奥氏体晶粒长大及其控制11级

3.4奥氏体晶粒长大及其控制2026/4/221

3.4.1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，材料的屈服强度σs与晶粒直径d符合Hall-Petch公式：σs=σ0+Kd

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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。2026/4/222举例：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。例如：

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1150MPa提高到1420MPa,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200MPa提高到550MPa。

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（淬火低温回火状态）从HRC63.5提高到HRC65。

2026/4/2233.4.2奥氏体晶粒度

1.奥氏体晶粒度概念和评定方法奥氏体晶粒的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。将钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。0级以下为超粗晶粒，8级以上超细晶粒。钢中八级奥氏体晶粒度标准图谱2026/4/224钢中八级奥氏体晶粒度标准图谱2026/4/225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其中n表示放大100倍时，1平方英寸（645.16㎜2）上的晶粒数。（GB6394－86）n越大，N越大，晶粒越细。n0=2N+3其中n0表示放大1倍时，1平方毫米上的晶粒数。2026/4/2262026/4/227

2.奥氏体起始晶粒度、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奥氏体晶粒度称为起始晶粒度。

②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。冷却开始时奥氏体晶粒度称为实际晶粒度。

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3.本质晶粒度在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。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都为本质粗晶粒钢。

2026/4/229钢的本质晶粒度对热处理工艺的影响2026/4/22102.4.3奥氏体晶粒长大

一.长大现象在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，奥氏体晶粒不断长大，称为正常长大。图中曲线1。在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，奥氏体晶粒长大不明显，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，图中曲线2。2026/4/22111.奥氏体晶粒长大驱动力奥氏体晶粒的长大是通过晶界的迁移而进行的，晶界迁移的驱动力来自奥氏体晶界迁移后体系总的自由能的降低，即界面能的降低。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可见：r↓，△P↑；r=∞，△P=0。

二.奥氏体晶粒长大机理即晶粒半径越小，长大驱动力越大。曲率中心所在的界面凹侧晶粒，不断被界面凸侧晶粒所吞食而缩小。当半径无穷大或为平直界面时，驱动力为零，晶界变的稳定

。

2026/4/2212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，一个粒子可使奥氏体A晶界面积减少

r2(r

为小粒子半径)。当晶界在驱动力作用下移动时，将使奥氏体晶界与这些粒子脱离从而使奥氏体晶界面积增大，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：

2.第二相颗粒对晶界的钉扎作用

氧化物颗粒对晶界的钉扎的TEM照片

2026/4/2213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Fmax为：

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。

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3.正常长大奥氏体晶粒正常长大时，晶界在驱动力F推动下匀速前进，则等温时间τ时的平均晶粒直径：奥氏体晶粒等温生长的公式：奥氏体晶界的迁移为一扩散过程，温度越高，原子活动能力越强，扩散速度越快，晶界的迁移速度也越快。由经典力学可导出：

可见随温度升高，奥氏体晶粒将不断长大，温度越高，长大速度越快。2026/4/2215

4.异常长大(1)异常长大的原因由于温度升高，阻止晶粒长大的难溶第二相颗粒(碳氮化合物)发生聚集长大或溶解于奥氏体，使阻力F=0，而此时驱动力P却很大，失去了抑制晶粒生长的作用，故奥氏体晶粒急剧长大。

(2)异常长大的特点

长大到一定程度不在长大；在长大过程中出现晶粒大小极不均匀的现象，称为“混晶”。混晶造成的晶粒大小不均匀，会形成更大粗晶粒。0.008N%-0.019%Ti钢在1200℃保温120min时形成的混晶组织

2026/4/22163.4.4影响A晶粒长大的因素

奥氏体晶粒长大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奥氏体晶粒长大。

凡提高扩散的因素，如温度、时间，均能加快奥氏体长大。第二相颗粒体积分数f

增大，线度r减小，均能阻止奥氏体长大。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，减弱奥氏体长大。主要在于以下几方面：加热温度和保温时间、加热速度、钢的化学成分(碳和合金元素及含量)、冶炼方法(脱氧剂)、原始组织。2026/4/2217

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，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。

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。2026/4/22182.加热速度加热速度快，奥氏体起始晶粒越细。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。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。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/μm2

炉内加热0.0382560282540883030感应加热200870281000900292026/4/2219

3.钢的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。碳含量对奥氏体晶粒长大的影响

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4.钢的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。析出颗粒对黄铜晶界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸/μmNb、Ti对奥氏体晶粒的影响2026/4/2221

5.钢的冶炼方法：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。

2026/4/22226.原始组织主要影响奥氏体的起始晶粒。平衡状态的组织有利于获得细晶粒。原始组织越细，起始晶粒越细小。但晶粒长大倾向大，即过热敏感性增大，不可采用过高的加热温度和长时间保温，宜采用快速加热、短时保温的工艺方法。珠光体奥氏体2026/4/2223

奥氏体晶粒大小的控制影响奥氏体长大在于三个方面：

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。奥氏体晶粒大小的控制方法：

①利用Al脱氧，形成AlN质点，细化晶粒，得到细晶粒钢。

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采用预备热处理工艺。2026/4/2224本节小结本节主要介绍：