从锻 造坯料上截取并加工成直径为８ｍｍ，长度为１５ｍｍ的试样。通过单道次压缩实验研究其动态再结晶规律，建立动态再结晶模型并比较模型计算和实验测 得的结果，热压缩变形实验工艺如图１所示，采用５个变形温度，分别为８５０、９００、９５０、１０００和１０５０℃，３个不同的变形量，真应变ε分别为０．２、０．４、０．８，变形速率为１．０ｓ－１。 图１单道次压缩变形工艺 ３实验结果及分析 图２为不同变形速率下的应力－应变曲线。可 以看出，当变形速率为５．０ｓ－１时，应力一应变曲线没有出现峰值，随着应变的增加，变形抗力（即应力）同步增加，所以并没有发生动态再结晶。分析可知，因变形速率较快，且高强度钢中含有Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ合金比较多，对动态再结晶的形核和晶粒长大有明显阻碍作用，推迟动态再结晶的效果十分明显，不易发生和完成动态再结晶。 图２ 不同变形速率下的应力－应变曲线 即使在１０５０℃温度、变形速率为１ｓ－１时，也没有出现动态再结晶。当变形速率为１．０、０．５ｓ－１时，变形抗力在到达峰值后基本保持稳定，此时动态软化基本和加工硬化程度相等。当变形速率为０．１、０．０５ｓ－１时变形抗力出现峰值，并随之下降，表明此两种变形条件下其动态软化超过了加工硬化，发生了明显的动态再结晶。 第２９卷第２期２００７年４月 山东冶金 ＳｈａｎｄｏｎｇＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．２ Ａｐｒｉ ｌ ２００７ ４２
高温合金是制造航空、航天发动机和工业燃气涡轮发动机的重要材料。随着航空航天工业的迅猛发展，发动机涡轮进口温度不断提高，关键部件的服役条件也愈加苛刻，要求高温合金具有高热强性。而热强性的不断提高，必然导致热加工变形抗力增加、塑性降低，由于成分及组织结构复杂，合金再结晶温度高、速度慢，进而导致热加工变形温度区间变窄，使此类合金热加工变形困难。 从能量形式角度考虑，脉冲电流作用下金属材料诸多冶金过程的研究表明，电塑性效应是其显著特点之一。同时，国内外学者已对脉冲电流下镁合金及铝锂合金等的再结晶过程进行了研究，发现脉冲电流具有显著降低再结晶起始温度、提高再结晶形核率的作用。对于沉淀强化型高温合金，其强化主要取决于γ'相沉淀析出，具体的是取决于基体中γ'相的数量、颗粒大小和颗粒粗化速度等。在长期的高温作用下γ'相会发生聚集粗化，从而导致合金的性能降低。 研究人员对冷变形GH4049合金施加脉冲电流，研究了脉冲电流对合金再结晶起始温度、再结晶激活能的影响规律，并对粗化的γ'相影响合金静态再结晶行为进行了探讨。 研究用GH4049合金主要成分（质量分数/%）为：C0.70，Cr10.25，Co15.00，W5.5，Mo5.00，Al4.05，Ti1.65，Fe1.50，V0.35，B0.025，Ce0.02，P0.10，S0.01，Cu0.07，Si0.5，Ni余量。合金采用双真空冶炼、热锻成直径38mm棒材，经1200℃×8h的固溶处理（ST）后，分成A、B两组。A组不再做其他处理，B组进行1050℃×24h的时效处理（AT）。A、B组同时进行变形量为80%的冷轧，对冷轧后的GH4049
晶粒大小 这还是应归结到形核和长大的问题上来，同样的变形量（前处理同，仅热处理温度不同），在热处理时，温度的高低对形核率是否有影响，需要进一步确定；可能是高温下的形核率高，低温时形核率低，这就导致在一定热处理时间内，高温的形核率较高，而未来得及长大，故而晶粒相对较细。但是如果热处理温度足够长到一定程度，细晶粒长大，应该还是高温的晶粒要大些！热处理过程中，时间的因素也是比较重要的 是同一种材料，而且变形量基本相同，统一钢板切的试样，热处理后的晶粒大小比较有两个因素：一个是加热温度；另一个是保温时间，这两个因素共同的作用的结果。要想比较，先固定一个因素不变，比较另一个因素对这种材料的晶粒大小那一种因素影响起主要作用，那就依照其主要作用的这一因素来比较。 的影响，看一下 温度低，按理说激活能小，长大速度慢，但是其形核速率也慢；温度高，长大快，但形核也快啊。 如果其他的工艺相同，仅仅是后续热处理温度不同的话，那应该是温度高的最终晶粒尺寸大。 刚开始温度高的晶粒尺寸小，因为形核率大，造成再结晶刚结束的时候尺寸小。继续保温，达到你说的“最终”这个条件时，应该是温度高的尺寸大。 晶粒应该有别于颗粒！晶粒的大小主要取决于物质本身的特性，如晶胞参数。与结晶度关系不大。颗粒应该是晶粒的聚集体。颗粒的大小应该随着结晶度的增加而增加，许多高分散的纳米颗粒是呈胶体状态的、结晶度低。 简单讲： 较高的热处理温度其形核速度快，晶体数量增加，此时的晶粒相对较细，当保温时间加长时，晶粒会长大，冷却速度缓慢时，晶粒会变大，反之则变小； 较低的热处理温度其形核速度慢，晶粒长大速度相对慢些，当保温时间加长时，晶粒长大速度比相对高温下慢，冷却速度缓慢时，晶粒比相对高温下小。 因此，材料晶粒大小除了本身特性之外与热处理温度、保温时间、冷却速度有关系。不能单纯讲高温或者低温下晶粒的大小。 一般来讲，温度高（梯度小）晶粒大些。
