奥氏体晶粒长大及其控制

图9.12 晶界移动时与第二相粒子的交互作用示意图17
在第二相粒子附近的晶界发生弯曲，导致晶 界面积增大，界面能升高。弥散析出的第二相粒 子愈细小，粒子附近晶界的弯曲曲率就愈大，晶 界面积的增大就愈多，因此界面能的增大也就愈 多。这个使系统自由能增加的过程是不可能自发 进行的。所以，沉淀析出的第二相粒子的存在是 晶界推移的阻力。
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聚集再结晶
进一步提高加热温度或延长保温时间，大晶 粒将继续长大。所以，奥氏体晶粒长大就是这种 无数个小晶粒被吞并和大晶粒长大的综合结果。 这种长大过程称为奥氏体的聚集再结晶。
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奥氏体晶粒的长大驱动力F与晶粒大小和界面能 大小有关，可用下式表示
F 2
R
式中，σ为单位面积晶界界面能（比界面能）；R为 晶界曲率半径，若晶粒为球形时R即为其半径。
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2．奥氏体晶粒长大原理
为了减少总的晶界面积，在一定温度条 件下奥氏体晶粒会发生相互吞并而使晶粒长 大的现象。所以，奥氏体晶粒长大在一定条 件下是一个自发过程。奥氏体晶粒是晶粒长 大动力和晶界推移阻力相互作用的结果。
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（1）晶粒长大动力
奥氏体晶粒的长大动力是奥氏体晶粒大小的不均 匀性。 理想状态的晶界如图9.11所示。晶粒呈六边 形，晶界成直线，三条晶界相交于一点并且互成120o 角，在二维平面上每个晶粒均有六个邻接晶粒。处于 这种状态下的奥氏体晶粒不易长大。
奥氏体晶粒愈细小，n就愈大，N也就愈大。
奥氏体晶粒度级别N通常分为8级标准评定，l级 最粗，8级最细，超过8级以上者称为超细晶粒。
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表9.3 晶粒度级别对照表
晶粒度级 别N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
放大100倍时 每平方英寸 面积内晶粒
数n
1 2 4 8 16 32 64 128 256 512
弦平均长 度
(mm)
0.222 0.157 0.111 0.0783 0.0553 0.0391 0.0267 0.0196 0.0138 0.0098
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奥氏体晶粒度
➢ 起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体 的晶粒大小。
➢ 实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体 晶粒的大小。
➢ 本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃ 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。
但在一般情况下，本质细晶粒钢热处理后获 得的实际晶粒往往是细小的。
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图9.10 加热温度对奥氏体晶粒大小的影响
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钢的本质晶粒度示意图
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单位面积内的奥氏体晶粒数目n与I和G之间的 关系可用下式表示：
n
K(
I
1
)2
G
式中，K为系数。可见，I／G值愈大，n就愈大， 即奥氏体晶粒就愈细小。
这说明增大形核率I或降低长大速度G是获得细 小奥氏体晶粒的重要途径。
根据标准试验方法，在930±10℃保温足够时间（3～8小时）后测 得的奥氏体晶粒大小。此时，奥氏体晶粒度在5～8级者称为本质 细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在1～4级者称为本质粗晶粒钢。
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本质晶粒度只是表示钢在一定条件下奥氏体 晶粒长大的倾向性，与实际晶粒度不尽相同。
例如，对于本质细晶粒钢，当加热温度超过 950～1000℃时也可能得到十分粗大的实际晶粒。 而对于本质粗晶粒钢，当加热温度略高于临界点 时也可能得到比较细小的奥氏体晶粒。
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实际上，奥氏体晶粒的大小是不均匀的。因此， 直径小于平均晶粒直径的晶粒，其邻接晶粒数可能 小于6；而直径大于平均晶粒直径的晶粒，其邻接 晶粒数可能大于6。
为了保持界面张力平衡，相交于一点的三条晶 界应互成120o角。
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因此，在一定温度条件下，由于界面张力平衡 作用，凡邻接晶粒数小于6的晶粒的晶界将弯曲成正 曲率弧，使晶界面积增大，界面能升高。而为了减 少晶界面积以降低界面能，晶界有由曲线（曲面） 变成直线（平面）的自发趋势，因此，将导致该晶 粒缩小，直至消失；而邻接晶粒数大于6的晶粒的晶 界也因界面张力平衡而弯曲成负曲率弧，同样为了 减少界面面积，降低界面能，该晶粒将长大，从而 吞并小晶粒。
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第二相粒子对晶界推移的最大阻力Fm与粒子 半径r及单位体积中粒子的数目f之间有如下关系：
Fm
3f
2r
可见，当第二相粒子的体积百分数一定时，粒子尺
寸愈小，单位体积中粒子数目愈多（即分散度愈
大），则其对晶界推移的阻力就愈大。
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由上述可知，在有第二相粒子存在的情况下， 奥氏体的长大过程要受到弥散析出的第二相粒子的 阻碍作用。随奥氏体晶粒长大过程的进行，奥氏体 总的晶界面积逐渐减小，晶粒长大动力逐渐降低， 直至晶粒长大动力和第二相弥散析出粒子的阻力相 平衡时奥氏体晶粒便停止长大。
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1．奥氏体晶粒度
可以用奥氏体晶粒直径或单位面积中奥 氏体晶粒数目来表示奥氏体晶粒大小。为 了方便起见，实际生产上习惯用奥氏体晶 粒度来表示奥氏体晶粒大小。
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奥氏体晶粒度级别N与奥氏体晶粒大小的关系为
n 2 N 1
式中，n为放大100倍视野中每平方英寸（6.45cm2）
所含的平均奥氏体晶粒数目。
奥氏体化的目的是获得成分均匀和一定晶 粒大小的奥氏体组织。多数情况下希望获得细 小的奥氏体晶粒，有时也需要得到较大的奥氏 体晶粒。因此，为获得所期望的奥氏体晶粒尺 度，必须了解奥氏体晶粒的长大规律，掌握控 制奥氏体晶粒度的方法。
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Hall-Petch公式
奥 氏 体 晶 粒 大 小 对 钢 的 力 学 性 能 的 影 响
平均每个 晶粒所占
面积 (mm2)
0.0625 0.0312 0.0156 0.0078 0.0039 0.00195 0.00098 0.00049 0.000244 0.000122
晶粒平均 直径d (mm)
0.250 0.177 0.125 0.088 0.062 0.044 0.031 0.022 0.0156 0.0110
可见，若比界面能愈大，晶粒尺寸愈小，则奥 氏体晶粒长大的驱动力F就愈大，即晶粒长大的倾向 性就愈大，晶界愈容易迁移。
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（2）晶界推移阻力
在实际材料中，在晶界或 晶内往往存在很多细小难溶的 第二相沉淀析出粒子。推移中 的晶界遇到第二相粒子时将发 生弯曲（与第二相界面保持垂 直,界面力平衡），导致晶界 面积增大，界面能升高，因此 这些第二相粒子将阻碍晶界迁 移，起着钉扎晶界的作用。如 图9.12所示。