奥氏体晶粒的长大机理解析

当母相全部转变为新相后，往往晶粒细小、界面能高，若继续加热保温，则由于晶界迁移而发生晶粒粗化。钢中的奥氏体晶粒形成后，随着温度的升高，奥氏体晶粒将长大。

1.晶粒长大的驱动力

设有球形晶粒，如图11-5所示，其半径为R，晶界面积为4πR²，总界面能为4πR²γ。当晶界沿着球直径向球心移动时，界面将缩小，界面能将下降，则得

设作用于晶界的驱动力为F，界面4πR²在F作用下移动dR时，引起吉布斯自由能的变化为dG，则

式（11-2）表明：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γ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＝∞，则驱动力等于零。此式还说明，界面能越大，驱动力越大。如果界面处溶入降低界面能的合金元素，那么驱动力变小，则界面移动速度减小。例如，稀土元素固溶于奥氏体中时，多偏聚在晶界，降低奥氏体相对界面能，加入质量分数为0.5％的Ce可使奥氏体晶界能降低到不加Ce时的70％左右。

图11-5 球形晶粒示意图

2.晶粒长大

这里以简单的薄片试样的晶粒粗化为例，薄片厚度小于晶粒直径，且晶界垂直于薄片表面，则可视为二维晶粒。若所有晶粒均为六边形，每个晶粒均与六个晶粒相邻，晶界夹角均为120°，这时所有晶界均平直，F＝0。那么，晶界不能移动，晶粒稳定，不会长大，如图11-6所示。但是，实际上形核有先后，长大条件各异，晶粒大小必不相等，每个晶粒的边数也不一样，小晶粒的边界数可能小于6，大晶粒的边界数将大于6，即每个晶粒相邻的晶粒数不同。晶粒越大，边界数越多。图11-7所示为实际的二维晶粒图片。可见，晶粒大小不等，晶粒边数包括3、4、5、6、7。(www.xing528.com)

在三个晶界的交点处，为了保持界面张力平衡，即必须保持三个交角均为120°，晶界必将凸向大晶粒一方，即出现曲面晶界。那么将有驱动力F作用于晶界，促使晶界移动。如果没有大于F的阻力，那么晶界将向小晶粒推进。结果是大晶粒不断长大，小晶粒逐渐变小，直至消失，即大晶粒吃掉小晶粒，结果是晶粒粗化。

图11-6 二维晶粒示意图

图11-7 Fe-Cu合金α相的二维晶粒形态

近年来研究的高纯含铜钢，即高纯净的Fe-Cu合金在850℃加热固溶时，呈现单一的α相。由于晶界上没有任何障碍物作为晶界移动的阻力，因此晶界移动迅速，毫无阻力地吃掉其四周的小晶粒，出现异常长大现象。将其保温2h，形成混晶，如图11-8所示。从图中可见，在特大晶粒周围有许多小晶粒，这些小晶粒以较小的曲率半径凸出于大晶粒，大晶粒的晶界是凹入的。指向曲率中心的驱动力作用于晶界，曲率半径越小，驱动力越大，则小晶粒不断地迅速被吃掉，大晶粒成为特大晶粒。

另外，界面迁移是个原子的扩散过程，因此温度越高，扩散速度越快，晶界迁移速度在存在驱动力的情况下也将移动越快，一直到晶界趋于平直，驱动力变小。当驱动力不足以推动晶界移动时，则晶粒停止长大。

图11-8 Fe-Cu合金α相的混晶组织（OM）