1、9.1.4 9.1.4 奥氏体晶粒长大奥氏体晶粒长大 及其控制及其控制 1奥氏体晶粒度 2奥氏体晶粒长大原理 3影响奥氏体晶粒长大的因素1 奥氏体化的目的是获得奥氏体化的目的是获得成分均匀成分均匀和和一定晶一定晶粒大小粒大小的奥氏体组织。多数情况下希望获得细的奥氏体组织。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小的奥氏体晶粒，有时也需要得到较大的奥氏体晶粒。体晶粒。因此，为获得所期望的奥氏体晶粒尺因此，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。制奥氏体晶粒度的方法。2Hall-Petch公
2、式奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响31 1奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 可以用可以用奥氏体晶粒直径奥氏体晶粒直径或或单位面积中单位面积中奥氏体晶粒数目奥氏体晶粒数目来表示奥氏体晶粒大小。来表示奥氏体晶粒大小。为了方便起见，实际生产上习惯用为了方便起见，实际生产上习惯用奥氏体奥氏体晶粒度晶粒度来表示奥氏体晶粒大小。来表示奥氏体晶粒大小。4奥氏体晶粒度级别奥氏体晶粒度级别N与奥氏体晶粒大小的关系为与奥氏体晶粒大小的关系为12Nn 式中，式中，n n为放大为放大100100倍视野中每平方倍视野中每平方英寸英寸（6.45cm6.45cm2 2）所含的平均奥氏体晶粒数目。
3、所含的平均奥氏体晶粒数目。奥氏体晶粒愈细小，奥氏体晶粒愈细小，n n就愈大，就愈大，N N也就愈大。也就愈大。奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度级别级别N通常分为通常分为8级标准评定，级标准评定，l级级最粗，最粗，8级最细，超过级最细，超过8级以上者称为超细晶粒级以上者称为超细晶粒。5表表9.3 晶粒度级别对照表晶粒度级别对照表晶粒度级晶粒度级别别 N放大放大100倍时倍时每平方英寸每平方英寸面积内晶粒面积内晶粒数数n平均每个平均每个晶粒所占晶粒所占面积面积(mm2)晶粒平均晶粒平均直径直径d(mm)弦平均长弦平均长度度(mm)1234567891012481632641282565120.06250.
4、03120.01560.00780.00390.001950.000980.000490.0002440.0001220.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.0220.01560.01100.2220.1570.1110.07830.05530.03910.02670.01960.01380.00986 起始晶粒度起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体珠光体刚刚转变成奥氏体 的晶粒大小。的晶粒大小。实际晶粒度实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体热处理后所获得的奥氏体 晶粒的大小。晶粒的大小。本质晶粒度本质晶粒度:度量钢本身晶粒在度量钢本身晶粒在930 以下以下,随温
5、度升高随温度升高,晶粒长晶粒长 大的程度。大的程度。奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度根据标准试验方法，在根据标准试验方法，在93010保温足够时间（保温足够时间（38小时）后测小时）后测得的奥氏体晶粒大小。此时，奥氏体晶粒度在得的奥氏体晶粒大小。此时，奥氏体晶粒度在58级者称为级者称为本质本质细晶粒钢细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在，而奥氏体晶粒度在14级者称为级者称为本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢。7 本质晶粒度本质晶粒度只是表示钢在一定条件下奥氏体只是表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，与晶粒长大的倾向性，与实际晶粒度实际晶粒度不尽相同。不尽相同。例如，对于本质细晶粒钢，当加热温度超过例如，对于本质细晶
