第十二章 晶粒尺度的测定及评级方法

第十二章 晶粒尺度的测定及评级方法
一、原理概述
金属及合金的晶粒大小与金属材料的机械性能、工艺性能及物理性能有密切的关系。

细晶粒金属的材料的机械性能、工艺性能均比较好，它的冲击韧性和强度都较高，在热处理和淬火时不易变形和开裂。

粒晶粒金属材料的机械性能和工艺性能都比较差，然而粗晶粒金属材料在某些特殊需要的情况下也被加以使用，如永磁合金铸件和燃汽轮机叶片希望得到按一定方向生长的粗大柱状晶，以改善其磁性能和耐热性能。

硅钢片也希望具有一定位向的粗晶，以便在某一方向获得高导磁率。

金属材料的晶粒大小与浇铸工艺、冷热加工变形程度和退火温度等有关。

晶粒尺寸的测定可用直测计算法。

掌握了这种方法也可对其它组织单元长度进行测定，如铸铁中石墨颗粒的直径；脱碳层深度的测定等。

某些具有晶粒度评定标准的材料，可通过与标准图片对比进行评定。

这种方法称为比较法。

1．直测计算法
(1) 利用物镜测微尺寸出目镜测微尺(或毛玻璃投影屏上的刻尺)每一刻度的实际值。

选定物镜，并选用带有目镜测微尺的目镜。

将物镜测微尺置于样品台上，调焦、调节样品台，使物镜测微尺的刻度与目镜测微尺(或投影屏上的刻度尺)良好吻合(如图12-1所示)。

图12-1 目镜和物镜测微尺的校正 图12-2 目镜测微尺的测量显示图
已知物镜测微尺的满刻度为1mm ，共分为100格，则最小格为0.01mm 。

在这一物镜的放大倍数下，物镜测微尺的Y 格与目镜测微尺的X 格(或投影屏上的刻度)相重合，则目镜测微尺(或投影屏上)上的每一刻度格值即可求得：
0.01
Y mm
X ⨯=
格值
例一：物镜测微尺的10格和目镜测微尺上的20格重合，则：
目镜测微尺的每一刻度格值100.010.00520mm
⨯==
例二：物镜测微尺的30格和投影屏刻尺上的30格重合，则：
投影屏刻尺上的每一刻度格值300.010.0130mm
⨯==
(2) 利用已知目镜测微尺的格值(或投影屏格值)进行晶粒尺寸或其它组织单元长度的测定。

在得知格值后，可取掉物镜测微尺，放上被测样品，利用带有测微尺的目镜(或将显微图象投影到毛玻璃屏上)进行测量。

为了使测量结果更具代表性，在数出测微尺刻尺线段上所交截的晶粒数后，可旋转目镜，测定几个不可方向上的交截晶粒数，最后求出晶粒的平均
直径(图12-2)。

xX d mm
n =
格值
式中：d ——晶粒平均直径；
x ——目镜测微尺上所占格数； n ——刻尺线段交截的晶粒数。

例：已知使用某一物镜时，目镜测微尺格值为0.01mm ，在目镜测微尺上60格内占有的晶粒数为10个。

则： 600.010.0610d mm
⨯==
2．钢的晶粒度测定(参考YB27-77) 名词解释
起始晶粒度——当钢加热到临界点AC 1时，晶粒的尺寸急剧减小，珠光体向奥氏体转变刚一结束时的细粘奥氏体晶粒，通常叫起始晶粒度。

奥氏体本质晶粒度——当钢加热至930℃和保温足够的时间所个有的奥氏体晶粒大小。

它表示钢的奥氏体晶粒在规定温度下长大的倾向。

实际晶粒度——在交货状态下钢的实际晶粒大小，及经不同热处理后，钢和零件所得到的实际晶粒大小。

(1) 用比较法测定钢的奥氏体(本质)晶粒度
目前生产中，一般都采用比较法测定晶粒度，在用比较法测定时，应遵循下面的评定原则：
a. 试样制好后，在100倍的显微镜下测定。

