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发表于 2010-4-6 20:42:10
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来自： 中国四川绵阳
奥氏体晶粒长大及其控制 * e- O8 ]& z3 }; R
5 q/ k, i5 [9 ?3 A. v) p一、晶粒大小与力学性能的关系：
% V/ P0 h0 T& _
- o7 R# W; t' n 晶粒大小对材料的性能影响很大，实践证明，材料的屈服强度σs与晶粒直径d符合Hall-Petch公式：5 u1 z3 ~8 H& N4 i
+ X; E" h) n' u6 P: f8 d' K5 A σs =σ0 + K d1/2( v Q* Q2 r0 e3 M* d0 ]. J8 j" n
4 V) \, t( [& v* w: H! g 式中，σ0和K是两个与材料有关的常数。+ ~7 W- e( J# j0 l- M
可见，晶粒越细小，材料的强度越高。不仅如此，晶粒细小还可以提高材料的塑性和韧性。 ; r2 r- U' G% i# W4 T6 E
5 E8 ]6 J7 v9 N0 k- a, y. S
奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要影响。通常，粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的组织，其力学性能指标较低。需要了解奥氏体晶粒度的概念以及影响奥氏体晶粒度的因素。
( c& k/ O- G4 J0 K7 w1 z
) a/ Q; \, e E) u1 T+ l7 |二、奥氏体晶粒度的概念：
+ h {* f- D" c
& P4 h; s* a, G0 p) a* z2 Y 奥氏体晶粒大小是用晶粒度来度量的。可用晶粒直径、单位面积中的晶粒数等方法来表示晶粒大小。/ w( z4 \! k. e/ @
晶粒度的评定一般采用比较法，即金相试样在放大100倍的显微镜下，与标准的图谱相比。YB27-77将钢的2 j8 h4 P# C1 m; f
奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细(见P208图）。0级以下为超粗晶粒，8级以上超细晶粒。
% |6 R6 Q9 ~: A e奥氏体晶粒度级别（N）：
. l/ m* t! ]8 k2 q4 ^2 p% z
) S% l9 y$ m* k% L( b. W( i) a 生产上用晶粒度N表示晶粒大小，晶粒度级别与晶粒的大小有如下关系：
9 i1 E8 d" O2 e
3 j. W1 r a9 ?# E8 d' Z" m" b n = 2N-1, M/ P6 b1 v4 g/ a. s# b
' G* x: F. l7 a6 e
式中n表示放大100倍时，1平方英寸（645.16㎜2）上的晶粒数。n越大，N越大，晶粒越细。
9 Y# z, v" s; s4 c5 {$ Y5 K
. h) ^, s+ T0 B n0= 2N+3
& F+ d. ]5 ^( o( g
4 j# j0 D4 N; v! y( w 式中n0表示放大1倍时，1平方毫米上的晶粒数。
+ \8 |1 j E( N$ }0 z. \- X
6 J6 F8 [ h, Q: E( w& C
/ i" m: n# X& C& [ P1 ~
" ^% y. O8 u3 ~8 t6 z4 T7 D, l' X# C* D
几个概念：起始晶粒度、本质晶粒度、实际晶粒度
/ e4 P. X- E N! a9 u% W) ]1 Q* c+ J0 `6 _0 U5 p! q1 w& B
1、起始晶粒度:奥氏体转变刚刚完成，即奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为起始
9 \3 G2 D0 N R! K' ?7 c- q% q# C' ~晶粒度。
- \+ n* Z( I, t: M# ^, T! Q/ W) M4 ]3 S) U: J \' U+ d
通常情况下，起始晶粒度总是比较细小、均匀的。起始晶粒大小取决于形核率和长大速度。加热转变9 B. h( Y* ^& ]+ n" K% |7 t
终了时所得A晶粒度称为起始晶粒度。
) C5 c; \( D* \, i7 g3 ?2 Z5 G
- J% h" m) ^8 M. p: R n0 = 1.01（I/V）1/2 式中：I-形核率，V-长大速度。/ l2 O7 ~+ |( X
; u: M0 p8 V0 \: ?+ I4 J