6、粒钢，当加热温度超过9501000时也可能得到十分粗大的实际晶粒。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。时也可能得到比较细小的奥氏体晶粒。但在一般情况下，本质细晶粒钢热处理后获但在一般情况下，本质细晶粒钢热处理后获得的实际晶粒往往是细小的。得的实际晶粒往往是细小的。8 图图9.10 加热温度对奥氏体晶粒大小的影响加热温度对奥氏体晶粒大小的影响 9钢的本质晶粒度示意图钢的本质晶粒度示意图10单位面积内的奥氏体晶粒数目单位面积内的奥氏体晶粒数目n与与I和和G之间的之间的关系可用下式表示：
7、关系可用下式表示：21)(GIKn 式中，式中，K为系数。可见，为系数。可见，IG值愈大，值愈大，n就愈大，就愈大，即奥氏体晶粒就愈细小。即奥氏体晶粒就愈细小。这说明增大形核率这说明增大形核率I或降低长大速度或降低长大速度G是获得细是获得细小奥氏体晶粒的重要途径。小奥氏体晶粒的重要途径。112 2奥氏体晶粒长大原理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件下是
8、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。大动力和晶界推移阻力相互作用的结果。12（1 1）晶粒长大动力）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奥氏体晶粒的长大动力是奥氏体晶粒大小的不均不均匀性匀性。理想状态理想状态的晶界如图的晶界如图9.11所示。所示。晶粒呈六边晶粒呈六边形，晶界成直线，三条晶界相交于一点并且互成形，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。这种状态下的奥氏体晶粒不易长大。13 实际上，奥氏体晶粒的大小是不均
9、匀的。因此，实际上，奥氏体晶粒的大小是不均匀的。因此，直径直径小于小于平均晶粒直径的晶粒，其邻接晶粒数可能平均晶粒直径的晶粒，其邻接晶粒数可能小于小于6；而直径；而直径大于大于平均晶粒直径的晶粒，其邻接平均晶粒直径的晶粒，其邻接晶粒数可能晶粒数可能大于大于6。为了保持界面张力平衡，相交于一点的三条晶为了保持界面张力平衡，相交于一点的三条晶界应互成界应互成120120o o角。角。14 因此，在一定温度条件下，由于界面张力平衡因此，在一定温度条件下，由于界面张力平衡作用，凡邻接晶粒数作用，凡邻接晶粒数小于小于6的晶粒的晶界将弯曲成的晶粒的晶界将弯曲成正正曲率弧曲率弧，使晶界面积增大，界面能升高。
10、而为了减，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）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，将导致该变成直线（平面）的自发趋势，因此，将导致该晶晶粒缩小粒缩小，直至消失；而邻接晶粒数，直至消失；而邻接晶粒数大于大于6的晶粒的晶的晶粒的晶界也因界面张力平衡而弯曲成界也因界面张力平衡而弯曲成负曲率弧负曲率弧，同样为了，同样为了减少界面面积，降低界面能，该晶粒将减少界面面积，降低界面能，该晶粒将长大长大，从而，从而吞并小晶粒。吞并小晶粒。15聚集再结晶聚集再结晶 进一步提高加热温度或延长保温时间，大晶进一步提高加热温度或延长
11、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。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这种长大过程称为奥氏体的聚集再结晶聚集再结晶。16RF2 奥氏体晶粒的长大驱动力奥氏体晶粒的长大驱动力F与晶粒大小和界面能与晶粒大小和界面能大小有关，可用下式表示大小有关，可用下式表示式中，式中，为单位面积晶界界面能（比界面能）；为单位面积晶界界面能（比界面能）；R为为晶界曲率半径，若晶粒为球形时晶界曲率半径，若晶粒为球形时R即为其半径。即为其半径。可见，可见，若比界面能愈大，晶粒尺寸愈小，
