摘 要：钢铁材料资源丰富，便于加工，是社会和经济发展的基础。因此提高钢铁材料的性能和资源利用率对我国工业和经济的发展非常重要。细化晶粒是提高钢铁材料强韧性的重要方式。本文研究不同细化晶粒方式的对钢铁材料强韧性的影响，总结细化晶粒对钢铁材料的重要性。
关键词：细化晶粒;第二相;动态再结晶;诱导相变;机械研磨
1 前言
钢铁材料利用历史悠久，冶炼生产工艺发展比较成熟，钢铁是地球上含量丰富的金属资源，也是传统材料中最具代表性的。钢铁材料相比于其他金属材料具有强韧性，便于生产加工，其生产成本较低。我国工业的发展需要利用大量钢铁资源，并且钢铁制备及利用也是一个国家工业化水平的表现。随着工业的不断发展进步，先进制造业的发展对机械制造用钢的性能提出了更高的要求，这意味着我们要不断创新提高钢铁材料的冶炼技术，提高钢铁材料的性能。大量试验数据表明，提高钢材的强度可以减轻产品的自重，例如，在建筑用钢中，提高钢的强度可以节约钢材和建筑空间的利用率，桥梁用钢中，提高钢的强度可以减轻桥的重量并提高桥梁承载能力。细化晶粒来提高钢铁材料强韧性是现今最有效，应用最广泛的方式。
2 晶粒细化技术
2.1 晶粒尺寸对钢材强度影响原理
研究表明，钢材的强度与基体的晶粒尺寸有较大关系，由Hall-Petch公式可知，晶粒越細，其屈服强度越大晶粒尺寸在一定范围内减小，可以增加材料塑性。
金属的塑性变形主要由位错运动引起的，因此强化金属的主要途径是阻碍位错运动。晶界是两个晶粒的过渡部分，它的能量比晶内能量高，原子扩散速度快，而且晶界的缺陷比晶内缺陷要多，它还对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位。细化晶粒的是实质增加单位体积内晶粒的数目，也就是增加晶界面积，金属的晶粒越细，晶界面积越大，对位错的阻碍作用越强。在晶粒中，还存在亚晶界，亚晶界同晶界一样可以阻碍位错运动，对金属有强化作用。因此细化晶粒技术就是从怎么增加晶界面积和减小晶粒大小角度深入。
在国内外，对细晶研究不断深入，细晶技术不断发展创新，日本采用细晶技术多为低温大变形，通过控制温度，使工件在大过冷条件下轧制，这个方式在细晶过程中难以控制温度，对轧机要求高;韩国低温变形，采用应变诱导相变或动态诱导相变机制，在加工过程中，相变时的温度难以控制，热处理变形难以按照预想实施，有一定的误差。
2.2 晶粒细化方式
（1）奥氏体动态再结晶。动态再结晶技术是指将钢铁材料加热到再结晶温度以上，随后保温，促进奥氏体晶粒形核并长大，通过控制保温时间来控制晶粒的尺寸。动态再结晶后的奥氏体具有良好的塑性，在高温条件下可以稳定存在，是生产加工的良好组织。奥氏体动态再结晶主要机制是改变钢铁材料的所处相，在诱导相变中控制晶粒形核和核长大，从而达到细化晶粒的效果。
（2）第二相粒子强化。钢铁材料中除钢的成分以外的物质称为第二相粒子，如TiC、TiN等物质，这些第二相粒子在奥氏体结晶过程中因为溶解度较低而在析出，对奥氏体晶粒的晶界起到钉扎作用，阻碍奥氏体晶粒的生长。因此，在还有第二相粒子的奥氏体中，晶粒相对细小，强度和韧性均有不同程度的提高。
（3）优化铸造工艺优化晶粒。在钢铁铸造过程中，晶粒的大小和金属液结晶过程中形核率及晶核长大速度有关，利用这个关系，在铸造过程中降低浇铸速度让流动的金属液冲击碎化已形成的晶粒，从而使晶粒尺寸变小，另外通过附加振动，也可以将生长中的枝晶破碎，达到细化晶粒的目的。
（4）变质处理。变质处理是细化晶粒一个重要方式，往金属液加入合适物质，增加形核率降低形核速度，但是目前对钢铁液的变质处理是通过加入微量元素减小石墨颗粒的大小来达到细化晶粒的目的，但在钢铁中石墨的含量较低，如果可以直接变质处理钢铁晶粒，会大大增加钢铁材料的强韧性，还能提高生产效率，减少加工程序，节约能耗。
2.3 细化晶粒技术的发展前景
当前通过对材料性能的研究，已合成许多的新兴材料，但钢铁材料在使用性能和经济效益上还是具有一定优越性。而且细化晶粒后的钢铁材料强韧性得到大幅度提高，在许多领域中是较为理想的材料。细化晶粒相比较于其它钢铁材料增强技术，不仅可以大幅度提高钢铁材料的强度，还可以提高材料的塑性，材料强韧性增加可以减轻材料的自重，大程度的节约了钢铁资源，降低其生产成本，钢铁材料的强度塑性增加，在许多行业中的使用范围及材料创新可能性越大，增加产品的多样性，符合产品的个性化、多样化需求。
3 总结
强度大小表示金属材料抵抗变形和断裂的能力强弱，不同的工作环境材料的受力情况不同。通过提高钢铁材料的强韧性可以大幅度的提高钢的材料的使用性能，延长其使用寿命，丰富钢铁材料的规格，细化晶粒是提高钢铁材料强韧性的主要强化方式，在不断的研究总结中，工业上主要的细化晶粒方式有增加过冷度、变质处理、附加振动及降低浇注速度，除此之外，还通过对钢铁材料的不同相的性质及材料的组织成分进行不断的研究寻找细化晶粒合适的方式。在细化晶粒技术的不断发展中，出现了许多技术问题，工艺问题，但通过细化晶粒的方式可以得到使用性能好，经济效益高的钢铁材料，这些钢铁材料在许多的重要领域中都有普遍的应用，因此细化晶粒对于钢铁材料来说是一个重要的技术和研究方向。
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经费资助：本文由山东省大学生创新创业项目（编号：S201910452053）资助。