奥氏体晶粒度测定

《奥氏体晶粒度测定》由会员分享，可在线阅读，更多相关《奥氏体晶粒度测定（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、实验 钢的奥氏体晶粒度的测定在钢铁等多晶体金属中，晶粒的大小用晶粒度来衡量，其数值可由下式求出： 12Nn式中：n显微镜放大 100 倍时，6.45cm 2 (1in2) 面积内晶粒的个数。N晶粒度奥氏体晶粒的大小称奥氏体晶粒度。钢中奥氏体晶粒度，一般分为 18 等 8 个等级。其中1 级晶粒度晶粒最粗大，8 级最细小（参看 YB2764） 。奥氏体晶粒的大小对以后冷却过程中所发生的转变以及转变所得的组织与性能都有极大的影响。因此，研究奥氏体晶粒度的测定及其变化规律在科学研究及工业生产中都有着重要的意义。一、奥氏体晶粒度的一般概念奥氏体晶粒按其形成条件不同，通常可分为起始晶粒、实际晶粒与本质晶

2、粒三种，它们的大小分别以起始晶粒度，实际晶粒度与本质晶粒度等表示。1、起始晶粒度在临界温度以上，奥氏体形成刚刚结束时的晶粒尺寸，称起始晶粒度。起始晶粒度决定于奥氏体转变的形核率（n）及线生长速度（c） 。每一平方毫米面积内奥氏体晶粒的数目N 与 n 及 c 的关系为 N由上式可知，若 n 大而 c 小，则起始晶粒就细小。若 n 小而 c 大则起始晶粒就粗大。在一般情况下 n 及 c 的数值决定于原始组织的形态和弥散程度以及加热时的加热速度等因素。由于在珠光体中存在着大量奥氏体形核部位，n 极大。故奥氏体的起始晶粒总是比较细小的。如果加热速度快，则转变被推向高温，奥氏体起始晶粒将更加细化。这是因

3、为，随着加热速度的增大和转变温度的升高，虽然形核 n 和 c 都增大，但 n 比 c 增加的幅度更大。表 16 示出钢在加热时，奥氏体的 n 与 c 数值与加热温度的关系，由表 16 中的数据可知。相变温度从 740提高到 800时 n 增大 280 倍而 c 仅增加 40 倍。表 16 奥氏体形核（n）和线生长速度（c）与温度的关系温 度 740 750 760 780 800形核率（n） （个/毫米 3秒） 2280 11000 51500 61600线生长速度（c ） （毫米/秒） 0.001 0.004 0.01 0.026 0.041应当指出，奥氏体起始晶粒随加热速度的增大而细化的现

4、象，只是在加热速度不太大时比较明显。当加热速度很大时起始晶粒不再随之细化（见表 17）表 17 加热速度对起始奥氏体晶粒大小的影响加热方法 加热速度/秒 加热温度（淬火后铁 素体消失的温度） 起始奥氏体晶粒的 平均面积 m 20.03 825 602 825 40炉内加热8 830 30200 870 28感应加热1 000 9 00 29这可能是由于在快速加热时，转变被推向高温(大于 800)，奥氏体的核不仅可以在铁素体与渗碳体的交界面上形成，而且可以在铁素体晶粒内嵌镶块的边界上形成。铁素体的含碳量虽然很低，但铁素内碳的分布是不均匀的，碳原子大都集中在嵌镶块边界。实验测定嵌镶块边界上的碳浓度

5、或达 0.20.3% 。由 FeFe3C 状态图可知，这样的地区，对应的奥氏体形成温度为 800840（实验证明嵌镶块边界的厚度亦远大于该温度下临界晶核的尺寸） 。因此，只要加热速度足以把转变温度提高到上述范围，则奥氏体的核除了在铁素体与渗碳体的分界面上形成外，还将在铁素体嵌镶块边界上大量形成，增加了形核率，因而使奥氏体晶粒进一步细化。但是，当加热速度继续增大，使转变温度超过 840，因不能继续出现新的形核部位，奥氏体晶粒也将不能继续细化。上述关于加热速度的影响，是限制在常用的普通加热速度范围之内。近几年来，随着科学技术的发展，出现了加热速度高于 1000/秒的所谓“超快速加热淬火法” ，如超