12、则奥若比界面能愈大，晶粒尺寸愈小，则奥氏体晶粒长大的驱动力氏体晶粒长大的驱动力F就愈大，即晶粒长大的倾向就愈大，即晶粒长大的倾向性就愈大，晶界愈容易迁移。性就愈大，晶界愈容易迁移。17（2 2）晶界推移阻力）晶界推移阻力 在实际材料中，在晶界或在实际材料中，在晶界或晶内往往存在很多细小难溶的晶内往往存在很多细小难溶的第二相沉淀析出粒子。推移中第二相沉淀析出粒子。推移中的的晶界遇到第二相粒子时将发晶界遇到第二相粒子时将发生弯曲（生弯曲（与第二相界面保持垂与第二相界面保持垂直直,界面力平衡界面力平衡），导致晶界），导致晶界面积增大，界面能升高，因此面积增大，界面能升高，因此这些这些第二相粒子将阻碍
13、晶界迁第二相粒子将阻碍晶界迁移移，起着钉扎晶界的作用。如，起着钉扎晶界的作用。如图图9.12所示。所示。图图9.12 晶界移动时与第二相粒子的交互作用示意图晶界移动时与第二相粒子的交互作用示意图18 在第二相粒子附近的晶界发生弯曲，导致晶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界面积增大，界面能升高。弥散析出的第二相粒子子愈细小愈细小，粒子附近晶界的，粒子附近晶界的弯曲曲率就愈大弯曲曲率就愈大，晶，晶界面积的增大就愈多，因此界面积的增大就愈多，因此界面能的增大界面能的增大也就愈也就愈多。这个使系统自由能增加的过程是不可能自发多。这个使系统自由能增加的过程
14、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。晶界推移的阻力。19 第二相粒子对晶界推移的最大阻力第二相粒子对晶界推移的最大阻力Fm与粒子与粒子半径半径r及单位体积中粒子的数目及单位体积中粒子的数目f之间有如下关系：之间有如下关系：rfFm23 可见，当第二相粒子的体积百分数一定时，粒子可见，当第二相粒子的体积百分数一定时，粒子尺尺寸愈小寸愈小，单位体积中粒子，单位体积中粒子数目愈多数目愈多（即分散度愈（即分散度愈大），则其对晶界推移的大），则其对晶界推移的阻力就愈大阻力就愈大。20 由上述可知，在有第二相粒子存在的情况下，由上
15、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，总的晶界面积逐渐减小，晶粒长大动力逐渐降低，直至直至晶粒长大动力和第二相弥散析出粒子的阻力晶粒长大动力和第二相弥散析出粒子的阻力相相平衡时奥氏体晶粒便停止长大。平衡时奥氏体晶粒便停止长大。21 在在一定温度一定温度下，奥氏体晶粒的平均极限半下，奥氏体晶粒的平均极限半径径RLim取决于第二相沉淀析出粒子的半径取决于第二相沉淀析出粒子的半径r及其
16、及其单位体积中的数目单位体积中的数目f，即，即frRLim34 当当温度过高温度过高时，阻止晶粒长大的难溶第二相时，阻止晶粒长大的难溶第二相粒子发生聚合长大或溶解于奥氏体中，失去了抑粒子发生聚合长大或溶解于奥氏体中，失去了抑制晶粒长大的作用，奥氏体晶粒便迅速长大。制晶粒长大的作用，奥氏体晶粒便迅速长大。22 由于沉淀析出粒子的分布是不均匀的，所以由于沉淀析出粒子的分布是不均匀的，所以晶粒长大的阻力亦是不均匀的，往往可能在局部晶粒长大的阻力亦是不均匀的，往往可能在局部区域晶界推移阻力很小，晶粒异常长大，出现晶区域晶界推移阻力很小，晶粒异常长大，出现晶粒大小极不均匀的现象，即所谓的粒大小极不均匀的
17、现象，即所谓的“混晶混晶”。由由于混晶造成的晶粒大小不均匀，又导致晶粒长大于混晶造成的晶粒大小不均匀，又导致晶粒长大驱动力的增大驱动力的增大，当晶粒长大驱动力超过晶界推移，当晶粒长大驱动力超过晶界推移阻力时，其中较大的晶粒将吞并周围较小的晶粒阻力时，其中较大的晶粒将吞并周围较小的晶粒而长大，形成更为粗大的晶粒。而长大，形成更为粗大的晶粒。23 总之，奥氏体晶粒长大是一种自发过程，总之，奥氏体晶粒长大是一种自发过程，其主要表现为晶界的推移，高度弥散的难溶其主要表现为晶界的推移，高度弥散的难溶第二相粒子对晶粒长大起很大的抑制作用。第二相粒子对晶粒长大起很大的抑制作用。为了获得细小的奥氏体晶粒，为了