§4 晶粒长大 晶粒长大的驱动力是晶界能的下降,即长大前后的界面能差值。 一、晶粒的正常长大 1.定义：指晶体中有许多晶粒获得长大条件，晶粒的长大是连续地，均匀地进行，晶粒长大过程中晶粒的尺寸是 比较均匀的，晶粒平均尺寸的增大也是连续的。 2.晶粒长大的方式 （1）弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少界面积，同时，大角度晶界的迁移率总是大于小角 度晶界的迁移率。 当晶界为三维空间的任意曲面时，作用在单位界面上的力P为： P：晶界迁移的驱动力 ：晶界单位面积的界面能 R1、R2：曲面的两个主曲率半径 如果空间曲面为球面时，R1=R2 ，即：晶界迁移的驱动力与其曲率半径R成反比，与界面能成正比。 （2）晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使三个夹角都等于120度。
， 当界面张力平衡时：因为大角度晶界TA=TB=TC，而 A+B+C=360度∴A=B=C=120度 在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至消失，而边数大于6的晶粒，晶界 向内凹进，逐渐长大，当晶粒的边数为6时，处于稳定状态。 在三维坐标中，晶粒长大最后稳定的形状是正十四面体。 3．影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素 （1）温度温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大 G：晶界迁移速度 G0：常数 QG：晶界迁移的激活能 （2）第二相晶粒长大的极限半径 K：常数 r：第二相质点半径 f：第二相的体积分数
∴第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能力越强。 设第二相颗粒为球形，对晶界的阻力为F，与驱动力平衡 （1） α角只取决于第二相颗粒与晶粒间的表面张力，可看作恒定值，现将（1）式对φ求极大值， 令，可得：（2） 假设在单位面积的晶界面上有NS个第二相颗粒，其半径都为r，则总阻力 （3） 设单位体积中有NV个质点，其体积分数为f （4） （5） 取单位晶界面积两侧厚度皆为r的正方体，所有中心位于这个1×1×2r体积内半径为r的第二相颗粒，都将与这部 分晶界交截，单位面积晶界将与1×1×2r×NV个晶粒交截。 将（4）、（5）式代入（3）式
晶粒模拟 1.输入变形主要文件 2.输入与晶粒有关的材料参数 3.输入最初的晶粒变量 4.运行模拟 5.准备及运行空冷模拟 6. 准备及运行水中淬火模拟 7.后处理 8.改变条件 介绍 本章的目的是介绍如何采用DEFORM2D晶粒模拟模拟锻 造过程及热处理过程中微观组织的变化。 再结晶度及平均晶粒尺寸是使用者最关心的参数，该模型中共有16中晶粒变量，他们都放在数据库中。 静态再结晶、中间动态再结晶、动态再结晶的演化机理和结晶成长都在模型中被计算。在每一个时间步里，基于时间、温度、应力、应力速率、演化历史，变形机制被定义，晶粒的变化被计算和更新。关于该模拟完整的解释在用户文档中有。 注意： 1）由于锻造过程的复杂性，对动态再结晶的同步模拟几乎是不可能的。实际上动态再结晶的计算是在变形过程之后。中间动态
再结晶，动态再结晶也是如此。这就是说，用户将看不到任何的 结果除非一个非变形的模拟（例如：热处理）跟在一个变形模拟的后面。 2）要完成一个完整的晶粒变化模拟，用户必须确定一个完整的热处理过程。特别是坯料必须在模拟结束时彻底的冷却。 问题摘要 空冷水中淬火是一个既简单又让人头疼的过程，该问题 使用SI单位，轴对称。材料IN718,模具材料H13钢。 1.输入变形主要文件 做一个工作路径，打开DEFORM 2D，用Problem ID GRAIN_LAB, 打开前处理，装载KEY文件UPSET.KEY. 这个KEY文件包含了该模拟的所有信息。 2.输入与晶粒有关的材料参数 点击模拟控制按纽，激活“晶粒”，到材料中选择IN718，点击晶粒窗口，窗口显示如下： 激活meta-dynamic、grain growth，不激活其他俩个，输入以下数据到相应的矩阵。 最高应力 应变速率极限 中间动态再结晶动力 中间动态再结晶晶粒尺寸
§ 4晶粒长大 晶粒长大的驱动力是晶界能的下降，即长大前后的界面能差值。 一、晶粒的正常长大1.定义：指晶体中有许多晶粒获得长大条件，晶粒的长大是连续地，均匀地进行，晶粒长大过程 中晶粒的尺寸是比较均匀的，晶粒平均尺寸的增大也是连续的。 2.晶粒长大的方式 (1)弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少界面积，同时，大角度晶界的迁移率 总是大于小角度晶界的迁移率。 当晶界为三维空间的任意曲面时，作用在单位界面上的力 P:晶界迁移的驱动力疗：晶界单位面积的界面能 R1、R2:曲面的两个主曲率半径 如果空间曲面为球面时，R1=R2，即:晶界迁移的驱动力与其曲率半径 P为: R成反比，与界面能成正比。 (2)晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动, 力图使三个夹角都等于120度。 ? A闘爲鼻商世率中心若向于平J化
