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轧制温度对低合金高强度钢材晶界再结晶行为的影响机理论文

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  关键词:轧制温度,低合金高强度钢材,晶界再结晶,晶界能量,材料性能

  1钢材晶界再结晶的基本原理

轧制温度对低合金高强度钢材晶界再结晶行为的影响机理论文

  1.1晶界再结晶的定义与特征

  在高温高压条件下,金属材料经历加工过程,晶界处会呈现复杂的再结晶现象。高温条件是再结晶的前提,晶界处的晶体结构经历了位错增殖与缓和的阶段,形成了独特的晶体结构。在再结晶过程中,晶界清晰展现并与晶粒重新排列的步伐保持一致。新形成的晶粒结构凸显出其独特的晶粒尺寸、外形以及晶界清晰度特征。这种现象不仅涉及微观组织结构的物质变化,还直接影响材料的力学属性、塑性变形特性及应用性能,因此深入理解晶界再结晶的基本原理对于材料构建与制备工艺的优化至关重要。

  1.2再结晶机理的基本步骤

  再结晶过程中的核心环节包括晶粒的塑性变形、成核作用以及晶粒的扩展生长。在金属材料经过形状变化之后,滑移与再结晶位错引发晶界的高应变现象。在晶体再结晶过程中,初始的关键步骤可以归纳为形核阶段,位错在晶界附近逐步累积并相互作用,孕育出新的晶核。这些晶核在后继阶段通过晶界迁移逐渐扩展,形成独特的晶体构象,界面清晰可见。多个方面的因素,如温度、应变速率和材料化学成分等,错综复杂地相互交织,显著影响再结晶过程[1]。

  1.3晶界能量与再结晶的关系

  晶界能量被认为是驱动晶界移动及再结晶过程的基础,其与晶界迁移速度呈直接关联。高晶界能量促使晶界迁移速度加快,有助于界面的迁移和再结晶核点的形成。多种因素共同影响晶界能量的变化。晶界成分的稳定性和迁移性密切相关,位错密度对晶界附近的局部形变场产生直接影响,调节晶界能量状态。此外,温度和应变速率的变化显著影响晶界能量的分布,从而降低再结晶过程的概率。

  晶界能差的程度在很大程度上影响再结晶现象的发生。晶界新生成和晶粒终态构造之间存在密切关联。在重结晶过程中,晶界迁移现象受到动力学和热力学两方面因素的影响,晶界能量较高的区域有助于新晶核的形成。

  2轧制温度对晶界再结晶的影响

  2.1高温轧制条件下的晶界再结晶行为

  2.1.1高温下的晶粒长大与再结晶行为

  在高温轧制条件下,多种因素影响晶粒的发育和再结晶过程。在高温环境下,金属材料的晶格扩散速率加快,促进晶粒的生长发育。高温条件下,位错活动水平上升,促使晶粒通过晶界迁移和融合,从而继续增大晶粒尺寸。此外,高温环境下,再结晶核心生成能力增强,再结晶晶粒的边界清晰可见,呈现出全新的晶貌。

  2.1.2高温轧制对晶界能量的影响

  晶界能量的变化是高温轧制过程中的重要因素,直接制约晶界再结晶的进程。在高温条件下,晶界移动速度加快,提高了晶界的清晰度和稳定性,从而降低了晶界表面能值。同时,高温环境下,位错运动活跃,有利于减少晶界附近的局部位错密度,从而降低晶界能量水平。在高温轧制环境下,这两个因素的协同作用使晶界能量急剧下降,为晶界再结晶提供了更为优越的条件。
2.2低温轧制条件下的晶界再结晶行为

  2.2.1低温下的晶界再结晶动力学

  在寒冷的轧制环境下,晶界展现出独特的再结晶动力学特性。由于低温条件下,晶格扩散速率相对较低,晶体表面对扩散的制约作用导致扩散速度减缓,使得晶界区域的再结晶速率相对较低。新产生的晶粒由于成长受限,尺寸较小且分布较为疏散。在低温环境下,位错活动程度相对较低,晶界区域内部的位错密度相对较高,抑制了晶粒再结晶核心的形成。低温轧制环境中的多种因素共同影响晶界再结晶过程,使其在高温环境下的性能表现与常规条件相比存在明显差异,如表1。

  由表1可得出低温轧制条件下的晶界再结晶动力学数据,包括温度下的晶粒尺寸和晶界能量。随着温度降低,晶粒尺寸逐渐减小,同时晶界能量略微上升。这可能表示在低温环境中,晶界再结晶动力学过程受到晶粒尺寸的影响,而晶界能量的变化可能对晶界迁移和再结晶的进行产生一定的影响。

