细化晶粒对钢材有什么好处

① 为什么金属材料细化晶粒既可以提高材料的室温强度，又可以提高塑性

金属材料细化晶粒既可以提高材料的室温强度，又可以提高塑性是因为：产细化晶粒用增加冷度、变质处理、振搅拌、热处理，细晶粒金属具较高强度韧性所要细化晶粒。

因为晶粒越细，晶界也就越多，而晶界因为其上原子排列的不规则，会导致晶格畸变，引起能量状态的升高，实际是一种不稳定的高能状态，随温度升高，它有自发向更稳定的低能状态转化的趋势，所以一般在高温下工作的零部件并不是晶粒越细越好，而是选比较稳定的较大一点的晶粒。

金属的强化

每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。影响强度的因素很多。

最重要的是材料本身的成分、组织结构和表面状态；其次是受力状态，如加力快慢、加载方式，是简单拉伸还是反复受力，都会表现出不同的强度；此外，试样几何形状和尺寸及试验介质也都有很大的影响，有时甚至是决定性的，如超高强度钢在氢气氛中的拉伸强度可能成倍地下降。

② 为什么晶粒越细，金属的强度越高，塑性，韧性就越好

为什么金属材料细化晶粒既可以提高材料的室温强度，又可以提高塑性？

不易素心材料学

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关于这个问题本人自觉可以答，不妖自来，知乎处女作。不会抖机灵，描述不专业求轻拍><
这个问题上面许多人提到，该效应在纳米范围是不成立的，因为纳米级材料与传统材料所用模型不同。对于材料问题，大都是提出一个合理的模型，利用模型解释问题现象，模型不同就无法进行相互比较。对于传统金属材料来说，它是由一个个小晶粒构成的：

Wang Y, Chen M, Zhou F, et al. High tensile ctility in a nanostructuredmetal[J]. Nature, 2002, 419(6910): 912-915.
要弄清强度和塑性的关系，就要深入到位错级别分析两个指标。

1、强度。总体而言，H-P关系，细-强。
强的原因不只是晶界，晶界只是作为一部分阻碍和位错的主体来源，位错密度开方决定材料强度，单位体积晶界面积越大，单位变形产生位错越多，强度越高。
2、塑性。总体跟加工硬化相关。能够保持硬化能力，即，变形增加，强化增加，这样局部由于变形而被拉细的区域就会由于经历较大的变形而强度增加较多，从而弥补了瘦身导致的承载能力低的问题，从而使样品各个区段载荷接近，变形继续进行，这样塑性就可以维持的比较好。而硬化能力和晶粒尺寸反相相关。详细解释及模型参见
Mechanical Behavior of Materials By Marc Andre Meyers, Krishan Kuma Chawla 中work-hardening 一节
对于位错而言，因为人太多了，车厢就变成闷罐车，挤不进去了。所以，除非有其他机制，允许局部区域在瘦身开始的时候允许其硬化，不然，以瘦身为开始的颈缩一旦开始，必定导致很小变形量内就断裂。伸长率低就在所难免。

3、综上，强度和塑性在一般条件下，注定此消彼长，这是多年的实践和理论证明的。而之所以这个60年前的H-P关系衍生出来的诸多话题现在依然能常挂science和nature，就是因为有人在不断尝试找到一个“非一般”的条件，从而实现两者“同时"提高。但请注意，这两者同时实现，可都是上了nature子刊以Advanced Mat及以上级别刊物的，其中多达到的也不只是“细晶”二字所能概括的，多含有特殊微观结构。所以，简单说细晶可以同时提升强度和塑性，只是本科的水平。此外，现在能给出双高的例子，绝大多数来实验室的苛刻条件。实际生产有多少例子能跨越这个“非一般”，就需要实地工作者好好思考了。

