奥氏体晶粒的长大

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12．3．4．1 晶粒度

奥氏体晶粒度及其均匀性是衡量钢件力学性能与工艺性能的重要指标，也是分析服役零件破断失效的主要参考数据，应该加以控制．晶粒的平均直径和金相组织中单位面积内奥氏体晶粒个数都可以用来衡量奥氏体晶粒大小．现一般统一将不同晶粒尺寸换算成晶粒度级别，换算公式为：

n=2^N—1

式中 N——晶粒度级别；

n——放大100倍时64．5mm²(1in²)内的晶粒数目．

一般将N小于4级的晶粒称为粗大晶粒，6～8级的晶粒称为细晶粒，超过8级的晶粒称为超细晶粒．表12-17为晶粒度与其尺寸的关系对照．

表12-17 晶粒度与晶粒尺寸对照表

不同晶粒度级别下晶粒大小标准片如图12-19所示．

图12-19 奥氏体晶粒度级别

奥氏体形成后，在继续加热过程中奥氏体晶粒的大小是要发生变化的，奥氏体晶粒度的有关概念也有三种(如表12-18所示)，必须加以区别．

表12-18 晶粒度概念及其影响因素

12．3．4．2 奥氏体晶粒的长大及其控制

奥氏体晶粒的长大倾向既取决于奥氏体起始晶粒度及其均匀性，又取决于第二相质点的性质、大小、数量及分布．凡与这两者有关的因素，都影响奥氏体晶粒的大小．

1．钢的化学成分

钢的化学成分不同，奥氏体晶粒长大的倾向也不同．碳含量对奥氏体晶粒长大倾向的影响如图12-20所示．磷、硼、锰等促进奥氏体晶粒长大．铜、镍、钴、硅等影响不大．铌、钒、钛、锆、铝等以分散细小的氮化物、氧化物或碳化物状态存在时，强烈阻碍奥氏体晶粒长大，但加热温度超过某一限度时，这些化合物可溶入奥氏体，此时奥氏体晶粒将急剧长大．此温度称为奥氏体晶粒粗化温度．上述元素对奥氏体粗化温度的影响如图12-21所示．钼、铬、钨等与上述元素的作用相似，但影响较小．

2．热加工工艺

奥氏体晶粒的粗化温度不但与原材料中的成分有关，还与钢材的热轧或锻造工艺有关．合金结构钢热加工时，提高热轧或锻造的始锻与终锻温度，可以有效地提高奥氏体晶粒的粗化温度．但是，增加热轧或锻造的变形量却降低粗化温度，图12-22为合金结构钢的变形温度及变形度与奥氏体本质晶粒度的关系图．

图12-20 碳含量与奥氏体晶粒度

1—1300℃保温3h；2—1200℃保温3h；3—1100℃保温3h；4—1000℃保温3h；5—900℃保温3h

图12-21 合金元素对低碳奥氏体晶粒粗化温度的影响

ω(C)=0．2%，ω(N)=0．0063%～0．0075%

图12-22 合金钢热加工工艺与奥氏体本质晶粒度的关系(40CrNiMo)

热轧或锻造温度及变形量与钢材奥氏体本质晶粒度的关系十分重要．特别是对于模锻件，由于各部位变形度不一致，而造成晶粒度不一致，从而影响锻件的使用性能．

3．预先热处理工艺

钢中AlN相充分析出且呈弥散状态分布，能够有效地控制奥氏体晶粒长大．通过预先热处理，不仅可以改变钢的原始组织，而且还改变钢中AlN相的大小、数量及分布，从而影响加热时奥氏体晶粒的长大倾向．在AlN相基本固溶的条件下，采用接近临界温度A_cl的高温回火，使AlN相在铁素体基体上沉淀析出，且呈弥散状态．

此外，改变预先热处理可以获得不同的原始组织状态，也就是碳化物的弥散程度，从而改变奥氏体的起始晶粒度．一般情况下，原始组织越细，碳化物越弥散，则起始晶粒越细小．因此，预先热处理后为细珠光体组织，有利于最后热处理时获得均匀细小的奥氏体实际晶粒度．但是，起始晶粒越细校奥氏体晶粒长大倾向越大，在奥氏体本质晶粒度检验时，容易出现混晶组织．

4．加热温度与速度

奥氏体的实际晶粒度与钢的本质晶粒度不能简单等同相待，本质细晶粒钢加热温度超过一定限度后奥氏体实际晶粒也会变得粗大，如图12-23所示．本质粗晶粒钢加热温度较低，或快速加热至较高温度和短时保温，也可以获得细小的奥氏体晶粒，而且加热速度越高，效果越好(图12-24)．

图12-23 加热温度与奥氏体晶粒尺寸

图12-24 加热速度与奥氏体晶粒尺寸(40钢)