钢加热时奥氏体晶粒尺寸变大的原因与优化方法

钢加热到高于A₁温度，奥氏体在铁素体-碳化物边界形核。此时，奥氏体的形核率总是很高，初始形成的奥氏体晶粒很细。

进一步提高温度或在此温度下长期保持，奥氏体晶粒会长大，与整个系统减少自由能的热力学趋向相应的是减少晶粒的表面积。

晶粒长大的机制是大角边界的迁移，因此晶粒长大受控于原子通过大角边界的扩散通道。

在一定温度下形成的奥氏体晶粒尺寸冷却后当然不会变化。同一牌号的钢在不同冶炼条件下会有不同的晶粒长大倾向。钢的晶粒长大倾向分两种类型：本质细晶粒和本质粗晶粒钢。本质细晶粒钢加热到950～1000°C时晶粒长大不明显，但在更高温度下会剧烈长大（见图3-39中曲线2）。而本质粗晶粒钢则相反，在稍高于Ac₁温度，晶粒即迅速长大（见图3-39中曲线1）。

图3-39 钢的晶粒长大与加热温度关系

1—本质粗晶粒钢 2—本质细晶粒钢 a—原奥氏体晶粒 b—奥氏体初始晶粒 c，d—在正常工艺试验中得到的晶粒尺寸

钢的晶粒长大倾向从冶金学角度取决于钢的化学成分和脱氧条件。铝脱氧钢属本质细晶粒钢，钢中形成的AlN微粒阻碍奥氏体晶粒长大，但这些粒子被溶解（>1000～1050°C）后，晶粒会迅速长大。在过共析钢的Ac₁～Ac_cm温度区间，奥氏体晶粒的长大受制于未溶解的碳化物粒子。在亚共析钢中奥氏体在Ac₁～Ac₃温度区间的晶粒长大受铁素体的阻碍。

在亚共析钢中随碳含量增加，晶粒长大倾向增大。而在过共析钢中由于受残留渗碳体的阻碍，晶粒长大倾向反而减小（见图3-40）。

合金元素，尤其是碳化物形成元素（影响最大的是Ti、V、Zr、Nb、W和Mo）阻碍奥氏体晶粒长大，这是由于形成难溶于奥氏体的合金碳化物阻碍晶粒长大，影响最大的两种元素是Ti和V。Mn、P、S等元素溶入奥氏体后能加速铁原子扩散，促使奥氏体晶粒长大。

钢的原始组织和加热条件也会对奥氏体晶粒发生影响。片状珠光体的片间距越小，奥氏体形核率越大，起始晶粒越细。片状珠光体组织比球状组织形成的奥氏体起始晶粒粗。其原因是片状渗碳体表面形成具有同一取向的大量晶粒，在其长大时彼此容易结合成一个大的晶粒。加热温度明显高于临界温度时，晶粒逐步长大，原始组织的影响逐渐消失。

奥氏体晶粒尺寸随加热温度的升高或保温时间的延长而不断长大。在每一温度下均有一个晶粒加速长大的阶段，当达到一定尺寸后，长大趋向逐渐减弱（见图3-41）。加热速度越大，奥氏体在高温下停留时间越短，晶粒越细（见图3-42）。

图3-40 碳含量对奥氏体晶粒长大趋向的影响（在各温度保持3h）(www.xing528.com)

图3-41 w（C）=0.48%，w（Mn）=0.82%钢奥氏体晶粒尺寸与加热温度及保持时间的关系

图3-43所示为DIN Ck45钢以不同加热速度连续加热到各种奥氏体化温度时的晶粒度变化。

钢中的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。8级以上称为超细晶粒。晶粒度级别（N）与晶粒尺寸间的关系为

n=2N-1

或n′=2^N+3

式中 n——在金相显微镜下放大100倍时，每6.45cm²视野中包含的平均晶粒数；

n′——每1mm²试样面积中的平均晶粒数。

图3-42 45钢在不同加热温度下奥氏体晶粒尺寸与加热温度的关系

图3-43 DINCk45钢在不同加热速度下的奥氏体晶粒度