奥氏体晶粒的长大及其控制

奥氏体形成后,碳化物还没有全部溶解以前，奥氏体的晶粒就可能已经开始长大，而当碳化物完全溶解后随着奥氏体化温度的升高或保温时间的延长,这种晶粒长大现象就变得越来越明显。晶粒长大是一个自发进行的过程,因为晶粒越大,单位体积晶粒数就越少，即晶界面积越小，因而界面能或整个系统的自由能就越低。

1、研究奥氏体晶粒长大的必要性

   人们之所以研究奥氏体晶粒长大问题,是因为晶粒大小对钢的性能有很大影响。例如，钢的屈服强度与晶粒大小就遵循所谓的Hall-Petch 关系：

                      σ_s=σ_i+k_yd^-1/2

式中   d-----晶粒直径；

       σ_s ---屈服强度；

       σ_i ----抵抗位错在晶粒中运动的摩擦阻力；

       Ky---常数。

   而对于高温下使用的材料，比如高温合金，反而需要大晶粒或者单晶，因为晶界处的强度相对低，从而高温下蠕变严重，所以反而更快失效了。 同时不锈钢奥氏体中个别材料对晶粒也要求并不是越细越好，如304H、321H、316H等，要求是7级或更粗的晶粒。高温时的奥氏体晶粒越小，室温时的组织也越细小。此外，奥氏体的晶粒大小还会影响钢在冷却时的转变特点。可以说，在钢的加热过程中，对其性能影响最大的组织因素是奥氏体的晶粒大小，因此，对它进行深入的研究是十分必要的。

2、 奥氏体晶粒长大的特点

  冶炼时脱氧方法不同的钢,在加热过程中奥氏体晶粒长大有着不同的特点。用铝脱氧的钢，含有适当量和适当尺寸的AIN颗粒时，在一定温度以下晶粒不易长大，称为细晶粒钢。用硅脱氧的钢,不含有能抑制晶粒长大的第二相颗粒，晶粒随着温度的升高而逐渐长大,称为粗晶粒钢。所谓粗晶粒钢和细晶粒钢,只是表示奥氏体晶粒长大的倾向，至于钢的奥氏体晶粒的实际大小,主要取决于具体的加热规范。当加热温度很高时，细晶粒钢也可以获得粗大的奥氏体晶粒;反之,如果加热温度不高,粗晶粒钢也可以获得细小的奥氏体晶粒。

3、影响奥氏体晶粒长大的因数

  当奥氏体转变刚刚完成,即新形成的奥体晶粒全部互相接触时,奥氏体的晶粒是很细小又很不均匀的,先形核的晶粒长得较大;同时由于晶界弯曲,能量较高。因此，在随后的保温或加热过程中,晶粒会长大。晶粒长大的驱动力是晶界自由能(界面能),晶粒长大时,晶界朝着其曲率中心移动，结果使一些晶粒长大，另一些晶粒缩小直至消失。

影响奥氏体晶粒长大的因素主要有温度、时间、加热速率及第二相颗粒等。

有经验公式如下：

                      D=ktn

式中   D-----晶粒平均直径；

       t-----加热时间；

     k,n-----与材料和温度有关的常数。

  第二相颗粒在阻止晶界迁移方面也能起重要作用。如果存在足够数量的第二相颗粒，即使是一个很弯曲的晶界也很难移动。除了铝以外，还有一些元素可用来控制奥氏体晶粒度,像钛、钒、铌等过渡族金属都是强碳化物和氮化物形成元素，可以像铝那样在钢中形成弥散分布的颗粒来阻止奥氏体晶粒长大。