奥氏体晶粒大小及控制因素

钢加热时形成的奥氏体晶粒大小对冷却后转变产物的组织和性能均有重要影响。例如，奥氏体晶粒越细，冷却转变产物的组织越细小，其强度和韧性也较好。一般情况下，奥氏体的晶粒度每细化一级，其转变产物的冲击韧度aK值就提高2～4J/cm2。因此，需要了解奥氏体晶粒的长大规律，以便在生产中控制晶粒大小，获得所需性能。

晶粒大小有两种表示方法：一种是用晶粒尺寸表示，如晶粒截面的平均直径、平均面积或单位面积内的晶粒数目等；另一种是用晶粒度级别来表示，按原冶金工业部标准规定，晶粒度分为8级，其中1级最粗，8级最细。晶粒度的级别与晶粒大小的关系为n＝2N-1，式中n为放大100倍进行金相观察时，每平方英寸（6.45cm2）视野中所含晶粒的平均数目；N为晶粒度的级别数。可见，晶粒度的级别数越高，晶粒就越多、越细。一般把晶粒度为1～4级的晶粒称为粗晶粒，把5～8级的晶粒称为细晶粒，如图5.4所示。

图5.4　标准晶粒度等级示意图

根据奥氏体的形成过程及长大倾向，奥氏体的晶粒度可以用起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度等来描述。

1.起始晶粒度

钢加热时，把珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时的奥氏体晶粒大小叫作“起始晶粒度”。起始晶粒一般较细小，若温度提高或时间延长，则晶粒会长大。

2.实际晶粒度

通常将在某一具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为“实际晶粒度”，即实际晶粒度为在具体的加热条件下加热时所得到的奥氏体的实际晶粒大小，它直接影响钢在冷却以后的性能。(www.xing528.com)

3.本质晶粒度

本质晶粒度是用来表示钢加热时奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度。钢的本质晶粒度取决于钢的成分和冶炼条件。对成分不同的钢进行加热，加热时有的奥氏体晶粒很容易长大，而有的钢晶粒则不容易长大，这说明不同钢的晶粒长大倾向是不同的。把奥氏体晶粒容易长大的钢称为本质粗晶粒钢；反之，称为本质细晶粒钢。

本质晶粒度是根据标准GB/T6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》测定的，即将试样加热到（860±10）℃，保温1h，冷却后测定奥氏体晶粒大小。通常是在放大100倍的情况下，与标准晶粒度等级图（见图5.4）进行比较评级。晶粒度为1～4级的定为本质粗晶粒钢，晶粒度为5～8级的定为本质细晶粒钢。奥氏体晶粒的长大是奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒的长大。

①加热温度越高，保温时间足够长，奥氏体晶粒也就越容易自发长大粗化。当加热温度确定后，加热速度越快，相变时过热度越大，相变驱动力也就越大；形核率提高，晶粒越细，所以快速加热，短时保温是实际生产中细化晶粒的手段之一。加热温度一定时，随保温时间延长，晶粒也会不断长大。但当保温时间足够长后，奥氏体晶粒就几乎不再长大而趋于相对稳定。若加热时间很短，即使在较高的加热温度下也能得到细小晶粒。

对同一种钢而言，当奥氏体晶粒细小时，冷却后的组织也细小，其强度较高，塑性、韧性较好；当奥氏体晶粒粗大时，在同样冷却条件下，冷却后的组织也粗大。粗大的晶粒会导致钢的力学性能下降，甚至在淬火时形成裂纹。所以，凡是重要的工件，如高速切削刀具等，淬火时都要对奥氏体晶粒度进行金相评级，以保证淬火后有足够的强度和韧性。可见，加热时如何获得细小的奥氏体晶粒常常成为保证热处理性能的关键问题之一。

②在一定范围内，随着钢的碳含量增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是当钢的碳含量超过某一限度时，奥氏体晶粒反而变得细小。这是因为随着碳含量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故增大了奥氏体晶粒长大的倾向性。但是，当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着碳含量的增加，二次渗碳体数量增多，渗碳体可以阻碍奥氏体晶界的移动，故奥氏体晶粒反而变得细小。

③钢中形成难熔化合物的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，可阻碍晶粒长大。因为这些元素能形成碳、氮化合物并分布在晶界上，阻碍晶界的迁移，因此也就阻碍了奥氏体晶粒长大；非碳化物形成元素有的阻碍晶粒长大，如Cu、Si、Ni等，有的促进晶粒长大，如P、Mn。

④一般来说，钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，奥氏体的起始晶粒也就越细小。实际生产中因加热温度不当，使奥氏体晶粒长大粗化的现象叫“过热”，过热后将使钢的性能恶化。因此，控制奥氏体晶粒大小是热处理和热加工制订加热温度时必须考虑的重要问题。