奥氏体晶粒长大及其影响因素

二、奥氏体晶粒长大及其影响因素

生产实践证明，钢加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒的大小对其冷却转变后的组织和性能有着重要的影响。一般来说，加热时得到的奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的力学性能就越好。若钢奥氏体化的温度过高或在高温下停留的时间过长，使钢的奥氏体晶粒粗大，将显著降低钢的冲击韧度并提高钢的脆性转折温度。此外，钢件的晶粒粗大，尤其是晶粒大小不均匀时，除显著降低钢的结构强度外，还容易在钢件内部引起应力集中，产生淬火变形甚至开裂。为了在热处理生产中有效地控制奥氏体晶粒大小，必须清楚奥氏体晶粒度的概念，了解影响奥氏体晶粒大小的各种因素以及奥氏体晶粒的控制方法。

(一)奥氏体晶粒度的概念

晶粒度是晶粒大小的量度。奥氏体的晶粒度是钢材及其热加工质量重要的评定指标之一。奥氏体晶粒级别数(G)是用与标准系列的晶粒评级图进行比较的方法来确定的。根据GB/T6394—2002规定，奥氏体晶粒大小通常分为00、0～10共12级。其中常用的是1～10级。G＜5级为粗晶粒，5～8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。晶粒度级别也可分为半级，如0．5、1．5、2．5级等。晶粒级数越高，钢材的性能越好。

(二)影响奥氏体晶粒长大的因素

钢在加热过程中，当其组织刚刚全部转变为奥氏体时，晶粒一般是非常细小的，但是随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒便会长大。奥氏体晶粒长大是通过晶界的迁移来实现的，而晶界迁移实质上就是原子在晶界附近的扩散。因此，凡是影响晶界原子扩散的因素都会影响奥氏体晶粒的长大。

1．加热温度和保温时间

钢的加热温度愈高，晶粒长大速度愈快，奥氏体晶粒愈容易粗化。延长保温时间也会引起晶粒长大，但其影响要小得多。所以，比较而言加热温度是影响奥氏体晶粒长大的主导因素，对此应严格控制。生产中要根据钢的临界点、工件尺寸大小以及装炉量确定合理的加热规程，防止过热，避免奥氏体晶粒粗化。

2．加热速度

加热温度相同时，加热速度愈快，过热度愈大，奥氏体的实际形成温度愈高，形核率就愈大，这将有利于最终得到细小的奥氏体晶粒。因此，实际生产中常采用快速加热、短时保温的工艺来细化晶粒，高频感应加热淬火就是利用这一原理细化奥氏体晶粒的实例。

3．钢的化学成分

在一定的碳含量范围内，随着奥氏体中碳含量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大。但当碳含量超过一定量后，若碳能以未溶碳化物的形式存在，则奥氏体晶粒长大将会受到第二相碳化物的阻碍，反而使晶粒长大倾向减小。例如，过共析钢在A_c1～A_ccm之间加热时，由于细粒状渗碳体的存在，可以得到细小的晶粒;而共析钢在相同的温度下加热时则得到较粗大的奥氏体晶粒。

用铝脱氧的钢或在钢中加入钒、钛、铌、锆等合金元素时，这些元素在钢中能形成高熔点的碳化物、氧化物或氮化物并以细小的质点分布在晶界上，能起到阻碍奥氏体晶粒长大的作用。而锰和磷则是能促进奥氏体晶粒长大的元素。

4．钢的原始组织

一般来说，钢的原始组织愈细密，碳化物弥散度愈高，加热后得到的奥氏体晶粒也愈细小。与粗片状珠光体相比，细珠光体加热后总是容易获得细小的奥氏体晶粒。在相同的加热条件下，与球状珠光体相比，片状珠光体加热时奥氏体晶粒易于粗化，这是因为片状珠光体中碳化物的表面积大，溶解快，奥氏体形成速度也快，奥氏体形成后即较早地进入晶粒长大阶段的缘故。

由以上分析可知，为控制奥氏体的晶粒度，可以通过合理选择加热温度和保温时间，或选用含有细化晶粒元素的优良钢种等措施。生产中采用的快速加热、短时保温的工艺，或者多次快速加热-冷却的方法都能够有效地细化奥氏体晶粒。