在三维坐标中，晶粒长大最后稳定的形状是正十四面体。 3 .影响晶粒长大(即晶界迁移率)的因素 (1)温度 温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大 RT} G:晶界迁移速度 G0:常数 QG 晶界迁移的激活能 (2) 第二相晶粒长大的极限半径 K :常数 r :第二相质点半径 f ：第二相的体积分数 当界面张力平衡时: 因为大角度晶界 在二维坐标中，晶界边数少于 数大于6的晶粒，晶界 向内凹进，逐渐长大，当晶粒的边数为 TA=TB=TC 而 A+B+C=360度 /? A=B=C=120度 6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至消失，而边 6时，处于稳定状态。 1 ■兀■兀 Sin B sm C7，
? ?第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能力越强。 设第二相颗粒为球形，对晶界的阻力为 F ,与驱动力平衡 F = Z TT cos(^-<7-cospO°-/J) 6C0妙—妙 (1) a 角只取决于第二相颗粒与晶粒间的表面张力，可看作恒定值，现将（ 竺0 令却 ，可得： 盂+ （2） F 住=叫TP （1 + COE 氐） （3） 设单位体积中有NV 个质点，其体积分数为f 4 =一曲 3 (5) 的正方体，所有中心位于这个 1 X 1 X 2r 体积内半径为r 的第二相颗 分晶界交截，单位面积晶界将与 1 X 1X 2r X NV 个晶粒交截。 将（4 ）、（ 5）式代入（3 ）式 1）式对?求极大值, 假设在单位面积的晶界面上有 NS 个第二相颗粒, 其半径都为 r ，则总阻力 (4) 取单位晶界面积两侧厚度皆为 r 粒，都将与这部
!原子的三维跳跃 integer x,y,z,xyz(1:1000,1:1000),xn(1:6),yn(1:6),zn(1:6),rn real xyzm(1:1000) write(*,*)"实验天数Jmax,实验次数Imax" read(*,*) jmax,imax xn=(/0,0,0,0,1,-1/) yn=(/0,0,-1,1,0,0/) zn=(/1,-1,0,0,0,0/) iseed=rtc() do j=1,jmax x=0 y=0 z=0 do i=1,imax rn=6*ran(iseed)+1 x=x+xn(rn) y=y+yn(rn) z=z+zn(rn) xyz(j,i)=x*x+y*y+z*z end do end do open(1,file="F:\089024352yi.dat") do i=1,imax xyzm=0 xyzm(i)=1.0*sum(xyz(1:jmax,i))/jmax write(1,*) i,xyzm(i) end do close(1) end !MC单晶长大 use msflib parameter ir=400,jr=400 integer is(0:ir+1,0:jr+1),tmax,isn(1:8),nstate,t,nr,ix,iy write(*,*)"please input the time step" read(*,*)tmax iseed=rtc() irc=ir/2 jrc=jr/2 r=min(irc,jrc)-10 is=10 is(irc,jrc)=2 open(1,file="f:\089024352er.dat") do t=1,tmax
晶粒大小对于金属力学性能的影响 晶粒大小对金属材料性能有很大影响： 晶粒之间的“边界”叫晶界，晶粒越大-则晶界也越大，而“晶界”又类似 于材料中的“裂纹”；那么晶粒越大则材料中的“裂纹”越大。其次，晶粒部的 原子排列较为规则，容易产生“滑移”；而晶界上的原子排列较为凌乱，存在许 多“位错”和“劈间”，使得原子面之间不易滑移和变形。那么晶粒细小时，其 的滑移变形就小且能被晶界有效抑制。第三，晶粒、晶界都越细小，外来的总重 荷及变形将分散到更多的晶粒上，岂不更好。所以，晶粒越细--则金属材料的性 能越好。 控制晶粒大小方法很多，主要原理有两个： 1.增大金属结晶时的过冷度。 2.增加结晶晶核。 第一节: 金属材料液态成形基础 (二)金属的结晶 1．结晶的条件 纯金属液体缓慢冷却过程的时间—温度的关系曲线，即纯金属的冷却曲线。 冷却曲线 分析冷却曲线可知，液体纯金属冷却到平衡结晶温度Tm（又称为理论结晶温度，热力学凝固温度，熔点和凝固点等）时，液体纯金属并不会立即自发地出现结晶，只有冷却到低于Tm后，固体才开始结晶，而后长大，并放出大量潜热，使温度回升到略低于平衡结晶温度，而在冷却曲线上出现一个温度平台。当凝固完成后，由于没有潜热释放，因此，温度又继续下降。理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之间的温度差称为过冷度，写作△T=Tm-Tn。 由图可知，金属结晶必须在一定的过冷度下才能自发的进行。从热力学观点来分
