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奥氏体晶粒显示及晶粒度的测定教程文件一、奥氏体晶粒显示在金相显微镜下观察金属材料的组织时，为了研究材料的奥氏体晶粒大小、形态和分布等性质，需要加入化学试剂，在经过水洗、酸洗、水洗，烘干后进行显微观察。
下面我们分别介绍样品制备和观察方法。
1、样品制备（1）磨削和抛光使用砂纸或研磨布对试样进行磨削，先铁氧化活化，主要是为了去除表面的薄层氧化物，使其表面平整。
然后使用了150目或200目的砂纸或研磨布进行磨削，直到表面平整，再使用2000目或2500目的研磨布进行抛光，获得较好的光洁度，以便于金相显微镜下观察。
（2）腐蚀将试样放入腐蚀试液中，试液可以是： 3%硝酸、酸化硼酸、 5%氢氟酸等。
腐蚀时间要控制在合适的范围内，通常为数秒至数分钟不等。
腐蚀后同时进行多次水清洗，水清洗时间要较久，以保证清洗干净。
2、观察方法奥氏体晶粒可以使用显微镜在金相台下观察，需要放上阳极片，在显微镜的镜片下方插上相片插座，然后可以通过目镜和物镜来观察晶粒。
A型奥氏体晶粒：这类晶粒不容易出现孪晶现象，其晶界比较清晰。
颜色为深褐色至浅金色。
B型奥氏体晶粒：这类晶粒通常呈孪生晶形，晶粒内部存在胞状结构。
颜色较明亮，为浅金黄色。
C型奥氏体晶粒：这类晶粒属于低温下形成，一般在0-280℃的温度区间内。
其晶界不太清晰，常出现位错带。
颜色为深褐色。
奥氏体晶粒度是指材料中奥氏体晶粒大小的评价指标。
其测量方法一般是使用线条法或图像处理软件测量。
1、线条法该方法是通过金相显微镜下的目镜标尺或物镜标尺来测量晶粒大小。
研究者需要在显微镜下调整放大倍率和焦距，找到研究对象后，在其表面划出多条等距离的线条，然后统计跨过线条的晶粒个数，并计算平均直径，从而得到晶粒度的值。
2、图像处理软件测量该方法是通过数字化镜头在计算机中对图像进行处理，并通过软件计算晶粒大小的方法。
具体步骤为：将样品放在金相台下，通过数字化摄像机记录图像，然后将图像传入计算机中，并通过图像处理软件选取研究目标进行分析。
关于氧化法检验钢的奥氏体晶粒度的初步试验中天特钢质管处根据中天特钢公司产品开发计划，即将开发船用锚链钢和齿轮钢系列，这些合金钢钢材出厂后，用户一般均需进行锻造及热处理，因此对钢材的原始奥氏体晶粒度要求较严，钢材出厂时需提供奥氏体晶粒度的检测数据。
为此质管处进行了检验钢中奥氏体晶粒度的检验。
一、检验方法介绍钢的奥氏体晶粒度的检验方法很多，国家标准GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》中规定可使用渗碳法、氧化法、网状铁素体法、直接淬硬法、网状渗碳体法等。
根据钢种及质管处目前设备条件，我们选择了氧化法。
氧化法是检验钢中奥氏体晶粒度最常用的方法之一。
自1938年美国冶金学家托宾(Tobin)和肯洋(KenYon)首先使用氧化法检验钢的奥氏体晶粒度以来，已有六十多年的历史。
直到现在不少国家的工业标准中仍然把氧化法列为钢的奥氏体晶粒度的试验方法，氧化法适用于大部分钢种。
一般采用气氛氧化法。
试样在高温加热时，表层奥氏体晶界优先氧化，在晶界处形成氧化物网络，氧化法就是利用奥氏体晶界的氧化物网络来评定钢的奥氏体晶粒度的。
二、试验材料和方法试验材料选用55钢、ML40Cr钢、20MnTiB钢等碳钢和合金钢，其原始组织均为退火状态。
试样的热处理工艺是按照GB/T6394-2002标准，检验面经磨制抛光后，将抛光面朝上置于空气加热炉中加热，55钢、ML40Cr钢(碳含量＞0.35％)加热温度为860±10℃，20MnTiB钢(碳含量≤0.35％)加热温度为900±10℃，保温1h；之后试样淬水冷却。
