钢铁材料的晶粒细化工艺目前实现细化的有效方法

钢材晶粒细化工艺

目前，实现钢材晶粒细化的主要方法有：冶金处理细化、热处理加工技术、磁场或电场处理细化、机械球磨法、非晶结晶法等。

凝固组织细化技术

由金属凝固理论可知，等轴晶形成的条件是：凝固界面前端液相中有晶核来源，且有形成所需的过冷度。以及晶核在液相中的生长。 因此，金属及合金材料凝固组织的细化无非基于以下基本原则：增加液相中的形核颗粒，提高形核率； 降低晶核的生长速率或抑制晶核的生长。 ; 控制结晶前沿的温度分布等。目前，金属凝固组织细化方法主要有四类：（1）浇注工艺和传热条件控制方法；（2）浇注工艺和传热条件控制方法； (2)化学处理方法； (3)机械处理方法； (4)外部物理场方法。

浇注工艺及传热条件控制方法

控制浇注工艺和传热条件的方法有浇注工艺控制技术、低温浇注、提高冷却速度和提高过冷度等。

铸件浇注过程中，通过控制浇注过程，如缓慢浇注或合理设置浇口，可以细化金属凝固组织。

除控制浇注方法外，降低浇注过热度、在接近液相线的温度浇注也是细化凝固组织、扩大等轴晶面积的有效方法。

提高冷却速度和快速凝固可以显着细化金属的凝固组织，获得非常好的细化效果。 薄板坯连铸工艺使铸坯的凝固和冷却速度提高1～2个数量级。 快速凝固减小了二次枝晶臂间距，最小臂间距可达到亚微米级别。

铸坯二次枝晶间距与冷却速度的关系

在提高冷却速度的基础上，通过去除液相中的异质晶核（熔体净化），抑制低过冷时的形核，使合金液获得较大的过冷度，在低过冷度下产生合金液。过冷度大。 爆炸成核还可以细化金属凝固结构。 这种方法就是深度过冷凝固技术。 熔体的凝固速度与其过冷程度有关。 过冷度越大，凝固速度越快。

化学处理方法

化学处理的方法是在金属熔体中添加少量的化学品或化学元素。 这种物质通常称为孕育剂或改性剂。 该方法操作简便，精化效果显着。 但孕育剂必须细小、分散，才能有效细化晶粒，否则会影响钢材的性能。

钢水中存在的固体化合物在钢水凝固过程中可以作为初生铁素体相或初生奥氏体相的形核核，促进钢水的异质形核，从而实现凝固组织的细化。 根据晶格失配理论和经验电子理论，对δ-Fe异质形核影响显着的孕育剂有CaS、La2O3、TiN、Ce2O3、TiC、CeO2、Ti2O3、TiO2、MgO； 对于 γ-Fe 孕育剂来说，对异质形核有显着影响的有 ZrO2、Ti2O3、MnS、SiO2、MnS、CaO、Al2O3 和 CeO2。

机械处理方法

机械处理方法主要有机械搅拌和机械振动。

利用机械搅拌可以引起液相和固相之间不同程度的相对运动，即液态金属的对流运动，可以引起枝晶臂的破碎、碎裂和增殖，从而达到细化的目的谷物。 然而，这种方法有两个缺点。 一是熔体搅拌时容易卷入气体，金属液不能及时补充，容易形成气孔、缩孔等缺陷。 另一种是搅拌高熔点的熔融金属。 此时搅拌器磨损严重，对金属熔体造成污染，产生新的质量问题。

利用机械振动的方法也是依靠金属熔体的对流运动来破碎枝晶并引起晶核的增殖，以达到细化凝固组织的目的。 但该方法在操作过程中，当机械振动频率升高时，会降低金属凝固组织的细化效果，造成钢锭碳化物偏析、严重疏松等问题。

外部物理方法

外部物理场加工技术在金属熔体凝固前或凝固过程中施加物理场，利用金属与物理场之间的相互作用来改善其凝固组织。 该技术具有环境友好、操作简便等优点。 目前该领域的研究热点主要集中在以下三个方面：（1）让电流通过金属熔体，即电流处理； (2)让金属熔体在磁场中凝固，即磁场处理； (3)处理金属熔体 对本体进行超声波处理。