析，任何引起系统自由能降低的过程都是自发的过程。在金属结晶前后的两个状态下，金属是由两个不同的相所组成，即液相和固相。两种不同聚集状态自然有两种不同的自由能。 图2-1-29所示是同一金属材料液相和固相的自由能—温度变化曲线。图中显示，两条曲线有一个交点，其对应的温度即为理论结晶温度Tm。在温度Tm时，液相和固相处于两相平衡状态，自由能相等，可长期共存。高于温度Tm时，液相比固相的自由能低，金属处于液相才是稳定的；低于温度Tm时，金属稳定的状态为固相。 因此，液态金属如果要结晶，就必须处于Tm温度以下。金属在液态与固态之间存在有一个自由能差（△F），这个能量差△F就是促使液体结晶的驱动力。 ２．结晶的过程 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现。 液态金属结晶时，首先在液态中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断地长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失。如动画2-1-8所示：
动态再结晶及其机制
动态再结晶及其机制
引言 工程上常将再结晶温度以上的加工成为“热加工”，而把再结晶温度以下而又不加热的加工称为“冷加工”。至于“温加工”则介于二者之间，其变形温度低于再结晶温度，却高于室温。高温进行的锻造，轧制等压力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。 在金属冷形变后的加热过程中发生的，称为静态回复和静态再结晶。若提高金属变形的温度,使金属在较高的温度下形变时，金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与金属热变形同时发生的回复和再结晶称为动态回复和动态再结晶。 一、动态再结晶定义 在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变强化的同时发生的再结晶的现象。
这是在通常的热加工时发生的过程。在发生回复和再结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结晶造成的软化同时发生。 二、动态再结晶的应力应变曲线 值得注意的是：温度为常数时，随应变速率增 加，动态再结晶应力应变曲线向上向右移动， m ax 对应的应变增大：而应变速率一定时，温度升 高，曲线会向下向左移动，最大应力对应的应变减小. 三、动态再结晶的机制 3.1概述 在低应变速率下，动态再结晶通过原晶界的弓出机制形核。与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪 第一阶段—加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（0<ε<εc ）。 第二阶段—动态再结晶开始阶段：应变达到临界值εc ，动态再结晶开始，其软化作用随应变增加而上升的幅度逐渐降低，当σ>σmax 时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降（εc ≤ε<εs ）。 第三阶段—稳定流变阶段：随真应变的增加，加工硬化和动态再结晶引起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。但当ε以低速率进行时，曲线出现波动，其原因主要是位错密度变化慢引起。（ε≥εs ）
摘要:本文综合了大量文献资料,就钢中酸溶铝含量、加热方式和奥氏体晶粒的显示方法对奥氏体晶粒大小、粒粗化温度的影响进行了较详细的分析研究。 关键词:酸溶铝加热方式晶粒显示方法奥氏体晶粒度晶粒粗化温度 0引言 钢的奥氏体晶粒度试验方法很多,国家标准GB6394-86《金属平均晶粒度测定法》〔1〕规定可使用渗碳法、氧化法、网状铁素体法、网状珠光体法、网状渗碳体法和晶粒边界腐蚀法等。1922年麦克奎德(Mac2quid)和爱恩(Ehn)首先采用渗碳法检验钢的奥氏体晶粒度到现在己近八十年的历史〔2〕,1938年托宾(Tobin)和肯洋(KenYon)开始采用氧化法检验钢的奥氏体晶粒度以来也有六十多年历史〔3〕。冶金部1964年制订的YB27-64标准中列出了七种试验方法,其中有渗碳法、氧化法和晶粒边界腐蚀法。1977年修订后的YB27-77标准中强调了晶粒边界腐蚀法。1978年7月,冶金部下发了通知,规定某些合金结构钢应采用晶粒边界腐蚀法〔4〕。自此,人们才认真地比较了各种试验方法〔5-10〕。试验和生产实践中发现,不同的试验方法所得结果相互间可以出现很大的差异。钢的冶体晶粒度试验中影响晶粒大小的因素进行较详细的分析和研究。 1钢中酸溶铝含量的影响 奥氏体晶粒度试验中所采用的钢试样,同一钢种,因冶炼方法、冶炼工艺、炉次不同,钢中酸溶铝含量有较大差异。钢中酸溶铝含量将对钢的奥氏体晶粒度带来很大影响。文献〔5〕的作者采用电炉钢和电炉冶炼再经电渣重熔的30CrMnSiA钢加热到900℃保温3h,电炉钢奥氏体晶粒细小均匀,而电渣钢则为严重混晶,电渣钢的粗化温度比电炉钢要低。电渣重熔过程中,熔渣成分在不断地变化,对于1吨电渣锭(长1.3m)来说,渣中的SiO2含量由电极投入前的百分之零点几逐渐增高到补缩后的百分之四左右,即钢中的铝将按下列反应被烧损:4〔A1〕+3〔SiO2〕=3〔Si〕+2〔Al2O3〕。结果分析表明,电渣钢锭中的残余铝减少了。文献〔11、12〕的作者指出,电渣重熔的合金结构钢,由于铝的烧损和偏析,在实验条件下检验奥氏体晶粒度时,电渣重熔钢易出现混晶,它的晶粒粗化温度较电炉钢低。 文献〔13〕的作者研究了影响20Cr2Ni4A钢晶粒长大的因素,认为钢中酸溶铝的影响最大。酸溶铝含量为0.042%的钢,在930℃,保温100h后也不发生晶粒粗化,奥氏体晶粒平均弦长也没有变化酸溶铝含量低(0.003%)的钢,在930℃保温1h～3h后奥氏体晶粒迅速粗化,粗大晶粒所占面积达40%,且随保温时间的继续增加而粗化。钢中酸溶铝含量由0.003%增加到0.042%时,奥氏体晶粒粗化温度可由850℃提高到1050℃,相差达200℃。