采用氧化法时，根据氧化情况，可将试样适当倾斜10°～15°进行研磨和抛光，使试样检验面部分区域保留氧化层，用15%盐酸酒精溶液浸蚀，以显示试样表层的奥氏体晶界。
采用比较法对所有试样的奥氏体晶粒大小进行了评级。
三、试验结果氧化法所得结果列于表1中。
奥氏体晶粒度级别是在显微镜下选取具有代表性的典型视场用比较法进行评定的，见图1～图6所示。
影响奥氏体形成因素奥氏体的形成是通过形核与长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制。
因此凡是影响扩散、影响形核与长大的一切因素，都会影响奥氏体的形成速度。
链轮高频淬火就是形成奥氏体然后淬火马氏体，最后形成回火马氏体的一个过程，所以研究奥氏体的形成因素，对高频淬火及后续的检验分析淬火马氏体（出现铁素体的量的多少）的等级有本质的关系。
一加热温度和保温时间上图描述了珠光体向奥氏体的转变过程，将共析钢试样迅速加热到Ac1以上各个不同温度保温，记录各个温度下珠光体向奥氏体转变开始、铁素体消失、渗碳体全部溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间，绘制转变温度和时间坐标如图。
分析图，在Ac1以上某一温度保温时，奥氏体并不立即出现，而是保温一段时间后才开始形成，这段时间称为孕育期。
这是由于形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间。
随着加热温度的提高，原子扩散速率急剧加快，相变驱动力ΔGv迅速增加以及奥氏体中碳的浓度梯度显著增大，使奥氏体的形核率和长大速度大大增加，故转变的孕育期和转变完成所需要时间也显著缩短，即奥氏体的形成速度越快。
在影响奥氏体形成速度的诸多因素中，温度的作用最为显著。
因此，控制奥氏体的形成温度至关重要。
在较低的温度（在Ac1线上某一温度）长时间加热和较高温度下短时间加热都可以得到相同的奥氏体状态。
在生产中，连续加热过程中，奥氏体等温转变的基本规律不变。
如图，在不同的加热速度（v1、v2），可以观察出连续加热条件下奥氏体形成的基本规律。
加热速度越快，孕育期越短，奥氏体开始转变的温度和转变的终了温度越高，转变终了所需要的时间越短。
加热速度越慢，转变将在较低温度下进行。
二原始组织的影响钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体和渗碳体组织越细，相界面越多，奥氏体的形核越多，晶核长大越快，因此，加速奥氏体的形成。
如共析钢的原始组织为淬火马氏体、正火索氏体等非平衡组织时，则等温奥氏体化曲线如下图：不同原始组织共析钢等温奥氏体曲线。
检测方法对20CrNiMoH钢奥氏体晶粒度的影响
董凤奎;黄山;刘年富;钟芳华
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】奥氏体晶粒度是衡量钢材质量的一个重要指标,研究了奥氏体晶粒度显示方法对20CrNiMoH渗碳齿轮钢奥氏体晶粒度检测结果的影响。
结果表明,氧化法和直接淬硬法检测的奥氏体晶粒度差别较小,渗碳法检测的奥氏体晶粒比氧化法和直接淬硬法低0.2~0.3级,模拟渗碳法检测奥氏体晶粒度存在混晶现象。
对造成模拟渗碳法出现混晶的原因进行了分析,并给出了改进措施,确保使用模拟渗碳法检测奥氏体晶粒度仍没有混晶现象出现。
【总页数】3页(P53-55)
【作者】董凤奎;黄山;刘年富;钟芳华
【作者单位】宝武杰富意特殊钢有限公司;桂林福达齿轮有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG142.25
