奥氏体晶粒长大及其影响因素

奥氏体（Austenite）是钢铁的一种层片状的显微组织，[1]通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或ɣ-Fe。

奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀（William Chandler Roberts-Austen）。

奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。

奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳。

[2]组成成分编辑奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。

在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。

经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。

铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。

当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni、Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。

[2]晶体结构编辑奥氏体为面心立方结构，碳氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。

假如每一个八面体的中心各容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为50%（摩尔分数），相当于质量分数约20%。

实际上碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%（质量分数），这是由于ˠ-Fe的八面体间隙的半径仅为0.052nm，比碳原子的半径0.086nm小。

碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变，溶入越多，畸变越大，晶格将不稳定，因此不是所有的八面体间隙中心都能溶入一个碳原子，溶解度是有限的。

碳原子溶入奥氏体中，使奥氏体晶格点阵发生均匀对等的膨胀，点阵常数随着碳含量的增加而增大。

大多数合金元素如Mn.Cr.Ni.Co.Si等，在ˠ-Fe中取代Fe原子的位置而形成置换固溶体。

替换原子在奥氏体中的溶解度各不相同，有的可无限溶解，有的溶解度甚微。

少数元素，如硼仅存在于浸提缺陷处，如晶界、位错等。

[3]主要性能编辑奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的体积质量比钢中铁素体、马氏体等相的体积质量小。

0.222 0.157 0.111 0.0783 0.0553 0.0391 0.0267 0.0196 0.0138 0.0098
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起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体 的晶粒大小。 实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体 晶粒的大小。 本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃ 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。
加热速度愈大，过热度就愈大，即奥氏体实际形成温度就愈高，奥氏体的形核率与长大速度之比值I/G增大（表9.1），所以快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒。而且，加热速度愈快，奥氏体起始晶粒就愈细小。
*
表9.1 奥氏体的形核率I、长大速度G 与温度的关系
转变温度 （℃）
形核率I （1/mm3·s）
*
（2）晶界推移阻力
图9.12 晶界移动时与第二相粒子的交互作用示意图
1
2
*
在第二相粒子附近的晶界发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能升高。弥散析出的第二相粒子愈细小，粒子附近晶界的弯曲曲率就愈大，晶界面积的增大就愈多，因此界面能的增大也就愈多。这个使系统自由能增加的过程是不可能自发进行的。所以，沉淀析出的第二相粒子的存在是晶界推移的阻力。
9.1.4 奥氏体晶粒长大 及其控制
1．奥氏体晶粒度 2．奥氏体晶粒长大原理 3．影响奥氏体晶粒长大的因素
奥氏体化的目的是获得成分均匀和一定晶粒大小的奥氏体组织。多数情况下希望获得细小的奥氏体晶粒，有时也需要得到较大的奥氏体晶粒。因此，为获得所期望的奥氏体晶粒尺度，必须了解奥氏体晶粒的长大规律，掌握控制奥氏体晶粒度的方法。
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（4）合金元素的影响
钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、Al、Ta等，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。上述合金元素在钢中形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的NbC、NbN、Nb(C,N)、TiC等化合物，它们弥散分布于奥氏体基体中，阻碍晶粒长大，从而保持细小的奥氏体晶粒。

第二章
钢中奥氏体的形成
1
2.1 奥氏体及其形成条件
2.1.1 奥氏体的组织结构
奥氏体是碳溶于g-Fe所形成的固溶体。碳原子位于 g-Fe八面体间隙的中心，即面心立方点阵晶胞的中心或 棱边的中点。
如果所有的八面体中心均能容纳入一个碳原子，奥 氏体的极限含碳量是多少?为什么?
g-Fe 八面体间隙的半径仅为0.052nm，小于C原子 的半径 0.077nm。
1.0 1.5 碳含量/w%
2.0
图2.2 奥氏体点阵参数与碳含量的关系
4
组织形态：
• 与原始组织、加热速度以及加热转变的程度等有 关；
• 一般均为颗粒状；
• 非平衡态的含碳较低的钢以较低的速度加热到（a + g）两相区时可以得到针状奥氏体 ； • 加热转变刚结束时所得的颗粒状奥氏体晶粒比较 细小，晶粒边界呈不规则弧形。经过一段时间高温 保温后，奥氏体晶粒将长大，晶粒边界将通过平直 化而变直，呈等轴多边形。有的奥氏体晶粒内还可 能存在孪晶。
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250mm
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250mm
250mm
NiTi合金不同功率密度条件下激光重熔处理熔池截面形貌
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17-4PH钢激光熔凝层截面宏观组织
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2.3.1.2 线长大速度u
可由扩散定律导出奥氏体形成时的相界面推移速度为
dC 1 u - KDc dx CB
g
式中，K为常数，Dcg 为碳在奥氏体中的扩散系数， dC dx 为相界面处奥氏体中碳的浓度梯度，ΔCB 为奥 氏体与铁素体的相界面处或奥氏体与渗碳体的相界面 处的两相浓度差，负号表示下坡扩散。 由此可推出在780℃ ：
（4）热强性好：奥氏体钢可作为高温用钢 。

影响奥氏体晶粒长大的因素
5.含碳量的影响(有临界值) 随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散 速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。 当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了
残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大
倾向减小。
获得细小而均匀的奥氏体晶粒是 保证热处理产品质量的关键！影响奥氏体晶粒长大的因素
1.加热温度 加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体 晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热 温度范围。 2.保温时间 随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保 温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢，且不 会无限制地长大下去。
冶炼和脱氧条件冶炼时用铝脱氧或加入nbzrvti等强碳化物形成元素形成难溶的碳化物颗粒阻止奥氏体晶粒长大在一定温度下晶粒不易长大
奥氏体晶粒对钢室温组织、性能的影响
1.组织的影响 奥氏体晶粒越小，转变后的组织越小。 2.性能的影响 细小的晶粒，其强度、塑性与韧性都较高， 反之，粗大的奥氏体晶粒，冷却后仍获得粗晶 粒组织，是钢的力学性能降低。
影响奥氏体晶粒长大的因素
3.加热速度 加热速度越快，奥氏体化的实际温度愈高，奥氏体 的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产 中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。
4.冶炼和脱氧条件 冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化 物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒 长大，在一定温度下晶粒不易长大。