細化晶粒對鋼材有什麼好處

① 為什麼金屬材料細化晶粒既可以提高材料的室溫強度，又可以提高塑性

金屬材料細化晶粒既可以提高材料的室溫強度，又可以提高塑性是因為：產細化晶粒用增加冷度、變質處理、振攪拌、熱處理，細晶粒金屬具較高強度韌性所要細化晶粒。

因為晶粒越細，晶界也就越多，而晶界因為其上原子排列的不規則，會導致晶格畸變，引起能量狀態的升高，實際是一種不穩定的高能狀態，隨溫度升高，它有自發向更穩定的低能狀態轉化的趨勢，所以一般在高溫下工作的零部件並不是晶粒越細越好，而是選比較穩定的較大一點的晶粒。

金屬的強化

每一種強度都有其特殊的物理本質，所以金屬的強化不是籠統的概念，而是具體反映到某個強度指標上。一種手段對提高某一強度指標可能是有效的，而對另一強度指標未必有效。影響強度的因素很多。

最重要的是材料本身的成分、組織結構和表面狀態；其次是受力狀態，如加力快慢、載入方式，是簡單拉伸還是反復受力，都會表現出不同的強度；此外，試樣幾何形狀和尺寸及試驗介質也都有很大的影響，有時甚至是決定性的，如超高強度鋼在氫氣氛中的拉伸強度可能成倍地下降。

② 為什麼晶粒越細，金屬的強度越高，塑性，韌性就越好

為什麼金屬材料細化晶粒既可以提高材料的室溫強度，又可以提高塑性？

不易素心材料學

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關於這個問題本人自覺可以答，不妖自來，知乎處女作。不會抖機靈，描述不專業求輕拍><
這個問題上面許多人提到，該效應在納米范圍是不成立的，因為納米級材料與傳統材料所用模型不同。對於材料問題，大都是提出一個合理的模型，利用模型解釋問題現象，模型不同就無法進行相互比較。對於傳統金屬材料來說，它是由一個個小晶粒構成的：

Wang Y, Chen M, Zhou F, et al. High tensile ctility in a nanostructuredmetal[J]. Nature, 2002, 419(6910): 912-915.
要弄清強度和塑性的關系，就要深入到位錯級別分析兩個指標。

1、強度。總體而言，H-P關系，細-強。
強的原因不只是晶界，晶界只是作為一部分阻礙和位錯的主體來源，位錯密度開方決定材料強度，單位體積晶界面積越大，單位變形產生位錯越多，強度越高。
2、塑性。總體跟加工硬化相關。能夠保持硬化能力，即，變形增加，強化增加，這樣局部由於變形而被拉細的區域就會由於經歷較大的變形而強度增加較多，從而彌補了瘦身導致的承載能力低的問題，從而使樣品各個區段載荷接近，變形繼續進行，這樣塑性就可以維持的比較好。而硬化能力和晶粒尺寸反相相關。詳細解釋及模型參見
Mechanical Behavior of Materials By Marc Andre Meyers, Krishan Kuma Chawla 中work-hardening 一節
對於位錯而言，因為人太多了，車廂就變成悶罐車，擠不進去了。所以，除非有其他機制，允許局部區域在瘦身開始的時候允許其硬化，不然，以瘦身為開始的頸縮一旦開始，必定導致很小變形量內就斷裂。伸長率低就在所難免。

3、綜上，強度和塑性在一般條件下，註定此消彼長，這是多年的實踐和理論證明的。而之所以這個60年前的H-P關系衍生出來的諸多話題現在依然能常掛science和nature，就是因為有人在不斷嘗試找到一個「非一般」的條件，從而實現兩者「同時"提高。但請注意，這兩者同時實現，可都是上了nature子刊以Advanced Mat及以上級別刊物的，其中多達到的也不只是「細晶」二字所能概括的，多含有特殊微觀結構。所以，簡單說細晶可以同時提升強度和塑性，只是本科的水平。此外，現在能給出雙高的例子，絕大多數來實驗室的苛刻條件。實際生產有多少例子能跨越這個「非一般」，就需要實地工作者好好思考了。

