9.1.4_奧氏體晶粒長大及其控制.ppt

1、1,9.1.4 奧氏體晶粒長大 及其控制,1奧氏體晶粒度 2奧氏體晶粒長大原理 3影響奧氏體晶粒長大的因素,2,奧氏體化的目的是獲得成分均勻和一定晶粒大小的奧氏體組織。多數(shù)情況下希望獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，有時也需要得到較大的奧氏體晶粒。因此，為獲得所期望的奧氏體晶粒尺度，必須了解奧氏體晶粒的長大規(guī)律，掌握控制奧氏體晶粒度的方法。,3,Hall-Petch公式,奧氏體晶粒大小對鋼的力學(xué)性能的影響,4,1奧氏體晶粒度,可以用奧氏體晶粒直徑或單位面積中奧氏體晶粒數(shù)目來表示奧氏體晶粒大小。為了方便起見，實際生產(chǎn)上習(xí)慣用奧氏體晶粒度來表示奧氏體晶粒大小。,5,奧氏體晶粒度級別N與奧氏體晶粒大小的關(guān)系為,

2、式中，n為放大100倍視野中每平方英寸（6.45cm2）所含的平均奧氏體晶粒數(shù)目。 奧氏體晶粒愈細(xì)小，n就愈大，N也就愈大。 奧氏體晶粒度級別N通常分為8級標(biāo)準(zhǔn)評定，l級最粗，8級最細(xì)，超過8級以上者稱為超細(xì)晶粒。,6,表9.3 晶粒度級別對照表,7,起始晶粒度:珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體 的晶粒大小。 實際晶粒度:熱處理后所獲得的奧氏體 晶粒的大小。 本質(zhì)晶粒度:度量鋼本身晶粒在930 以下,隨溫度升高,晶粒長 大的程度。,奧氏體晶粒度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，在93010保溫足夠時間（38小時）后測得的奧氏體晶粒大小。此時，奧氏體晶粒度在58級者稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，而奧氏體晶粒度在14級者稱為本質(zhì)粗晶

3、粒鋼。,8,本質(zhì)晶粒度只是表示鋼在一定條件下奧氏體晶粒長大的傾向性，與實際晶粒度不盡相同。 例如，對于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，當(dāng)加熱溫度超過9501000時也可能得到十分粗大的實際晶粒。而對于本質(zhì)粗晶粒鋼，當(dāng)加熱溫度略高于臨界點時也可能得到比較細(xì)小的奧氏體晶粒。 但在一般情況下，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼熱處理后獲得的實際晶粒往往是細(xì)小的。,9,圖9.10 加熱溫度對奧氏體晶粒大小的影響,10,鋼的本質(zhì)晶粒度示意圖,11,單位面積內(nèi)的奧氏體晶粒數(shù)目n與I和G之間的關(guān)系可用下式表示：,式中，K為系數(shù)?？梢?，IG值愈大，n就愈大，即奧氏體晶粒就愈細(xì)小。 這說明增大形核率I或降低長大速度G是獲得細(xì)小奧氏體晶粒的重要途徑。,

4、12,2奧氏體晶粒長大原理,為了減少總的晶界面積，在一定溫度條件下奧氏體晶粒會發(fā)生相互吞并而使晶粒長大的現(xiàn)象。所以，奧氏體晶粒長大在一定條件下是一個自發(fā)過程。奧氏體晶粒是晶粒長大動力和晶界推移阻力相互作用的結(jié)果。,13,（1）晶粒長大動力,奧氏體晶粒的長大動力是奧氏體晶粒大小的不均勻性。 理想狀態(tài)的晶界如圖9.11所示。晶粒呈六邊形，晶界成直線，三條晶界相交于一點并且互成120o角，在二維平面上每個晶粒均有六個鄰接晶粒。處于這種狀態(tài)下的奧氏體晶粒不易長大。,14,實際上，奧氏體晶粒的大小是不均勻的。因此，直徑小于平均晶粒直徑的晶粒，其鄰接晶粒數(shù)可能小于6；而直徑大于平均晶粒直徑的晶粒，其鄰接晶

