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江苏中核华兴工程检测有限公司［摘要］在单位面积中，晶粒的尺寸与晶粒的数量成反比例关系，而检测的样品中晶粒的尺寸影响并决定着金属的机械性能（包括塑性、韧性、拉伸强度等）。
因此，在金相检验分析过程中，计算单位面积内晶粒的数量有着相当重要的意义。
本文介绍了晶粒度相关的基本概念并说明了晶粒度测量的几种方法，以及能力验证过程中对样品晶粒度的测定步骤和相关内容。
［关键词］晶粒度；晶粒度级别数；截点法；能力验证；同心等距圆1概述金属平均晶粒度测定是金相检验中基本检测项目之一，金属平均晶粒度也是金属材料物理性能部分的能力验证项目之一。
本文以近几年所参加的晶粒度的能力验证为基础，按照晶粒度检测的步骤，阐述如何做好金属平均晶粒度能力验证试验的心得。
晶粒度，顾名思义为晶粒尺寸大小的度量。
通常情况下，评定或测定晶粒尺寸大小的方法有：长度法、面积法、体积法或晶粒度级别数法等，同时，检测样品晶粒度的表示方法是“晶粒度级别数”，其结果与检验过程中所使用的检测方法以及使用的单位无关。
除了学术研究用的理想状态情况，实际上，在金属样品的基体内所呈现的晶粒尺寸和大小是有差异的，且在大多数情况下，晶粒尺寸呈现的分布状态与单一对数正态分布的曲线是非常相近的，所以一般情况下采用的结果表示为：平均晶粒度，即某个视场内晶粒度评估的平均值。
金属基体内晶粒的大小直接影响其表现出的性能，所以研究晶粒的大小和其分布的状态是非常有必要的。
对于检测样品，其晶粒分布方式如果与单一的对数正态分布情况非常相近，可以采用《金属平均晶粒度测定方法》GB/T 6394-2017（等效于ASTM - E112）来测定检测样品的平均晶粒度。
若是需要测定样品最大晶粒度，则可采用标准：ASTM-E930-1999（2007）。
另外，有的检测样品的晶粒分布及大小情况是符合池形态分布的，此时可以采用测定样品双重晶粒度的《重晶粒度表征与测定方法》GB/T 24177-2009（等效于ASTM-E1181（2002）《双重晶粒度的标准测定方法》）。
晶粒度的概念晶粒度是指晶体中晶粒的大小和形状。
晶体是由原子、离子或分子按照一定的规则排列而成的固体物质，晶粒是晶体中具有相同晶体结构的一部分。
晶粒度的大小和形状对晶体的性质和性能有重要影响。
晶粒度的大小可以通过晶粒尺寸来描述，晶粒尺寸是指晶粒的最大线性尺寸。
晶粒度的大小与晶体的生长速率、晶体的形核和晶体的晶格缺陷等因素有关。
晶粒度越大，晶体的结构越完整，晶体的力学性能和热学性能也会相应提高。
例如，金属材料中的晶粒度越大，材料的强度和硬度越高，而塑料材料中的晶粒度越大，材料的韧性和耐热性越好。
晶粒度的形状可以通过晶粒形态来描述，晶粒形态是指晶粒的外形特征。
晶粒度的形状与晶体的生长条件、晶体的晶格结构和晶体的晶格缺陷等因素有关。
晶粒度的形状对晶体的力学性能、热学性能和光学性能等有重要影响。
例如，金属材料中的晶粒度呈等轴晶粒形态，材料的塑性和韧性较好，而纤维材料中的晶粒度呈纤维状晶粒形态，材料的强度和刚度较高。
晶粒度的大小和形状对晶体的性质和性能有重要影响。
首先，晶粒度的大小和形状会影响晶体的力学性能。
晶粒度越大，晶体的结构越完整，晶体的强度和硬度越高。
晶粒度的形状也会影响晶体的力学性能，不同形状的晶粒在受力时会有不同的应变和应力分布。
其次，晶粒度的大小和形状会影响晶体的热学性能。
晶粒度越大，晶体的热导率越高，热膨胀系数越低。
晶粒度的形状也会影响晶体的热学性能，不同形状的晶粒在传热过程中会有不同的热阻和热传导路径。
最后，晶粒度的大小和形状会影响晶体的光学性能。
晶粒度越大，晶体的透光性越好，折射率越高。
晶粒度的形状也会影响晶体的光学性能，不同形状的晶粒在光传播过程中会有不同的散射和吸收现象。
总之，晶粒度是晶体中晶粒的大小和形状的概念。
晶粒度的大小和形状对晶体的性质和性能有重要影响，包括力学性能、热学性能和光学性能等。
因此，在材料科学和工程中，研究和控制晶粒度的大小和形状是非常重要的。