当电场作用于熔点附近的凝固体系时，熔融金属中短程有序原子团的结构、尺寸和数量会随着电场的强度和方向而变化，加剧结构波动、能量波动和温度波动，从而促进均匀形成。 核。

当快速变化的强脉冲电流通过金属熔体时，熔体中就会产生快速变化的强脉冲磁场。 强脉冲电流与强脉冲磁场的相互作用，会在金属熔体中产生强烈的收缩力，使熔体受到反复压缩，使熔体沿垂直于电流的方向做往复运动。 往复运动除了破坏枝晶外，还使熔体快速失去过热度，提高成核率。 因此，脉冲电流越强，细化效果越显着。

在交变磁场的作用下，凝固系统中会产生感应电流。 磁场和感应电流之间的电磁相互作用会产生电磁力。 方向是沿径向将金属压向或远离轴线，从而使凝固体系发生有规律的波动。 这种波动对凝固过程的影响与通常的增强对流造成的影响没有本质区别。 因此，交变磁场具有细化晶粒的作用。

从磁场引起的波动效应来看，磁感应强度越大，电磁压力越大，因此波动越剧烈，晶粒细化效果越显着。 然而，当磁感应强度增加时，感应电流也成比例增加，这将相应地增加凝固体系中的热效应，从而降低过冷程度，从而降低成核率。 因此，当磁感应强度过大时，会引起晶粒粗化。 因此，磁场强度与晶粒细化效果的关系曲线应该是一条有极值的曲线。

脉冲磁场在熔体中产生脉冲涡流。 涡流和磁场之间的相互作用产生洛伦兹力和磁压力。 它们变化剧烈，其强度远大于金属熔体的动压力，从而导致金属熔体强烈振动。 这种振动一方面增加了熔体凝固过程中的过冷程度，提高了成核率； 另一方面，它在熔体中引起强制对流，使枝晶难以生长或在凝固过程中破裂或损坏。 破碎后，这些破碎的枝晶颗粒在结晶前沿的液体中变得游离，并成为新的生长核。 因此，脉冲磁感应强度越大，细化效果越显着。

强磁场或电场与温度、压力、化学成分等因素一样，也是影响金属相变的重要因素。 首先，由于不同相具有不同的磁导率或介电常数，电磁场会影响它们的吉布斯自由能，从而影响γ→α相变温度。 在热轧过程中，间歇施加磁场或电场的方法可以改变Ae3温度，反复进行奥氏体/铁素体相变，从而促进铁素体晶粒的细化。 此外，电磁场还会影响原子迁移的扩散速度和相形态。 施加外加磁场或电场，会增加淬火冷却时奥氏体向马氏体的相变驱动力，可以达到与增加过冷度相同的效果，从而提高马氏体的形核速率，降低其长大速率达到组织细化的目的。 强磁场或电场淬火时，有一个规律：随着场强的增大，得到的淬火马氏体尺寸变得更细。

超声波在液体中传播时，会产生周期性的应力和声压变化，在声波波面形成强大的压力梯度，产生局部高温高压效应。 这种效应导致瞬时正压和负压变化。 ，导致固/液界面处成核生长的晶胚在结晶过程中脱落，并漂移到熔体的各个部分，从而改变了固/液界面处的结晶方式。 液体中产生的空化和搅拌作用，使整个合金液的温度和化学成分均化，细化合金组织，降低合金宏观偏析倾向，提高铸造组织的均匀性。

铁素体晶粒细化方法

从强韧化的角度来看，细化晶粒是最重要的强化方法之一。

晶粒细化一般包括相变前奥氏体细化或位错、奥氏体内部形核颗粒的增加以及相变冷却细化。 当利用结晶成核和生长现象来细化晶粒时，临界成核尺寸成为晶粒细化极限的一般目标。 临界成核的大小是成核驱动力的函数。 驱动力越大，临界成核尺寸越小。 通常，相变过程中的驱动力远大于再结晶过程中的驱动力。 因此，利用相变过程中获得的很小的临界晶核尺寸，然后控制冷却速度，可以使钢材组织超细化。