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西安交通大学实验报告课程：金相技术与材料组织显示分析实验日期：年月日专业班级：组别交报告日期：年月日姓名：学号报告退发：（订正、重做）同组者：教师审批签字：实验名称：晶粒度样品的显示方法与晶粒度测定实验目的：1.学习奥氏体晶粒度的显示方法2.熟悉奥氏体晶粒度的测定方法实验设备：XJP—6A金相显微镜一台，T12钢试样，浸蚀剂实验概述：晶粒度是影响材料性能的重要指标，是评定材料内在质量的主要依据之一。
对工程中的钢铁材料，在热处理加热和保温过程中获得奥氏体，其晶粒的大小影响着随后的冷却组织粗细。
1.起始晶粒度是指钢铁完成奥氏体化后的晶粒度。
2.实际晶粒度是指供应状态的材料和实际中使用零部件所具有某种热处理条件下的奥氏体晶粒度。
3.本质晶粒度是指将钢加热到一定的温度下并保温足够的时间后具有的晶粒度。
实验内容：1.按实验指导书中表5-1中的配方配制好腐蚀剂。
2.把样品轻度抛光，冲洗后用苦味酸腐蚀30s左右，再用镊子取出样品冲洗。
3.上述第二步骤重复两到三次，再到金相显微镜下进行观察，拍照。
T12（780℃淬火）试样腐蚀后的组织示意图：T12（780℃淬火）腐蚀剂：2%苦味酸经比较法，样品的晶粒度级别为4级简述晶粒度样品的制备方法：1.配置腐蚀剂，即2%苦味酸和4%硝酸溶液。
2.将已制备好的金相样品进行细磨、抛光处理，使其观察表面光亮，无划痕。
3.将抛光后的样品清洗后，观察面向上置在苦味酸中进行腐蚀。
腐蚀时间约为30s左右。
4.观察样品腐蚀情况，当表面局部颜色变黑时取出样品在清水中清洗干净。
5.重复上述抛光腐蚀操作两到三次，之后拿到金相显微镜下进行观察。
简述晶粒度的测定方法及在本次实验中的应用：晶粒度的测定方法有比较法、截点法、面积法，最常用的是比较法。
比较法：比较法是通过与标准评级图对比来评定的级别，方法是将制备好的金相试样在100倍的显微镜下，全面观察，选择有代表性的视场与标准评级图比较，当他们之间的大小相同或接近时，即样品上的级别就是标准评级图的级别。
奥氏体晶粒度的测定奥氏体晶粒度是指奥氏体晶粒的尺寸大小，是衡量金属材料显微组织中晶粒细小程度的参数之一。
奥氏体晶粒度的测定对于金属材料的性能和应用具有重要意义。
本文将介绍奥氏体晶粒度的测定方法和其在材料科学中的应用。
一、奥氏体晶粒度的测定方法1. 金相显微镜法金相显微镜法是一种常用的测定奥氏体晶粒度的方法。
首先，将待测材料的试样进行金相制备，即将试样进行机械研磨、腐蚀和抛光处理，然后在金相显微镜下观察试样的显微组织。
通过显微镜观察，可以直接测量奥氏体晶粒的尺寸，进而计算出奥氏体晶粒的平均尺寸。
2. 电子显微镜法电子显微镜法是一种高分辨率的测定奥氏体晶粒度的方法。
通过电子显微镜观察试样的显微组织，可以得到更精确的奥氏体晶粒尺寸。
电子显微镜法主要有透射电子显微镜和扫描电子显微镜两种。
透射电子显微镜可以观察材料的晶格结构，进而测量奥氏体晶粒的尺寸；扫描电子显微镜则可以获得材料表面的形貌信息，从而间接推断奥氏体晶粒的尺寸。
3. X射线衍射法X射线衍射法是一种非破坏性的测定奥氏体晶粒度的方法。
通过照射待测材料，利用X射线的衍射现象，可以得到奥氏体晶粒的晶格参数，从而计算出晶粒的尺寸。
X射线衍射法具有快速、准确和非破坏性的优点，适用于大批量材料的晶粒度测定。
二、奥氏体晶粒度的应用1. 材料性能评估奥氏体晶粒度是衡量金属材料显微组织细小程度的重要参数之一。
晶粒尺寸的大小会对材料的力学性能、耐磨性、耐腐蚀性等产生影响。
通过测定奥氏体晶粒度，可以评估材料的细晶化程度，从而预测材料的性能。
2. 热处理优化热处理是通过控制材料的加热和冷却过程，改变材料的显微组织和性能的一种方法。