5、粒數(shù)可能大于6。 為了保持界面張力平衡，相交于一點的三條晶界應(yīng)互成120o角。,15,因此，在一定溫度條件下，由于界面張力平衡作用，凡鄰接晶粒數(shù)小于6的晶粒的晶界將彎曲成正曲率弧，使晶界面積增大，界面能升高。而為了減少晶界面積以降低界面能，晶界有由曲線（曲面）變成直線（平面）的自發(fā)趨勢，因此，將導(dǎo)致該晶?？s小，直至消失；而鄰接晶粒數(shù)大于6的晶粒的晶界也因界面張力平衡而彎曲成負(fù)曲率弧，同樣為了減少界面面積，降低界面能，該晶粒將長大，從而吞并小晶粒。,16,聚集再結(jié)晶,進(jìn)一步提高加熱溫度或延長保溫時間，大晶粒將繼續(xù)長大。所以，奧氏體晶粒長大就是這種無數(shù)個小晶粒被吞并和大晶粒長大的綜合結(jié)果。這種長大

6、過程稱為奧氏體的聚集再結(jié)晶。,17,奧氏體晶粒的長大驅(qū)動力F與晶粒大小和界面能大小有關(guān)，可用下式表示,式中，為單位面積晶界界面能（比界面能）；R為晶界曲率半徑，若晶粒為球形時R即為其半徑。 可見，若比界面能愈大，晶粒尺寸愈小，則奧氏體晶粒長大的驅(qū)動力F就愈大，即晶粒長大的傾向性就愈大，晶界愈容易遷移。,18,（2）晶界推移阻力,在實際材料中，在晶界或晶內(nèi)往往存在很多細(xì)小難溶的第二相沉淀析出粒子。推移中的晶界遇到第二相粒子時將發(fā)生彎曲（與第二相界面保持垂直,界面力平衡），導(dǎo)致晶界面積增大，界面能升高，因此這些第二相粒子將阻礙晶界遷移，起著釘扎晶界的作用。如圖9.12所示。,圖9.12 晶界移動時

7、與第二相粒子的交互作用示意圖,19,在第二相粒子附近的晶界發(fā)生彎曲，導(dǎo)致晶界面積增大，界面能升高。彌散析出的第二相粒子愈細(xì)小，粒子附近晶界的彎曲曲率就愈大，晶界面積的增大就愈多，因此界面能的增大也就愈多。這個使系統(tǒng)自由能增加的過程是不可能自發(fā)進(jìn)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。,20,第二相粒子對晶界推移的最大阻力Fm與粒子半徑r及單位體積中粒子的數(shù)目f之間有如下關(guān)系：,可見，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ拥捏w積百分?jǐn)?shù)一定時，粒子尺寸愈小，單位體積中粒子數(shù)目愈多（即分散度愈大），則其對晶界推移的阻力就愈大。,21,由上述可知，在有第二相粒子存在的情況下，奧氏體的長大過程要受到彌散析出的第二

8、相粒子的阻礙作用。隨奧氏體晶粒長大過程的進(jìn)行，奧氏體總的晶界面積逐漸減小，晶粒長大動力逐漸降低，直至晶粒長大動力和第二相彌散析出粒子的阻力相平衡時奧氏體晶粒便停止長大。,22,在一定溫度下，奧氏體晶粒的平均極限半徑RLim取決于第二相沉淀析出粒子的半徑r及其單位體積中的數(shù)目f，即,當(dāng)溫度過高時，阻止晶粒長大的難溶第二相粒子發(fā)生聚合長大或溶解于奧氏體中，失去了抑制晶粒長大的作用，奧氏體晶粒便迅速長大。,23,由于沉淀析出粒子的分布是不均勻的，所以晶粒長大的阻力亦是不均勻的，往往可能在局部區(qū)域晶界推移阻力很小，晶粒異常長大，出現(xiàn)晶粒大小極不均勻的現(xiàn)象，即所謂的“混晶”。由于混晶造成的晶粒大小不均勻

9、，又導(dǎo)致晶粒長大驅(qū)動力的增大，當(dāng)晶粒長大驅(qū)動力超過晶界推移阻力時，其中較大的晶粒將吞并周圍較小的晶粒而長大，形成更為粗大的晶粒。,24,總之，奧氏體晶粒長大是一種自發(fā)過程，其主要表現(xiàn)為晶界的推移，高度彌散的難溶第二相粒子對晶粒長大起很大的抑制作用。為了獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，必須保證鋼中含有足夠數(shù)量和足夠細(xì)小的難溶第二相粒子。,25,3影響奧氏體晶粒長大的因素,形核率I與長大速度G之比值I/G愈大，奧氏體的起始晶粒就愈細(xì)小。在起始晶粒形成之后，實際晶粒度則取決于奧氏體晶粒在繼續(xù)保溫或升溫過程中的長大傾向。而起始晶粒愈細(xì)小，大小愈不均勻，界面能愈高，則奧氏體晶粒長大的傾向就愈大。晶粒長大主要表現(xiàn)為