对于低碳微合金钢，当发生奥氏体向铁素体的相变时，应尽可能产生大量的晶核。 对于新一代钢材，相变晶粒细化（奥氏体→铁素体）的方法有以下四种：

(1)加快冷却

加快冷却速度，提高过冷度，可以增加形核驱动力，提高铁素体相的形核率，从而达到细化晶粒的目的；

(2)细化母相奥氏体

浇注时提高奥氏体相的形核率，达到细化母相奥氏体的目的，从而细化固态铁素体相；

(3)变形诱发的铁素体相变(加工硬化状态下的奥氏体相变)

通过大量的变形，奥氏体相中的位错密度增加。 冷却时，提高铁素体相的形核率，达到细化铁素体相的目的。 此时应避免轧制过程中产生奥氏体相。 坯体再结晶，使奥氏体在轧制过程中动态转变为铁素体，并获得细晶粒铁素体；

(4)奥氏体晶粒内弥散适量的析出物和非金属夹杂物

利用某些元素在奥氏体相中形成析出相，如碳、氮化合物，或利用某些非金属氧化物、硫化物等作为铁素体在奥氏体相中不均匀形核的现成表面。 ，降低形核功，提高形核率，达到细化铁素体相的目的。

总之，上述四种方法中，方法（1）是通过提高冷却速度来增加过冷程度，以增加相变时形核的驱动力，方法（2）、（3）、（4）是为了增加铁素体形核位置。

微合金化细化铁素体晶粒

钢材微合金化可以有效细化晶粒。 其原因可分为以下两种情况：一是添加一些固溶合金元素（如W、Mo等），提高了钢的再结晶温度。 同时可以降低一定温度下晶粒长大的速度； 其次，一些强碳氮化合物形成元素（如Nb、Ti、V等）与钢中的碳或氮形成纳米尺寸的化合物，对晶体有害。 它对谷物的生长有强烈的阻碍作用。 这些强碳氮化合物形成元素主要通过以下机制细化铁素体晶粒：

(1)防止加热时奥氏体晶粒长大

Nb、Ti、V等微合金钢在锻造或轧制前加热时，未溶解的微合金碳氮化物颗粒钉扎奥氏体晶界迁移，阻止其晶粒长大，从而使微合金钢在加压前有较小的奥氏体晶粒加工，为铁素体晶粒的进一步细化提供了有利条件。

(2)奥氏体变形时防止奥氏体再结晶

奥氏体变形过程中，通过应变诱导析出的Nb、Ti、V碳氮化物析出可以抑制变形奥氏体的再结晶和再结晶后晶粒的长大，具有细化晶粒的作用。 这是因为在热处理过程中因应变而析出的微合金元素的碳氮化物颗粒优先在奥氏体晶界、亚晶界和位错线处析出，从而有效地防止了晶界、亚晶界和位错线。 误差的移动不仅可以阻止再结晶过程的开始，而且会抑制再结晶过程的进展。

(3)铁素体相变后的沉淀强化

奥氏体变形后，会发生铁素体相变。 此时会析出大量弥散分布的微合金碳氮化物颗粒。 这些析出颗粒还对铁素体晶粒起到钉扎作用，限制其长大。 。 另一方面，这些颗粒还起到沉淀强化的作用，提高钢材的强度。 研究表明，微合金化碳氮化物析出颗粒的尺寸和体积分数对铁素体晶粒尺寸起着决定性作用。 析出颗粒越小、体积分数越大，得到的铁素体晶粒越小。 因此，努力使析出颗粒具有较大的体积分数和较小的尺寸是晶粒细化过程的一个主要目标。

铁素体中碳和氮化物的溶解度

碳和氮化物在奥氏体中的溶解度

控制轧制细化铁素体晶粒

低碳钢超精处理工艺中，具有代表性且相对成熟的工艺是形变热处理（TMCP）——控轧控冷。

控制轧制和快速冷却的四个阶段以及每个阶段的晶体结构

与上述四种细化铁素体晶粒的方法相对应，控轧控冷过程基本上可分为四个阶段：（1）热轧加动态再结晶，获得初始γ晶粒的细化。 ; (2)再结晶控制轧制进一步细化γ晶粒； (3)未再结晶控制轧制积累变形，增大α形核面积，驱动γ→α相变，最终细化晶粒α目标值； (4)形变热处理。 (1)、(2)和(3)可以导致钢的晶粒细化和超细化。 形变热处理是广义TMCP的一种，可以代替普通再加热。 它是一种节能且性能优化的不可逆热处理方法。

