奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制

9.1.4奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制1．奧氏體晶粒度

2．奧氏體晶粒長(zhǎng)大原理

3．影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素1奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!

奧氏體化的目的是獲得成分均勻和一定晶粒大小的奧氏體組織。多數(shù)情況下希望獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，有時(shí)也需要得到較大的奧氏體晶粒。因此，為獲得所期望的奧氏體晶粒尺度，必須了解奧氏體晶粒的長(zhǎng)大規(guī)律，掌握控制奧氏體晶粒度的方法。

2奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!Hall-Petch公式奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響3奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!1．奧氏體晶粒度

可以用奧氏體晶粒直徑或單位面積中奧氏體晶粒數(shù)目來表示奧氏體晶粒大小。為了方便起見，實(shí)際生產(chǎn)上習(xí)慣用奧氏體晶粒度來表示奧氏體晶粒大小。4奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!表9.3晶粒度級(jí)別對(duì)照表晶粒度級(jí)別N放大100倍時(shí)每平方英寸面積內(nèi)晶粒數(shù)n平均每個(gè)晶粒所占面積(mm2)晶粒平均直徑d(mm)弦平均長(zhǎng)度(mm)1234567891012481632641282565120.06250.03120.01560.00780.00390.001950.000980.000490.0002440.0001220.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.0220.01560.01100.2220.1570.1110.07830.05530.03910.02670.01960.01380.00985奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!

本質(zhì)晶粒度只是表示鋼在一定條件下奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向性，與實(shí)際晶粒度不盡相同。例如，對(duì)于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，當(dāng)加熱溫度超過950～1000℃時(shí)也可能得到十分粗大的實(shí)際晶粒。而對(duì)于本質(zhì)粗晶粒鋼，當(dāng)加熱溫度略高于臨界點(diǎn)時(shí)也可能得到比較細(xì)小的奧氏體晶粒。但在一般情況下，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼熱處理后獲得的實(shí)際晶粒往往是細(xì)小的。

6奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!鋼的本質(zhì)晶粒度示意圖7奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!2．奧氏體晶粒長(zhǎng)大原理

為了減少總的晶界面積，在一定溫度條件下奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生相互吞并而使晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象。所以，奧氏體晶粒長(zhǎng)大在一定條件下是一個(gè)自發(fā)過程。奧氏體晶粒是晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力和晶界推移阻力相互作用的結(jié)果。8奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!實(shí)際上，奧氏體晶粒的大小是不均勻的。因此，直徑小于平均晶粒直徑的晶粒，其鄰接晶粒數(shù)可能小于6；而直徑大于平均晶粒直徑的晶粒，其鄰接晶粒數(shù)可能大于6。為了保持界面張力平衡，相交于一點(diǎn)的三條晶界應(yīng)互成120o角。

9奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!聚集再結(jié)晶進(jìn)一步提高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，大晶粒將繼續(xù)長(zhǎng)大。所以，奧氏體晶粒長(zhǎng)大就是這種無數(shù)個(gè)小晶粒被吞并和大晶粒長(zhǎng)大的綜合結(jié)果。這種長(zhǎng)大過程稱為奧氏體的聚集再結(jié)晶。

10奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!（2）晶界推移阻力在實(shí)際材料中，在晶界或晶內(nèi)往往存在很多細(xì)小難溶的第二相沉淀析出粒子。推移中的晶界遇到第二相粒子時(shí)將發(fā)生彎曲（與第二相界面保持垂直,界面力平衡），導(dǎo)致晶界面積增大，界面能升高，因此這些第二相粒子將阻礙晶界遷移，起著釘扎晶界的作用。如圖9.12所示。圖9.12晶界移動(dòng)時(shí)與第二相粒子的交互作用示意圖11奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!

第二相粒子對(duì)晶界推移的最大阻力Fm與粒子半徑r及單位體積中粒子的數(shù)目f之間有如下關(guān)系：

可見，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ拥捏w積百分?jǐn)?shù)一定時(shí)，粒子尺寸愈小，單位體積中粒子數(shù)目愈多（即分散度愈大），則其對(duì)晶界推移的阻力就愈大。

12奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!

在一定溫度下，奧氏體晶粒的平均極限半徑RLim取決于第二相沉淀析出粒子的半徑r及其單位體積中的數(shù)目f，即

當(dāng)溫度過高時(shí)，阻止晶粒長(zhǎng)大的難溶第二相粒子發(fā)生聚合長(zhǎng)大或溶解于奧氏體中，失去了抑制晶粒長(zhǎng)大的作用，奧氏體晶粒便迅速長(zhǎng)大。

13奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!