  2.2.2低温轧制对晶界能量的影响

  晶界能量转换现象,由低温轧制过程引发,对晶界再结晶作用产生显著效应。在温度较低的环境中,晶格扩散过程呈现出受限的现象,导致晶界迁移速率相对较慢,晶界能量的提升致使晶界清晰度和稳定性相对下降。鉴于低温环境下位错活动的降低,晶界附近位错密度的升高致使晶界部分能量增加。这些特征使得低温轧制条件下的晶界能量相对较高,晶界再结晶进程因而受到显著约束。

  3影响机理的分析

  3.1晶界能量与位错密度的关系

  晶界能量的水平取决于高错位密度的程度,位错现象在晶体结构中呈现为一种瑕疵形态,导致晶界附近的局部应变场加剧。这种优化的应变场会引发晶界附近原子结构的混乱,激发晶界的活跃性。实验研究表明,位错密度的增加会导致晶界能量显著上升,对晶界的稳定性和迁移性产生显著影响。

  位错之间的吸引与排斥力受晶体界面能量的显著影响。在高错位密度区域,晶界能量升高使晶界对位错的吸引力增大,导致晶界附近位错逐渐聚集。相反,在低密度错位区域,晶界能量相对较低,位错之间的相互排斥作用较弱,位错得以较顺利地从晶界附近扩散至其他区域。这种相互作用对晶界附近位错的累积与排放环节产生直接影响,影响晶界再结晶的生成机制。例如,研究晶界能量在不同位错密度环境下的变化规律发现,在位错密度越过某一特定界限时,晶界能量急剧升高明显抑制了晶界迁移过程,从而抑制了再结晶进程的实施。这表明晶界能量与位错密度之间存在显著的相互关系,深入的实验研究确证了对晶界再结晶机制的认识[2]。

  3.2晶界迁移与再结晶核心的形成

  晶界迁移现象的本质在于晶界能量的驱动作用,然而,晶界能级与晶界附近位错密度之间存在直接联系。晶界能量的高度通常使得晶界清晰度相对较低,从而促进晶界迁移过程。在晶界迁移的过程中,周围的位错受到驱动逐步汇聚,形成再结晶核心的过程。高位错密度区域的晶界活动速率相对较快,诱发位错在晶界区域聚集,形成再结晶核心。

  再结晶核心的形成对晶粒结构的重塑以及新生晶粒的发育具有关键性的作用。在晶界迁移的过程中,局部区域的位错持续累积,形成再结晶核心,标志着新晶粒生长发育的起点。再结晶核心的生成瞬间影响了后续再结晶环节的执行。

  3.3温度对材料微观结构演变的影响

  晶界再结晶过程受到温度的精细调控,对微观结构的变迁及其深远影响至关重要。温度的瞬时影响主要体现在晶格扩散速率的变化上。在高温环境下,晶体内部位错和原子迁移速率提升,启动了晶界迁移和重结晶现象。高温条件下,晶格扩散活性增强,推动晶界迁移速度提高,激活再结晶进程。相反,在低温条件下,晶格扩散速率减小,限制了晶界迁移,进而阻碍了再结晶过程。

  温度波动对位错活性和分布密度产生影响。低温下,位错活性相对较低,晶界邻近区域的位错密度增加。这种位错密度的增加影响了晶界边缘的清晰度,增强了晶界周围的应变场作用力,提高了晶界的活力,如表2。

  表2展示了在不同温度条件下,晶界移动速度与位错密度之间的变化关系。随着环境温度的升高,晶界活动速率逐渐增强,同步减小的趋势表现为位错密度。高温环境下,位错及原子的活动性显著增强,有助于界面的迁移和结晶过程的完成。

  3.4应变路径对晶界再结晶的影响

  应变路径对晶界再结晶产生了显著影响。晶体内的应变分布和位错密度在应变路径下的变化直接决定了晶界再结晶的可能性。在金属加工过程中,由于各种应变路径的制约效应,晶体内部的应变分布不均匀。这种不均匀性导致晶界的稳定性与再结晶核心的形成密切相关。随着金属材料经历多次复杂轧制和变形,晶界附近的位错密度急剧增加。这会导致高密度的位错带在晶界附近形成,并且位错会聚集在这些地方,从而使局部应变场变得更加复杂并增强其强度。这种复杂的应变环境会抑制晶界的迁移并阻碍再结晶核心的形成,从而防止晶界再结晶的发生[3]。

  采用适当的应变途径可以有效地抑制晶界再结晶。通过调节轧制方向、变形量等加工参数,可以调整材料的应变分布和位错密度分布,从而提高晶界的稳定性并促进再结晶核心的生成。例如,采用单向轧制或定向轧制可以实现材料应变分布的均衡优化,减缓晶界附近的位错密度堆积现象,并促进晶界的迁移和再结晶核心的形成。此外,合理规划变形工艺,主要调节变形过程中的温度和应变速率,可以更大程度地控制晶界再结晶的形成过程,从而实现对物质微观结构和性能的精确调控。