6、高频脉冲加热，激光加热或电子束加热等方法。经过这些方法加热后以极快的令速淬火，得到的组织极细，甚至在 30 万倍的电子显微镜下观察，仍看不清楚该种组织的细节。2、实际晶粒度在热处理（或热加工）的某一具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒的大小称为实际晶粒度。奥氏体转变终了后，若不立即冷却而在高温停留，或者继续升高加热温度，则奥氏体将长大。因为上述过程在热处理时是不可避免的，所以奥氏体开始冷却时的晶粒（实际晶粒度）总要比起始晶粒大。实际晶粒度除了与起始晶粒度有关外，还与钢在奥氏体状态停留的温度及时间有关，在快速加热时，与加热速度和最终的加热温度有关。当加热温度相同时，加热速度越大，实际奥氏体晶粒越细小

7、。奥氏体晶粒的长大是自发的，因为减少晶界可以降低表面能。如果不存在阴碍晶粒长大的因素而又给以足够的时间，则从原则上说应该能长成一单晶奥氏体。但是由于存在着一些阻碍奥氏体晶粒长大的因素，所以当达到一定尺寸后就不再长大了。奥氏体晶粒的长大是通过大晶粒吞并小晶粒进行的。在长大阶段晶粒大小是不均匀的。等到各个晶粒都趋向同一大小时，晶粒不再长大。要使晶粒进一步长大，必须提高温度。实验证明，加热温度越高，晶粒长大越快，最后得到的晶粒也越粗大。显然，快速加热时，虽然起始晶粒较细小，但如控制不好（加热温度过高或保温时间过长） ，则由于所处的温度较高，奥氏体极易长大。为什么温度一定时，奥氏体晶粒长大到一定大小就

8、不再继续长大了呢？为什么有的钢种奥氏体晶粒容易长大，而有的不易长大？对于这些问题目前一般都用机械阻碍理论来解释。认为钢中存在一些难溶的化合物，分布在奥氏体晶界上，阻碍了奥氏体晶粒的长大。只有当温度进一步提高，一部分化合物溶入奥氏体后，奥氏体才能继续长大。长大到一定程度后以被尚未溶解的化合物所阻碍，不能再长大。只有再提高温度才能进一步长大。由于不同钢的化学成份及冶炼方法不同，这样就导致了有的钢种奥氏体晶粒容易长大，而另一些钢种奥氏体晶粒不易长大。3、本质晶粒度把钢材加热到超过临界点以上的某一特定温度，并保温一定时间（通常规定为 930保温 8 小时） ，奥氏体所具有晶粒大小称为奥氏体本质晶粒度。

9、之所以选用 930，是因为对于一般钢材来讲，不论进行何种热处理，如淬火、退火、正火、渗碳等，加热温度都在930以下。如果在 930保温 8 小时后，奥氏体晶粒几乎不长大，则在热处理过程中就不会出现粗大的奥氏体晶粒。本质晶粒度即标志着上述特定温度范围内，随着温度的升高奥氏体晶粒的长大倾向：奥氏体晶粒显著长大的钢（得到奥氏体晶粒为 14 级） ，定为本质粗晶粒钢；奥氏体晶粒长大不显著的钢（得到的奥氏体晶粒度为 58 级） ，定为本质细晶粒钢。必须指出，本质晶粒度只是反映了 930以下奥氏体晶粒长大的倾向。超过930以后，本质细晶粒钢的奥氏体实际晶粒度可能比本质粗晶粒钢的实际晶粒度还粗（参看图 12

10、9 所示） 。二、研究奥氏体晶粒度的意义奥氏体晶粒度对钢的性能有着重要的影响。通常认为，本质晶粒度对钢的工艺性能影响很大，对其使用性能的影响常常是间接的，而实际晶粒度则对钢的使用性能有着更直接的影响。1、实际晶粒度实际晶粒度粗大往往使钢的机械性能特别是冲击韧性、疲劳性能降低，实际晶粒度细小可以提高钢的屈服强度、正断强度、疲劳强度，同时使钢材具有较高的塑性和冲击韧性，并能降低钢的脆性转变温度。因此在制定热处理工艺时，在一般情况下应尽量设法获得细小的奥氏体晶粒。按目前常用的生产工艺，对结构钢来说仅能使奥氏体晶粒细化到 8 级，很难再进一步细化。晶粒细化到 10 级以上（d10 2 毫米）则称为超细

11、晶粒。用来获得这种超细晶粒的特殊的加工处理方法称为超细化处理。近年的研究工作表明，采用超细晶粒化处理方法，可以使奥氏体晶粒细化到 15 级使铁素体细到 16 级。从实验数据还知道，将合金结构钢的奥氏体晶粒度从 9 级细化到 15 级后钢的屈服强度（调质状态）从 115kg/mm2 提高到 142kg/mm2,并使它的脆化转变温度从50下降到150；将低碳钢的铁素体晶粒从 8 级细化到 16 级后钢的屈服强度（退火状态）从20kg/mm2 提高到 55kg/mm2， 将碳素工具钢的奥氏体晶粒度从 8 级细化到 15 级后，钢的硬度（低温回火状态）从 HRC63.5 提高到 HRC65。晶粒细化能

