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晶粒度

晶粒度(grain size)是表示晶粒大小的尺度。常用的表示方法有单位体积的晶粒数目(ZV),单位面积内的晶粒数目(ZS)或晶粒的平均线长度(或直径)。

表示晶粒大小的尺度叫晶粒度,常用单位体积(或单位面积)内的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)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12级,1~4级为粗晶粒,5~8级为细晶粒,9~12级为超细晶粒度。

金属结晶时,每个晶粒都是由一个晶核长大而成的,因此晶粒的大小取决于晶核的数目和晶粒长大速度的相对大小。晶核的数目用形核率表示。形核率越大,单位体积中晶核的数目越多,晶粒越细小。长大速度越小,长大过程中形成的晶核批次越多,晶核数目越多,因而晶粒越细小。反之,形核率越小而长大速度越大,则晶粒越粗大。因此晶粒度的大小取决于形核率N和长大速率G之比,比值芸N/G越大,晶粒越细小。

单位体积中的晶粒数目ZV
  ZV=0.9(N/G)3/4

单位面积中的晶粒数目ZS
  ZS=1.1(N/G)1/2

由此可见,可以通过促进形核而抑制长大的措施细化晶粒,反之,抑制形核而促进长大的方法可以粗化晶粒。

1.晶粒度

晶粒大小的度量称为晶粒度。通常用长度、面积、体积或晶粒度级别数等不同方法评定或测定晶粒自
  大小。使用品粒度级别数表示的晶粒度与测量方法和计量单位无关。

2.实际晶粒度

实际晶粒度是指钢在具体热处理或热加工条件下所得到的奥氏体晶粒大小。实际晶粒度基本上反映了钢件实际热处理时或热加工条件下所得到的晶粒大小,直接影响钢冷却后所获得的产物的组织和性能平时所说的晶粒度,如不作特别的说明,一般是指实际晶粒度。

3.本质晶粒度

本质晶粒度是用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度,是一种性能,并非指具体的晶粒。根据奥氏仁晶粒长大倾向的不同,可将钢分为本质粗品粒钢和本质细晶粒钢两类。

测定本质晶粒度的标准方法为:将钢加热到930℃±10℃,保温3h~8h后测定奥氏体晶粒大小,晶米度在1级~4级者为本质粗晶粒钢,晶粒度在5级~8级者为本质细晶粒钢。加热温度对奥氏体晶粒大小的影响见下图。

一般情况下,本质细晶粒钢的晶粒长大倾向小,正常热处理后获得细小的实际晶粒,淬火温度范围较宽,生产上容易掌握,优质碳素钢合金钢都是本质细晶粒钢。本质粗晶粒钢的晶粒长大倾向大,在生产中必须严格控制加热温度。以防过热晶粒粗化。值得注意的是加热温度超过930℃。本质细晶粒钢也可能得到很粗大的奥氏体晶粒。甚至比同温度下本质粗晶粒钢的晶粒还粗。

4.平均晶粒度和双重晶粒度

实际情况下,金属基体内的晶粒不可能完全一样大小,但其晶粒大小的分布在大多情况下呈近似于单一对数正态分布,常规采用“平均晶粒度”表示。对于某些金属在一定的热加工条件下晶粒大小的分布。由于晶粒大小与性能相关,因此正确反映晶粒大小及分布是必需的。

对于晶粒尺寸符合单一对数正态分布的样品,可用GB/T 63942002《金属平均晶粒度测定方法》(等效用ASTM E112标准)测定其平均晶粒度或用ASTM E9301999(2007)测定其最大晶粒度。当晶粒大小呈池形态分别时,则用GB/T 24177 2009《重晶粒度表征与测定方法》(等同采用ASTM E11812002《表双重晶粒度的标准测定方法》)来测定双重晶粒度。

