奧氏體晶粒的長大及其控制

奧氏體形成后,碳化物還沒有全部溶解以前，奧氏體的晶粒就可能已經(jīng)開始長大，而當(dāng)碳化物完全溶解后隨著奧氏體化溫度的升高或保溫時(shí)間的延長,這種晶粒長大現(xiàn)象就變得越來越明顯。晶粒長大是一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的過程,因?yàn)榫ЯＴ酱?單位體積晶粒數(shù)就越少，即晶界面積越小，因而界面能或整個(gè)系統(tǒng)的自由能就越低。

1、研究奧氏體晶粒長大的必要性

   人們之所以研究奧氏體晶粒長大問題,是因?yàn)榫Я４笮?duì)鋼的性能有很大影響。例如，鋼的屈服強(qiáng)度與晶粒大小就遵循所謂的Hall-Petch 關(guān)系：

                      σ_s=σ_i+k_yd^-1/2

式中   d-----晶粒直徑；

       σ_s ---屈服強(qiáng)度；

       σ_i ----抵抗位錯(cuò)在晶粒中運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力；

       Ky---常數(shù)。

   而對(duì)于高溫下使用的材料，比如高溫合金，反而需要大晶粒或者單晶，因?yàn)榫Ы缣幍膹?qiáng)度相對(duì)低，從而高溫下蠕變嚴(yán)重，所以反而更快失效了。 同時(shí)不銹鋼奧氏體中個(gè)別材料對(duì)晶粒也要求并不是越細(xì)越好，如304H、321H、316H等，要求是7級(jí)或更粗的晶粒。高溫時(shí)的奧氏體晶粒越小，室溫時(shí)的組織也越細(xì)小。此外，奧氏體的晶粒大小還會(huì)影響鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)。可以說，在鋼的加熱過程中，對(duì)其性能影響最大的組織因素是奧氏體的晶粒大小，因此，對(duì)它進(jìn)行深入的研究是十分必要的。

2、 奧氏體晶粒長大的特點(diǎn)

  冶煉時(shí)脫氧方法不同的鋼,在加熱過程中奧氏體晶粒長大有著不同的特點(diǎn)。用鋁脫氧的鋼，含有適當(dāng)量和適當(dāng)尺寸的AIN顆粒時(shí)，在一定溫度以下晶粒不易長大，稱為細(xì)晶粒鋼。用硅脫氧的鋼,不含有能抑制晶粒長大的第二相顆粒，晶粒隨著溫度的升高而逐漸長大,稱為粗晶粒鋼。所謂粗晶粒鋼和細(xì)晶粒鋼,只是表示奧氏體晶粒長大的傾向，至于鋼的奧氏體晶粒的實(shí)際大小,主要取決于具體的加熱規(guī)范。當(dāng)加熱溫度很高時(shí)，細(xì)晶粒鋼也可以獲得粗大的奧氏體晶粒;反之,如果加熱溫度不高,粗晶粒鋼也可以獲得細(xì)小的奧氏體晶粒。

3、影響奧氏體晶粒長大的因數(shù)

  當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成,即新形成的奧體晶粒全部互相接觸時(shí),奧氏體的晶粒是很細(xì)小又很不均勻的,先形核的晶粒長得較大;同時(shí)由于晶界彎曲,能量較高。因此，在隨后的保溫或加熱過程中,晶粒會(huì)長大。晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是晶界自由能(界面能),晶粒長大時(shí),晶界朝著其曲率中心移動(dòng)，結(jié)果使一些晶粒長大，另一些晶粒縮小直至消失。

影響奧氏體晶粒長大的因素主要有溫度、時(shí)間、加熱速率及第二相顆粒等。

有經(jīng)驗(yàn)公式如下：

                      D=ktn

式中   D-----晶粒平均直徑；

       t-----加熱時(shí)間；

     k,n-----與材料和溫度有關(guān)的常數(shù)。

  第二相顆粒在阻止晶界遷移方面也能起重要作用。如果存在足夠數(shù)量的第二相顆粒，即使是一個(gè)很彎曲的晶界也很難移動(dòng)。除了鋁以外，還有一些元素可用來控制奧氏體晶粒度,像鈦、釩、鈮等過渡族金屬都是強(qiáng)碳化物和氮化物形成元素，可以像鋁那樣在鋼中形成彌散分布的顆粒來阻止奧氏體晶粒長大。