此外，请大家思考，两者互斥的关系是否真的在“非一般”的条件下被消除了（我思考这个问题有段时间了）。本问题是否又应该是一个应该先问“是不是”再问“为什么”的问题。
1、高的参考系是什么？一定要明确这个标准，否则浑水摸鱼者就会混淆视听，写到论文里让人不明觉厉但却不明就里。严格的双高结论，需要具有严格的对比前提，比如，如果比细晶和粗晶，必须使得两者其他参数在同一起跑线，只存在晶界的比例这一单一参量。如果是这样，至少我做出来的数据结论是，粗晶伸长率高。所有我读到的论文，专著，也都支持互斥结论。有哪位读到了双高，且只有Grain size一个变量的论文，请提出来，我们讨论。
2、细晶双高=开小灶。如果在细晶的同时加了其他变量，是可以双高的。在没有留意到其中有诈的情况下误认双高，情有可原。
3、多通道的双高。下面将要提到的诸多双高结果，有兴趣的朋友可以深思，这个双高是细晶所致还是其他什么所致。只需注意一点，微观组织影响性能，晶界占比只是包含晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶界属性、第二相体积分数，形貌，属性等一系列微观组织中的一个小点。

补充给学术角度看待此问题的知友：
实现双高有办法没？
有，虽然不是完全成熟的系统。
1、要理解影响强度和塑性的因素看似彼此互斥实则先后有别的关系。
强化，要求位错别动；塑性，要求位错易动。
但这个易动，是表面现象，实际的ctile，要求的当然不是单个位错运动自如，是整体样品内位错运动的“易于进行，同时连动”。如果这个连动不容易理解，设想，几百号人排队等车，如果大家都能自觉排队，整体按照顺序高效移动，很快，大家就都上车了；相反，如果前面一些人一起挤到门口，门被卡主了，谁也不能顺利上车，后面的人根本没机会往前走，更不要提上车。这里，后面的人因为没机会运动，所以无法做到整体塑性所要求的“易动”，而他们携带的塑性没等上场就挂了，浪费。再简单的理解就是一颗老鼠屎坏了一锅粥。所以，要保证整体的塑性，就不能允许局部“拥挤”，不能有老鼠屎，那怎么办？均摊。一定要尽量把材料的伸长均摊到每一处，每一个晶粒，每一个更细小的单元。千里之堤毁于蚁穴是一定会发生的，塑性的意义在于蚁穴的萌芽到大堤崩溃。我们要做的，就是减缓洞穴的扩大，推迟崩溃，让伤员死的慢点儿，虽然一定会死。

无效的方案：单纯的1、solute；2、precipitation；3、grain size。这些因素多朝着阻碍位错的方向去的。就好像用砸夯机狠打大堤的土方，强化了大堤的强度。但，如果一个蚁穴形成，哪怕是随机的，这种强化对蚁穴的修补是无力的。而且，越是强的基体，一旦有漏洞，基本都会加速穴的扩展，崩溃是非常快的一个过程。所以，强化基体，并不能延缓基体受损后对腐烂的抵抗力，这是两码事。

2、要想双高，塑性是难点。想要塑性，就需要均摊变形。要均摊变形，就需要有一种机制：当有局部出现蚁穴的苗头出现时，上去堵上这个已经萌芽的小洞。这个洞是堵上了，但整体而言损伤（材料伸长）是一定逐渐增加的，那就让这些损伤以打散，每一份都比较小剂量的分摊到其他地方去，防止所有的损伤都集中到这里导致快速崩塌，浪费其他区域的抵抗力。当剂量越小，分摊的分数越多，分摊的也就越均匀，大家都承担了自己应当承担的损伤，整体上就发挥出了自身具有的塑性。这就是好的塑性。而实现这种分担损伤核心指标就是strain hardening，即加工硬化，你揍他，他变强，损伤总是欺软怕硬，这样就强制地把损伤转嫁到了其他区域。同时，当所有区域都受伤一次时，大家都挨了一轮七伤拳，身体都强化了，当然，即将来袭的损伤强度也变厉害了。
损伤VS抗争, all over again.

