奧氏體晶粒

奧氏體晶粒(austenite grain)

鋼在奧氏體化時所得到的晶粒。此時的晶粒尺寸稱為奧氏體晶粒度。

奧氏體晶粒有起始晶粒、實際晶粒和本質晶粒3種不同的概念。

(1)起始晶粒。指加熱時奧氏體轉變過程剛剛結束時的晶粒，此時的晶粒尺寸稱為奧氏體起始晶粒度。

(2)實際晶粒。指在熱處理時某一具體加熱條件下最終所得的奧氏體晶粒，其尺寸大小即為奧氏體實際晶粒度。

(3)本質晶粒。指各種鋼加熱時奧氏體晶粒長大的傾向，晶粒容易長大的稱本質粗晶粒，晶粒不易長大的稱本質細晶粒。通常在實際金屬熱處理條件下所得到的奧氏體晶粒大小，即為該條件下的實際晶粒度，而一系列實際晶粒度的測得即表示出該鋼材的本質晶粒度。據中國原冶金工業部標準YB27—77規定，測定奧氏體本質晶粒度是將鋼加熱到930℃，保溫3～8h後進行。因此溫度略高於一般熱處理加熱溫度，而相當於鋼的滲碳溫度，經此正常處理后，奧氏體晶粒不過分長大者，即稱此鋼為本質細晶粒鋼。

絕大部分鋼的奧氏體只是在高溫下才是穩定的。因此欲測定奧氏體晶粒就得設法將高溫狀態奧氏體輪廓的痕迹在室溫下顯示出來，常用的顯示奧氏體晶粒的方法可歸納為滲入外來元素法、化學試劑腐蝕法和控制冷卻速度法3種。

(1)滲入外來元素法。如滲碳法和氧化法，是利用奧氏體晶界優先形成滲碳體和氧化亞鐵等組成物，形成網路顯示出奧氏體輪廓。滲碳法一般適用於不高於0.3%c的滲碳鋼和含不高於0.6%c而含碳化物元素較多的其他類型鋼。氧化法卻適用於任何結構鋼和工具鋼。

(2)化學試劑腐蝕法。鋼材經不同溫度的淬火一回火處理后，磨光並用飽和苦味酸水溶液和新潔爾滅幾滴浸蝕能抑制馬氏體組織，促使奧氏體晶界的顯示。或者直接用鹽酸1～5mL、苦味酸(飽和的)和乙醇浸蝕，使馬氏體直接顯示出來，利用馬氏體深淺不同和顏色的差異而顯示出奧氏體的晶粒大小，此法適用於合金化程度高的能直接淬硬的鋼。

(3)控制冷卻速度法。低碳鋼、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼可控制冷卻速度使鋼的奧氏體周圍先共析析出網狀鐵素體、網狀滲碳體，或使屈氏體沿晶界少量析出以顯示出奧氏體晶粒。

測定奧氏體晶粒度常用比較法和統計法。比較法測定奧氏體晶粒度是根據YB27—77級別圖與之相比較。標準晶粒度分8級，1～4級屬粗晶粒，5～8級屬細晶粒，8級以上的10～13級為超細晶粒。此法均在100倍顯微鏡下觀察。晶粒度級別N與晶粒大小之間符合n=2或n’=2的關係，式中n為在放大100倍下觀察時，每6.45mm視野中的平均晶粒數；n’為實際每1mm面積中平均晶粒數。若出現過粗或過細晶粒，需在50倍或大於100倍的顯微鏡下觀察進行換算。表1為換算為100倍的晶粒度表。統計法實際為測定晶粒的平均直徑法。表2為晶粒度與其他晶粒大小表示法的比較。