2、本质晶粒度:根据YB27-64试验方法，即在930±10℃，保温3~8h后测定的奥氏体晶粒大小称为本质
|$ Y- L' N8 N' G* C, Y- _7 d4 P晶粒度。如晶粒度为1~4级，称为本质粗晶粒钢，晶粒度为5~8级，则为本质细晶粒钢。
) k$ y: @. r- `4 Y: b; s% K' l+ H, `# U/ M+ V$ S
本质晶粒度表示在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性大小。而不能认为本质细晶粒钢在任
Q0 ~0 Z3 k7 I- P" ?何加热条件下晶粒都不粗化(图2-31)。钢的本质晶粒度与钢的成分和冶炼时的脱氧方法有关。一般用Al脱3 D0 X( z6 D1 q+ a+ y
氧或者含有Ti、Zr、V、Nb、Mo、W等元素的钢都是本质细晶粒钢，因为这些元素能够形成难熔于奥氏体的" r0 u" a' M/ e* K- L
细小碳化物或氮化物质点，阻止奥氏体晶粒长大。只用硅、锰脱氧的钢或者沸腾钢一般为本质粗晶粒钢。! [ p) ^3 @4 z
9 H5 j8 i: I4 M2 P$ l
3、实际晶粒度:钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小称为实际晶粒度。
: B: v4 @! i% r- M3 l4 E9 [
* [- c' V. C% L! x5 c' X/ [' ?9 C 实际晶粒度取决于本质晶粒度和实际热处理条件。实际晶粒一般总比起始晶粒大。冷却开始时A晶粒度) o8 c/ a/ _& F/ N' K
称为实际晶粒度。7 L) h4 J2 h: c
三、A晶粒长大现象（机制）：
$ W9 U! w: t( a
( b. e# k4 }9 g+ O1 k5 o/ C& u) D １、A晶粒长大现象： & E+ W# k8 ^& M# |$ v
在加热转变中，保温时间一定时，随保温 n- ?7 o6 G6 ^8 k |6 d" T5 A4 m
温度升高，A晶粒不断长大，称为正常长大。
1 d! _4 W% s0 Q- M, c7 I7 x/ T如图2-31中曲线1。
% O+ m- L3 O5 h: R# s, A$ g5 |# R2 E7 \% L% }
在加热转变中，保温时间一定时，随保温
+ H% b# x2 e, f/ f C温度升高，A晶粒长大并不明显，必须当温度
' U- Z( w! D. x' q# D5 N6 I超过某一定值后，晶粒才随温度升高而急剧长6 C9 O' k: l w2 W: Z
大，称为异常长大，该值称为A晶粒粗化温度。
( {( ?! |/ V7 z. `0 N; u) E如图中曲线2。9 v3 A" [) S/ v! p3 ^
4 M7 x7 J* a! v0 w& A
图2-31 奥氏体晶粒直径与加热温度的关系6 F/ D* E. X* }# V+ H
1 X$ z( h$ k% Z: Y4 J# f* k: [1 U
& D: @" x7 @0 x8 Q, K2、长大驱动力 ： ; }/ A( @6 P+ b) f }, [- j
7 a |& N1 f# pA晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的，晶界迁移的驱动力来自界面自由能的降低。对于球面晶界，当其曲率半径为R，界面能为γ，指向曲率中心的驱动力P为：
1 H& ?( i& E6 h2 \9 R$ j$ S6 ?! H' X3 V- m
P = 2γ/R （2-6） ' u7 [9 C! S* p9 }" T; b
: o: ^2 @) k4 J; I可见：R↓，P↑；R = ∞，P = 0。也即晶粒半径越小，长大驱动力越大. 当半径无穷大或为平直界面时，驱动力为零。此时A晶界已平直化。 6 F$ R* ^8 m& e+ z
4 |) `+ J5 B3 \6 u 3、正常长大 ：
. V9 u' |% L0 B( m3 A' a6 h) ?" t2 W- h2 V/ K
晶界在驱动力P推动下匀速前进，由经典力学可导出：
3 N4 f% C" z9 O4 J
2 s) ~8 Y! t4 zDA2 = K exp(-Q/KT)τ （2－10）
4 i3 Q& j! r% z! d
6 q) R3 i( |0 ?, G 其中，DA 为长大中A晶粒平均直径，K为常数，τ为时间，Q为Fe的自扩散激活能。 可见在一定温度T，随时间τ↑，DA↑。 0 r. M( ?: @+ D; v+ W
" ^" @$ G$ [ M* ^ F* ^
4、异常长大：
0 a4 Q1 u, A! W, p3 F$ c/ ~4 \: ?