1．设计一种实验方法，确定在一定温度( T )下再结晶形核率N和长大线速度G （若N和G都随时间而变）。 2．金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒? 3．固态下无相变的金属及合金，如不重熔，能否改变其晶粒大小? 用什么方法可以改变? 4．说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为与表现，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么。 5．将一锲型铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制，如图7—4所示。 (1) 画出此铜片经完全再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示 意图；
(2) 如果在较低温度退火，何处先发生再结晶?为什么? 6．图7—5示出。—黄铜在再结晶终了的晶粒尺寸和再结晶前的冷加工量之间的关系。图中曲线表明，三种不同的退火温度对晶粒大小影响不大。这一现象与通常所说的“退火温度越高，退火后晶粒越大”是否有矛盾?该如何解释? 7．假定再结晶温度被定义为在1 h 内完成95％再结晶的温度，按阿累尼乌斯(Arrhenius)方程，N ＝N 0exp(RT Q n -)，G ＝G 0exp(RT Q g -)可以知道，再结晶温度将是G 和向的函数。 (1) 确定再结晶温度与G 0，N 0，Q g ，Q n 的函数关系； (2) 说明N 0，G 0，Q g ，Q 0的意义及其影响因素。 8．为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于650℃退火1 h ，组织反而粗化；增大冷变形量至80％，再于650℃退火1 h ，仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。
9．冷拉铜导线在用作架空导线时(要求一定的强度)和电灯花导线(要求韧性好)时，应分别采用什么样的最终热处理工艺才合适? 10．试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同。从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶? 11．某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。请提出几种具体方法来减轻或消除在热加工中形成带状组织的因素。 12．为何金属材料经热加工后机械性能较铸造状态为佳? 13．灯泡中的钨丝在非常高的温度下工作，故会发生显著的晶粒长大。当形成横跨灯丝的大晶粒时，灯丝在某些情况下就变得很脆，并会在因加热与冷却时的热膨胀所造成的应力下发生破断。试找出一种能延长钨丝寿命的方法。
六，晶粒大小的控制 晶粒度： 晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示 不同材料的金属所需要的晶粒大小： ●在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。 ●但是，对于在髙温下工作的金属材料，晶粒过于细小性能反而不好，一般希望得到 适中的品粒度。 ●对于制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒反而越粗大越好。因为晶粒越大，则其 磁滞损耗越小，效应越高。 表2-3列出了晶粒大小对纯铁机械性能的影响 由表可见，细化晶粒对于提高金属材料的常温机械性能作用很大。 细晶强化： 这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。 改变晶粒大小的手段： 此外，除了钢铁等少数金属材料外，其它大多数金属不能通过热处理改变其晶粒度大小，因此通过控制铸造及焊接时的结晶条件，来控制晶粒度的大小，便成为改善机械性能的重要手段。 影响金属结晶时的晶粒大小的因素及原因 ●金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。 ●晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。 ●形核率越大，则单位体积中的晶核数目越多，每个晶粒的长大余地越小，因而长成 的晶粒越细小。同时长大速度越小，则在长大过程中将会形成更多的晶核，因而晶