单纯细晶，一定是损害strain, work-hardening的，因为细晶限制了损伤的来袭，就好像身在身一个笼子里，想获得自伤都不行，挥不开拳脚。身体没有打击就没有强化，没有强化就没有足够的抵抗力，只能坐等损伤崩塌式来袭，塑性自然不好。所以细晶双高，我说是民科的水平，是错的。老师这么说，只是因为你还在本科阶段；博士阶段，没有哪个老师会跟你这样讲，如果老师这样讲，只能说明老师不看书不看文献。

能实现双高的，就要在笼子里实现自伤，以便做好等待系统损伤来袭的准备工作。怎么办？自己用手脚揍自己试不可能的，空间狭小。也简单，拿一个按摩器、电棍、电烙铁，心脏起搏器、活塞锤，随便一个不受限于空间的东西揍自己就可以了。
具体的，在基体内植入能在变形过程中保持足够的加工硬化的组织或结构，在损伤一波比一波猛烈来袭的同时，自己不断的揍自己，争取和大盘跑个齐平（落后就会挂了）。现在有效的，至少是报道上看似有效的：变形挛晶（science，金属所），硬金属间化合物，如B2（nature，浦项），双峰晶粒（大的负责塑性，小的负责强度，nature，约翰霍普金斯），这些在理论上都是是可行的，至少做个拇指大的东西上是可行的，虽然生产实际产品多半行不通或大打折扣。要知道尺寸效应也是非常重要的。

另外，需要明确区分，工业生产和实验室研究存在明显差异。至少在我的数据经历看来，超常性能在生产中会是永远的二等追求，合格才是一等。

编辑于 2016-10-0231 条评论感谢

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坚守本心机械工程

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金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形叫均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法成为细晶强化。

在常温下，晶界的强硬度大于晶粒内的，晶粒细化后晶界增多，势必对提高材料的强硬度起到一定作用。塑性变形过程中伴随位错运动。晶界对位错运动有阻碍作用。晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻碍也越强烈。许多位错在晶界处塞积聚集，构成位错网、位错壁，给材料的进一步变形带来更大的难度。材料的塑性便随之提高。

——转自知乎

③ 生产中，为什么要细化晶粒常用的细化晶粒的方法有哪些

为何要细化晶粒：
因为一般地说，在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。
细化晶粒的方法有哪些：
1、增加过冷度
2、变质处理
3、振动处理
生产（proce），指人类从事创造社会财富的活动和过程，包括物质财富、精神财富的创造和人自身的生育，亦称社会生产。狭义生产仅指创造物质财富的活动和过程。也指动物的繁衍后代。

④ 材料科学基础（金属学）的问题：细化晶粒为什么可以同时达到提高金属强度和韧性、塑性的目的

细化晶粒在材料冶炼过程中一般加入细化晶粒元素，如钛、铌等。
还有就是产品在热加工后得到粗大组织而细化晶粒，一般采用正火处理
通过添加合金元素可以细化；压力加工也可以；热处理的正、退、调质也可以细化晶粒。应根据实际情况从不同角度进行选择.

根据Hall2petch 公式:σs=σ0+Kd-1/2 式中，σs是材料的屈服强度，σ0是与材料有关的常数，K 是常数，d 是晶粒直径。可以看出,材料的屈服强度与晶粒尺寸倒数的平方根成正比。因此,晶粒细化既能提高材料的强度,又能提高材料塑性,同时也能显著提高其力学性能。细化晶粒是控制金属材料组织的最重要、最基本的方法,目前人们采用了许多办法细化金属的晶粒。
如果仅仅发生了晶粒的细化而没有发生强烈的塑性变形的话，材料的塑性随着晶粒的细化应该还是提高的。
细晶强化啊，这是一种很好的强化工艺。因为细晶粒晶界多阻碍位错运动，当然提高了强度，同时又能增强韧性.
晶界和晶内的塑性变形能力有很大的差异（竹节现象），细下的晶粒会减少二者间差异，因此均匀变形能力得到提高，这也是细晶提高塑性的一个原因。
建议阅读一下这个链接的内容.希望对你有所帮助.

http://wenku..com/view/40f4888fcc22bcd126ff0c1b.html