奥氏体晶粒度的测定可以帮助优化热处理工艺，选择合适的加热温度和冷却速率，以获得细小的奥氏体晶粒和优良的性能。
3. 材料的晶界工程晶界是相邻晶粒之间的界面区域，对材料的力学性能和导电性能具有重要影响。
奥氏体晶粒度的测定可以为材料的晶界工程提供基础数据。
奥氏体晶粒度的测定实验一、实验目的1.进一步明确钢的晶粒度的概念。
2.了解显示出奥氏体晶粒的方法。
3.掌握测定钢中奥氏体晶粒度的方法。
二、实验原理金属及合金的晶粒大小与金属材料的机械性能，工艺性能及物理性能有着密切的关系。
细晶粒金属材料的机械性能，工艺性能均比较好，它的冲击韧性和强度都比较高，塑性好，易于加工，在淬火时不易变形和开裂。
金属材料的晶粒大小称为晶粒度，评定晶粒粗细的方法称为晶粒度的测定。
为了便于统一比较和测定，国家制定了统一的标准晶粒度级别。
按晶粒大小分为8级，1～3级为粗晶粒，4～6级为中等晶粒，7～8级为细晶粒。
钢的晶粒度测定，分为测定奥氏体本质晶粒和实际晶粒，本实验首先显示出钢的奥氏体晶粒，然后进行晶粒度测定。
下面具体介绍奥氏体晶粒的显示和测定晶粒度的方法。
三、实验内容1. 奥氏体晶粒的显示由于奥氏体在冷却过程中发生相变，因而在室温下一般已不存在，要确定钢的奥氏体晶粒大小，必须设法在冷却以后仍能显示出奥氏体原来的形状和大小，常用的方法：1) 常化法试样加热到所需的温度，保温后在空气中冷却。
对中碳钢（0.30～0.6%C）当加热到Ac以上温度以后，在空气中冷却时通过临界温度区域，会沿着奥氏体3晶粒边界析出铁素体网。
对于过共析碳钢试样加热到Acm 以上后缓冷，可根据沿晶界析出的渗碳网来确定晶粒度。
2) 氧化法将抛光的试样置于弱氧化气氛的炉中加热一定时间后，放于水中淬火或空气中冷却，试样在炉中形成一层氧化膜，由于晶界较晶内化学活性大氧化深，所以能在100倍显微镜下直接观察到晶粒，如晶界不太清楚可轻度抛光，再用4%苦味酸酒精溶液浸蚀，便可以显露出原来的奥氏体晶粒，看到晶界呈黑色网络，可用于测定亚共析碳钢，共析碳钢及合金钢的奥氏体晶粒度。
3) 渗碳法将试样放于有40%BaCO 3+60%木炭或30%Na 2CO 3+70%木炭的渗碳箱中，加热到920～940℃保温8小时，然后缓慢冷却。
奥氏体晶粒大小是评定钢加热时质量的重要标准之一，对钢的冷却转变产物的组织和性能都有十分重要的影响。
奥氏体晶粒大小用晶粒度表示(通常晶粒度分成8级)。
目前，世界上通用的方法是用与标准金相图片相比较来确定晶粒度的级别。
具体做法可参阅YB/T5148-1993《金属平均晶粒度测定方法》。
晶粒度级别N与晶粒大小有如下关系:n=2""'，式中n表示放大100倍时，每平方英寸(6.45cm')视野中观察到的平均晶粒数。
由公式可知，N小，单位面积中的晶粒数枕也小，则晶粒尺寸大，通常认为晶粒度1~4级为粗晶粒，5~8级为细晶粒。
1·起始晶粒度奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。
一般起始晶粒度总是十分细小、均匀的。
2·实际晶粒度钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体实际晶粒的大小称为奥氏体的实际晶粒度。
它取决于具体的加热温度和保温时间。
实际晶粒度总比起始晶粒度大，实际晶粒度对钢热处理后获得的性能有直接的影响。
3·本质晶粒度本质晶粒度是表示钢在一定的条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。
凡随着奥氏体化温度升高，奥氏体晶粒迅速长大的称为本质粗晶粒钢。
相反，随着奥氏体化温度升高，在930QC以下时，奥氏体晶粒长大速度缓慢的称为本质细晶粒钢。
超过930C，木质细晶粒钢的奥氏体晶粒也可能迅速长大，有时，其晶粒尺寸甚至会超过本质粗晶粒钢。