粒也将越细小。反之，形核率越小而长大速度越大，则会得到越粗大的晶粒。 ● 因此，晶粒度取决于形核率N 和长大速度G 之比，比值G N 越大，晶粒越细小。 ● 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目v Z 为43 9.0??? ? ??=G N Z v ；为单位面积中的晶粒 数目s Z 为211.1???? ??=G N Z s ● 由此可见，凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒，相反，凡是抑制形核 促进长大的因素，都便晶粒粗化。 根据结晶时的形核和长大规律，为了细化铸锭和焊缝区的晶粒，在工业生产中可以采用以下几种方法：控制过冷度、变质处理、振动、搅动 过冷度对晶粒大小影响原理： 形核率和长大速度都与过冷度有关，增大结晶时的过冷度，形核率和长大速度均隨之增加，但两者的增大速率不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率，如图2-32所示。 在一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大,则比值G N 越大，因而晶粒越细小。 如何提高过冷度： ● 增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。在铸造生产中，为了提高铸件 的冷却速度，通常采用金属型或石墨型代替砂型，增加金属型的厚度，降低金属型的温度，采用蓄热多散热快的金属型，局部加冷铁，以及采用水冷铸型等。 ● 增加过冷度的另一种方法是采用低的浇注温度、减慢铸型温度的升高，或者进行慢 浇注，这样做一方面可使铸型温度不致升高太快，另一方而由于延长了凝固时间，晶核形成的数目增多，结果即可获得较细小的晶粒。 增大过冷度的方法只对小铸件有效：
《计算材料学》课程设计 指导老师：江建军教授 电子科学与技术系 2004年6月
晶粒生长的Monte Carlo 模拟 梁树雄，韩轲，张士亮，柏帆，胡斯杨，陈嵩，蒋雄军，严军刚，程晨 (华中科技大学电子科学与技术系,湖北 武汉 430074) 摘要：在实际生产中，晶粒的长大现象非常普遍的存在于金属、合金的凝固，陶瓷的烧结等过程中，直接影响着所得材料的性能。所以研究晶粒生长是材料工程中的重要课题，但直接研究速度慢，容易受到条件限制，而计算机模拟具有速度快，数据准确，成本低和直观简便等一系列优点，经多年发展，已成为除实验和理论外的第三种关于晶体生长的研究手段，有着不可比拟的优越性。对于晶体生长来说，所用的模型及方法大致分为蒙特卡罗方法（Monte Carlo）简称MC方法或改进的MC方法。 关键词：蒙特卡罗方法；晶体生长；计算机模拟 Monte Carlo Method simulation of the grain growth Abstract: Grain growth exists very frequently in the condense and amalgamation of metal or alleys, processes of sintering of pottery. As its position, the capability of the materials attribute directly to the phenomena. With the great topic of materials engineering, however, due to restriction conditions, no more progress has achieved in the research. Nowadays, with the rapid progress of computational simulation and the improvement of the exactness. Besides of the traditional experiment and ordinary theoretic analogy, computational simulation has been regard as the other method to the problem. All of the models and methods can be divided to Monte Carlo Method (short for MC) and Improved MC Method. KEY WORDS：Monte Carlo Method；grain growth；computational simulation 一、引言 晶粒凝聚的理论过程：高温的液态晶体在降温后即会凝聚成固体晶体。 （1）成核现象 液态中随机在低温区凝聚的经理，发生在一个很小的过冷度范围内。 （2）晶体生长 液态晶体产生核化中心后，核化中心周围的液体开始逐渐凝固和生长。围绕着核化中心即种子生长，也称作晶粒长大。晶粒长大可以分正常晶粒长大和不正常晶粒长大。正常晶粒长大的基本特征是长大过程中晶粒尺寸保持基本均匀，相对晶粒尺寸分布具有不变性，通常称之为自相似性。不正常晶粒长大是指晶粒长大由于某种原因，如第二相粒子的钉轧作用而使长大受到限制，在某些条件如温差升到某临界值时，少数晶粒吞并其他晶粒而长大。（3）生长过程 初期，在液态环境下围绕晶核向四周无限制的等速生长知道碰到另一个生长的晶粒，二者中间形成晶界，此时停止生长。生长出的晶粒多不规则，晶界也没有特定的形态。后期，晶粒以吞食的形式逐渐长大，以牺牲小晶粒为代价。随着时间的推移，晶粒的晶界不断变化，
