2.2.6　奧氏體晶粒長大及其控制

奧氏體晶粒大小對冷卻轉(zhuǎn)變過程及其所獲得的組織與性能有很大影響。因此，了解奧氏體晶粒長大的規(guī)律及控制奧氏體晶粒大小的方法，對于熱處理實踐具有重要意義。

2.2.6.1　奧氏體晶粒度

奧氏體晶粒大小可以用晶粒度表示，晶粒度級別與晶粒大小的關(guān)系

　　（2-37）

式中，n為放大100倍時，視場中1in2（1in=2.54cm，下同）面積內(nèi)的晶粒數(shù)，個/in2；N為奧氏體晶粒度級別。

一般將1～4級稱為粗晶粒（晶粒平均直徑為0.25～0.088mm），5～8級稱為細晶粒（晶粒平均直徑為0.062～0.022mm），8級以上為超細晶粒。隨著控制軋制、控制冷卻工藝的發(fā)展，已經(jīng)很容易獲得11～12級超細晶粒鋼（晶粒平均直徑小于10μm），向奧氏體晶粒細化使鋼鐵材料的性能得到大幅度提高。

為了便于進行生產(chǎn)檢驗，國家標準GB/T 6394—2017備有標準評級圖，可將顯微鏡下觀察到的組織或拍攝的照片與標準評級對比，即可確定奧氏體晶粒度。這種方法簡便易行，在生產(chǎn)中廣為采用。

奧氏體晶粒度有三種：

（1）起始晶粒度——奧氏體形成過程剛結(jié)束時的晶粒度。

（2）實際晶粒度——熱處理加熱終了時的晶粒度。

（3）本質(zhì)晶粒度——在（930±10）℃、保溫3～8h下測定的奧氏體晶粒度。本質(zhì)晶粒度為5～8級者稱為本質(zhì)細晶粒鋼，而本質(zhì)晶粒度為1～4級者稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。

本質(zhì)晶粒度表示鋼在一定的條件下奧氏體晶粒長大的傾向性，因鋼種及冶煉方法的不同而異。應(yīng)注意，本質(zhì)晶粒度不同于實際晶粒度，如本質(zhì)細晶粒鋼被加熱到950℃以上的高溫時也可得到十分粗大的奧氏體實際晶粒。相反，本質(zhì)粗晶粒鋼加熱溫度略高于臨界點時也可得到細小的奧氏體晶粒。圖2-39示出這兩種鋼不同的奧氏體晶粒的長大傾向。由圖可見，本質(zhì)細晶粒鋼在930～950℃以下加熱時，晶粒長大傾向很小，所以其淬火加熱溫度范圍較寬，生產(chǎn)上易于掌握。這種鋼也可以在930℃滲碳后直接淬火。但是，對本質(zhì)粗晶粒鋼必須嚴格控制加熱溫度，以防止過熱而引起奧氏體晶粒粗大。

奧氏體起始晶粒大小決定于奧氏體的形核率N和線生長速度v，其關(guān)系可用下式表示：

　　（2-38）

式中，n為1mm2面積內(nèi)的晶粒數(shù)。

由式（2-38）可知，N/v值越大，則n越大，晶粒越細小。

奧氏體實際晶粒度既取決于鋼材的本質(zhì)晶粒度，又與實際加熱條件有關(guān)。一般來說，在一定的加熱速度下，加熱溫度越高，保溫時間越長，越容易得到粗大的奧氏體晶粒。

2.2.6.2　影響奧氏體晶粒長大的因素

奧氏體晶粒形成后將進一步長大。長大的一般規(guī)律是大晶粒吞并周圍的小晶粒而使總的晶界面積減小。由界面能減小提供的長大驅(qū)動力與晶界曲率半徑和界面能大小有關(guān)。晶界曲率半徑越小（晶粒越細），界面能越大，則奧氏體晶粒長大驅(qū)動力越大，即晶粒長大的傾向性越強。分布在晶界上的未溶粒子則對晶界起釘扎作用，阻止晶界移動。由此可見，晶粒長大過程受加熱速度，加熱溫度，保溫時間，鋼的成分，未熔粒子的性質(zhì)、數(shù)量、大小和分布以及原始組織等因素影響。

（1）加熱溫度和保溫時間的影響。加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒就越粗大（圖2-40）。由圖可見，在每一個加熱溫度的加熱和保溫過程中都有一個加速長大期，當奧氏體晶粒長大到一定的大小后，長大趨勢將減緩，直至停止長大。

奧氏體晶粒平均長大速度（晶粒平均直徑隨時間的變化率）與晶界遷移速率及晶粒長大驅(qū)動力（總晶界能σ）成正比，與晶粒平均直徑成反比，即

　　（2-39）

式中，K'為常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學溫度；ΔG_m為擴散激活能。

由式（2-39）可見，隨加熱溫度升高，奧氏體晶粒長大速度成指數(shù)關(guān)系迅速增大。同時，晶粒越細小，界面能越高，晶粒長大速度越大。當晶粒長大到一定限度時，由于增大，σ減小，而使降低，即長大速度減慢。