18、获得细小的奥氏体晶粒，必须保证钢中必须保证钢中含有足够数量和足够细小的难溶第二相粒子。含有足够数量和足够细小的难溶第二相粒子。243 3影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素 形核率形核率I与长大速度与长大速度G之比值之比值I/G愈大，奥氏体愈大，奥氏体的的起始晶粒起始晶粒就愈细小。就愈细小。在起始晶粒形成之后，在起始晶粒形成之后，实实际晶粒度际晶粒度则取决于奥氏体晶粒在继续保温或升温则取决于奥氏体晶粒在继续保温或升温过程中的长大倾向。而过程中的长大倾向。而起始晶粒愈细小，大小愈起始晶粒愈细小，大小愈不均匀，界面能愈高，则奥氏体晶粒长大的倾向不均匀，界面能愈高，则奥氏体晶粒长大的倾向
19、就愈大就愈大。晶粒长大主要表现为晶粒长大主要表现为晶界迁移晶界迁移，实质上，实质上是原子在晶界附近的扩散过程，它将受到诸多因是原子在晶界附近的扩散过程，它将受到诸多因素的影响。素的影响。25（1 1）加热温度和保温时间的影响）加热温度和保温时间的影响 加热温度愈高，保温加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒将时间愈长，奥氏体晶粒将愈粗大，如图愈粗大，如图9.13所示。所示。由图中可见，在每个温度由图中可见，在每个温度下都有一个加速长大期，下都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长到一定尺当奥氏体晶粒长到一定尺寸后，长大过程将减慢直寸后，长大过程将减慢直至停止长大。加热温度愈至停止长大。加热温度愈高，
20、奥氏体晶粒长大进行高，奥氏体晶粒长大进行得就愈快。得就愈快。保温时间保温时间26 奥氏体晶粒长大速度奥氏体晶粒长大速度u u与晶界迁移速率及与晶界迁移速率及晶粒长大驱动力成正比，即晶粒长大驱动力成正比，即DRTQKum)exp(式中，式中，K为常数；为常数；R为气体常数；为气体常数；T为绝对温度；为绝对温度；Qm为晶界移动激活能或原子扩散跨越晶界激活能，为晶界移动激活能或原子扩散跨越晶界激活能，为比界面能，为比界面能，D 为奥氏体晶粒直径。为奥氏体晶粒直径。（9.109.10）27 可见，随着可见，随着加热温度升高加热温度升高，晶粒长大速度，晶粒长大速度u呈呈指数函数关系迅速增大。同时，指数函
21、数关系迅速增大。同时，晶粒愈细小晶粒愈细小，界面，界面能愈高，晶粒长大速度能愈高，晶粒长大速度u就愈大。但当晶粒长大到就愈大。但当晶粒长大到一定程度后，由于一定程度后，由于D增大（奥氏体晶粒直径），增大（奥氏体晶粒直径），晶晶粒长大速度将减慢，这与图粒长大速度将减慢，这与图9.139.13的结果一致。的结果一致。28（2 2）加热速度的影响）加热速度的影响 加热速度愈大，过热度就愈大，即奥氏体加热速度愈大，过热度就愈大，即奥氏体实际形成温度就愈高，奥氏体的形核率与长大实际形成温度就愈高，奥氏体的形核率与长大速度之比值速度之比值I/G增大（表增大（表9.1），所以快速加热，所以快速加热时可以获得
22、细小的奥氏体起始晶粒。而且，时可以获得细小的奥氏体起始晶粒。而且，加加热速度愈快，奥氏体起始晶粒就愈细小热速度愈快，奥氏体起始晶粒就愈细小。29表表9.1 奥氏体的形核率奥氏体的形核率I、长大速度、长大速度G与温度的关系与温度的关系转变温转变温度度（）形核率形核率I（1/mm3s）长大速度长大速度G（mm/s）转变一半所转变一半所需时间需时间（s）74022800.0005100760110000.0109780515000.02638006160000.041130 但由于起始晶粒细小，加之温度较高，奥氏但由于起始晶粒细小，加之温度较高，奥氏体晶粒很容易长大，因此体晶粒很容易长大，因此不宜长