其视场直径为0.80mm 。

b. 测定时，首先在显微镜上作全面观察，然后选择晶粒度具有代表性的视场与标准中的1-8级级别图相比较，确定试样晶粒度的级别。

c. 如果显微镜的放大倍数不是100倍时，仍可按标准晶粒度级别图测定其晶粒度，随后根据所选用的倍数按表9-1换算成100倍时的标准晶粒度级别。

d. 标准图可用带8级晶粒度刻度毛玻璃屏为准。

(2) 用弦计算法测定钢的晶粒度
当测量精度要求较高或当晶粒为椭园形时，可采用弦计算法测定，此时应遵守以下原则： a. 先进行初步观察，以选择具有代表性的部位和适合的倍数，选择倍数时，先用100倍，当晶粒过大或过小时，可适当调定显微镜的倍数，以在80mm 直径的视场内不少于50个晶粒为宜。

b. 将显微图象投影到毛玻璃屏上，计算被一条直线相交的晶粒数目，直线要有足够的长度，以便使被一条直线相交截的晶粒数不少于10个。

c. 计算时，直线端部未被完全交截的晶粒应以一个晶粒计算。

d. 最少应选择三个不同部位的三条直线来计算相截的晶粒数。

用相截的晶粒总数除以选用直线的总长度(实际长度以毫米计)，得出弦的平均长度(mm)。

e. 用弦的平均长度查表9-2确定钢的晶粒度。

f. 计算也可以在带有刻度的目镜上直接进行。

(3) 测定非等轴晶粒时(扁园或伸长的)，沿试样的三轴线分别计算出各轴线方向每一毫米长度的平均晶粒数目。

每一轴线方向的平均晶粒灵敏，必须在不少于三条直线上求得。

由试样三个轴线方向得出的每一毫米长度的平均晶粒数量值之积乘以晶粒扁园系数0.7，即可求出每1mm 3内的平均晶粒数。

再查表9-2确定其晶粒度。

1230.7n n n n 式中：n ——每1mm 3
内平均晶粒数。

n 1——a 轴方向每一毫米长度平均晶粒数。

n 2——b 轴方向每一毫米长度平均晶粒数。

n 3——c 轴方向每一毫米长度平均晶粒数。

0.7——晶粒扁园度系数。

3．单相铜合金晶粒度的测定(参考YB797-71)
单相铜合金晶粒度的测定，通常用比较法，在有疑议时，可用直测计算法或面积计算法校准。

(1) 比较法
a. 试样制备好后，在放在100倍显微镜下进行全面观察，选好有代表性的视场与标准级别图比较，确定晶粒度，并且晶粒平均直径(mm)表示。

b. 若晶粒度超过标准级别范围时，可在适当倍数下进行观察，再与标准级别图比较，然后再材料表12-3换算成标准晶粒度。

c. 若晶粒不均匀，如有一种晶粒在视场内约占90%以上面积，则仅指出此种晶粒的晶粒度即可。

否则，应计算不同大小晶粒各占的面积百分比。

表12-3
晶粒度数值(晶粒平均直径，mm)
(2) 又如放大倍数为200时，粒度为0.013mm ，则标准晶粒度为0.025mm 。

(2) 直接计算法
将制备好的试样，在适当放大倍数下，进行全面观察，选好具有代表性的视场，投影到毛玻璃上或摄成照片。

在其上沿三轴方向划三条线段，并量出此线段总长L(实际长度，mm)再仔细数出被此线段所交截的晶粒(若线段两端有未被完全截取的晶粒，则应以一个晶粒计算)的总数目N(不应少于100个)。

则得晶粒平均直径：
L
d mm NV =
式中：V ——放大倍数
(3) 面积计算法
在保证计算面积内不少于50个晶粒的条件下，选好有代表性的视场，投影到毛玻璃上或摄成照片，在其上划5000平方毫米的圆(也可小些)，然后数出在此圆内晶粒数z ，再数出被圆周所交截的晶粒度n 。

按下式计算出一个晶粒的平均面积a(mm)。

2(0.67)K
F a z n V =
+
式中：F K ——圆的面积。

V ——放大倍数。

根据a 值查表确定晶粒度。

实
验
一、实验目的
1．学习晶粒尺寸及其它组织单元长度的基本测量方法。

2．了解钢和单相铜合金晶粒度测定方法标准。

二、实验器材
带毛玻璃投影屏的金相显微镜；物镜测微尺；目镜测微尺；供测量晶粒度用的单相铜合金和钢样品；供比较法评定用的单相铜合金和钢的奥氏体晶粒度评定标准图片。

三、实验任务和步骤
1．学习利用物镜测微尺标定目镜测微尺和毛玻璃投影屏刻度格值。

通过它们间的关系到确定显微镜物镜和显微镜的线放大倍数。

2．用直接计算法和弦计算法测量晶粒大小。

3．用比较法评定晶粒度级别。

四、实验报告内容
1．简述测定晶粒大小的方法。

2．用25×物镜和带测微尺的10×目镜测定出目镜测微尺的格值关系。

3．用实验室提供的单相铜合金样品评定出其晶粒平均直径。