估算混晶平均晶粒度的公式和方法。
为了准确理解和掌握估算混晶平均晶粒大小的公式和方法，我们首先需要了解混晶的概念和特征。
混晶是指在晶体生长过程中，晶体内部因为缺陷或者杂质的存在而导致晶界不规则或者有多个取向的情况。
要了解混晶平均晶粒大小的公式和方法，我们需要注意以下几个关键点。
1. 混晶的定义和特征混晶是晶体学的一个重要概念，它常常出现在金属材料、合金材料以及陶瓷材料的研究中。
混晶的特征包括晶界不规则、晶粒取向多样、晶界能量较高等。
在实际的研究和生产中，我们需要对混晶的平均晶粒大小进行估算，以便更好地控制材料的性能和性质。
2. 估算混晶平均晶粒大小的重要性混晶的平均晶粒大小是影响材料性能的重要因素之一。
晶粒越小，材料的强度和硬度往往会增加，而韧性和塑性则会降低。
准确估算混晶平均晶粒大小对于材料设计和生产具有重要意义。
3. 公式和方法在估算混晶平均晶粒大小时，通常可以采用金属log-log直方图法、线差法、K-S法等多种方法。
这些方法都是基于晶粒尺寸分布曲线的统计学分析，通过对晶粒数量和尺寸的统计得出平均晶粒大小及其分布规律。
4. 个人观点和理解在实际应用中，选择合适的公式和方法对于准确估算混晶平均晶粒大小至关重要。
不同的材料和研究对象可能适合不同的方法，因此在选择方法时需要综合考虑材料的特性、研究的目的以及实验条件等因素。
总结回顾通过对混晶平均晶粒大小的定义和特征、重要性以及估算方法的介绍，我们可以清晰地了解到这一概念的重要性和估算方法的多样性。
在实际应用中，我们需要结合具体情况选择合适的方法，并通过实验数据和统计分析来得出准确的混晶平均晶粒大小。
只有深入理解和掌握估算混晶平均晶粒大小的公式和方法，我们才能更好地应用于材料研究和生产中。
在本篇文章中，我们主要介绍了估算混晶平均晶粒大小的公式和方法，重点强调了混晶的定义和特征、估算方法的重要性以及个人观点和理解。
通过系统的介绍和分析，希望能够对读者有所启发，为他们对混晶平均晶粒大小的理解和应用提供帮助。
估算混晶平均晶粒度的公式和方法一、引言混晶平均晶粒度是指在多晶体材料中，由于晶界和晶粒大小的不均匀性，难以直接观测到单个晶粒的大小，因此需要通过一定的公式和方法来估算其平均晶粒度。
本篇文章将从混晶平均晶粒度的概念入手，探讨其估算的相关公式和方法，以及个人观点和理解。
二、混晶平均晶粒度的概念混晶平均晶粒度是指在多晶体材料中，由于晶界的存在，难以直接测定单个晶粒的尺寸，因此需要借助一定的数学模型和方法来估算其平均晶粒大小。
通常情况下，晶粒的尺寸是通过晶界的数量和长度来间接反映的，进而得到平均晶粒度的估算值。
三、估算混晶平均晶粒度的常用公式和方法1. 格氏法格氏法是通过晶粒的数量和晶界的长度来计算平均晶粒度的一种方法。
其公式为：\[D = \frac{L}{N}\]其中，\(D\)为平均晶粒度，\(L\)为晶界总长度，\(N\)为晶粒的总数量。
这种方法适用于具有规则晶粒排列结构的材料。
2. 蒙特卡洛方法蒙特卡洛方法是一种通过随机抽样和统计分析来估算平均晶粒度的方法。
通过在晶体中随机选取一定数量的点，并结合图像分析软件来测定晶界的长度和晶粒的数量，进而得到平均晶粒度的估算值。
该方法适用于具有复杂晶粒排列结构的材料。
3. 统计学方法统计学方法是通过对大量样本的统计数据进行分析，来估算平均晶粒度的方法。
通过采集大量的晶粒数据，并利用统计学的理论和方法进行分析，得到平均晶粒度的估算值。
这种方法适用于对晶粒分布情况有一定了解的材料。
四、个人观点和理解对于估算混晶平均晶粒度的公式和方法，我认为不同的材料和晶粒结构会适用不同的方法。
对于规则晶粒排列结构的材料，可以采用格氏法来估算平均晶粒度；而对于具有复杂晶粒排列结构的材料，则需要借助蒙特卡洛方法或统计学方法来进行估算。
在实际应用中，需要根据材料的具体情况选择最合适的方法来进行估算。
五、总结通过本文的探讨，我们深入了解了混晶平均晶粒度的概念、常用的估算公式和方法，以及个人观点和理解。
晶粒度与加工硬化的关系引言晶粒度是材料科学中一个重要的概念，它指的是材料中晶粒的尺寸大小。