總之，奧氏體晶粒長(zhǎng)大是一種自發(fā)過程，其主要表現(xiàn)為晶界的推移，高度彌散的難溶第二相粒子對(duì)晶粒長(zhǎng)大起很大的抑制作用。為了獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，必須保證鋼中含有足夠數(shù)量和足夠細(xì)小的難溶第二相粒子。

14奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!（1）加熱溫度和保溫時(shí)間的影響

加熱溫度愈高，保溫時(shí)間愈長(zhǎng)，奧氏體晶粒將愈粗大，如圖9.13所示。由圖中可見，在每個(gè)溫度下都有一個(gè)加速長(zhǎng)大期，當(dāng)奧氏體晶粒長(zhǎng)到一定尺寸后，長(zhǎng)大過程將減慢直至停止長(zhǎng)大。加熱溫度愈高，奧氏體晶粒長(zhǎng)大進(jìn)行得就愈快。

保溫時(shí)間15奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!可見，隨著加熱溫度升高，晶粒長(zhǎng)大速度u呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系迅速增大。同時(shí)，晶粒愈細(xì)小，界面能愈高，晶粒長(zhǎng)大速度u就愈大。但當(dāng)晶粒長(zhǎng)大到一定程度后，由于D增大（奧氏體晶粒直徑），晶粒長(zhǎng)大速度將減慢，這與圖9.13的結(jié)果一致。

16奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!表9.1奧氏體的形核率I、長(zhǎng)大速度G

與溫度的關(guān)系轉(zhuǎn)變溫度（℃）形核率I（1/mm3·s）長(zhǎng)大速度G（mm/s）轉(zhuǎn)變一半所需時(shí)間（s）74022800.0005100760110000.0109780515000.02638006160000.041117奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!（3）鋼中碳含量的影響

在鋼中碳含量不足以形成過剩碳化物的情況下，加熱時(shí)奧氏體晶粒隨鋼中碳含量增加而增大。這是因?yàn)椋撝刑己吭黾訒r(shí)，C原子在奧氏體中的擴(kuò)散速度及Fe原子的自擴(kuò)散速度均增大，故奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向增大。18奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!（4）合金元素的影響

鋼中加入適量形成難溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、Al、Ta等，將強(qiáng)烈地阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，使奧氏體晶粒粗化溫度顯著升高。上述合金元素在鋼中形成熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性強(qiáng)、不易聚集長(zhǎng)大的NbC、NbN、Nb(C,N)、TiC等化合物，它們彌散分布于奧氏體基體中，阻礙晶粒長(zhǎng)大，從而保持細(xì)小的奧氏體晶粒。19奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!（5）冶煉方法的影響

用Al脫氧的鋼，奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向較小，屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。Al細(xì)化奧氏體晶粒的主要原因是鋼中形成大量難溶的六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的AlN，它們彌散析出，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大。但當(dāng)鋼中殘余Al（固溶Al）含量超過一定限度時(shí)反而會(huì)引起奧氏體晶粒粗化。

用Si、Mn脫氧的鋼，因?yàn)椴恍纬蓮浬⑽龀龅母呷埸c(diǎn)第二相粒子，沒有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，所以?shī)W氏體晶粒長(zhǎng)大傾向較大，屬于本質(zhì)粗晶粒鋼。20奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!奧氏體晶粒度級(jí)別N與奧氏體晶粒大小的關(guān)系為

式中，n為放大100倍視野中每平方英寸（6.45cm2）所含的平均奧氏體晶粒數(shù)目。奧氏體晶粒愈細(xì)小，n就愈大，N也就愈大。奧氏體晶粒度級(jí)別N通常分為8級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，l級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)，超過8級(jí)以上者稱為超細(xì)晶粒。

21奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!

起始晶粒度:珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體的晶粒大小。

實(shí)際晶粒度:熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。

本質(zhì)晶粒度:度量鋼本身晶粒在930℃以下,隨溫度升高,晶粒長(zhǎng)大的程度。奧氏體晶粒度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，在930±10℃保溫足夠時(shí)間（3～8小時(shí)）后測(cè)得的奧氏體晶粒大小。此時(shí)，奧氏體晶粒度在5～8級(jí)者稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，而奧氏體晶粒度在1～4級(jí)者稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。22奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!圖9.10加熱溫度對(duì)奧氏體晶粒大小的影響23奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!單位面積內(nèi)的奧氏體晶粒數(shù)目n與I和G之間的關(guān)系可用下式表示：