23、时间保温不宜长时间保温，否则，否则晶粒反而更加粗大。所以，在保证奥氏体成分均晶粒反而更加粗大。所以，在保证奥氏体成分均匀的前提下，匀的前提下，快速加热快速加热并短时保温能获得细小的并短时保温能获得细小的奥氏体晶粒。奥氏体晶粒。悬挂式热处理生产线悬挂式热处理生产线31（3 3）钢中碳含量的影响）钢中碳含量的影响 在钢中碳含量在钢中碳含量不足以形成过剩碳化物不足以形成过剩碳化物的情况的情况下，加热时奥氏体晶粒下，加热时奥氏体晶粒随钢中碳含量增加而增大随钢中碳含量增加而增大。这是因为，这是因为，钢中碳含量增加时，钢中碳含量增加时，C原子在奥氏体原子在奥氏体中的扩散速度及中的扩散速度及Fe原子的自扩散
24、速度均增大，原子的自扩散速度均增大，故故奥氏体晶粒长大的倾向增大。奥氏体晶粒长大的倾向增大。32 但是，但是，当当碳含量超过一定限度碳含量超过一定限度时，由于形成未溶解的时，由于形成未溶解的二次渗碳体，反而阻碍奥氏体晶粒的长大。二次渗碳体，反而阻碍奥氏体晶粒的长大。在这种情况下，随钢中在这种情况下，随钢中碳含量的增加碳含量的增加，二次渗碳体的，二次渗碳体的数量增加，奥氏体数量增加，奥氏体晶粒反而细化晶粒反而细化。通常，过共析钢在通常，过共析钢在A AclclA Accmccm之间加热时可以保持较为之间加热时可以保持较为细小的晶粒，而在相同加热温度下，共析钢的晶粒长大倾细小的晶粒，而在相同加热温
25、度下，共析钢的晶粒长大倾向（即过热敏感度）最大，这是因为共析钢的加热组织中向（即过热敏感度）最大，这是因为共析钢的加热组织中不含有过剩碳化物。不含有过剩碳化物。33（4 4）合金元素的影响）合金元素的影响 钢中加入适量钢中加入适量形成难溶化合物形成难溶化合物的合金元素如的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、Al、Ta等，将强烈地阻碍奥氏等，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。上述合金元素在钢中形成熔点高、稳定性强、不上述合金元素在钢中形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的易聚集长大的NbC、NbN、Nb(C,N)、TiC等化合等化合物，
26、它们弥散分布于奥氏体基体中，阻碍晶粒长物，它们弥散分布于奥氏体基体中，阻碍晶粒长大，从而保持细小的奥氏体晶粒。大，从而保持细小的奥氏体晶粒。34 形成易溶化合物形成易溶化合物的合金元素如的合金元素如W、Mo、Cr等也阻碍奥氏体晶粒的长大，但其影响程度为中等也阻碍奥氏体晶粒的长大，但其影响程度为中等。等。不形成化合物的合金元素不形成化合物的合金元素如如Si和和Ni对奥氏体对奥氏体晶粒长大的影响很小，晶粒长大的影响很小，Cu和和Co几乎没有影响。几乎没有影响。Mn、P、O和含量在一定限度以下的和含量在一定限度以下的C可增可增大奥氏体晶粒长大的倾向。大奥氏体晶粒长大的倾向。35（5 5）冶炼方法的影
27、响）冶炼方法的影响 用用Al脱氧的钢，奥氏体晶粒脱氧的钢，奥氏体晶粒长大倾向较小长大倾向较小，属于本质细晶粒钢属于本质细晶粒钢。Al细化奥氏体晶粒的主要原细化奥氏体晶粒的主要原因是钢中形成因是钢中形成大量难溶大量难溶的六方点阵结构的的六方点阵结构的AlN，它们弥散析出，阻碍奥氏体晶粒长大。但当钢中它们弥散析出，阻碍奥氏体晶粒长大。但当钢中残余残余Al（固溶（固溶Al）含量）含量超过一定限度时超过一定限度时反而会引反而会引起奥氏体晶粒粗化。起奥氏体晶粒粗化。用用Si、Mn脱氧的钢，因为不形成弥散析出的脱氧的钢，因为不形成弥散析出的高熔点第二相粒子，没有阻碍奥氏体晶粒长大的高熔点第二相粒子，没有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，所以奥氏体晶粒长大倾向较大，属于本质作用，所以奥氏体晶粒长大倾向较大，属于本质粗晶粒钢。粗晶粒钢。36（6 6）原始组织的影响）原始组织的影响 原始组织主要影响奥氏体起始晶粒度。一原始组织主要影响奥氏体起始晶粒度。一般来说，原始组织愈细，碳化物弥散度愈大，般来说，原始组织愈细，碳化物弥散度愈大，所得到的奥氏体所得到的奥氏体起始晶粒起始晶粒就愈细小。就愈细小。37
