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奥氏体晶粒度及其控制

发布时间:2018-02-10   来源:易紧通整理  

  由金属学知识可知,金属材料的晶粒大小时其性能的影响很大。实践证明,材料的屈服强度σs与其晶粒平均直径d之间符合Hall-Petch关系,即


  式中σo,K——两个与材料有关的常数。

  显然,晶粒直径越小,屈服强度越高。同时,细小的晶粒还可以提高材料的塑性和韧性,对奥氏体组织来说,晶粒的大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能会产生重要的影响。因此需要了解奥氏体晶粒度的概念以及影响奥氏体晶粒度的因素。

  奥氏体晶粒度的概念

  奥氏体晶粒度是奥氏体晶粒大小的度量。通常用单位面积或单位体积内的晶粒数来表示奥氏体晶粒的大小,还有一种常见的方法是用奥氏体晶粒的平均直径来表示。

  1.奥氏体起始晶粒度

  在加热转变过程,奥氏体转变刚刚完成,即奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为奥氏体起始晶粒度,一-般对应于加热终了时,即开始保温时的奥氏体晶粒度。在正常的热处理条件下,起始晶粒度总是比较细小、均匀的。起始晶粒大小取决于形核率和长大速度。

  2.奥氏体实际晶粒度

  通常将钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小称为奥氏体实际晶粒度。在奥氏体起始晶粒形成之后,随着温度的进一步升高和保温时间的延长,奥氏体晶粒将不断长大,当晶粒长大到开始冷却时,称为实际晶粒,它的尺寸大小就是所谓的实际晶粒度。奥氏体实际晶粒度取决于具体的热处理条件,同时还和钢自身的奥氏体晶粒长大能力有关。

  奥氏体晶粒长大

  在奥氏体形成过程中,随着加热温度的升高和保温时间的延长,奥氏体的晶粒尺寸会不断增加,体现出晶粒长大的特性。在实际生产中,奥氏体晶粒长大有两种类型,第一种是在保温时间一定时,随着温度的升高,晶粒尺寸均匀连续地增加,称为正常长大,见图2-16曲线1;第二种是在保温时间一定时,随着温度的升高,奥氏体晶粒长大并不明显,当温度超过某一临界值时,奥氏体的晶粒尺寸迅速增加,称为异常长大,见图2-16曲线2。

  奥氏体晶粒长大是通过奥氏休晶界的迁移实现的,而晶界迁移过程则伴随着大量原子的扩散过程。随着晶粒尺寸的增加,晶界的总面积会减小,界面能随之降低。由热力学原理可知,晶粒长大过程是一个界面能下降的过程,在一定的温度条件下,这一过程可以自发进行。关于异常长大现象,一般认为,在用Al脱O或含有Nb、Ti、V等元素的钢中,在晶界上存在这些元素的碳化物、氮化物粒子,这些粒子使奥氏体晶界面积减小。当晶界发生迁移时,这些粒子与奥氏体晶界脱离,使奥氏体晶界面积增加,从而使界面能上升,相当于粒子对晶界有钉扎作用,当温度升高到一定值之后,第二相粒子溶解进入奥氏体,这种钉扎作用随之消失,奥氏体晶界迁移的阻力迅速减小,因此晶粒尺寸表现出突然长大的特性。从上面的分析可以看出,当钢中含有A1、Nb.Ti、V等元素时,在一定温度范围内,奥氏体晶粒具有较小的长大倾向。

  影响奥氏体晶粒长大的因素

  在前面已经介绍了影响奥氏体形成速度的因素,这里将介绍影响奥氏体晶粒长大的因素,两者之间有一定的联系,但讨论问题的重点各不相同。

  由前述可知,奥氏体晶粒长大是通过原于的扩散实现的,长大的动力是界面能的降低。因此,凡是能影响原子扩散以及影响界面能的因素都能影响奥氏体晶粒的长大过程,慨括起来主要有以下几种因素。

  l.加热温度和保温时间

  温度是影响扩散过程最主要的因素之一,因此加热温度对奥氏体晶粒长大过程的影响最为显著,温度越高,晶粒长大速度则越快,奥氏体的最终晶粒尺寸则越大,见图2-16。因此,为了获得细小的奥氏体晶粒,必须控制加热温度在一个适当的范围内。一般都是将钢加热到相变点以上某一温度,这部分内容将在后面的热处理工艺部分进行详细介绍。