12、提高钢的综合力学性能，这是当前热处理中能使钢的强度和韧性同时得到提高的方法之一。现有使奥氏体晶粒超细化的工艺方法很多，如快速循环加热淬火、循环加热回火、快速加热及形变热处理等。它们的工艺曲线分别示于图 130，图 131，图 132，图 133，图 134。图 1-29 奥氏体晶粒尺寸变化示意图1.本质细晶粒钢 2.本质粗晶粒钢下面将较为典型的奥氏体晶粒超细化处理方法介绍如下：根据 多次循环相变，可使奥氏体晶粒细化的原理，将 40Cr 钢加工成 203 的薄片试样进行了超细化处理，为了便于比较晶粒的大小，其热处理工艺选了三种，如图 135(a)、(b)、(c)所示。根据图 135(a)的热处理

13、工艺曲线将试样用盐炉加热到 840保温 2 分钟后立即水冷至室温，经测定晶粒度为 78 级之间，如图 136(a)所示，其硬度为 HRC60。图 135(b)所示工艺将试样加热到 840保温 2 分钟后立即淬入水中冷至室温，然后再放入 760的盐炉中加热保温 2 分钟立即淬入水中冷至室温，再放入 840的盐炉中加热保温 2 分钟图 130 钢的超细晶粒化处理工艺（多次快速加热冷却法）图 131 循环加热正火法图 132 摆锤式循环处理图 133 加热速度、重复次数对奥氏体晶粒度的影响重复处理次数图 134 钢的超晶粒处理工艺（形变热处理）放大100倍后一平方英寸视域内奥氏体晶粒数a) b) c

14、)图 135 1 次，3 次和 5 次循环热处理工艺图a.1 次加热冷却，b.3 次加热冷却， c.5 次加热冷却图 136(a）40Cr 1 次加热冷却奥氏体晶粒大小400（4/5）图 136(b）40Cr 3 次加热冷却奥氏体晶粒大小400（4/5）图 136(c）40Cr 5 次加热冷却奥氏体晶粒大小400（4/5）时间分 时间分 时间分温度水冷至室温。经过测定奥氏体的晶粒度为 910 级，如图 136(b)所示，其硬度为HRC60.5。按图 135(c)工艺曲线处理试样比图 135(b)多循环了两次，测得的奥氏体晶粒度达到 1112 级如图 136(c)所示，其硬度为 HRC61。从实

15、验的结果看出经过循环处理后晶粒得到细化，硬度略有提高，而且循环次数越多效果越显著。2、本质晶粒度 本质晶粒度对钢的性能的影响，主要表现在工艺性能方面，而且涉及面也比较广泛，从成型热加工，预备热处理到最终热处理，从普通热处理到复杂的化学热处理等，本质晶粒度都显示了它的作用。表 18 即示出本质晶粒度对钢的各种工艺性能的影响。从表 18 可以清楚地看出本质晶粒度对钢的工艺性能的影响是非常复杂的。为了保证钢材的工艺性能与机械零件的使用性能必须对晶粒度进行研究，掌握它的变化规律及测量方法的技能，这样可以挖掘出钢材的潜力，提高零件使用寿命。三、奥氏体本质晶粒度的显示方法钢在临界温度以上直接测量奥氏体晶粒

16、大小一般是比较困难的，而奥氏体在冷却过程中又将发生相变。因此如何在室温下（即在冷却转变后）显现奥氏体晶粒的大小，就是需要解决的问题。通常可采用以下几种方法来测定钢的晶粒度。1、渗碳法适用于测定渗碳钢的本质晶粒度。测定时试样需经特定规范的热处理，其过程为表面无氧化脱碳的渗碳钢试样装入 40%BaCO3+60%木炭的渗碳箱中密封之并置入 93010的炉中，保温 8 小时，然后随炉以 50/小时速度缓慢冷至 600以下，再空冷或缓冷至室温。表 18 本质晶粒度对钢的性能的影响钢的状态 本质粗晶粒 本质细晶粒锻造在监界温度以 上 加 热 倾向于粗化 倾向于保留细晶粒高 温 正 火 冲击韧性较低；较好的切削加工性，但表面粗糙，弹性极限较低 冲击韧性较高；切削性能差，