钢的本质晶粒度与钢的脱氧方法和化学成分有关，一般用Al脱氧的钢为本质细晶粒钢，用Mn、罚脱氧的钢为本质粗晶粒钢。
含有碳化物形成元素如Ti、Zr、V、Nb、Mo、W等元素的钢也属本质细晶粒钢。
(二)影响奥氏体晶粒长大的因素1·加热温度和保温时间加热温度升高，原子扩散速度呈指数关系增大，奥氏体晶粒急剧长大。
保温时间延长，奥氏体晶粒长大。
2·加热速度的影响加热速度越大，奥氏体转变时的过热度也越大，奥氏体的实际形成温度也越高，起始晶粒度则越细。
摘 要:本文综合了大量文献资料,就钢中酸溶铝含量、加热方式和奥氏体晶粒的显示方法对奥氏体晶粒大小、粒粗化温度的影响进行了较详细的分析研究。
关键词:酸溶铝加热方式晶粒显示方法奥氏体晶粒度晶粒粗化温度 0 引言 钢的奥氏体晶粒度试验方法很多,国家标准GB6394-86 《金属平均晶粒度测定法》〔1〕规定可使用渗碳法、氧化法、网状铁素体法、网状珠光体法、网状渗碳体法和晶粒边界腐蚀法等。1922年麦克奎德(Mac2quid)和爱恩(Ehn)首先采用渗碳法检验钢的奥氏体晶粒度到现在己近八十年的历史〔2〕,1938年托宾(Tobin)和肯洋(KenYon)开始采用氧化法检验钢的奥氏体晶粒度以来也有六十多年历史〔3〕。冶金部1964年制订的YB27-64标准中列出了七种试验方法,其中有渗碳法、氧化法和晶粒边界腐蚀法。1977年修订后的YB27-77标准中强调了晶粒边界腐蚀法。1978年7月,冶金部下发了通知,规定某些合金结构钢应采用晶粒边界腐蚀法〔4〕。自此,人们才认真地比较了各种试验方法〔5-10〕。试验和生产实践中发现,不同的试验方法所得结果相互间可以出现很大的差异。钢的冶体晶粒度试验中影响晶粒大小的因素进行较详细的分析和研究。
1 钢中酸溶铝含量的影响 奥氏体晶粒度试验中所采用的钢试样,同一钢种,因冶炼方法、冶炼工艺、炉次不同,钢中酸溶铝含量有较大差异。钢中酸溶铝含量将对钢的奥氏体晶粒度带来很大影响。文献〔5〕的作者采用电炉钢和电炉冶炼再经电渣重熔的30CrMnSiA钢加热到900℃保温3h,电炉钢奥氏体晶粒细小均匀,而电渣钢则为严重混晶,电渣钢的粗化温度比电炉钢要低。电渣重熔过程中,熔渣成分在不断地变化,对于1吨电渣锭(长1.3m)来说,渣中的SiO2含量由电极投入前的百分之零点几逐渐增高到补缩后的百分之四左右,即钢中的铝将按下列反应被烧损:4〔A1〕+3〔SiO2〕=3〔Si〕+2〔Al2O3〕。结果分析表明,电渣钢锭中的残余铝减少了。文献〔11、12〕的作者指出,电渣重熔的合金结构钢,由于铝的烧损和偏析,在实验条件下检验奥氏体晶粒度时,电渣重熔钢易出现混晶,它的晶粒粗化温度较电炉钢低。
文献〔13〕的作者研究了影响20Cr2Ni4A钢晶粒长大的因素,认为钢中酸溶铝的影响最大。酸溶铝含量为0.042%的钢,在930℃,保温100h后也不发生晶粒粗化,奥氏体晶粒平均弦长也没有变化酸溶铝含量低(0.003%)的钢,在930℃保温1h～3h后奥氏体晶粒迅速粗化,粗大晶粒所占面积达40%,且随保温时间的继续增加而粗化。钢中酸溶铝含量由0.003%增加到0.042%时,奥氏体晶粒粗化温度可由850℃提高到1050℃,相差达200℃。 文献〔14〕的作者同样对20Cr2Ni4A钢的奥氏体晶粒长大倾向进行了研究,选用酸溶铝含量为0.01%和0.05%的两炉20Cr2Ni4A钢进行试验,酸溶铝含量为0.01%的钢保温2h后的奥氏体晶粒粗化温度为840℃～860℃酸溶铝含量为0.05%时,奥氏体晶粒粗化温度为970℃～990℃,因此认为一定的酸溶铝含量是控制20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒长大的基本条件。