第九章烧结 1、解释下列名词 （1）烧结：粉料受压成型后在高温作用下而致密化的物理过程。 烧成：坯体经过高温处理成为制品的过程，烧成包括多种物理变化和化学变化。烧成的含义包括的范围广，烧结只是烧成过程中的一个重要 部分。 （2）晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。 二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。 （3）固相烧结：固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。 液相烧结：有液相参加的烧结过程。 2、详细说明外加剂对烧结的影响? 答：（1）外加剂与烧结主体形成固溶体使主晶格畸变，缺陷增加，有利结构基元移动而促进烧结； （2）外加剂与烧结主体形成液相，促进烧结； （3）外加剂与烧结主体形成化合物，促进烧结； （4）外加剂阻止多晶转变，促进烧结； （5）外加剂起扩大烧结范围的作用。 3、简述烧结过程的推动力是什么? 答：能量差，压力差，空位差。 4、说明影响烧结的因素？ 答：（1）粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速； （2）外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等）， 促进烧结。 （3）烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。 （4）保温时间：高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气 孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创 造体积扩散条件。 （5）气氛的影响：氧化，还原，中性。 （6）成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结越有利。
use msflib parameter ir=400,jr=400,nmax=150 integer is(0:ir+1,0:jr+1),tmax,isn(1:8),nstate,t,ix0,jy0,nr integer igv(0:nmax) write(*,*) "please input the time step" read(*,*) tmax iseed=rtc() do i=1,nmax ix0=ir*ran(iseed)+1 jy0=jr*ran(iseed)+1 is(ix0,jy0)=i end do is(0,1:jmax)=is(imax,1:jmax) is(imax+1,1:jmax)=is(1,1:jmax) is(0:imax,0)=is(0:imax+1,jmax) is(0:imax+1,jmax+1)=is(0:imax+1,1) open(1,file="F:\luck.dat") igv=1 igv(0)=10 do t=1,tmax iarea=0 do x=1,ir do y=1,jr ix=ir*ran(iseed)+1 jy=jr*ran(iseed)+1 isn=(/is(ix-1,jy-1),is(ix-1,jy),is(ix-1,jy+1),is(ix,jy-1), !is(ix,jy+1),is(ix+1,jy-1),is(ix+1,jy),is(ix+1,jy+1)/) e0=count(isn.ne.is(ix,jy)) if(e0.eq.0) cycle nr=8*ran(iseed)+1 nstate=isn(nr) rd=ran(iseed) e=count(isn.ne.nstate) ig=igv(isn(nr))-igv(is(ix,jy)) de=ig+e-e0+2.5*rd-1.25 if (de.lt.0.0) is(ix,jy)=nstate iser=setcolor(mod(is(ix,jy),15)+1) iser=setpixel(ix,jy) if(is(ix,jy).ne.0) iarea=iarea+1 end do end do write(1,*) t,sqrt(1.0*iarea) end do close(1)
渗碳用超细晶粒钢的研发 Yutaka Kurebayashi, Sadayuki Nakamura Daido Steel 摘要: 冷锻加工是汽车部件如齿轮、曲轴生产的最常用的加工工艺，冷锻加工由于近终型成形，可以节省材料和加工费用，然而当在无预正火工艺进行表面渗碳的加热过程中，有时候会出现奥氏体晶粒的异常长大，粗化的晶粒尺寸有时候可以达到ASTM 2～4级，这种晶粒的异常长大会导致渗碳后的性能恶化，对部件的断裂韧性和疲劳强度都有害[1]。我们的研究目的就是开发一种新钢种，它在无正火工艺的渗碳加工中能够保持细晶粒。 首先，我们研究了各种元素对表面硬化钢晶粒长大的影响，选择Nb作为控制晶粒长大的元素。其次，我们开发出一种含少量Nb的超细晶粒钢，这种钢冷锻后在1223K的温度72000秒的情况下仍然保持超细晶粒。 