由圖2-40還可以看出，為控制奧氏體晶粒大小，必須同時控制加熱溫度和保溫時間。低溫下保溫時間的影響較小，高溫下保溫時間的影響增大。因此，加熱溫度高時，保溫時間應(yīng)相應(yīng)縮短，這樣才能得到較為細小的奧氏體晶粒。

（2）加熱速度的影響。加熱速度越大，奧氏體形成溫度越高，奧氏體形核率與長大速度之比隨之增大（見表2-2），因此快速加熱時可以獲得細小的起始晶粒度。加熱速度越快，奧氏體起始晶粒度越細小（圖2-41）。所以，快速加熱，短時間保溫可以獲得細小的奧氏體晶粒。但如長時間保溫，由于奧氏體起始晶粒細小，加之加熱溫度高，奧氏體晶粒很容易長大。

（3）碳含量的影響。加熱溫度及保溫時間一定時，奧氏體晶粒的大小在一定范圍內(nèi)隨鋼中碳含量的增加而增大，之后又隨碳含量的增加而減小，出現(xiàn)極大值。極大值與加熱溫度有關(guān)，900℃w_C為1.2%，1000℃w_C為1.4%，1100℃w_C為1.6%，1200℃w_C為1.25%，1300℃w_C為1.2%（圖2-42）。這是因為鋼中碳含量增加時，C原子在奧氏體中的擴散系數(shù)及Fe的自擴散系數(shù)均增大，故奧氏體晶粒長大傾向增大。但當超過一定碳含量時，由于出現(xiàn)了能阻止奧氏體晶粒長大的二次滲碳體，故隨鋼中碳含量的增加，二次滲碳體數(shù)量增多，阻止奧氏體晶粒長大，使奧氏體晶粒度等級增加。通常，過共析鋼在A_c1～A_ccm之間加熱時，可以保持較為細小的晶粒，而在相同的加熱溫度下，共析鋼的晶粒長大傾向最大，這是因為共析鋼的奧氏體中沒有未溶二次滲碳體。

（4）合金元素的影響。鋼中加入適量的能形成難溶化合物的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等都能強烈阻止奧氏體晶粒長大，使奧氏體晶粒粗化溫度顯著提高（圖2-43）。上述元素都是強碳、氮化合物形成元素，在鋼中能形成熔點高、穩(wěn)定性強、不易聚集長大的NbC、NbN、Nb（C、N）、TiC等化合物，有效阻止晶粒長大。能形成較易溶解的碳化物的合金元素，如W、Mo、Cr等也能阻止奧氏體晶粒長大，但其影響程度為中等。不形成化合物的合金元素，如Si和Ni對奧氏體晶粒長大影響很小，Cu幾乎沒有影響。另外，Mn、P、C、O含量，在一定限度以下可增加奧氏體晶粒長大傾向。

能阻止奧氏體晶粒長大的未溶粒子所提供的阻力與溶粒子所占的體積分數(shù)以及奧氏體晶界的界面能成正比，與未溶粒子的半徑成反比，亦即未溶粒子數(shù)量越多，粒子越細，提供的阻力越大。而曲面晶界提供的推動奧氏體晶界移動的推力決定于界面曲率半徑。隨奧氏體晶粒長大，晶界曲率半徑不斷增加，推力逐漸降低，當降到與未溶粒子提供的阻力相等時，晶界停止移動，亦即停止長大。當加熱溫度超過未溶粒子發(fā)生溶解的溫度后，由于粒子的消失，奧氏體晶粒將迅速長大，如圖2-39所示。

實際上，本質(zhì)細晶粒鋼和本質(zhì)粗晶粒鋼的差異就在于煉鋼時采用了不同的脫氧方法。用Al脫氧時，由于Al能形成大量難溶的彌散分布的具有六方點陣結(jié)構(gòu)的AlN，能阻止奧氏體晶粒長大，為本質(zhì)細晶粒鋼；用Si、Mn脫氧時，因為不形成彌散分布的難溶粒子，所以奧氏體晶粒長大傾向大，為本質(zhì)粗晶粒鋼。在鋼中加入少量Nb、V、Ti，就是為了形成難溶的能阻止奧氏體晶粒長大的碳化物。

2.2.6.3　鋼在加熱時的過熱現(xiàn)象

鋼在熱處理時，由于加熱不當（如加熱溫度過高或保溫時間過長）而引起奧氏體實際晶粒粗大，以至于在隨后淬火或正火時得到十分粗大的組織，從而使鋼的力學性能顯著惡化（如沖擊韌性下降，斷口呈粗晶狀等）的現(xiàn)象稱為過熱。鋼過熱后不僅使性能下降，而且在淬火時極易發(fā)生變形和開裂，因此，在熱處理生產(chǎn)中不允許有過熱現(xiàn)象發(fā)生。一旦由于加熱不當，發(fā)生了過熱現(xiàn)象，必須進行返修，即重新加熱到正常加熱溫度，以獲得新的細小的奧氏體晶粒，然后冷卻。過熱不嚴重時，只需進行一次正火即可消除過熱組織，使鋼的性能得到恢復，使斷口細化。但實踐表明，鋼在過熱后，只有在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時，才可以用一次重新加熱奧氏體化來消除過熱。如果過熱的奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成馬氏體等非平衡組織，則很難用上述方法消除過熱。