奧氏體晶粒的長大及其控制
2023-08-30
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開始長大，而當碳化物完全溶解后隨著奧氏體化溫度的升高或保溫時間的延長,這種晶粒長大現象就變得越來越明顯。晶粒長大是一個自發進行的過程,因為晶粒越大,單位體積晶粒數就越少，即晶界面積越小，因而界面能或整個系統的自由能就越低。
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,是因為晶粒大小對鋼的性能有很大影響。例如，鋼的屈服強度與晶粒大小就遵循所謂的Hall-Petch 關系：
σs=σi+kyd-1/2
式中 d-----晶粒直徑；
σs ---屈服強度；
σi ----抵抗位錯在晶粒中運動的摩擦阻力；
Ky---常數。
而對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，因為晶界處的強度相對低，從而高溫下蠕變嚴重，所以反而更快失效了。 同時不銹鋼奧氏體中個別材料對晶粒也要求并不是越細越好，如304H、321H、316H等，要求是7級或更粗的晶粒。高溫時的奧氏體晶粒越小，室溫時的組織也越細小。此外，奧氏體的晶粒大小還會影響鋼在冷卻時的轉變特點。可以說，在鋼的加熱過程中，對其性能影響最大的組織因素是奧氏體的晶粒大小，因此，對它進行深入的研究是十分必要的。
2、 奧氏體晶粒長大的特點
冶煉時脫氧方法不同的鋼,在加熱過程中奧氏體晶粒長大有著不同的特點。用鋁脫氧的鋼，含有適當量和適當尺寸的AIN顆粒時，在一定溫度以下晶粒不易長大，稱為細晶粒鋼。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際大小,主要取決于具體的加熱規范。當加熱溫度很高時，細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小的奧氏體晶粒。
3、影響奧氏體晶粒長大的因數
當奧氏體轉變剛剛完成,即新形成的奧體晶粒全部互相接觸時,奧氏體的晶粒是很細小又很不均勻的,先形核的晶粒長得較大;同時由于晶界彎曲,能量較高。因此，在隨后的保溫或加熱過程中,晶粒會長大。晶粒長大的驅動力是晶界自由能(界面能),晶粒長大時,晶界朝著其曲率中心移動，結果使一些晶粒長大，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、時間、加熱速率及第二相顆粒等。
有經驗公式如下：
D=ktn
式中 D-----晶粒平均直徑；
t-----加熱時間；
k,n-----與材料和溫度有關的常數。
第二相顆粒在阻止晶界遷移方面也能起重要作用。如果存在足夠數量的第二相顆粒，即使是一個很彎曲的晶界也很難移動。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。