晶粒度与材料的性能密切相关，特别是在加工过程中。
加工硬化是指通过塑性变形来改变材料的力学性能，使其变得更加坚硬和强韧。
本文将探讨晶粒度与加工硬化之间的关系，并分析不同因素对晶粒度和加工硬化的影响。
晶体结构和晶粒度晶体是由一定数量的原子、离子或分子有序排列而成的固态物质。
晶体结构可以分为立方、四方、六方等不同类型。
每个晶体结构中都存在许多小区域，称为晶粒。
晶粒内部具有相同的结构和取向，但不同晶粒之间可能存在取向差异。
晶粒度通常用平均晶粒尺寸来表示，可以通过显微镜观察或利用X射线衍射等方法进行测量。
较大的晶粒尺寸通常意味着较少的晶界，而较小的晶粒尺寸则意味着更多的晶界。
加工硬化的机制加工硬化是通过塑性变形来改变材料的结构和性能。
当外力施加到材料上时，原子或离子之间的键被打破，导致晶粒发生形变。
这种形变可以通过滑移、扩散和再结晶等机制来实现。
滑移是指晶格中原子沿特定平面滑动或沿特定方向移动，从而引起晶粒内部的塑性变形。
扩散是指原子在固态材料中通过空位或替代位点进行迁移，从而增加了材料的硬度和强度。
再结晶是指在高温下，材料经历一系列塑性变形后重新形成新的晶粒。
晶粒度对加工硬化的影响晶粒度对材料的加工硬化有重要影响。
较大的晶粒尺寸通常意味着较少的晶界，这会使得滑移运动更容易发生，并减少了应力集中点。
因此，具有较大晶粒尺寸的材料通常具有较低的加工硬化能力。
相反，较小的晶粒尺寸意味着更多的晶界，这会阻碍滑移运动，并增加了应力集中点。
因此，具有较小晶粒尺寸的材料通常具有较高的加工硬化能力。
此外，晶界还可以作为位错源的储存和传播路径。
当材料受到外力作用时，位错可以从一个晶粒滑移到另一个晶粒，并在晶界处堆积。
这种位错交互作用导致了材料的塑性变形，并增加了材料的硬度和强度。
影响晶粒度和加工硬化的因素多种因素会影响晶粒度和加工硬化的形成过程。
平均晶粒度概念
表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。
晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。
工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。
标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。
一般晶粒度越大，也就是越细越好
钢的晶粒度按其奥氏体化条件与长大倾向刁又分成起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度三起始晶粒度指钢在临界温度以上加热，奥化过程中最初形成的奥氏体晶粒的晶粒度，即奥转变刚刚完成，其晶粒边界开始接触时的晶粒大，J 称初生晶粒度。
实际晶粒度指某一实际条件下所得到的实粒大小。
本质晶粒度只代表在某一条件下，奥氏体的长大倾向。
一、晶粒大小与力学性能的关系：
晶粒大小对材料的性能影响很大，实践证明，材料的屈服强度σs与晶粒直径d符合Hall-Petch公式：σs =σ0 + K d1/2 式中，σ0和K 是两个与材料有关的常数。
可见，晶粒越细小，材料的强度越高。
不仅如此，晶粒细小还可以提高材料的塑性和韧性。
奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要影响。
通常，粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的组织，其力学性能指标较低。
需要了解奥氏体晶粒度的概念以及影响奥氏体晶粒度的因素。
二、奥氏体晶粒度的概念：
奥氏体晶粒大小是用晶粒度来度量的。
可用晶粒直径、单位面积中的晶粒数等方法来表示晶粒大小。
晶粒度的评定一般采用比较法，即金相试样在放大100倍的显微镜下，与标准的图谱相比。
YB27-77将钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细(见P208图）。
0级以下为超粗晶粒，8级以上超细晶粒。
