晶粒大小和细化方法探究

晶粒大小对力学性能的影响很大，在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。因此，细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。由结晶过程可知，金属结晶后的晶粒大小取决于结晶时的形核率(单位时间、单位体积所形成的晶核数目)与晶核的长大速度，形核率越高、晶核长大速度越小，则结晶后的晶粒越细小。因此，细化晶粒的根本途径是提高形核率和降低晶核长大速度。常用细化晶粒的方法有以下几种。

1.增加过冷度

金属的形核率和晶核长大速度均随过冷度而发生变化，如图2-14 所示，但两者变化速度并不相同，在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。在铸造生产时用金属型浇注的铸件比用砂型浇注得到的铸件晶粒细小，就是金属型浇注散热快、过冷度大的缘故。这种方法只适用于小型铸件，因为大型铸件冷却速度较慢，不易获得较大的过冷度，而且冷却速度过大时容易造成铸件开裂，对于大型铸件可采用其他方法使晶粒细化。

图2-14　形核率和长大速度与过冷度的关系(www.xing528.com)

2.变质处理

在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂(又称孕育剂)，以增加形核率或降低晶核长大速度，获得细小的晶粒，这种方法称为变质处理(或孕育处理)。例如，在钢中加入钛、硼、铝，在铸铁中加入硅铁、硅钙等变质剂，均能起到细化晶粒的作用。变质处理是生产中最常用的细化晶粒的方法。

3.振动处理

金属在结晶时，对液态金属加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，破碎的枝晶又可作为结晶核心，增加形核率，达到细化晶粒的目的。