式中，K為系數(shù)?？梢姡琁／G值愈大，n就愈大，即奧氏體晶粒就愈細(xì)小。這說明增大形核率I或降低長(zhǎng)大速度G是獲得細(xì)小奧氏體晶粒的重要途徑。24奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!（1）晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力

奧氏體晶粒的長(zhǎng)大動(dòng)力是奧氏體晶粒大小的不均勻性。理想狀態(tài)的晶界如圖9.11所示。晶粒呈六邊形，晶界成直線，三條晶界相交于一點(diǎn)并且互成120o角，在二維平面上每個(gè)晶粒均有六個(gè)鄰接晶粒。處于這種狀態(tài)下的奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大。

25奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!因此，在一定溫度條件下，由于界面張力平衡作用，凡鄰接晶粒數(shù)小于6的晶粒的晶界將彎曲成正曲率弧，使晶界面積增大，界面能升高。而為了減少晶界面積以降低界面能，晶界有由曲線（曲面）變成直線（平面）的自發(fā)趨勢(shì)，因此，將導(dǎo)致該晶粒縮小，直至消失；而鄰接晶粒數(shù)大于6的晶粒的晶界也因界面張力平衡而彎曲成負(fù)曲率弧，同樣為了減少界面面積，降低界面能，該晶粒將長(zhǎng)大，從而吞并小晶粒。

26奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!

奧氏體晶粒的長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力F與晶粒大小和界面能大小有關(guān)，可用下式表示式中，σ為單位面積晶界界面能（比界面能）；R為晶界曲率半徑，若晶粒為球形時(shí)R即為其半徑?？梢姡舯冉缑婺苡?，晶粒尺寸愈小，則奧氏體晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力F就愈大，即晶粒長(zhǎng)大的傾向性就愈大，晶界愈容易遷移。

27奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!在第二相粒子附近的晶界發(fā)生彎曲，導(dǎo)致晶界面積增大，界面能升高。彌散析出的第二相粒子愈細(xì)小，粒子附近晶界的彎曲曲率就愈大，晶界面積的增大就愈多，因此界面能的增大也就愈多。這個(gè)使系統(tǒng)自由能增加的過程是不可能自發(fā)進(jìn)行的。所以，沉淀析出的第二相粒子的存在是晶界推移的阻力。

28奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!由上述可知，在有第二相粒子存在的情況下，奧氏體的長(zhǎng)大過程要受到彌散析出的第二相粒子的阻礙作用。隨奧氏體晶粒長(zhǎng)大過程的進(jìn)行，奧氏體總的晶界面積逐漸減小，晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力逐漸降低，直至晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力和第二相彌散析出粒子的阻力相平衡時(shí)奧氏體晶粒便停止長(zhǎng)大。

29奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!

由于沉淀析出粒子的分布是不均勻的，所以晶粒長(zhǎng)大的阻力亦是不均勻的，往往可能在局部區(qū)域晶界推移阻力很小，晶粒異常長(zhǎng)大，出現(xiàn)晶粒大小極不均勻的現(xiàn)象，即所謂的“混晶”。由于混晶造成的晶粒大小不均勻，又導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力的增大，當(dāng)晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力超過晶界推移阻力時(shí)，其中較大的晶粒將吞并周圍較小的晶粒而長(zhǎng)大，形成更為粗大的晶粒。

30奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!3．影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素

形核率I與長(zhǎng)大速度G之比值I/G愈大，奧氏體的起始晶粒就愈細(xì)小。在起始晶粒形成之后，實(shí)際晶粒度則取決于奧氏體晶粒在繼續(xù)保溫或升溫過程中的長(zhǎng)大傾向。而起始晶粒愈細(xì)小，大小愈不均勻，界面能愈高，則奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向就愈大。晶粒長(zhǎng)大主要表現(xiàn)為晶界遷移，實(shí)質(zhì)上是原子在晶界附近的擴(kuò)散過程，它將受到諸多因素的影響。31奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!

奧氏體晶粒長(zhǎng)大速度u與晶界遷移速率及晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力成正比，即

式中，K為常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；Qm為晶界移動(dòng)激活能或原子擴(kuò)散跨越晶界激活能，σ為比界面能，D

為奧氏體晶粒直徑。

（9.10）

32奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!（2）加熱速度的影響

加熱速度愈大，過熱度就愈大，即奧氏體實(shí)際形成溫度就愈高，奧氏體的形核率與長(zhǎng)大速度之比值I/G增大（表9.1），所以快速加熱時(shí)可以獲得細(xì)小的奧氏體起始晶粒。而且，加熱速度愈快，奧氏體起始晶粒就愈細(xì)小。

33奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制共37頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!