& C7 v0 m/ J' W& w# b# J% ] (1) 、第二相小颗粒的晶界钉扎作用
3 @6 B6 U* I8 K6 X9 R9 z; V1 f
, a$ r1 S# [* F4 [, `" V 用Al脱氧或含Nb，Ti，V的钢，在晶界上会存在这些元素的碳氮化合物粒子，一个粒子可使A晶界面积
5 r/ o; G8 B- J; O$ V减少pr2(r为小粒子半径)。当晶界在驱动力作用下移动时，将使A晶界与这些粒子脱离从而使A晶界面积增
* G9 X( w% t; Z ]8 w/ b大，界面能增高。所以粒子对晶界就有了钉扎作用，一个粒子对晶界移动提供的最大阻力为：- s% ]% Q$ s/ `8 w# h
0 B' I# A1 N! ^3 _! O Fmax = prγ， （2-11）' U! z+ B, y$ D, ]( l4 P! f. x" J
& B5 S! P7 m+ P' Q( B8 p" \# _ 其中，γ为单位面积界面能。 q& B4 H8 Y8 b. C) y/ p
设单位体积中粒子的体积分数为f，则作用于单位面积晶界上的最大阻力Fmax为：
/ J5 m: K% }5 U
* s& y1 c" W) s9 A Fmax= 3fγ/2r （2-12） 8 o* P- q; x$ A0 s. ^
由上式可见：当粒子半径r愈小，体积分数f愈大，对晶界移动的阻力就愈大。因此，为抑制A晶粒的长: m7 b1 _- k+ P: a7 d7 p
大，可以采取以下两种措施：（1）增加碳(氮)化合物粒子的体积分数f；（2）细化碳(氮)化合物粒子。但/ u) C1 b; R+ |! t- X+ P
碳(氮)化合物粒子的体积分数f增加，钢的脆性增加，故不能过大。最好的办法是采用细化碳(氮)化合物粒
# @' ?. v9 j: r% Y子。
# G0 o P* W' @& g5 G1 A (2)、异常长大的原因：
3 Y% u$ C# X: B. {& @" L' n由于温度T升高，第二相颗粒(碳氮化合物)的溶解，使阻力F =0，而此时驱动力P却很大，故晶粒急剧长大。
. }4 E4 _2 j* h1 Z8 o9 F2 a( Y6 I4 m* o4 d+ J4 \& y
四、影响A晶粒长大的因素（奥氏体晶粒度及其影响因素）：
# u# ~, k4 g% n2 j4 O" c A晶粒是通过晶界的迁移而长大的，其实质是原子在晶界附近的扩散过程，长大的驱动力为界面能，晶
9 G' u8 W. L" k/ d! N粒长大使界面积减小，系统能量降低，因此晶粒长大是一个自发过程。凡影响原子扩散的因素都影响A晶粒
, Z: v) ^% `/ D" B) @长大。主要在于以下几方面：/ U) o/ J( ^/ ?( u/ P
1、加热温度和保温时间；
$ L8 f/ ^+ ~; m& ]' ?0 b0 I 2、加热速度； & t' b* }7 }. {" D1 w
3、钢的化学成分－碳和合金元素及含量； 9 J3 I' u0 }, {: L( L& [! S" S
4、脱氧剂；
+ g7 X" |. }9 D. _3 i4 G+ n 5、原始组织。 % G3 d( s: b @, ?
; b6 w, a: E" o w: e
影响晶粒长大的因素： $ ?9 K- |, Y0 M: [/ C8 S
Z1 i, c- l$ t6 H* @/ d) }4 [* v; E" z& J
1、加热温度和保温时间 , D7 \" c# |/ {* r
5 [" @0 `4 d# `% T0 o- w- T5 q) [9 V2 e2 @
温度的影响最显著，温度越高，晶粒长大速度越快（如图2-31），奥氏体最终晶粒尺寸大。
# Q0 s* e2 Z- `
5 _9 o: g4 G! C& j' }8 m3 @" g在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。在每一个温度下，都有一个加速长大期，达到一定尺寸，长大过程将减弱并停止。 6 O' [2 m& [- ]& J+ t
$ _& _! a5 a# A% ^
D = ktn
% \1 B& F% f$ w% c: G
9 I% m1 J+ y$ [' S1 H+ M' k 式中D为长大中A晶粒平均直径，t为时间，k、n与材料有关的常数。 7 U; ?+ A; N0 T
" T5 O1 y0 ]+ ?$ `
为获得一定尺寸的晶粒，必须同时控制加热温度和保温时间。
8 t+ u- l$ S2 N/ P
! H$ i+ q* ?4 x# o* w0 U 2、加热速度：
$ N! \9 ?2 T* G4 g% Q加热速度对晶粒大小的影响(如图2-)。加热速度快，A起始晶粒越细。实际生产中经常采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒。因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大。 ) p) d- a) e7 L# x$ F