此外，請大家思考，兩者互斥的關系是否真的在「非一般」的條件下被消除了（我思考這個問題有段時間了）。本問題是否又應該是一個應該先問「是不是」再問「為什麼」的問題。
1、高的參考系是什麼？一定要明確這個標准，否則渾水摸魚者就會混淆視聽，寫到論文里讓人不明覺厲但卻不明就裡。嚴格的雙高結論，需要具有嚴格的對比前提，比如，如果比細晶和粗晶，必須使得兩者其他參數在同一起跑線，只存在晶界的比例這一單一參量。如果是這樣，至少我做出來的數據結論是，粗晶伸長率高。所有我讀到的論文，專著，也都支持互斥結論。有哪位讀到了雙高，且只有Grain size一個變數的論文，請提出來，我們討論。
2、細晶雙高=開小灶。如果在細晶的同時加了其他變數，是可以雙高的。在沒有留意到其中有詐的情況下誤認雙高，情有可原。
3、多通道的雙高。下面將要提到的諸多雙高結果，有興趣的朋友可以深思，這個雙高是細晶所致還是其他什麼所致。只需注意一點，微觀組織影響性能，晶界佔比只是包含晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶界屬性、第二相體積分數，形貌，屬性等一系列微觀組織中的一個小點。

補充給學術角度看待此問題的知友：
實現雙高有辦法沒？
有，雖然不是完全成熟的系統。
1、要理解影響強度和塑性的因素看似彼此互斥實則先後有別的關系。
強化，要求位錯別動；塑性，要求位錯易動。
但這個易動，是表面現象，實際的ctile，要求的當然不是單個位錯運動自如，是整體樣品內位錯運動的「易於進行，同時連動」。如果這個連動不容易理解，設想，幾百號人排隊等車，如果大家都能自覺排隊，整體按照順序高效移動，很快，大家就都上車了；相反，如果前面一些人一起擠到門口，門被卡主了，誰也不能順利上車，後面的人根本沒機會往前走，更不要提上車。這里，後面的人因為沒機會運動，所以無法做到整體塑性所要求的「易動」，而他們攜帶的塑性沒等上場就掛了，浪費。再簡單的理解就是一顆老鼠屎壞了一鍋粥。所以，要保證整體的塑性，就不能允許局部「擁擠」，不能有老鼠屎，那怎麼辦？均攤。一定要盡量把材料的伸長均攤到每一處，每一個晶粒，每一個更細小的單元。千里之堤毀於蟻穴是一定會發生的，塑性的意義在於蟻穴的萌芽到大堤崩潰。我們要做的，就是減緩洞穴的擴大，推遲崩潰，讓傷員死的慢點兒，雖然一定會死。

無效的方案：單純的1、solute；2、precipitation；3、grain size。這些因素多朝著阻礙位錯的方向去的。就好像用砸夯機狠打大堤的土方，強化了大堤的強度。但，如果一個蟻穴形成，哪怕是隨機的，這種強化對蟻穴的修補是無力的。而且，越是強的基體，一旦有漏洞，基本都會加速穴的擴展，崩潰是非常快的一個過程。所以，強化基體，並不能延緩基體受損後對腐爛的抵抗力，這是兩碼事。

2、要想雙高，塑性是難點。想要塑性，就需要均攤變形。要均攤變形，就需要有一種機制：當有局部出現蟻穴的苗頭出現時，上去堵上這個已經萌芽的小洞。這個洞是堵上了，但整體而言損傷（材料伸長）是一定逐漸增加的，那就讓這些損傷以打散，每一份都比較小劑量的分攤到其他地方去，防止所有的損傷都集中到這里導致快速崩塌，浪費其他區域的抵抗力。當劑量越小，分攤的分數越多，分攤的也就越均勻，大家都承擔了自己應當承擔的損傷，整體上就發揮出了自身具有的塑性。這就是好的塑性。而實現這種分擔損傷核心指標就是strain hardening，即加工硬化，你揍他，他變強，損傷總是欺軟怕硬，這樣就強制地把損傷轉嫁到了其他區域。同時，當所有區域都受傷一次時，大家都挨了一輪七傷拳，身體都強化了，當然，即將來襲的損傷強度也變厲害了。
損傷VS抗爭, all over again.