形变热处理大致可分为两类：高温形变热处理是使钢在较低的奥氏体化温度下产生形变，然后淬火； 低温变形热处理是将淬火后的钢进行冷变形，然后奥氏体化，然后淬火。 。 高温变形热处理工艺是将钢加热到略高于Ac3的温度，保持一段时间，使其达到完全奥氏体化，然后用大的压下量使奥氏体强烈变形，然后保持保温一段时间，使奥氏体化体发生初始再结晶，在晶粒开始长大之前进行淬火，从而获得较小的淬火组织。 低温变形热处理工艺是将淬火钢加热到相变点以下的低温，以较大的压下量变形，然后短时间加热到Ac3以上的温度，奥氏体化后快速淬火。

形变热处理的目的和方法

热轧工艺对钢材的性能和质量有重要影响。 例如，钢坯的加热温度和开轧温度、轧制道次和压下量、终轧温度和轧后冷却系统等都是非常重要的影响因素。 自从最初发现降低终轧温度可以细化晶粒，从而提高钢的强度和韧性后，人们逐渐认识到轧制过程各方面的重要性，从而形成了所谓的控制轧制。

控制轧制与普通热轧不同。 主要区别在于它打破了热轧只需对钢材进行整形的传统观念。 钢材不仅可以通过热加工获得规定的形状和尺寸，而且还可以通过金属的高度变形得到充分的细化。 钢的晶粒尺寸及其组织的改善，起到与热处理相似的作用。 经过30多年的不断发展，控制轧制已趋于成熟并得到广泛应用。 特别是在低合金高强钢中添加微合金元素已成为提高钢材质量和性能最有效的方法之一。

控制轧制的典型工艺可分为两段轧制和三段轧制。 其中，两级控轧的终轧温度在Ar3以上，是变形未再结晶奥氏体向铁素体的转变，即形变诱导铁素体相变。 三阶段控制轧制，最终轧制在(γ+α)两相区。 基本原理是通过反复高温变形，首先在再结晶区发生再结晶，借助微合金元素铌、钒、钛及其析出材料对再结晶的抑制作用，使奥氏体晶粒充分细化，然后是γ/α。 相变前的奥氏体未再结晶区使细化的奥氏体经历多次变形积累，使铁素体达到γ/α平衡。 相变过程中的大量形核为获得细小的铁素体晶粒提供了有利条件，最终轧制在(γ+α)两相区。 其目的是：一方面，通过变形向铁素体中引入大量位错及其亚结构和织构，从而探索位错亚结构和织构的强化作用，提高材料强度； 另一方面，通过(γ+α)两相区终轧，不仅有利于铁素体中微合金元素的析出，而且可以继续向奥氏体晶粒中引入大量变形带尚未发生相变的铁素体晶粒的均匀形核和充分细化创造了更为有利的条件，从而进一步发挥微合金元素析出物的晶粒细化和沉淀强化作用。 因此，经过（γ+α）两相区控制轧制的钢具有晶粒细化、沉淀强化、位错和亚结构强化、固溶强化、织构强化等多种强化作用，可以提高钢材的强度。钢材。 实质性改善。 同时利用细化晶粒和织构的增韧作用来提高钢的韧性。

从上述控轧原理可以看出，控轧是利用奥氏体的回复和再结晶来细化奥氏体晶粒，从而细化铁素体组织，增加位错密度。 这增加了成核场密度以细化铁素体晶粒。 当利用再结晶形核和长大现象来细化晶粒时，临界形核尺寸成为晶粒细化极限的目标。 临界成核的大小是成核驱动力的函数。 驱动力越大，临界成核尺寸越小。 通常，相变过程中的驱动力远大于再结晶过程中的驱动力。 相变过程中，临界形核尺寸可以达到0.1μm以下，而再结晶过程中的晶粒尺寸通常为1μm左右。 从本质上讲，相变比再结晶具有更大的细化晶粒的能力，因此在形变热处理中采用相变作为主要成核机制将更有效地细化铁素体晶粒。