GB/T 63942002规定了钢的晶粒度测定方法。标准规定了在显微镜下测定钢的奥氏体(本质)晶粒度和实际晶粒度的方法。测定钢的奥氏体本质晶粒度是将一定尺寸的试样(一般Φ10~20mm)加热到930℃±10℃,保温一定的时间(一般为3h),用不同的方法达到显示930℃时奥氏体晶界的目的。通常应用的方法有渗碳法,它是利用表面渗碳的方法让奥氏体晶界上析出碳化物网络,然后根据碳化物网络的大小评定晶粒度大小。对于亚共析钢可使用网状铁素体法,它是根据不同冷却速度下使铁素体沿晶界析出呈网状,利用网状铁素体的大小评定奥氏体的晶粒度。对于过共析钢常使用加热缓冷法,将钢样先加热到930℃±10℃,保温3h后降温,冷却至600℃出炉,然后根据碳化物沿奥氏体晶界析出的网络测定钢的晶粒度。另外,根据不同钢种的要求,还有氧化法、晶粒边界腐蚀法、真空法网状珠光体屈氏体)法等。

钢的实际晶粒度是直接在交货状态钢材或零件上切取试样,不经过热处理直接测定。当直接观察难以分辨奥氏体晶粒边界,无法测定晶粒大小时,根据双方协议,试样可经适当热处理后再进行测定。

钢的晶粒度评级图见右图。

在钢铁材料中,常见的就这8个级别,其中1~3号被认为是粗晶粒,4~6号为中等晶粒,7~8号为细晶粒。在过热的情况下可以出现粗于1号的晶粒,它们分别用0号、一1、一2、一3号表示,细于8号的晶粒用9、10、1 1、12表示。

晶粒度检验是借助金相显微镜来测定钢中的实际晶粒度和奥氏体晶粒度。

实际晶粒度是指出厂钢材上截取试样所测得的晶粒大小;奥氏体晶粒度是指将钢加热到一定温度并保温足够时间,钢中奥氏体晶粒大小。晶粒度检验方法有:

(1)渗碳法。将试样在930℃±10℃保温6h,使试样表面获得1mm以上的渗碳层。渗碳后将试样炉冷到下临界温度以下,在渗碳层中的过共析区的奥氏体晶界上析出渗碳体网,经磨制和浸蚀后便显示出奥氏体晶粒边界。这种方法适于渗碳钢。

(2)氧化法。将试样检验面抛光,然后将抛光面朝上放入加热炉中,在860℃±10℃加热1h,然后淬入水中或盐水中,经磨制和浸蚀后便显示出由氧化物沿晶界分布的原奥氏体晶粒形貌。这种方法适用于碳含量为0.35-~0.60-的碳钢和合金钢。

(3)网状铁素体法。将碳含量不大于0.35-的试样在900℃±10℃、碳含量大于0.35-的试样在860℃±10℃加热30min,然后空冷或水冷,经磨制和浸蚀后沿原奥氏体晶界便显示出铁素体网。这种方法适用于碳含量为0.25-~0.60-的碳钢和碳含量为0.25-~0.50-的合金钢

(4)直接淬火法。将碳含量不大于0.35-的试样在900℃±10℃、碳含量大于0.35-的试样在860℃±10℃加热60min,然后淬火,得到马氏体组织,经磨制和浸蚀后显示奥氏体晶界。为了清晰显示晶界,在腐蚀前可在
  550℃±10℃回火1h。这种方法适用于直接淬火硬化钢。

(5)网状渗碳体法。将试样在820℃±10℃加热,保温30min以上,炉冷到下临界点温度以下,使奥氏体晶界上析出渗碳体网。经磨制和浸蚀后显示奥氏体晶粒形貌。这种方法适用于过共析钢。

(6)网状珠光体法。采用适当尺寸的棒状试样,加热到规定的淬火温度,保温后将试样的一端在水中淬火,经磨制和浸蚀后可以看到细珠光体网显示出的奥氏体晶粒形貌。这种方法适用于其他方法不能显示的过共析钢

细化晶粒是提高金属力学性能的重要途径之一,工业生产中常采用以下几种方法。

形核率和长大速率都与过冷度有关,增大结晶时的过冷度,形核率和长大速率均随之增大,但两者的增大速率不同,形核率的增长率高于长大速率的增长率,如图所示。在一般金属结晶的过冷范围内,过冷度越大,N/G的比值越大,晶粒越细小。

