晶粒的大小及其控制

三、晶粒的大小及其控制

晶粒的大小对金属的力学性能有很大的影响。在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，同时塑性和韧性也越好。细化晶粒对于提高金属材料的常温力学性能作用很大，生产中人们总是希望得到均匀而细小的晶粒。这种利用细化晶粒来提高金属强度的方法称为细晶强化。晶粒的大小称为晶粒度，晶粒度可用单位体积内晶粒的数目来表示。但为了测定方便，应用中常以单位截面积上晶粒数目或晶粒的平均平均直径来表示。表2-2列出了晶粒大小对纯铁力学性能的影响。

表2-2　晶粒大小对纯铁力学性能的影响

由于金属的结晶过程包括形核与晶核长大两个基本过程，故结晶后晶粒的大小必然与结晶过程中的形核率和晶核长大速度这两个因素密切相关。形核率N(cm^－3·s^－1)是指单位时间、单位体积的液态金属中形成晶核的数目;长大速度G(cm·s^－1)是指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。故在一定体积的液态金属中，如果结晶时形成的晶核数量多，而晶核长大的速度又相对较小时，结晶后的晶粒就比较细小。显然，凡能促进形核率N，抑制长大速率G的因素，都将有利于晶粒的细化。

工业生产中，常采用以下方法细化铸件的晶粒，以达到改善其性能的目的。

(一)增加过冷度

如上所述，金属结晶后晶粒的大小取决于形核率N与长大速率G，而N和G又取决于结晶时过冷度ΔT，N、G与ΔT的关系如图2-20所示。由图可见，随着过冷度的增加，形核率和生长线速度都随之增大，但二者在不同的过冷度区间增长的幅度不同。当过冷度较小时，G增长较快而N增长得较慢，此时形成晶核数量相对较少而晶核长大的速度较快，因而得到粗大晶粒;当ΔT较大时，N加速增长而G的增长趋于缓慢，在此条件下结晶，可形成大量的晶核，而它们又不易长大，将得到细小晶粒;但过冷度过大时，原子的扩散能力将大大降低，形核的速率迅速减少甚至不能形核，这时金属的结晶过程将不能进行，凝固后得到非晶态物质。

图2-20　N形核率、G长大速率与过冷度ΔT的关系

根据以上分析，适当增加过冷度，将有利于细化晶粒。生产中增加过冷度主要是通过提高冷却速度来实现的。如在铸造生产中，为了提高铸件结晶时的过冷度，常采用金属型替代砂型及增加金属型的厚度、降低金属型的温度、局部加冷铁或采用水冷铸型等工艺措施。增加过冷度的另一种方法是降低浇注温度和浇注速度，这样一方面可使铸型温度不至于升高太快，另一方面由于延长了凝固时间，晶核形成的数目增多，亦可获得较细小的晶粒。

(二)变质处理

用增加过冷度的方法细化晶粒对小型或薄壁铸件效果较好，当铸件的壁厚较大时，获得较大的过冷度就比较困难，特别是厚大铸件的心部，冷速远远小于表层，因此无法使整个铸件体积内部都得到细小而均匀的晶粒。而且对于形状复杂的铸件，冷却速度过快还会导致变形甚至开裂。为此，生产中常采用变质处理的方法。

变质处理是在浇注前往液态金属中加入能够产生非自发形核的物质，这种物质被称为形核剂(又称变质剂)。变质剂的作用是在结晶过程中促进形成大量的晶核，从而达到细化晶粒的目的。例如，在铸铁中加入硅铁或硅钙合金;在铝硅合金中加钛和硼等;在钢中加入钛、锆、钒等。还有一类变质剂，它虽不能成为结晶的核心而增加晶核的数量，但能起到阻止晶粒长大的作用，因此，又称其为长大抑制剂。例如，在Al-Si合金中加入钠盐，钠能富集于硅的表面，降低硅的长大速度，使合金的组织细化。

(三)振动或搅拌

在金属结晶时，对即将凝固的金属进行振动或搅拌，一方面依靠从外部输入能量促进晶核提前形成，另一方面使正在长大的枝晶破碎，以增加晶核的数目。这种方法行之有效，在生产中被广泛采用。

振动和搅拌的方法很多，常用的有机械振动、变速振动、超声波振动、电磁振动和机械搅拌等。焊接时在焊枪上安装电磁线圈，造成熔池中晶体和液体的相对运动，可使焊缝金属晶粒细化。