图2-16 奥氏体晶粒尺寸与加热温度的关系

  当加热温度保持不变时,随着保温时间的延长,奥氏体晶粒也会长大。在每一个温度下,都有一个加速长大过程,当奥氏体晶粒尺寸达到一定尺寸后,长大过程将逐渐减弱并最终停止下来。因此,延长保温时间对奥氏体晶粒长大的影响较提高加热温度要小得多。一般保温时间的确定主要是考虑到工件透烧的需要。

  综上可见,为了获得一定尺寸的奥氏体晶粒,必须同时控制加热温度和保温时间。

  2.加热速度

  通过试验测定了加热速度对奥氏体晶粒尺寸的影响见图2-17。由图示可知,加热速度 越快,奥氏体起始晶粒越细小。这主要是因为加热速度越快,奥氏体转变时的过热度越大,奥氏体的形核率越高,所以起始晶粒越细小。此外,由于加热速度快,在高温下停留时间短,奥氏体晶粒来不及长大,也是奥氏体晶粒细小的原因之一。如果在高温下长时间保温,则会引起奥氏体晶粒粗化,在生产中应该引起注意。

图2-17 奥氏体晶粒尺寸与加热速度的关系

  3.钢的化学成分

  (1)含碳量的影响。

  在一定的含碳量范围内,随着含碳量的增加,奥氏体晶粒尺寸增大。这主要是因为随着含碳量的增加,碳原子在奥氏体中的扩散速度以及铁原子的自扩散速度均增加,所以增大了奥氏体晶粒的长大倾向。但是,当含碳量越过某一限度时,随着含碳量的增加,奥氏体晶粒尺寸会减小,说明奥氏体长大倾向减小。这是由于含碳量超过一定限度后,在钢中形成了二次渗碳体,这种组织对奥氏体晶界的迁移具有阻碍作用,限制了奥氏体晶粒的长大。随着含碳量的增加,二次渗碳体的数量增加,阻碍作用增强,所以奥氏体晶粒尺寸反而碱小。

  (2)合金元素的影响。

  合金元索对奥氏体晶粒尺寸的影响比较复杂,如果单独分析不同合金元素的影响规律,则大致有如下几种:一是合金元素加入钢中以后能形成难熔化合物,如Ti,zr、V、Al、Nb等,这些元素是强碳、氧化合物形成元素,加入钢后可以形成高熔点、高稳定性、不易聚集长大的TiC、ZrC、VC、AlN、NbC、NbN等化合物,这些化合物弥散分布,强烈阻碍奥氏体晶粒的长大;二是能形成易熔碳化物的元素,如W、Mo、Cr等,也能阻碍奥氏体晶粒的长大,但是效果不如Ti、Zr、V、Al、Nb等明显;三是非碳化物形成元素,如Ni、Si、Cu等,Ni,Si对奥氏体晶粒长大的影响很小,而Cu几乎没有作用;四是可以促进奥氏体晶粒长大的元素,如N、P、O、Mn等元素在一定的含量限度以下时可增大奥氏体晶粒的长大倾向。

  需要注意的是,上述的影响规律是各个元素单独存在于钢中的情况,实际上一般情况下钢中会同时存在几种元素,这时,不能简单地把上述影响规律叠加,而应该综合分析几种元素的影响。随着元素种类的增加,影响规律将变得复杂,关于这方面的规律有待于进一步的研究。

  4.钢的原始组织

  钢的原始组织主要影响奥氏体的起始晶粒度,影响机理如前所述。一般来说原始组织越细小,奥氏体起始晶粒越细小,有利于细化奥氏体组织。

        奥氏体晶粒大小的控制

  通过上面的分析,不难得出控制奥氏体晶粒大小的方法,概括起来主要有下面几种方法:

  (1)在炼钢时利用Al脱O,AI进入钢与N形成AlN质点,可以细化奥氏体晶粒,最终得到细晶粒钢。

  (2)向钢中加人能形成难熔碳化物的合金元素Ti、zr、V、Nb等,形成强碳化物、氮化物等化合物,从而细化奥氏体晶粒。

  (3)采用快速加热、短时保温的办法来获得细小晶粒,如生产中广泛采用的高频淬火工艺就是利用这一原理实现的。

  (4)控制钢的热加工工艺和预备热处理工艺,使钢的原始组织细化,最终细化奥氏体晶粒。
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