奥氏体晶粒长大的原理及优化方法

因为晶界能量高，为了减少总的晶界面积，降低界面能，在一定温度条件下奥氏体晶粒会发生相互吞并而使晶粒长大的现象。所以，奥氏体晶粒长大在一定条件下是一个自发过程。奥氏体晶粒长大是通过晶界推移实现的，是晶粒长大动力和晶界推移阻力相互作用的结果。

1）晶粒长大动力

奥氏体晶粒的长大动力是由奥氏体晶粒大小的不均匀性产生的。理想状态的晶界如图13-12所示。晶粒呈六边形，晶界成直线，三条晶界相交于一点并且互成120°角，在二维平面上每个晶粒均有6个邻接晶粒。处于这种状态下的奥氏体晶粒不易长大。但实际上，奥氏体晶粒的大小是不均匀的。因此，直径小于平均晶粒直径的晶粒，其邻接晶粒数可能小于6；而直径大于平均晶粒直径的晶粒，其邻接晶粒数可能大于6。为了保持界面张力平衡，相交于一点的三条晶界应互成120°角。因此，在一定温度条件下，由于界面张力平衡作用，凡邻接晶粒数小于6的晶粒的晶界将弯曲成正曲率弧，使晶界面积增大，界面能升高。而为了减少晶界面积以降低界面能，晶界有由曲线（曲面）变成直线（平面）的自发趋势，因此，将导致该晶粒缩小，直至消失；而邻接晶粒数大于6的晶粒的晶界也因界面张力平衡而弯曲成负曲率弧，同样，为了减少界面面积，降低界面能，该晶粒将长大，从而吞并小晶粒。进一步提高加热温度或延长保温时间，大晶粒将继续长大。所以，奥氏体晶粒长大就是这种无数个小晶粒被吞并和大晶粒长大的综合结果。这种长大过程称为奥氏体的聚集再结晶。

图13-12　二维金属中晶粒的稳定形状

奥氏体晶粒的长大驱动力F与晶粒大小和界面能大小有关。半径为R的晶粒，晶界面积为4πR，总的界面能为4πRγ。晶界向曲率中心移动，界面面积减小，界面能降低。界面能随晶粒半径的变化为

式中，σ为单位面积晶界界面能（比界面能）；R为晶界曲率半径，若晶粒为球形时，R即为其半径。晶粒半径变化dR时，将引起界面能变化dG，驱动力F为

由式（13-11）可知，由界面能提供的作用于单位面积晶界的驱动力F与界面能σ成正比，而与界面曲率半径R成反比，力的方向指向曲率中心。当晶界平直时，R=∞，则驱动力为零。

界面能减小，驱动力则变小。界面处溶入降低界面能的合金元素，驱动力将变小，界面移动将减小。如在奥氏体中的固溶稀土元素多偏聚在晶界，就会降低奥氏体界面能，若加入0.5%Ce可使奥氏体晶界能降低到不加时的70%左右，能够细化晶粒。

2）晶界推移阻力

在实际材料中，在晶界或晶内往往存在很多细小难溶的第二相沉淀析出粒子。推移中的晶界如遇到第二相粒子时将发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能升高，因此这些第二相粒子将阻碍晶界迁移，起着钉扎晶界的作用。如图13-13所示，设晶粒A和晶粒B的晶界为一个与y轴平行而与x轴垂直的平面，沿x轴方向移动，与半径为r的第二相粒子相遇。当晶界迁移到y轴（即第二相粒子的直径平面位置）时，因第二相粒子的存在省去了部分晶界而使两晶粒的界面能达到最低。当晶界再向前移动时（如位置Ⅱ），晶界将逐渐脱离第二相粒子，晶界面积将逐渐增大，同时为了保持界面张力平衡，必须使与第二相粒子相交处的晶界与第二相粒子界面始终保持垂直，即角θ1=θ2，从而引起第二相粒子附近的晶界发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能升高。

图13-13　晶界移动时与第二相粒子的交互作用示意图

弥散析出的第二相粒子越细小，粒子附近晶界的弯曲曲率就越大，晶界面积的增大就越多，因此界面能的增大也就越多。显然，这个使系统自由能增加的过程是不可能自发进行的。所以，沉淀析出的第二相粒子的存在是晶界推移的阻力。推导过程如下：(www.xing528.com)

设晶界从Ⅰ位移到Ⅱ时，处于平衡态。此时，晶界移动的阻力大小应等于界面总张力在水平方向上的分力，及与σ'在水平上的分力平衡。第二相粒子与晶界接触的长度为2πrcosφ，总的线张力为2πrcosφσ'，在水平方向上的分力F分=2πrcosφσ'sinβ。已知β=90°+φ-α，所以

平衡时，阻力G=F分。可见F分是φ的函数：

取，计算得到

设在单位体积中有N个半径为r的微粒，其所占体积分数为f，可以证明颗粒的最大阻力为

当α=90°时，最大阻力为

可见，粒子半径越小，单位体积中体积分数越大，其对晶界推移的阻力就越大。

由上述可知，在有第二相粒子存在的情况下，奥氏体的长大过程要受到弥散析出的第二相粒子的阻碍作用。随奥氏体晶粒长大过程的进行，奥氏体总的晶界面积逐渐减小，晶粒长大动力逐渐降低，直至晶粒长大动力和第二相弥散析出粒子的阻力相平衡时奥氏体晶粒便停止长大。在一定温度下，奥氏体晶粒的平均极限半径RLim决定于第二相沉淀析出粒子的半径r及其单位体积中的数目f，即

由此可解释本质细晶粒钢在950℃以上加热时奥氏体晶粒突然长大的现象（见图13-11）。这是因为，在950℃以上，阻止晶粒长大的难溶第二相粒子发生聚合长大或溶解于奥氏体中，失去了抑制晶粒长大的作用，奥氏体晶粒便迅速长大。

另外，由于沉淀析出粒子的分布是不均匀的，所以晶粒长大的阻力亦是不均匀的，往往可能在局部区域晶界推移阻力很小，晶粒异常长大，出现晶粒大小极不均匀的现象，即所谓的“混晶”。由于混晶造成的晶粒大小不均匀，又导致晶粒长大驱动力的增大，当晶粒长大驱动力超过晶界推移阻力时，其中较大的晶粒将吞并周围较小的晶粒而长大，形成更为粗大的晶粒。

总之，奥氏体晶粒长大是一种自发过程，其主要表现为晶界的推移，高度弥散的难溶第二相粒子对晶粒长大起很大的抑制作用。为了获得细小的奥氏体晶粒，必须保证钢中含有足够数量和足够细小的难溶第二相粒子。