奥氏体晶粒度级别（N）：
生产上用晶粒度N表示晶粒大小，晶粒度级别与晶粒的大小有如下关系：n = 2N-1 式中n表示放大100倍时，1平方英寸（645.16㎜2）上的晶粒数。
n越大，N越大，晶粒越细。
n0= 2N+3式中n0表示放大1倍时，1平方毫米上的晶粒数。
几个概念：起始晶粒度、本质晶粒度、实际晶粒度
1、起始晶粒度:奥氏体转变刚刚完成，即奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为起始晶粒度。
通常情况下，起始晶粒度总是比较细小、均匀的。
起始晶粒大小取决于形核率和长大速度。
加热转变终了时所得A晶粒度称为起始晶粒度。
n0 = 1.01（I/V）1/2 式中：I-形核率，V-长大速度。
2、本质晶粒度:根据YB27-64试验方法，即在930±10℃，保温3~8h后测定的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。
如晶粒度为1~4级，称为本质粗晶粒钢，晶粒度为5~8级，则为本质细晶粒钢。
本质晶粒度表示在规定的加热条件
下，奥氏体晶粒长大的倾向性大小。
而不能认为本质细晶粒钢在任何加热条件下晶粒都不粗化(图2-31)。
钢的本质晶粒度与钢的成分和冶炼时的脱氧方法有关。
一般用Al脱氧或者含有Ti、Zr、V、Nb、Mo、W等元素的钢都是本质细晶粒钢，因为这些元素能够形成难熔于奥氏体的细小碳化物或氮化物质点，阻止奥氏体晶粒长大。
只用硅、锰脱氧的钢或者沸腾钢一般为本质粗晶粒钢。
3、实际晶粒度:钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小称为实际晶粒度。
实际晶粒度取决于本质晶粒度和实际热处理条件。
实际晶粒一般总比起始晶粒大。
冷却开始时A晶粒度称为实际晶粒度。
三、A晶粒长大现象（机制）：
１、A晶粒长大现象：
图2-31 奥氏体晶粒直径与加热温度的关系
在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，A晶粒不断长大，称为正常长大。
如图2-31中曲线1。
在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，A晶粒长大并不明显，必须当温度超过某一定值后，晶粒才随温度升高而急剧长大，称为异常长大，该值称为A晶粒粗化温度。
如图中曲线2。
2、长大驱动力：
A晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的，晶界迁移的驱动力来自界面自由能的降低。
对于球面晶界，当其曲率半径为R，界面能为γ，指向曲率中心的驱动力P为：
P = 2γ/R （2-6）
可见：R↓，P↑；R = ∞，P = 0。
也即晶粒半径越小，长大驱动力越大. 当半径无穷大或为平直界面时，驱动力为零。
此时A晶界已平直化。
3、正常长大：
晶界在驱动力P推动下匀速前进，由经典力学可导出：
D A2 = K exp(-Q/KT)τ（2－10）
其中，D A 为长大中A晶粒平均直径，K为常数，τ为时间，Q为Fe的自扩散激活能。
可见在一定温度T，随时间τ↑，D A↑。
4、异常长大：
(1) 、第二相小颗粒的晶界钉扎作用
用Al脱氧或含Nb，Ti，V的钢，在晶界上会存在这些元素的碳氮化合物粒子，一个粒子可使A晶界面积减少pr2(r为小粒子半径)。
当晶界在驱动力作用下移动时，将使A晶界与这些粒子脱离从而使A晶界面积增大，界面能增高。
所以粒子对晶界就有了钉扎作用，一个粒子对晶界移动提供的最大阻力为：Fmax = prγ，（2-11）其中，γ为单位面积界面能。
设单位体积中粒子的体积分数为f，则作用于单位面积晶界上的最大阻力F max为：
Fmax= 3fγ/2r （2-12）由上式可见：当粒子半径r愈小，体积分数f愈大，对晶界移动的阻力就愈大。
因此，为抑制A晶粒的长大，可以采取
以下两种措施：（1）增加碳(氮)化合物粒子的体积分数f；（2）细化碳(氮)化合物粒子。
