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课程名称：金属凝固 指导老师：宋长江，翟启杰教授
金属凝固组织的细化方法和机理
摘要： 金属组织细化细化是提高材料性能的一种有效手段。在材料科学领域里，控制金属的凝固过程以细化金属凝固组织是提高铸件性能的重要途径之一，在已有的研究中，控制金属凝固过程以细化凝固组织的方法主要有两类：一是物理细化法，如低温浇注、电磁搅拌、机械振动、超声波细化等，二是化学细化法，如添加形核剂和长大抑制剂等。物理细化方法处理材料纯净度高，不会对金属熔体带来外来夹杂，细化效果好；化学添加剂法细化效果稳定、作用快、操作方便、适应性强，是目前最普遍的细化方法。
关键词：组织细化；细化方法；细化剂；变质剂
Refinement methods and mechanism of solidification structure of
metals
Abstract: Metal microstructure refinement is an effective means to improve the
properties of materials.In the field of meterial science, To contol the metal solidification process to refine the metal solidification structure is an important way of improving the casting performance. There are two main ways in the previous study: the first one is Physical refining method,such as cast cold, electromagnetic stirring, mechanical vibration, ultrasonic Refining and so on. The other one is chemical method, like the addition of nucleating agents and growth inhibitors. Physical refining method can make the material more pure,and there is no inclusion along with. The chemical method is the most common method of refinement because it’s faster and more stable and easy to operate.
Key words:structure refinement; refine method; refiners; modifier
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1前言
金属的性能在很大程度上取决于其凝固组织，因此细化凝固组织一直是材料科学领域的重要研究容，而控制金属凝固过程以细化金属凝固组织是改善铸件性能的重要手段之一。在材料科学领域里,控制金属的凝固过程以细化金属凝固组织是提高铸件性能的重要途径之一，在现有的研究中,控制金属凝固过程以细化凝固组织的方法主要有两类: 一是物理细化法,如低温浇注、电磁搅拌、机械振动、超声波细化等；二是化学细化法,如添加形核剂和长大抑制剂等。1984年，印度学者A K Misra[1~2]在三元合金Pb-15%Sb-7%Sn凝固过程中施加直流电，电流密度为30~40 mA/cm2，电压约为30 V，结果发现凝固后的组织得到了细化，并且第二相分布均匀1990年，M Nakada[3]等首次使用脉冲电流作用于Sn-Pb合金的凝固过程，试验发现，凝固后的组织大部分为球状等轴晶。2007年，翟启杰等[4]研究了脉冲电流对纯铝凝固组织的影响，认定在凝固形核阶段施加脉冲电流可以显著细化纯铝凝固组织，而在液相线以上或晶粒长大阶段施加脉冲电流则没有明显细化效果。目前人们采用了许多办法细化金属的晶粒。细化晶粒的方法按照细化手段可以分为物理和化学两大类。物理方法主要包括形变处理细化法、物理场细化、快速冷却法、机械物理细化法；化学方法可分为添加细化剂与添加变质剂方法。
2.物理细化法
2.1 形变处理细化法
形变处理细化利用各种塑形变形工艺,如轧制、挤压、锻造等，在加工过程中,通过温度、应变、应变速率等参数的配合，利用再结晶或者相变来控制变形态晶粒的尺寸。由于传统的机械变形方法生产微米晶和微米晶材料往往受工件尺寸的
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限制,不能获得很大的变形量，例如，要求产品厚度为1mm , 则最大真应变量仅能达到 3 ～ 4 mm，当制备亚微米细晶材料时就更加困难了。为了突破总应变量的限制，很多不改变工件形状而获得大变形量的方法被开发出来，并得到了越来越多人的关注。 2.1.1 轧制细化