  4轧制温度对材料性能的潜在影响

  4.1机械性能的变化

  4.1.1强度与塑性的调控

  在高温轧制条件下,明显的再结晶过程提高了晶界清晰度,导致材料强度增加。晶界的再结晶有助于材料在受力时更均匀地发生形变,提高了塑性性能。相反,在低温轧制条件下,受到制约的晶粒再结晶过程使得晶粒边界清晰度相对较弱,提高了材料的坚固程度,但可能导致塑性性能的降低。通过调整轧制温度,实现强度与塑性之间的平衡,对材料的机械性能进行精确调控[4]。

  4.1.2韧性与抗疲劳性能的影响

  在高温轧制条件下,晶粒再结晶加剧,提高了晶界清晰度,有利于增强材料的韧性。高温轧制形成的细微再结晶晶粒对能量吸收和延伸性能产生有益影响。低温轧制过程中的再结晶受到限制,可能导致韧性相对较低。此外,加工温度对金属材料的抗疲劳性能也产生影响,通过优化晶界的清晰度和调控晶粒尺寸,有助于优化材料的疲劳性能和使用寿命。

  4.2轧制温度对材料耐腐蚀性能的影响

  轧制温度对材料的耐腐蚀性能有着显著影响。在高温轧制条件下,晶粒再结晶程度相对较高,这有助于形成更为连续且紧密的晶界结构。这样的结构能有效防止腐蚀介质的渗透和扩散,从而提高了材料的抗腐蚀能力。此外,在高温轧制环境下生成的微小晶粒与清晰晶界紧密耦合,进一步增强了材料的抗腐蚀性能。较小的晶粒尺寸和均匀的晶界结构减轻了晶界处腐蚀介质的聚集,从而提高了材料在腐蚀环境下的耐久性。

  在低温轧制环境下,晶界再结晶程度适度调控,晶界清晰度可能下降或晶界扩散速率减缓。这导致晶界区域的构造呈现出非规律性和间歇性,易形成腐蚀介质的渗透路径。此外,晶粒尺寸较大且晶界结构不连续,可能导致材料表面局部电化学特性的变化,加速了腐蚀介质对材料的损耗。因此,在低温轧制条件下制备的材料可能具有较弱的抗腐蚀性能,特别是在潮湿或腐蚀性环境下,腐蚀速率可能会进一步加剧。

  4.3微观组织与晶界特征的演变

  4.3.1晶粒尺寸与分布的变化

  在高温轧制条件下,晶粒的再结晶现象表现得尤为明显,晶体粒子直径普遍较大,分布相对均匀。这种微观构造特性有助于提升材料的塑性性能,因为晶界再结晶使材料在加载过程中更均匀地发生形变。相反,在低温轧制条件下,晶粒尺寸较小且分布较为集中,可能导致材料强度增加,但可能引发塑性性能的降低。通过调整轧制过程中的温度参数,可改变晶粒尺寸及分布,实现对材料属性的精细调控,以满足柔韧性与硬度指标的优化[5]。

  4.3.2晶界能量的调控

  高温轧制过程中,晶界迁移速度的增加导致晶界清晰度的提高,晶界能量相对降低。这有助于增强晶界稳定性并推动晶粒再结晶。相反,适度增加的晶界能量可能限制晶粒再结晶,提高晶界区域的位错浓度。通过调整轧制温度,实现对晶界能量的精准控制,对实现晶界特性的灵活调整提供了空间。例如,在特定条件下,可促使再结晶形成鲜明的晶界,提高材料的可塑性;而较低温度下的轧制过程可能提高晶界能量,有益于提高材料的坚固程度。

  5结束语

  综上所述,通过研究轧制温度对低合金高强度钢材晶界再结晶现象的作用机制,以及晶界重结晶机理,分析其与轧制温度之间的作用关系,阐述了优化材料微观结构和性能方面的重要意义。同时,对晶界能量、位错密度、晶界迁移以及晶粒尺寸分布等各项指标进行深入探讨,为精准确定轧制温度提供可靠依据,对材料力学性质与微观结构实施精确调控,为高性能钢材的研制与开发提供至关重要的理论支撑。

       参考文献

  [1]王宗谱,王卫国,Gregory SRohrer,等.不同温度轧制Al-Zn-Mg-Cu合金再结晶后的{111}/{111}近奇异晶界[J].金属学报,2023,59(7):947-960.

  [2]周珍珍,汪佐瑾,焦世舜,等.不同轧制温度对AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金组织与力学性能的影响[J].材料导报,2023,37(16):217-222.

  [3]刘帅,王福明,徐海伦,等.热变形行为与动态再结晶对低硫齿轮钢硫化锰夹杂物的影响[J].金属热处理,2023,48(5):217-224.

  [4]陈俊.控轧控冷中微合金钢组织性能调控基本规律研究[D].沈阳:东北大学,2013.

  [5]炊鹏飞,李文刚,程尊鹏,等.再结晶退火对轧制态TiZrNbB合金显微组织及力学性能的影响[J].材料热处理学报,2023,44(12):62-69.


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