文献〔15〕的作者对含有微量Ti、V的L45钢中阻止奥氏体晶粒长大的析出相的研究认为,铝是含氮量较高的中碳钢中最基本、最有效的晶粒细化剂,酸溶铝含量≥0.030%的钢在微量残余Ti和V的补充作用下,可以保证奥氏体晶粒粗化温度达1000℃。
铝能细化晶粒,提高奥氏体晶粒粗化温度,铝的这种影响,S·L凯斯在他的著作〔2〕中曾介绍过两种假设:曾被广泛接受的解释是分散得很细的难溶的氧化铝质点起着阻止晶粒长大的作用。但是,温度足够高时,难溶的氧化铝质点终究被溶解或聚集粗化,因而会失去对晶粒长大的阻力。另一设想认为,晶粒粗化是由于溶解于钢中的剩余金属铝,通过它对碳化物的溶解特性的影响而阻止奥氏体晶粒长大。然而,后来许多冶炼工作者所做的观察表明是氮化铝而不是氧化铝在晶粒度控制中起着主要作用。例如,含氮量高的细晶粒转炉钢,它的晶粒粗化温度要比成分相似的细晶粒平炉钢高。含氮量不同的感应炉实验溶炼表明,氮提高了铝脱氧钢的晶粒粗化温度。在氢气中熔炼和浇注与在空气中溶炼和浇注的两种钢,前者因没有空气而产生粗晶粒,后者结果得到了细晶粒,有理由认为这是由于氮化铝的作用所致。
K·A·Ланская等〔16〕等报导了熔炼方法对12x1MF钢的奥氏体晶粒度的影响。含铝和氮高的钢,在所有研究的温度区间里其晶粒最细小。奥氏体晶粒细化主要是由于形成了氮化铝,而不是氧化铝,因为含铝为0.052%的钢中氧化铝的数量与含铝0.01%的钢相同。对不同方法熔炼的12x1M于缺乏氮化铝和氮化铝数量不多而使晶粒粗化温度降低。
文献〔17〕研究了热处理对不同铝和氮含量的车轴钢奥氏体晶粒度的影响,发现铝和氮含量较高的钢,经不同预热处理之后再加热到860℃保温1h,930℃保温3h,其实际晶粒度和本质晶粒度均在7级以上。
大部分试验表明,氮化铝是钢中最重要的晶粒长大抑制剂。按照晶粒大小与第二相质点之间的Zener理论〔18〕,晶粒半径R,第二相质点半径r和第二相质点体积百分数f之间满足下列关系:R=4r/3f(1+cosθ)。式中说明,当钢中含有较多的第二相氮化铝质点,且呈弥散均匀分布状态时,就能阻止奥氏体晶粒长大。高酸溶铝含量的钢,氮化铝质点多,对晶界的钉扎作用强,奥氏体晶粒不易长大,粗化温度高。反之,低酸溶铝含量的钢,氮化铝质点少,对晶界的钉扎作用弱,晶粒容易长大,其晶粒粗化温度低。例如文献〔13〕所研究的20Cr2Ni4A钢,酸溶铝含量较高(0.042%),氮化铝数量多,且呈点状(200～300A)或杆状(长100～200A、宽50～100A),均匀弥散分布,使钢的粗化温度达1050℃,而酸溶铝含量低(0.003%)的钢,氮化铝不仅数量少,且颗粒较粗(长1000～1500A、宽300～500A),有严重的偏析,其粗化温度低(850℃),远低于一般气体渗碳温度(930℃)。
很久以来,国内外不少冶金工作者〔5、12、13、14、19、20〕试图从改变钢中氮化铝质点的数量、形态和分布的角度来探讨热处理、热加工、冷加工和加热速度等对奥氏体晶粒度的影响。有理由相信,使氮化铝的析出呈细小弥散状态分布有利于晶粒的细化和晶粒粗化温度的提高。
2 加热速度的影响 钢的奥氏体晶粒度试验中,国家标准未规定试样热处理时的加热速度,试样可以随炉加热(加热速度较慢),也可以到温入炉(加热速度较快)。一般认为快速加热可以细化晶粒,例如En24钢通过多次迅速奥氏体化处理,可使其奥氏体晶粒度由5～6级细化到12～13级,甚至可以获得14.5级的超细晶粒〔16〕。En8钢采用1000℃/s的加热速度加热到800℃～870℃,并在该温度保温0.1s,可得到15级的超细晶粒〔21〕。45钢通过四次急热急冷,可使奥氏体晶粒从原来的6级细化到12级〔22〕。显然,快速加热细化晶粒的一个重要条件是奥氏体在高温下停留时间必须很短,加热速度愈快,高温停留时间愈短,则晶粒愈细小。而奥氏体晶粒度试验中规定,渗碳法试样加热到930℃须在该温度下保温6h,氧化法和晶粒边界腐蚀法试样加热到900℃或860℃须保温1h,因此,加热速度对奥氏体晶粒度的影响与上述情况恰恰相反。
