平均晶粒度概念

平均晶粒度概念表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上米用晶粒度等级来表示 晶粒大小。标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。般晶粒度越大，也就是越细越好钢的晶粒度按其奥氏体化条件与长大倾向刁又分成起始晶粒度、实际晶粒度、 本质晶粒度三 起始晶粒度指钢在临界温度以上加热，奥 化过程中最初形成的奥 氏体晶粒的晶粒度，即奥转变刚刚完成，其晶粒边界开始接触时的晶粒大，J称 初生晶粒度。实际晶粒度指某一实际条件下所得到的实粒大小。本质晶粒度 只代表在某一条件下，奥氏体的长大倾向。一、晶粒大小与力学性能的关系：晶粒大小对材料的性能影响很大，实践证明，材料的屈服强度o s与晶粒直 径 d 符合 Hall-Petch 公式：o s =o 0 + K dl/2 式中，o 0 和K是两个与材料有关的常数。可见，晶粒越细小，材料的强度越高。不仅如此晶粒细小还可以提高材料的塑性和韧性。奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能I有重要影响。通常,粗大 的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的组织,其力学性能指标较低。需要了解奥氏体晶粒度的概念以及 影响奥氏体晶粒度的因素。二、奥氏体晶粒度的概念：奥氏体晶粒大小是用晶粒度来度量的。可用晶粒直径、单位面积中的晶粒数 等方法来表示晶粒大小。晶粒度的评定一般采用比较法，即金相试样在放大100 倍的显微镜下，与标准的图谱相比。YB27-77将钢的奥氏体晶粒度分为8级，1 级最粗，8级最细(见P208图)。0级以下为超粗晶粒，8级以上超细晶粒。奥氏体晶粒度级别(N):生产上用晶粒度N表示晶粒大小，晶粒度级别与晶粒的大小有如下关系： n = 2N-1 式中n表示放大100倍时，1平方英寸(645.16 mm 2)上的晶粒 数。n越大，N越大，晶粒越细。n0二2N+3 式中n0表示放大1倍时，1平方毫米上的晶粒数。几个概念：起始晶粒度、本质晶粒度、实际晶粒度1、起始晶粒度:奥氏体转变刚刚完成，即奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为起始晶粒度。通常情况下，起始晶粒度总是比较细小、均匀的。起始晶粒大小取决于形核率和长大速度。加热转变终了时所得A晶粒度称 为起始晶粒度。n0=1.01 （I/V） 1/2式中：I-形核率,V-长大速度。2、本质晶粒度:根据YB27-64试验方法，即在93010C，保温38h后测定的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。如晶粒度为14级，称为本质粗晶粒钢，晶粒 度为58级，则为本质细晶粒钢。本质晶粒度表示在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性大小。而不能认为本质细晶粒钢在任何加热条件下晶粒 都不粗化（图2-31）。钢的本质晶粒度与钢的成分和冶炼时的脱氧方法有关。一 般用Al脱氧或者含有Ti、Zr、V、Nb、Mo、W等元素的钢都是本质细晶粒钢，因 为这些元素能够形成难熔于奥氏体的细小碳化物或氮化物质点，阻止奥氏体晶粒 长大。只用硅、锰脱氧的钢或者沸腾钢一般为本质粗晶粒钢。3、实际晶粒度:钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小称为实际晶粒度。实际晶粒度取决于本质晶粒度和实际热处理条件。实际晶粒一一般总比起始晶粒大。冷却开始时A晶粒度称为实际晶粒度。三、A晶粒长大现象（机制）:1、A晶粒长大现象：图2-31奥氏体晶粒直径与力热温度的关系在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，A晶粒不断长大，称为 正常长大。如图2-31中曲线1。在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，A晶粒长大并不明显，必须当温度超过某一定值后，晶粒才随温度升 高而急剧长大，称为异常长大，该值称为A晶粒粗化温度。如图中曲线2。2、长大驱动力:A晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的，晶界迁移的驱动力来自界面自由能的降低。对于 球面晶界，当其曲率半径为R，界面能为Y指向曲率中心的驱动力P为P =2y/R(2-6)可见RJ, Pf； R = r P = Q也即晶粒半径越小,长大驱动力越大当半径无穷大或为 平直界面时，驱动力为零。