增大过冷度的主要措施是提高液态金属的冷却速度,例如在铸造生产中可以采用金属型或石墨型代替砂型、局部增加冷铁、增大金属型的厚度、降低金属型的预热温度、减少涂料层的厚度、采用水冷铸型等措施来提高铸件的冷却速度。

用增大过冷度的方法细化晶粒只对小型或薄壁的铸件有效,对于形状复杂的铸件,往往不允许过大地提高冷却速度。为此,生产上广泛采用变质处理工艺来细化晶粒。

所谓变质处理就是在液态金属中加入孕育剂或变质剂(形核剂),以增加异质核心的数量,促进非自发形核的进行,从而细化晶粒和改善组织。在生产中常采用高熔点的固体微粒作为形核剂。例如,在铝合金液体中加入钛、锆,在钢液中加入等,都可使晶粒细化。在铸铁中加入硅铁或硅钙合金能使组织中的石墨变细。还有一类变质剂,虽不能提供结晶核心,但能附着在晶体的结晶前沿,起到阻止晶粒长大的作用,因此又称为长大抑制剂。例如,在铝硅合金中加入钠盐,使钠在硅的表面富集,降低硅的长大速度,阻碍粗大硅晶体的形成,便能获得细化的合金组织(见下图)。

对即将凝固的金属进行振动或搅拌,一方面可以从外界输入能量促进晶核提前形成,另一方面可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎,以增加晶核数目。达到细化品粒的目的。

进行振动或搅拌的方法很多,目前已采取的方法有机械搅拌、电磁搅拌、音频振动及超声波振动等。利用机械或电磁感应法搅动液穴中的液态金属。增加了液态金属与冷凝壳的热交换,使液穴中液态金属温度降低,过冷度增大,同时破碎了结晶前沿的骨架,出现大量可作为结晶核心的枝晶碎块,从而使晶粒细化。超声波具有独特的声学效果,在金属或合金的凝固过程中,如果施加超声波振动,铸锭的凝固组织就会从粗大的柱状品变成均匀细小的等轴晶,同时铸锭的宏观偏析及微观偏析也得到了改善。超声波振动可在液相中产生空化作用,形成空隙,当这些空隙崩溃时,液体迅速补充,液体流动的动量很大。产生很高的压力。当压力增加时,凝固的合金熔点温度也要增加,从而提高了凝同过冷度,造成形核率的提高,使晶粒细化。同时超声波振动还会使枝晶破断,进而成为多而细小的晶核。

单位面积中晶粒的数量与晶粒的尺寸有关,晶粒的大小对金属的拉伸强度、韧性、塑性等机械性质有决定性的影响。因此,晶粒的计数在金相分析中具有相当重要的意义。

所谓填充剔除计数法,就是根据行或列扫描图像,当第一次碰到一个物体(白色)时,计数器加一,且将该物体填充为别的颜色(黑色),以后再扫描到该物体时,扫描程序不再将其当作物体,即该物体在一次计数后就被剔除,从而保证了该物体被计数一次。

由于细化后的晶界是八连通的网状线条,因此,应用填充剔除计数法时,必须注意选用四连通的方式填充晶粒。

金属晶粒的尺寸(或晶粒度)对其在室温及高温下的机械性质有决定性的影响,晶粒尺寸的细化也被作为钢的热处理中最重要的强化途径之一。因此,在金属性能分析中,晶粒尺寸的估算显得十分重要。

晶粒度是晶粒大小的量度。通常使用长度、面积或体积来表示不同方法的评定或测定晶粒大小。而使用晶粒度级别指数表示晶粒度与测量方法使用单位无关。

晶粒度级别数G (grain-size number)

晶粒度级别数G可以分为两类:

1、显微晶粒度级别数G micro-grain size number G

在100倍下645.16平方毫米面积内包含的晶粒个数N与G有如下关系:

N=2G-1

2、宏观晶粒度级别数Gm micro-grain size number Gm

在1倍下645.16平方毫米面积内包含的晶粒个数N与G有如下关系:

N=2Gm-1

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