轧制过程除了使轧件获得一定形状和尺寸之外，还必须使轧件具有一定的组织和性能。温度是金属轧制过程中重要的工艺参数，然而轧制温度偏高，晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大。轧制温度偏低，高的应力集中可导致切变断裂；所以轧制温度应保证合金具有最大的塑性而不使其发生碎裂。比如通过控制轧制快速冷却(TMCP)处理低碳钢，得到约5μm 的细小 α 晶粒。TMCP工艺由再结晶 γ 区轧制、未再结晶 γ 区轧制、( α +γ ) 二相区轧制和加速冷却4个阶段组成。 如图1所示TMCP各阶段是将 α 晶粒细化法妙地组合在一起，即在第一阶段(再结晶 γ 区轧制)，粗大的初始 γ 晶粒经反复轧制，再结晶细化；第二阶段(未再结晶 γ 区轧制)获得含位错和形变带的加工硬化状态 γ 组织；第四阶段通过加速冷却，使 α 相变在尽可能低的温度下进行。其中，能最有效细化 α 晶粒的方法是在第二阶段的9 00～950 ℃ 轧制，以获得加工硬化的 γ 组织。TMCP 在热轧状态也能获得细小的 α 晶粒，然而，最小的 α 晶粒直径也在5 μ m左右。
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图1 低碳钢TMCP（控轧、加速冷却）四个阶段及各阶段的组织 Fig.1 Four stages during TMCP(controlled rolling accelerated colling) and their microstructures for low carbon steel
长瑞等人[ 5 ]研究了AZ31镁合金板材在常温下的塑性变形行为，通过挤压-轧制方法获得了晶粒尺寸5 . 2 μ m的镁板。研究结果表明：随着冷轧变形量的增加，晶粒尺寸减小；反之，晶粒的细化也可以使冷变形程度增加，两者存在相互依赖关系。同时他们还发现小变形量、多道次冷轧可以提高板材两次退火间的总变形程度。平等人[ 6 ]研究了利用道次间退火改善 AZ31 镁合金的成形性,在变形速率0 . 0 1 /s 的实验条件下，确定合理的终轧温度为 180 ～ 260℃,并获得了晶粒尺寸为6 . 9 μ m的A Z31镁合金。 2.1.2 挤压细化法
挤压是对放在挤压模的锭坯一端施以挤压力，在强烈的三向压应力作用下，
使之从挤压模孔中流出，从而成为具有一定形状、尺寸和性能的金属制品的一种压力加工方法。挤压可以按金属的流向、挤压制品的形状、挤压时锭坯的温度以及挤压金属的种类进行分类。按照在挤压时金属的流动方向与挤压杆的运动方向
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的关系，挤压主要分为正向挤压和反向挤压两种。黄光胜[ 7 ]等在研究 AZ 31 镁合金挤压工艺时发现在挤压过程中均发生了动态再结晶，组织以绝热剪切条纹和细小的 α 再结晶等轴晶为基本特征，呈现出良好的力学性能，其抗拉强度为2 75 ～ 285 N/mm2，屈服强度为220 ～ 225 N/ mm2 伸长率为15 %～ 17 %。大学的汪凌云[ 8 ]等人研究表明再结晶晶粒大小除了与温度有关，还与应变速率有关。随着应变速率增高，变形过程中产生的位错来不及抵消，增加了再结晶形核位置，即位错的增加是晶粒细化的原因。 2.1.3 锻造细化
影响产品韧性的重要因素之一是材料部的微观组织结构。当成分确定之后，在生产过程中，锻造是能够有效细化晶粒的重要途径。充分利用锻造高温形变的再结晶软化机制，利用合适的变形温度、均匀的变形分布以及其它热力学参数， 可以获得满足产品性能要求的均匀细晶。王淑云[ 9 ]等将 T i - 47A l - 2Cr - 1 N b 经两次等温锻造和退火处理，使显微组织显著细化，得到晶粒尺寸为 15 ～ 20 μ m 的细小、均匀的组织将7075[ 10 ]合金经多向反复热锻后可使7075铝合金的晶粒尺寸细化到1～2 μ m，由于晶粒的细化，锻件的力学性能有很大提高。退火状态，其室温强度的增幅较大；淬火时效状态，塑韧性的提高十分显著，在保持较高强度的情况下，室温拉伸伸长率高于标准规定值的2倍，接近退火态水平。X ing J 等[ 11 ]利用逐步降温多向锻造 ( multi -direction forging , MDF) 技术，在 3 × 10-3s S -1的应变速率条件下,锻造温度从 350 ℃ 逐步降低到 150 ℃,使晶粒细化到了230 nm,得到了组织均匀的高性能AZ 31镁合金。 2.2 物理场细化法
物理场对金属凝固作用的研究始于20世纪30年代，但由于当时物理、电子、
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金属凝固组织的细化方法和机理 - 图文