此时A晶界已平直化。3、正常长大:晶界在驱动力P推动下匀速前进 由经典力学可导出：DA2 = K ex）（-Q/KT）T（2-10）其中，DA为长大中A晶粒平均直径K为常数，t为时间，Q为Fe的自扩散激活能。可见 在一定温度T,随时间彳，DAf。4、异常长大（1）、第二相小颗立的晶界钉扎作用用A1脱氧或含Nb, Ti, V的钢，在晶界上会存在这些元素的碳氮化合物粒 子，一个粒子可使A晶界面积减少pr2（r为小粒子半径）。当晶界在驱动力作用 下移动时，将使A晶界与这些粒子脱离从而使A晶界面积增大，界面能增高。所 以粒子对晶界就有了钉扎作用，一个粒子对晶界移动提供的最大阻力为： Fmax = prY，（2-11）其中，Y为单位面积界面能。设单位体积中粒子的体积分数为f,贝昨用于单位面积晶界上的最大阻力Fmax为：Fmax= 3fY /2r （2-12）由上式可见：当粒子半径r愈小，体积分数f愈大，对晶界移动的阻力就愈大。因此，为抑制A晶粒的长大，可以采取 以下两种措施：（1）增加碳（氮）化合物粒子的体积分数f;（2）细化碳（氮）化 合物粒子。但碳（氮）化合物粒子的体积分数f增加，钢的脆性增加，故不能过大。 最好的办法是采用细化碳（氮）化合物粒子。（2）、异常长大的原因：由于温度T 升高，第二相颗粒 （碳氮化合物）的溶解，使阻力F=O而此时驱动力P却很大 故晶粒急剧长大。四、影响A晶粒长大的因素（奥氏体晶粒度及其影响因素）：A晶粒是通过晶界的迁移而长大的，其实质是原子在晶界附近的扩散过程，长大的驱动力为界面能，晶 粒长大使界面积减小，系统能量降低，因此晶粒长大是一个自发过程。凡影响原 子扩散的因素都影响A晶粒长大。主要在于以下几方面：1、加热温度和保温时间；2、加热速度;3、钢的化学成分一碳和合金元素及含量；4、脱氧剂;5、原始组织。影响晶粒长大的因素：1、力热温度和保温时间温度的影响最显著，温度越高，晶粒长大速度越快（如图2-31），奥氏体最终晶粒尺寸大。在一定温度下,随保温时间延长,奥氏体晶粒长大。在每一个温度下,都有一个加速长大期, 达S 一定尺寸，长大过程将减弱并亭止。D = k tn式中D为长大中A晶粒平均直径，t为时间，k、n与材料有关的常数。为获得一定尺寸的晶粒，必须同时控制为0热温度和保温时间。2、加热速度:力口热速度对晶粒大小的影响如图2-)。力口热速度快，A起女台晶粒越细。实际生产中经常采用 快速热，短时保温的办法来获得细小晶粒。因为力力热速度越夭 奥氏体转变时的过热度越大 奥氏体的形核率越髙，起始晶粒越细，力之在高温下保温时间短 奥氏体晶粒来不及长大。图2-力热速度与A晶粒大小关系示意图3、钢的化学成分：(1) 、含碳量：钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大，但是，当含碳量超过某一限度时，奥 氏体晶粒长大倾向又减小。这是因为随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速 度均增加，故加大了奥氏体晶粒的长大倾向。但碳含量超过一定限度后，钢中出现二次渗碳本 对奥氏本晶界的移动有阻碍乍用，故奥氏本晶粒反而细小。(2) 、脱氧剂：用Al脱氧能形成难熔的A1N质点在晶界上析出，阻碍奥氏体晶粒长大。而Si、Mn脱氧不能 形成难熔的质点，晶粒容易长大。(3) 、合金元素:凡未溶勺碳化物等第二相质点均阻碍奥氏本晶粒长大。若钢中加入适量能形成难熔强碳化物形成合金元素Ti、V、Zr、Nb等，由于能形成高熔点高 稳定性的碳化物,因而这些元素有虽烈阻碍奥氏本晶粒长大的作用,在合金钢中起细化晶粒的作 用。碳化物形成合金元素W、Ma Cr等也能阻碍奥氏体晶粒长大 但效果不如Ti、V、Zr、Nb 等。耳澜化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用很小。促使奥氏体晶粒长大的元素有C、N、P、0、Mn等4、原始组织主要影响A的起台晶粒。原始组织越细，起台晶粒越细小。五、奥氏体晶粒大小的控制从以上分析看：凡提高扩散的因素，女温度、时间，均能加快A长大。第二相颗粒体积分 数f增大，线度r减小，均能阻止A长大。提高起始晶粒度的均匀性与促使晶界平直化均能降 低驱动力，减弱A长大。1、凡提高Dfe的因素均加快奥氏体晶粒长大2、存在未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大；3、调整工艺参数提高起始晶粒的均匀性阻碍奥氏体晶粒长大。控制方去：1、利用Al脱氧，形成AlN质点，细化晶粒，细晶粒钢；2、利用难熔强碳化物形成合金元素形成碳化物、氮化物细化晶粒;3、米用快速力热，短时保温的办法来获得细小晶粒；4、控制钢的热加工工艺和预备热处理工艺。