①為了避免在晶粒號前出現“—”號，有人把—3、—2、—1等晶粒號改為0000、000、00號。

首先，奧氏體起始晶粒度取決於形核率N和長大速度G的比值N/G，此值愈大，奧氏體起始晶粒就愈小。其次，在起始晶粒形成之後，鋼的實際晶粒則取決於奧氏體在繼續保溫或升溫過程中的長大傾向，而奧氏體晶粒長大傾向又與起始晶粒的大小、均勻性以及晶界能有關。晶粒大小愈不均勻、曲率半徑愈小、表面彎曲度愈大，則界面能愈大，晶粒長大的傾向性就愈大。

此外，奧氏體的實際晶粒度還受加熱溫度、保溫時間、鋼的成分以及第二相顆粒的大小、多少、性質、原始組織和加熱速度等的影響。

(1)加熱速度和保溫時間的影響。晶粒長大和原子的擴散密切相關，溫度愈高，相應的保溫時間愈長，原子的活動能力愈大，擴散愈容易進行，奧氏體晶粒亦將愈粗大。

(2)加熱速度的影響。加熱速度實質上是過熱度問題，過熱度愈大，即成核率與成長速度之比越大，將獲得細小的起始晶粒。雖然如此，但高溫下奧氏體晶粒極易長大，因此，在高溫下不能有長的保溫時間。

(3)鋼中含碳量的影響。在鋼中含碳量不足以形成未溶解的碳化物時，含碳量增高，奧氏體的晶粒容易長大而粗化。當形成未溶解的二次滲碳體時，因奧氏體晶粒長大受第二相的阻礙作用，使奧氏體晶粒長大的傾向反而減小。

(4)脫氧劑及合金化元素的影響。用鋁脫氧的鋼，晶粒長大的傾向小，屬本質細晶粒鋼。這是因為鋼中含有大量難溶的六方點陣結構的A1N、機械地阻礙奧氏體長大。用硅和錳脫氧的鋼，晶粒長大的傾向大，一般屬於本質粗晶粒鋼。其他合金元素按阻礙奧氏體晶粒長大程度的不同，可以分為：有強烈阻礙晶粒長大作用的，如鈮、鋯、鈦、鉭、釩和鋁等；有中等阻礙作用的，如鎢、鉬和鉻等；稍有阻礙或無阻礙作用的，如銅、鎳、鈷和硅等；有增大晶粒長大傾向的，如碳(指溶入奧氏體中的)、磷、錳等。

(5)原始組織的影響。鋼的原始組織愈細、碳化物分散度愈大，所得到的奧氏體起始晶粒愈細小。但從晶粒長大的原理可知，起始晶粒愈細小，則鋼的晶粒長大傾向性愈大，即鋼的過熱敏感性增大，生產上難於控制。所以原始組織極細的鋼，不可用過高的加熱溫度和長的保溫時間，而宜採用快速加熱、短時保溫的熱處理工藝。

晶粒度的作用加熱時所得到的奧氏體實際晶粒的大小，對冷卻后鋼的組織和性能有很大的影響。一般地說，粗大的奧氏體實際晶粒往往導致冷卻后獲得粗大的組織，而粗大的組織又往往相應地具有較低的塑性和韌性。就衝擊韌性而言，普通碳鋼和低合金鋼的奧氏體晶粒度每細化一級，衝擊韌性值能提高19.6～39.2J/cm，同時冷脆轉化溫度可降低10℃以上。因此，在熱處理時應嚴格控制奧氏體晶粒大小，以獲得良好的綜合性能。

細化晶粒已成為強化金屬材料的重要手段之一。通過多次反覆奧氏體化處理，或用交變冷變形及在(α+γ)兩相區退火等方法，獲得超細化奧氏體晶粒，可以同時提高鋼的強度和韌性。特別是低溫下使用的高強度合金，經此類處理后可使其斷裂韌性大幅度提高，例如將40crNiMo鋼的奧氏體晶粒度由5～6級細化到12～13級時，其KIc值可由1.382kPa·m。(138.2×10N/cm)提高到2.607kPa·m(260.7×10N/cm)。