奥氏体晶粒粒度如何显示

任务1　钢在加热时的转变

钢加热到A_c1以上时会发生珠光体向奥氏体的转变，加热到A_c3和A_ccm以上时，便会全部转变为奥氏体。热处理加热最主要的目的就是为了得到奥氏体，因此，这种加热转变的过程称为钢的奥氏体化。

一、奥氏体的形成过程

钢加热时奥氏体的形成遵循结晶过程的普遍规律，即通过奥氏体的形核和长大两个基本过程。以共析钢为例，奥氏体的形成过程如图5－3所示。

图5－3　奥氏体的形成过程

1．奥氏体晶核的形成

钢加热到A_c1以上时，珠光体会变得不稳定，经过一段孕育期，首先在铁素体与渗碳体的界面上形成奥氏体晶核。因为该界面原子排列混乱，处于不稳定状态，在结构和成分上为奥氏体形核提供了有利的条件。

2．奥氏体的长大

奥氏体形成以后，它一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。与渗碳体相接处碳的质量分数较高，而与铁素体相接处碳的质量分数则较低。在奥氏体中，发生碳原子不断地由渗碳体边界向铁素体边界的扩散，碳原子的扩散破坏了奥氏体形成时碳的质量分数的界面平衡，造成奥氏体与铁素体相接处碳的质量分数的增高，以及奥氏体与渗碳体相接处碳的质量分数的降低。为了恢复界面上碳的质量分数的平衡，势必促使铁素体向奥氏体转变及渗碳体的不断溶解。这样，经过碳的质量分数的破坏平衡和恢复平衡的反复循环，从而使得奥氏体逐渐向渗碳体和铁素体两个方向长大。

3．残余渗碳体的溶解

在奥氏体晶粒长大过程中，由于渗碳体的晶体结构和碳的质量分数与奥氏体之差远大于同体积的铁素体，所以铁素体向奥氏体的转变必然先于渗碳体。

当铁素体全部消失后，仍残存有一定量的渗碳体，它们只能在随后的保温过程中逐渐溶入奥氏体中，直至完全消失为止。

4．奥氏体成分的均匀化

当残余渗碳体全部溶解后，奥氏体的碳浓度仍然是不均匀的。在原来渗碳体处碳的质量分数较高，而在原来铁素体处碳的质量分数则较低。需继续延长保温时间并通过碳原子的扩散，使奥氏体中的碳的质量分数逐渐趋于均匀。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体的形成过程与共析钢基本相同，但其完全奥氏体化的过程则有所不同。亚共析钢加热到A_c1以上时，还存在自由铁素体，这部分铁素体只有继续加热到A_c3以上时，才能全部转变为奥氏体；过共析钢则只有加热到A_ccm以上时，才能获得单一的奥氏体组织。

二、奥氏体晶粒的长大及其控制

奥氏体晶粒的大小对于冷却后的转变及转变产物的性能有重要的影响。

1．奥氏体晶粒度

奥氏体晶粒度是指将钢加热到相变点（A_c3、A_c1或A_ccm）以上某一温度，并保温规定时间所得到的奥氏体晶粒大小。

钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒均匀而细小，冷却后奥氏体转变产物的组织也均匀细小，其强度较高，塑性、韧性较好，尤其对钢淬火、回火的韧性具有很大影响，因此，加热时总是力求获得均匀细小的奥氏体晶粒。

生产上一般采用与标准晶粒度等级比较法来测定奥氏体晶粒度的大小，如图5－4所示。晶粒度通常分为8级，1～4级为粗晶粒度；5～8级为细晶粒度；超过8级为超细晶粒度。

图5－4　标准晶粒度等级

原冶金部标准（YB／T6394—2002）中规定：钢在规定加热条件［加热温度为（930＋10）℃、保温3～8h］下，冷却后，测得的晶粒度为本质晶粒度。它表示钢在上述规定加热条件下奥氏体晶粒长大的倾向，但不表示晶粒的大小。生产中发现，不同牌号的钢，其奥氏体晶粒的长大倾向是不同的，如图5－5所示。奥氏体晶粒随加热温度升高会迅速长大的钢称为本质粗晶粒钢；而奥氏体晶粒需要加热到更高温度时才开始迅速长大的钢称为本质细晶粒钢。

图5－5　钢的奥氏体晶粒长大倾向示意图

钢的本质晶粒度在热处理生产中具有重要意义。在设计时，凡需经热处理或经焊接的零件一般尽量选用本质细晶粒钢，以减小过热倾向。

2．影响奥氏体晶粒度的因素

1）加热温度和保温时间

奥氏体刚形成时晶粒很细小，随着加热温度升高晶粒将逐渐长大。奥氏体晶粒长大伴随着晶界面积的减少，导致其能量降低。所以，在高温下，奥氏体晶粒长大是一个自发过程，温度越高，晶粒长大越明显。在一定温度下保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。

2）加热速度

当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。因此，快速高温加热和短时间保温，是生产中常用的一种细化晶粒的方法。

3）钢中的成分

奥氏体中碳的质量分数增高时，晶粒长大的倾向增大。碳以未溶碳化物的形式存在，起了阻碍晶粒长大的作用。钢中的大多数合金元素（除Mn以外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。其中能形成稳定的碳化物（如Cr、W、Mo、Ti、Nb等）和能生成氧化物、氮化物、有阻碍晶粒大小作用的元素（如适量的Al），其碳化物、氧化物、氮化物在晶界上的弥散分布，强烈阻碍了奥氏体晶粒长大，使晶粒保持细小。

因此，为了控制奥氏体的晶粒度，一般都会合理选择加热温度和保温时间，以及加入一定的合金元素等措施。