晶粒异常长大理论 见图1所述，奥氏体晶粒长大有两种类型[2][3]。如果没有小的粒子（如析出物）阻止晶界迁移，则晶粒长大仅仅由晶界表面自由能控制，随着温度的升高，大晶粒通过吞噬小晶粒逐渐地连续地均匀长大，这种类型的晶粒长大被称为正常晶粒长大。由于几乎所有表面硬化钢都为铝镇静钢，正常晶粒长大很难观察得到。 对于铝镇静钢，钢中的铝在凝固的冷却过程中与氮结合生成非常细小的AlN粒子，当含AlN粒子的钢，在加热温度低于1173K时，AlN析出物会阻止晶粒长大，但当加热到1173～1223K时，部分AlN析出物溶解到晶粒点阵中，部分AlN长得更大，这种情况下只有很少数量的晶粒长大，它们通过唯一的吞噬周围细小晶粒而连续长大。这种情况下长大的粗化晶粒晶粒度常常达到ASTM 2～4级，被称作异常长大。在冷锻加工工艺中，冷锻前常常要进行球化退火，球化退火使得AlN长大，冷锻后钢的奥氏体晶粒长大趋势十分明显。 为了改善这种晶粒长大特性，析出物的长大速率必须低于AlN，同时在热轧过程中这种析出物必须细小并且均匀弥散分布。
硬质合金的晶粒长大及抑制机理 摘要：硬质合金以其优异的使用性能获得越来越多的关注，细小晶粒的硬质合金不仅具有高的硬度和耐磨性，还有着不错的断裂韧性。然而在烧结过程下，其晶粒容易发生长大现象，限制了其合金的使用性能。本文综述了国内外硬质合金的发展、WC晶粒的生长方式、晶粒长大抑制剂的种类、添加方式等方面内容，重点对不同抑制剂的作用机理、添加量及复合抑制剂对抑制WC的生长做了分析，并就最近有关WC晶粒生长的研究作了介绍。 硬质合金，顾名思义，就是以难熔金属硬质化合物（硬质相或陶瓷相）为基，以金属为粘结相（粘结剂），然后以粉末冶金技术制得的高硬度和高耐磨的材料，亦称之“金属陶瓷材料”。硬质合金拥有优异的使用性能，如高的硬度、弹性模量和低的膨胀系数，被誉为“工业的牙齿”，广泛的应用到切削刀具、耐磨零件等，其在切削加工、地质勘探、矿山开采和石油钻井等领域有着不可或缺的地位。 在其应用领域里，硬质合金材料存在的最突出问题就是加工过程中出现WC晶粒长大现象。由于过大的WC晶粒会弱化基体界面，并损伤其成品工具的强度，而且大的晶体能充当裂纹形核点，导致脱层、碎裂和裂纹的产生。对于控制生产过程中硬质合金中WC晶粒的长大，在工业的应用里有重要的价值。 抑制WC晶粒长大的途径有两种：一、改进加工工艺参数，如适当的降低反应温度和缩短反应时间，这样能够让液态Co有更好的流动性，且分布也更均匀，使得WC的润湿性会更好，达到细化WC晶粒的目的；二、添加晶粒长大抑制剂，查尔姆斯理工大学的研究者在生产工艺中对硬质合金材料原子尺度的结构进行控制并发现，添加微量的V可使硬质合金的晶粒尺寸减小到原有尺寸的1/10。 1 硬质合金的发展 硬质合金自1923年被德国人Schroter 发明以来，由于它的优异性能使得在各项工业应用领域有着不可或缺的作用，所以人们就没停止过对改善其使用性能的研究。世界硬质合金的发展如表1所示。
1.2.1液态的结构 （1）金属的状态及其相互转化 物质有固体、液体、气体三种状态，同一种物质有不同状态的原因在于原子所具有的能量不同，导致原子或原子集团之间的距离不同 大：气体，小：固体，中间：液体 温度越高：原子所具有的能量越高，原子的热运动越强烈，原子及原子集团之间的距离越大，物质将由固体逐渐向气体转化 温度越低：与上述变化方向相反。 固体：金属学中研究，气体，很少接触。 主要研究从液态到固态转变过程中组织性能的变化。 （2）液体物质原子集团状态 铸造成型原理这门课，主要研究液态到固态转变过程中组织性能的变化，从而保证能够得到理想的固态组织。通过了解过去，也即在凝固之前的液态金属的结构，就可能更深入了解凝固过程组织变化的特征，也就是金属在凝固过程中的行为。 那么，液态金属到底具有什么特性呢？怎么研究液态金属的特性呢？ 固态，知道，金相组织，扫描电镜，透射电镜，X射线衍射分析， 机械性能，硬度，强度，韧性，塑性 液态有没有相应的方法？ 方法很多？？？？，其中之一：X射线衍射： 图2-3 通过X射线衍射方法所得到的700度的时候液态铝中原子分布曲线
横座标：r 为距与所选定原子之间的距离。
纵坐标：。ρ（r）4 r2， 其中：ρ（r）：半径为r的球面上单位面积的原子密度函数， r：距离所选定的原子的距离（半径）。 整体意义：围绕所选定的原子，以r为半径，厚度为dr的一层球壳中的原子的数量，其最近邻的球壳中的原子数就是配位数。 第一类线条：固态金属，原子在衍射过程中主要在平衡位置上作热运动，以平衡位置为中心，因此原子的位置相对固定，这样原子之间的距离也固定，所以球面上的原子数是固定的。故衍射结果是一条条清晰线，每条线都有固定的位置（r）和峰值（原子数）。 意义：在原子和原子之间：为空隙：因此没有原子密度，也即原子密度为零。但是到一定的距离，即有一定数量的原子存在。这个距离由金属的晶体结构所决定。 最近的一条线：铝原子结构：面心立方结构：原子的配位数：12 由彩色图可以看出，面心立方结构的一个平面图。距离最近的原子，一个面是4个，但配位数为什么有十二个呢？ 总共三个面，因此原子的配位数：12。 铝原子的晶格常数： 第二条线：配位数：6 这个数6怎么得来? 在这个图上：4个，垂直面上4个，应该是八个，实际是几个，为什么？ 公用了2个，表面看4个，实际2个，共6个。 平面再剖一下，又四个， 但是实际上一个也没有。 为什么？