文献〔17〕的作者研究了加热速度对车轴钢奥氏体晶粒度的影响。试样随炉加热(慢速加热)到930℃,不论进行何种预热处理,在930℃等温时奥氏体晶粒均不长大,而到温入炉(快速加热)奥氏体晶粒由7级迅速长大到2级。即使含铝较低(0.0089%)的钢,若采用慢速加热,也可获得6级以上的实际晶粒度(860℃×1h)和本质晶粒度(930℃×3h)。
文献〔18〕的作者采用渗碳法和晶粒边界腐蚀法研究了加热速度对20、20CrMo、40Cr和45钢奥氏体晶粒度的影响。一组试样到温入炉(快加热)。另一组试样700℃入炉,并以50℃/h的加热速度缓慢加热到930℃,慢加热的试样奥氏体晶粒细小均匀,而快加热奥氏体晶粒较前者粗大。
文献〔5〕的作者将12Cr2Ni4A、30CrMnSiA和40CrNiMo等钢试样直接装入930℃炉中作较快速度加热时得到的奥氏体晶粒均为混晶,存在粗大晶粒,而将其700℃入炉并在700℃～930℃间以50℃/h的加热速度较缓慢地加热时,结果得到细小均匀的晶粒。 文献〔13〕的作者研究了加热速度对20Cr2Ni4A钢晶粒长大倾向的影响,试样到温入炉(加热速度为100～120℃/min),奥氏体粗化温度为850℃,随炉加热(10℃/min)则奥氏体粗化温度提高到895℃,若控制加热(1℃/min)即很慢的速度加热,则奥氏体粗化温度可提高到900℃。
文献〔14〕的作者也研究了加热速度对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒长大倾向的影响。采用两种加热速度,一种为快速加热(到温入炉,60℃/min),另一种为慢速加热(2℃/min),均加热到930℃保温3h。对于高酸溶铝含量的钢,快速加热比慢速加热的晶粒粗大,而低酸溶铝含量的钢,由于缺少氮化铝粒子的钉扎作用,不同加热速度对奥氏体晶粒度的影响不明显。
对于快速加热(保温时间较长)降低晶粒粗化温度、奥氏体晶粒粗大、易出现混晶的原因,不少文献的作者作了解释。认为快速加热的特有影响是伴随着由于起始晶粒尺寸的减小而发生的不正常生长的刺激。奥氏体起始晶粒愈细,则晶粒长大倾向愈大,在随后温度升高时,可导致奥氏体晶粒过早地粗化〔21、23〕。快速加热,由于奥氏体晶界尚未平直化,个别晶粒已开始长大,出现奥氏体晶粒大小不均时形成弯曲晶界而提高了晶界的活性,导致晶粒长大〔17〕。快速加热,新旧两相自由能差较大,相变驱动力较大,有利于奥氏体形核,从而形成不均匀的细小的奥氏体起始晶粒,晶界稳定性差,易迁移,从而降低了粗化温度〔13、14〕。例如,20Cr2Ni4A钢到温入炉(100～120℃/min),起始晶粒度为8级,不均匀因子为7.2,而控制加热,加热速度慢(1℃/min),起始晶粒度为7级,不均匀因子为3.5,因而快加热可使奥氏体晶粒粗化温度降低约50℃〔13〕。
如前所述,氮化铝粒子在控制奥氏体晶粒长大中起着重要作用。在不同加热速度下,氮化铝粒子的数量、尺寸、形状和分布都有所不同。慢加热时,第二相氮化铝粒子在低温下有一个比较均匀地形核和充分地析出过程,形成细小的氮化铝粒子大量弥散均匀地分布在基体中,钉扎住晶界,从而抑制晶粒长大而快加热过程中氮化铝相来不及析出,不能有效地阻碍奥氏体晶粒的长大〔14〕。J·Wyszkowki〔21〕计算了氮化铝粒子的数目、尺寸和平均粒子间距,可以大略估计粒子尺寸的均匀性。快速加热时,析出物较粗,较不均匀。粒子尺寸增大时,单位体积中的数目就减少,而间距增大。这些结果可以看成是决定后阶段晶粒长大动力学差异的明显因素。