0 i) s, S L; P0 {5 r
; D4 `6 R! e5 q T! ?; X D+ i
, i$ ~& @- Y0 S, |5 e0 g
图2- 加热速度与A晶粒大小关系示意图 $ H1 ?4 R8 r( d' g; i
0 F( u& \4 K0 V+ E2 a# B
3、钢的化学成分：
2 R4 t, c' u1 P3 r; }% s' f8 R" V% R# |% H" r
（1）、含碳量：
3 v) W- M* a# W; S* m钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大，但是，当含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒长大倾向又减小。这是因为随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加大了奥氏体晶粒的长大倾向。但碳含量超过一定限度后，钢中出现二次渗碳体，对奥氏体晶界的移动有阻碍作用，故奥氏体晶粒反而细小。
8 r5 T) c& ]# h! r+ W- d
+ a3 p4 x% d& m9 v1 N （2）、脱氧剂： ! T8 e C% @+ k- j2 a5 ]
用Al脱氧能形成难熔的AlN质点在晶界上析出，阻碍奥氏体晶粒长大。而Si、Mn脱氧不能形成难熔的质点，晶粒容易长大。 ( d, w7 V8 g* g. |) [3 u' z
; ^4 f. ~* D3 X0 w7 _2 J, O （3）、合金元素：
1 h4 P2 z( H- e+ ?( s凡未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大。 ; v4 L+ t8 E, f f
9 w1 q* d% A* u3 K
若钢中加入适量能形成难熔强碳化物形成合金元素Ti、V、Zr、Nb等，由于能形成高熔点高稳定性的碳化物，因而这些元素有强烈阻碍奥氏体晶粒长大的作用，在合金钢中起细化晶粒的作用。 : B& P" R- H( o0 {+ n0 R
& p" e( w: {) }6 k) M3 j碳化物形成合金元素W、Mo、Cr等也能阻碍奥氏体晶粒长大，但效果不如Ti、V、Zr、Nb等。
. H7 h; X& j& R/ j! q, M. B) j/ g( u# h2 R
非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用很小。
, {. g3 H, a1 w) D5 E
! {# G% U' e- N: r促使奥氏体晶粒长大的元素有C、N、P、O、Mn等 $ W* B {! ~9 q9 Y i- K% [- b1 [, N% {
9 m" @& u% K' D) i: p4 M 4、原始组织：! {. x7 c8 S) W% \
0 {: e% L3 H; N) I. O6 ^5 X
主要影响A的起始晶粒。原始组织越细，起始晶粒越细小。
! |: x$ x0 i7 ?$ G/ G9 ?8 i2 |) f; g+ r2 E9 ~
五、奥氏体晶粒大小的控制：
3 C3 Y I% e! i" P6 w) O5 V* s
5 K B0 j$ X% c0 Y! ?, ^: k7 a+ c 从以上分析看：凡提高扩散的因素，如温度、时间，均能加快A长大。第二相颗粒体积分数f 增大，线度r减
* Q& U0 `" }$ d3 h小，均能阻止A长大。提高起始晶粒度的均匀性与促使晶界平直化均能降低驱动力，减弱A长大。
& f1 @0 z: c6 E9 j2 B/ ?8 a1、凡提高Dfe的因素均加快奥氏体晶粒长大； * Z( |' ^# g" m- Q$ g6 x9 M
& P- `& l$ ]" K5 u( _1 x2、存在未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大；
2 m! O' I, U4 E; `8 _) }, c4 s. v' ?# \2 E. s
3、调整工艺参数，提高起始晶粒的均匀性，阻碍奥氏体晶粒长大。
8 F" e! W9 T8 S" [
3 W, K. b! g, R7 a 控制方法： 0 D: N6 d0 e# D8 J1 ~
% f" O; L" y) ?9 N$ b
1、利用Al脱氧，形成AlN质点，细化晶粒，细晶粒钢； 5 K; n; b& v% _: c. y+ O
2、利用难熔强碳化物形成合金元素形成碳化物、氮化物细化晶粒 ；
& F: B8 ^9 d3 \6 C5 g* V
% P4 S5 k; b0 k, r: M3 [* c6 b7 G3、采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒；
- g9 D8 @' d% C3 g' L
3 ^- G- a" g# J4、控制钢的热加工工艺和预备热处理工艺。 |
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