單純細晶，一定是損害strain, work-hardening的，因為細晶限制了損傷的來襲，就好像身在身一個籠子里，想獲得自傷都不行，揮不開拳腳。身體沒有打擊就沒有強化，沒有強化就沒有足夠的抵抗力，只能坐等損傷崩塌式來襲，塑性自然不好。所以細晶雙高，我說是民科的水平，是錯的。老師這么說，只是因為你還在本科階段；博士階段，沒有哪個老師會跟你這樣講，如果老師這樣講，只能說明老師不看書不看文獻。

能實現雙高的，就要在籠子里實現自傷，以便做好等待系統損傷來襲的准備工作。怎麼辦？自己用手腳揍自己試不可能的，空間狹小。也簡單，拿一個按摩器、電棍、電烙鐵，心臟起搏器、活塞錘，隨便一個不受限於空間的東西揍自己就可以了。
具體的，在基體內植入能在變形過程中保持足夠的加工硬化的組織或結構，在損傷一波比一波猛烈來襲的同時，自己不斷的揍自己，爭取和大盤跑個齊平（落後就會掛了）。現在有效的，至少是報道上看似有效的：變形攣晶（science，金屬所），硬金屬間化合物，如B2（nature，浦項），雙峰晶粒（大的負責塑性，小的負責強度，nature，約翰霍普金斯），這些在理論上都是是可行的，至少做個拇指大的東西上是可行的，雖然生產實際產品多半行不通或大打折扣。要知道尺寸效應也是非常重要的。

另外，需要明確區分，工業生產和實驗室研究存在明顯差異。至少在我的數據經歷看來，超常性能在生產中會是永遠的二等追求，合格才是一等。

編輯於 2016-10-0231 條評論感謝

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堅守本心機械工程

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金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內晶粒的數目來表示，數目越多，晶粒越細。在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為細晶粒受到外力發生塑性變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形叫均勻，應力集中較小；此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利於裂紋的擴展。故工業上將通過細化晶粒以提高材料強度的方法成為細晶強化。

在常溫下，晶界的強硬度大於晶粒內的，晶粒細化後晶界增多，勢必對提高材料的強硬度起到一定作用。塑性變形過程中伴隨位錯運動。晶界對位錯運動有阻礙作用。晶粒越細，晶界越多，對位錯運動的阻礙也越強烈。許多位錯在晶界處塞積聚集，構成位錯網、位錯壁，給材料的進一步變形帶來更大的難度。材料的塑性便隨之提高。

——轉自知乎

③ 生產中，為什麼要細化晶粒常用的細化晶粒的方法有哪些

為何要細化晶粒：
因為一般地說，在室溫下，細晶粒金屬具有較高的強度和韌性。
細化晶粒的方法有哪些：
1、增加過冷度
2、變質處理
3、振動處理
生產（proce），指人類從事創造社會財富的活動和過程，包括物質財富、精神財富的創造和人自身的生育，亦稱社會生產。狹義生產僅指創造物質財富的活動和過程。也指動物的繁衍後代。

④ 材料科學基礎（金屬學）的問題：細化晶粒為什麼可以同時達到提高金屬強度和韌性、塑性的目的

細化晶粒在材料冶煉過程中一般加入細化晶粒元素，如鈦、鈮等。
還有就是產品在熱加工後得到粗大組織而細化晶粒，一般採用正火處理
通過添加合金元素可以細化；壓力加工也可以；熱處理的正、退、調質也可以細化晶粒。應根據實際情況從不同角度進行選擇.

根據Hall2petch 公式:σs=σ0+Kd-1/2 式中，σs是材料的屈服強度，σ0是與材料有關的常數，K 是常數，d 是晶粒直徑。可以看出,材料的屈服強度與晶粒尺寸倒數的平方根成正比。因此,晶粒細化既能提高材料的強度,又能提高材料塑性,同時也能顯著提高其力學性能。細化晶粒是控制金屬材料組織的最重要、最基本的方法,目前人們採用了許多辦法細化金屬的晶粒。
如果僅僅發生了晶粒的細化而沒有發生強烈的塑性變形的話，材料的塑性隨著晶粒的細化應該還是提高的。
細晶強化啊，這是一種很好的強化工藝。因為細晶粒晶界多阻礙位錯運動，當然提高了強度，同時又能增強韌性.
晶界和晶內的塑性變形能力有很大的差異（竹節現象），細下的晶粒會減少二者間差異，因此均勻變形能力得到提高，這也是細晶提高塑性的一個原因。
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