形变诱导的铁素体相变细化了铁素体晶粒

变形诱导铁素体相变是将低碳钢加热到奥氏体转变温度Ac3以上，保温一段时间，使其奥氏体化，然后以一定的速度冷却到Ar3和Ae3之间。 大的压下变形会产生超细的铁素体晶粒。 变形过程中，变形能的积累导致Ar3点温度升高，变形的同时发生铁素体相变，变形后进行快速冷却，以保持变形过程中形成的超细铁素体晶粒。 在变形诱导相变细化晶粒中，变形量和变形温度是两个最重要的参数。 随着变形量的增加和变形温度的降低，变形诱发的铁素体相变的转变量增加，同时，铁体的晶粒变细。

形变诱发相变现象的发现是改善传统材料性能研究的重要突破。 它的出现为显着提高传统金属材料的性能提供了新的手段。 与传统形变热处理工艺相比，形变诱导相变工艺强调控制变形温度在Ar3附近，从而使γ→α。 相变的起始温度高于平衡相变温度。 研究表明，在Ar3附近的低温下进行大变形，通过变形诱导铁素体相变和铁素体动态再结晶两种机制可以获得超细铁素体晶粒。

形变诱导相变晶粒细化主要应用于钢材的控轧控冷生产过程。

循环加热和淬火细化奥氏体晶粒

采用多次加热、淬火和冷却循环可以有效细化材料的组织。 具体工艺过程是将钢从室温加热到略高于Ac3的温度，在较低的奥氏体化温度下短时间保温，然后快速淬火冷却至室温，然后重复该过程。 每循环一次，奥氏体晶粒都会细化到一定程度，从而获得细小的奥氏体晶粒组织。 一般3～4个循环后细化效果最佳，6～7个循环后细化程度达到最大。

该过程的关键在于加热速率和冷却速率。 基本要求是加热和冷却速率必须快。 当无法实现快速冷却和快速加热时，晶粒无法显着细化。 采用火焰加热、感应加热、电接触加热等特殊快速加热方式，可实现材料的快速循环加热和淬火，可获得明显的精炼效果，且超精炼效果的稳定性远高于超精炼效果。盐炉循环加热。

球磨细化颗粒

球磨法是指将大块物料放入高能球磨机中，利用介质与物料之间的相互研磨和冲击来细化物料。 产品一般为不规则形状的粉末，表面也可能与介质发生化学反应而造成损坏。 污染。 由于多次变形、硬化和断裂，颗粒会产生大量缺陷，导致表面缺陷较多，活性极高。 高能球磨法工艺简单，操作成分可连续调节。 它可以制备常规方法难以获得的高熔点纳米金属材料。 但也存在一些问题，如粒度不均匀、球磨污染和氧化等。

非晶结晶和晶粒细化

非晶结晶方法控制非晶固体的结晶动力学，将结晶产物转化为纳米尺寸的晶粒。 非晶结晶方法通常由非晶固体的获取和结晶过程两个过程组成：非晶固体可通过熔体激冷、高速直流溅射、等离子流雾化、固相反应方法等技术制备。 ，最常用的是单辊或双辊旋转淬火方法。 由于上述方法只能获得非晶粉、丝、条等低维材料，因此还需要进行热模压实、热挤压或高温高压烧结。 方法 合成大量样品； 结晶通常采用等温退火方法。 近年来，分级退火、脉冲退火、冲击波感应等方法也得到了发展。

不同退火温度对非晶合金晶粒尺寸的影响

目前该方法已用于制备Ni、Fe、Co、Pd等各种合金系列的纳米晶，还可以制备金属间化合物和单质半导体纳米晶，并已发展到实用化阶段。 在纳米软磁材料制备中应用最为广泛。 非晶晶化方法的特点是成本低、产量大、界面干净致密、样品无微孔、晶粒尺寸变化容易控制，有助于研究纳米晶的形成机制和测试经典成核长度。 快速凝固条件下应用宏大理论的可能性； 其局限性在于依赖于非晶态固体的获得，并且仅适用于具有强非晶态形成能力的合金体系。