10、晶界遷移，實質(zhì)上是原子在晶界附近的擴(kuò)散過程，它將受到諸多因素的影響。,26,（1）加熱溫度和保溫時間的影響,加熱溫度愈高，保溫時間愈長，奧氏體晶粒將愈粗大，如圖9.13所示。由圖中可見，在每個溫度下都有一個加速長大期，當(dāng)奧氏體晶粒長到一定尺寸后，長大過程將減慢直至停止長大。加熱溫度愈高，奧氏體晶粒長大進(jìn)行得就愈快。,保溫時間,27,奧氏體晶粒長大速度u與晶界遷移速率及晶粒長大驅(qū)動力成正比，即,式中，K為常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度；Qm為晶界移動激活能或原子擴(kuò)散跨越晶界激活能，為比界面能，D 為奧氏體晶粒直徑。,（9.10）,28,可見，隨著加熱溫度升高，晶粒長大速度u呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系迅速增

11、大。同時，晶粒愈細(xì)小，界面能愈高，晶粒長大速度u就愈大。但當(dāng)晶粒長大到一定程度后，由于D增大（奧氏體晶粒直徑），晶粒長大速度將減慢，這與圖9.13的結(jié)果一致。,29,（2）加熱速度的影響,加熱速度愈大，過熱度就愈大，即奧氏體實際形成溫度就愈高，奧氏體的形核率與長大速度之比值I/G增大（表9.1），所以快速加熱時可以獲得細(xì)小的奧氏體起始晶粒。而且，加熱速度愈快，奧氏體起始晶粒就愈細(xì)小。,30,表9.1 奧氏體的形核率I、長大速度G與溫度的關(guān)系,31,但由于起始晶粒細(xì)小，加之溫度較高，奧氏體晶粒很容易長大，因此不宜長時間保溫，否則晶粒反而更加粗大。所以，在保證奧氏體成分均勻的前提下，快速加熱并短時

12、保溫能獲得細(xì)小的奧氏體晶粒。,懸掛式熱處理生產(chǎn)線,32,（3）鋼中碳含量的影響,在鋼中碳含量不足以形成過剩碳化物的情況下，加熱時奧氏體晶粒隨鋼中碳含量增加而增大。這是因為，鋼中碳含量增加時，C原子在奧氏體中的擴(kuò)散速度及Fe原子的自擴(kuò)散速度均增大，故奧氏體晶粒長大的傾向增大。,33,但是，當(dāng)碳含量超過一定限度時，由于形成未溶解的二次滲碳體，反而阻礙奧氏體晶粒的長大。 在這種情況下，隨鋼中碳含量的增加，二次滲碳體的數(shù)量增加，奧氏體晶粒反而細(xì)化。 通常，過共析鋼在AclAccm之間加熱時可以保持較為細(xì)小的晶粒，而在相同加熱溫度下，共析鋼的晶粒長大傾向（即過熱敏感度）最大，這是因為共析鋼的加熱組織中不

13、含有過剩碳化物。,34,（4）合金元素的影響,鋼中加入適量形成難溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、Al、Ta等，將強烈地阻礙奧氏體晶粒長大，使奧氏體晶粒粗化溫度顯著升高。上述合金元素在鋼中形成熔點高、穩(wěn)定性強、不易聚集長大的NbC、NbN、Nb(C,N)、TiC等化合物，它們彌散分布于奧氏體基體中，阻礙晶粒長大，從而保持細(xì)小的奧氏體晶粒。,35,形成易溶化合物的合金元素如W、Mo、Cr等也阻礙奧氏體晶粒的長大，但其影響程度為中等。 不形成化合物的合金元素如Si和Ni對奧氏體晶粒長大的影響很小，Cu和Co幾乎沒有影響。 Mn、P、O和含量在一定限度以下的C可增大奧氏體晶粒長大的傾向。,36,（5）冶煉方法的影響,用Al脫氧的鋼，奧氏體晶粒長大傾向較小，屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。Al細(xì)化奧氏體晶粒的主要原因是鋼中形成