钢铁结构材料的细晶强化与韧化分析

钢铁材料是在铁基础上通过加碳和其他合金元素发展起来的。纯铁的理论拉伸屈服强度可达12410MPa，而实际观察到的最高抗拉强度仅为3450MPa（形变热处理）、4830MPa（冷拔线材）、6980MPa（晶须）。钢铁材料强度潜力很大。

多晶体的屈服强度遵从著名的Hall-Petch关系式

σ_s=σ_i+kd^-1/2

式中，σ_i和k为与材料有关的常数；d为晶粒直径。σ_i与晶格强化、固溶强化、位错强化、沉淀强化等有关。Hall-Petch关系式的物理基础是位错滑移和塞积理论。

一般认为，细晶强化的机理是：晶粒越细，单位体积内的晶粒晶界越多。由于晶界处的原子排列比晶粒内部紊乱，位错密度较高，使晶界对正常晶格的滑移位错缠结和位错塞积，不易穿过晶界继续滑移，形变抗力增大，表现为强度提高。晶粒越细，强度越高。

通常，钢铁材料强度的提高都会以牺牲塑性韧性为代价，细化晶粒则在提高强度的同时提高钢的韧性。材料的韧性通常是由裂纹形成与扩展功的大小来表征的。CVN的韧脆转化温度可以反映材料韧性的优劣。

钢铁材料的韧脆转化温度和晶粒尺寸的关系可用下式表示

βT_C=lnB-lnC-lnd^1/2

式中，β、B、C为常数；T_C为韧脆转变温度。

根据裂纹形成的断裂理论，晶粒尺寸d与裂纹扩展的临界应力σ_f的关系为

σ_f≈（2GV_P¹/2/k_y）d^-1/2

式中，G为比例参数；V_P为比表面能，即裂纹扩展时每增加单位面积所消耗的功；k_y为Petch斜率。当V_P一定时，d越小，σ_f越高。

晶粒细化促使韧性提高的微观机理：材料晶界位错缠结既有效释放裂纹尖端应力，又通过位错缠结阻止裂纹扩展。

晶粒细化对钢的强韧性的影响如图6和图7所示。

图6 几类强化效果的比较

图7 不同强化机制对韧脆转变温度的影响

有关“超细晶”（ultrafine grain）尺寸范围的认定也有一个发展的过程。在20世纪60年代，尺寸＜10μm的细晶被认为是超细晶组织，而目前认为尺寸＜5μm的细晶才是超细晶组织。

真正在工业中得到成功应用的超细晶粒组织主要为微米级细晶粒。其细化处理技术主要有：TMCP、应变诱导铁素体相变、快速循环热处理、形变热处理、磁场或电场处理等。

3.2.1 TMCP的晶粒细化(www.xing528.com)

TMCP（控轧控冷）能有效地细化晶粒，其工艺技术特点如图8所示。

图8 控轧控冷工艺技术特点

3.2.2 应变诱导相变（strain induced transformation）细化

应变诱导相变是将低碳钢（一般碳含量≤0.25%）加热到稍高于奥氏体相变（Ac₃）温度以上，对奥氏体施加连续快速大压下量变形，从而获得超细的铁素体晶粒。

在变形过程中，形变能的积聚使奥氏体向铁素体转变的相变点Ac₃温度上升，在变形的同时发生铁素体相变，并且变形后进行快速冷却，以保持在形变过程中形成的超细铁素体晶粒。

在应变诱导相变细化技术中，变形温度、变形量和冷却速度是最重要的参量，随变形温度的降低及变形量的增加，应变诱发铁素体相变的转变量增加，同时铁素体晶粒变细。

3.2.3 形变热处理（thermomechanical treatment）

大致可分为两类：其一是将钢在较低的奥氏体转化温度进行变形，然后淬火；其二是将淬火后的钢进行冷变形，然后奥氏体化再淬火。

第一种形变热处理工艺是将钢加热到稍高于Ac₃温度，保持一段时间，达到完全奥氏体化，然后以较大的压下量使奥氏体发生强烈变形，之后等温保持一段时间，使奥氏体进行重结晶，并于晶粒尚未开始长大之前淬火，从而获得较细小的淬火组织。

第二种形变热处理工艺是将淬火以后的钢加热到相变点以下的温度进行大压下量的变形，然后加热到Ac₃以上温度短时保温，奥氏体化后迅速淬火。该工艺的缺点是由于变形是在低温状态下进行，因此材料变形抗力较大，给实际生产造成一定的困难。然而它却是一种十分有效的细化晶粒的方法。

3.2.4 循环加热淬火（cyclic heating-quenching）细化

采用多次循环加热淬火冷却方法可有效细化材料的组织。其具体工艺是将钢由室温加热至稍高于Ac₃的温度，在较低的奥氏体化温度下短时保温，然后快速淬火冷却至室温，再重复此过程。每循环一次，奥氏体晶粒就获得一定程度的细化，从而获得细小的奥氏体晶粒组织。研究表明，一般循环3～4次细化效果最佳，当循环6～7次时，其细化程度达到最大。

这种处理工艺的关键在于升温速度和冷却速度，基本要求是加热和冷却速度都要快。

3.2.5 磁场或电场处理（heat treatment under magnetic or electric field）细化

磁场热处理早在20世纪50年代就有文献报道，但由于当时获得磁场存在许多困难，使其研究受到限制。最近超导体的迅速发展，促进了人们对强磁场热处理时各种现象的研究工作。

目前，该技术主要在以下两个方面应用于钢铁材料组织细化处理过程中，一是在热轧过程中采用间断实施磁场或电场的方法改变Ac₃温度，反复进行奥氏体/铁素体相变，可促进铁素体晶粒细化；二是外加磁场或电场使Ac₃温度的上升现象，可增大淬火冷却时从奥氏体向马氏体转变的相变驱动力，从而增加马氏体的形核率，并且降低其生长速度，达到组织细化的目的。

日本1997年提出的“超级钢计划”，韩国1998年提出的“高性能结构钢计划”，以及我国1998年末提出的“新一代钢铁材料重大基础研究”，其核心研究内容之一就是钢铁材料的组织细化问题。

我国973项目“新一代钢铁材料重大基础研究”，以细化钢铁结构材料的晶粒尺寸为核心，在保持塑性提高和价格下降的同时，碳素结构钢板、带材屈服强度由235MPa已提高到420～470MPa，塑性由最大26%提高到29%～34%；建筑螺纹钢由一级提高到三级，碳-锰钢由二级提高到四级；高强度抗延迟断裂螺栓钢，已达到目前国外最高的13.9级。