但碳(氮)化合物粒子的体积分数f增加，钢的脆性增加，故不能过大。
最好的办法是采用细化碳(氮)化合物粒子。
(2)、异常长大的原因：由于温度T升高，第二相颗粒(碳氮化合物)的溶解，使阻力F =0，而此时驱动力P却很大，故晶粒急剧长大。
四、影响A晶粒长大的因素（奥氏体晶粒度及其影响因素）：A晶粒是通过晶界的迁移而长大的，其实质是原子在晶界附近的扩散过程，长大的驱动力为界面能，晶粒长大使界面积减小，系统能量降低，因此晶粒长大是一个自发过程。
凡影响原子扩散的因素都影响A晶粒长大。
主要在于以下几方面：
1、加热温度和保温时间；
2、加热速度；
3、钢的化学成分－碳和合金元素及含量；
4、脱氧剂；
5、原始组织。
影响晶粒长大的因素：
1、加热温度和保温时间
温度的影响最显著，温度越高，晶粒长大速度越快（如图2-31），奥氏体最终晶粒尺寸大。
在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。
在每一个温度下，都有一个加速长大期，达到一定尺寸，长大过程将减弱并停止。
D = ktn
式中D为长大中A晶粒平均直径，t为时间，k、n与材料有关的常数。
为获得一定尺寸的晶粒，必须同时控制加热温度和保温时间。
2、加热速度：
加热速度对晶粒大小的影响(如图2-)。
加热速度快，A起始晶粒越细。
实际生产中经常采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒。
因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大。
图2- 加热速度与A晶粒大小关系示意图
3、钢的化学成分：
（1）、含碳量：
钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大，但是，当含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒长大倾向又减小。
这是因为随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加大了奥氏体晶粒的长大倾向。
但碳含量超过一定限度后，钢中出现二次渗碳体，对奥氏体晶界的移动有阻碍作用，故奥氏体晶粒反而细小。
（2）、脱氧剂：
用Al脱氧能形成难熔的AlN质点在晶界上析出，阻碍奥氏体晶粒长大。
而Si、Mn脱氧不能形成难熔的质点，晶粒容易长大。
（3）、合金元素：
凡未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大。
若钢中加入适量能形成难熔强碳化物形成合金元素Ti、V、Zr、Nb等，由于能形成高熔点高稳定性的碳化物，因而这些元素有强烈阻碍奥氏体晶粒长大的作用，在合金钢中起细化晶粒的作用。
碳化物形成合金元素W、Mo、Cr等也能阻碍奥氏体晶粒长大，但效果不如Ti、V、Zr、Nb等。
非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用很小。
促使奥氏体晶粒长大的元素有C、N、P、O、Mn等
4、原始组织：
主要影响A的起始晶粒。
原始组织越细，起始晶粒越细小。
五、奥氏体晶粒大小的控制：
从以上分析看：凡提高扩散的因素，如温度、时间，均能加快A长大。
第二相颗粒体积分数f 增大，线度r减小，均能阻止A长大。
提高起始晶粒度的均匀性与促使晶界平直化均能降低驱动力，减弱A长大。
1、凡提高Dfe的因素均加快奥氏体晶粒长大；
2、存在未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大；
3、调整工艺参数，提高起始晶粒的均匀性，阻碍奥氏体晶粒长大。
控制方法：
1、利用Al脱氧，形成AlN质点，细化晶粒，细晶粒钢；
2、利用难熔强碳化物形成合金元素形成碳化物、氮化物细化晶粒；
3、采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒；
4、控制钢的热加工工艺和预备热处理工艺。
