影响奥氏体晶粒大小的因素及细化方法

如前所述，形核率I与长大速度G之比值I/G越大，奥氏体的起始晶粒就越细小。在起始晶粒形成之后，实际晶粒度则取决于奥氏体晶粒在继续保温或升温过程中的长大倾向。而起始晶粒越细小，大小越不均匀，界面能越高，则奥氏体晶粒长大的倾向就越大。晶粒长大主要表现为晶界迁移，实质上是原子在晶界附近的扩散过程，它将受到诸多因素的影响。

1.加热温度和保温时间的影响

加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒将越粗大，如图13-14所示。由图中可见，在每个温度下都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长到一定尺寸后，长大过程将减慢直至停止。加热温度越高，奥氏体晶粒长大进行得就越快。

奥氏体晶粒长大速度u与晶界迁移速率及晶粒长大驱动力成正比，即

式中，K为常数；R为气体常数；T为绝对温度；Qm为晶界移动激活能或原子扩散跨越晶界激活能；σ为比界面能；D为奥氏体晶粒直径。可见，随着加热温度升高，晶粒长大速度u呈指数函数关系迅速增大。同时，晶粒越细小，界面能越高，晶粒长大速度u就越大。但当晶粒长大到一定程度后，由于D增大，晶粒长大速度将减慢，这与图13-14的结果一致。

2.加热速度的影响

加热速度越大，过热度就越大，即奥氏体实际形成温度就越高。由于随着形成温度升高，奥氏体的形核率与长大速度之比值I/G增大（见表13-1），所以快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒。而且，加热速度越快，奥氏体起始晶粒就越细小。但由于起始晶粒细小，加之温度较高，奥氏体晶粒很容易长大，因此不宜长时间保温，否则晶粒反而更加粗大。所以，在保证奥氏体成分均匀的前提下，快速加热并短时保温能获得细小的奥氏体晶粒。

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图13-14　奥氏体晶粒大小与加热温度和保温时间的关系

3.钢中碳含量的影响

在钢中碳含量不足以形成过剩碳化物的情况下，加热时奥氏体晶粒随钢中碳含量增加而增大。这是因为，钢中碳含量增加时，碳原子在奥氏体中的扩散速度及铁原子的自扩散速度均增大，故奥氏体晶粒长大的倾向增大。但是，当碳含量超过一定限度时，由于形成未溶解的二次渗碳体，反而阻碍奥氏体晶粒的长大。在这种情况下，随钢中碳含量的增加，二次渗碳体的数量增加，奥氏体晶粒反而细化。通常，过共析钢在Ac1～Accm加热时可以保持较为细小的晶粒，而在相同加热温度下，共析钢的晶粒长大倾向（即过热敏感度）最大，这是因为共析钢的加热组织中不含有过剩碳化物。

4.合金元素的影响

钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、Al、Ta等，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。上述合金元素在钢中形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的NbC、NbN、Nb（C，N）、TiC等化合物，它们弥散分布于奥氏体基体中，阻碍晶粒长大，从而保持细小的奥氏体晶粒。形成易溶化合物的合金元素如W、Mo、Cr等也阻碍奥氏体晶粒的长大，但其影响程度为中等。不形成化合物的合金元素如Si和Ni对奥氏体晶粒长大的影响很小，Cu和Co几乎没有影响。而Mn、P、O和含量在一定限度以下的C可增大奥氏体晶粒长大的倾向。当几种合金元素同时加入时，其相互影响十分复杂。

5.冶炼方法的影响

钢的冶炼方法也影响奥氏体晶粒长大的倾向。用Al脱氧的钢，奥氏体晶粒长大倾向较小，属于本质细晶粒钢。Al细化奥氏体晶粒的主要原因是钢中形成大量难溶的六方点阵结构的AlN，它们弥散析出，阻碍奥氏体晶粒长大。但当钢中残余Al（固溶Al）含量超过一定限度时反而会引起奥氏体晶粒粗化。用Si、Mn脱氧的钢，因为不形成弥散析出的高熔点第二相粒子，没有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，所以奥氏体晶粒长大倾向较大，属于本质粗晶粒钢。

6.原始组织的影响

原始组织主要影响奥氏体起始晶粒度。一般来说，原始组织越细，碳化物弥散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小。