2.2.6 奥氏体晶粒长大及其控制
奥氏体晶粒大小对冷却转变过程及其所获得的组织与性能有很大影响。因此，了解奥氏体晶粒长大的规律及控制奥氏体晶粒大小的方法，对于热处理实践具有重要意义。
2.2.6.1 奥氏体晶粒度
奥氏体晶粒大小可以用晶粒度表示，晶粒度级别与晶粒大小的关系
（2-37）
式中，n为放大100倍时，视场中1in2（1in=2.54cm，下同）面积内的晶粒数，个/in2；N为奥氏体晶粒度级别。
一般将1～4级称为粗晶粒（晶粒平均直径为0.25～0.088mm），5～8级称为细晶粒（晶粒平均直径为0.062～0.022mm），8级以上为超细晶粒。随着控制轧制、控制冷却工艺的发展，已经很容易获得11～12级超细晶粒钢（晶粒平均直径小于10μm），向奥氏体晶粒细化使钢铁材料的性能得到大幅度提高。
为了便于进行生产检验，国家标准GB/T 6394—2017备有标准评级图，可将显微镜下观察到的组织或拍摄的照片与标准评级对比，即可确定奥氏体晶粒度。这种方法简便易行，在生产中广为采用。
奥氏体晶粒度有三种：
（1）起始晶粒度——奥氏体形成过程刚结束时的晶粒度。
（2）实际晶粒度——热处理加热终了时的晶粒度。
（3）本质晶粒度——在（930±10）℃、保温3～8h下测定的奥氏体晶粒度。本质晶粒度为5～8级者称为本质细晶粒钢，而本质晶粒度为1～4级者称为本质粗晶粒钢。
本质晶粒度表示钢在一定的条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，因钢种及冶炼方法的不同而异。应注意，本质晶粒度不同于实际晶粒度，如本质细晶粒钢被加热到950℃以上的高温时也可得到十分粗大的奥氏体实际晶粒。相反，本质粗晶粒钢加热温度略高于临界点时也可得到细小的奥氏体晶粒。图2-39示出这两种钢不同的奥氏体晶粒的长大倾向。由图可见，本质细晶粒钢在930～950℃以下加热时，晶粒长大倾向很小，所以其淬火加热温度范围较宽，生产上易于掌握。这种钢也可以在930℃渗碳后直接淬火。但是，对本质粗晶粒钢必须严格控制加热温度，以防止过热而引起奥氏体晶粒粗大。
图2-39 两种不同钢种奥氏体晶粒长大的倾向
奥氏体起始晶粒大小决定于奥氏体的形核率N和线生长速度v，其关系可用下式表示：
（2-38）
式中，n为1mm2面积内的晶粒数。
由式（2-38）可知，N/v值越大，则n越大，晶粒越细小。
奥氏体实际晶粒度既取决于钢材的本质晶粒度，又与实际加热条件有关。一般来说，在一定的加热速度下，加热温度越高，保温时间越长，越容易得到粗大的奥氏体晶粒。
2.2.6.2 影响奥氏体晶粒长大的因素
奥氏体晶粒形成后将进一步长大。长大的一般规律是大晶粒吞并周围的小晶粒而使总的晶界面积减小。由界面能减小提供的长大驱动力与晶界曲率半径和界面能大小有关。晶界曲率半径越小（晶粒越细），界面能越大，则奥氏体晶粒长大驱动力越大，即晶粒长大的倾向性越强。分布在晶界上的未溶粒子则对晶界起钉扎作用，阻止晶界移动。由此可见，晶粒长大过程受加热速度，加热温度，保温时间，钢的成分，未熔粒子的性质、数量、大小和分布以及原始组织等因素影响。
（1）加热温度和保温时间的影响。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒就越粗大（图2-40）。由图可见，在每一个加热温度的加热和保温过程中都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长大到一定的大小后，长大趋势将减缓，直至停止长大。
图2-40 奥氏体晶粒大小与加热速度、保温时间的关系（wC为0.48%，wMg为0.82%的钢）
奥氏体晶粒平均长大速度
（晶粒平均直径随时间的变化率）与晶界迁移速率及晶粒长大驱动力（总晶界能σ）成正比，与晶粒平均直径
成反比，即
（2-39）
式中，K'为常数；k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；ΔGm为扩散激活能。
由式（2-39）可见，随加热温度升高，奥氏体晶粒长大速度成指数关系迅速增大。同时，晶粒越细小，界面能越高，晶粒长大速度越大。当晶粒长大到一定限度时，由于增大，σ减小，而使降低，即长大速度减慢。
由图2-40还可以看出，为控制奥氏体晶粒大小，必须同时控制加热温度和保温时间。低温下保温时间的影响较小，高温下保温时间的影响增大。因此，加热温度高时，保温时间应相应缩短，这样才能得到较为细小的奥氏体晶粒。
（2）加热速度的影响。加热速度越大，奥氏体形成温度越高，奥氏体形核率与长大速度之比随之增大（见表2-2），因此快速加热时可以获得细小的起始晶粒度。加热速度越快，奥氏体起始晶粒度越细小（图2-41）。所以，快速加热，短时间保温可以获得细小的奥氏体晶粒。但如长时间保温，由于奥氏体起始晶粒细小，加之加热温度高，奥氏体晶粒很容易长大。
图2-41 奥氏体晶粒大小与加热速度的关系
（3）碳含量的影响。加热温度及保温时间一定时，奥氏体晶粒的大小在一定范围内随钢中碳含量的增加而增大，之后又随碳含量的增加而减小，出现极大值。极大值与加热温度有关，900℃wC为1.2%，1000℃wC为1.4%，1100℃wC为1.6%，1200℃wC为1.25%，1300℃wC为1.2%（图2-42）。这是因为钢中碳含量增加时，C原子在奥氏体中的扩散系数及Fe的自扩散系数均增大，故奥氏体晶粒长大倾向增大。但当超过一定碳含量时，由于出现了能阻止奥氏体晶粒长大的二次渗碳体，故随钢中碳含量的增加，二次渗碳体数量增多，阻止奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒度等级增加。通常，过共析钢在Ac1～Accm之间加热时，可以保持较为细小的晶粒，而在相同的加热温度下，共析钢的晶粒长大倾向最大，这是因为共析钢的奥氏体中没有未溶二次渗碳体。
图2-42 钢中碳含量对奥氏体晶粒长大的影响（保温时间均为3h）
（4）合金元素的影响。钢中加入适量的能形成难溶化合物的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等都能强烈阻止奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著提高（图2-43）。上述元素都是强碳、氮化合物形成元素，在钢中能形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的NbC、NbN、Nb（C、N）、TiC等化合物，有效阻止晶粒长大。能形成较易溶解的碳化物的合金元素，如W、Mo、Cr等也能阻止奥氏体晶粒长大，但其影响程度为中等。不形成化合物的合金元素，如Si和Ni对奥氏体晶粒长大影响很小，Cu几乎没有影响。另外，Mn、P、C、O含量，在一定限度以下可增加奥氏体晶粒长大倾向。
图2-43 Tr、Zr、Nb、V、Al对奥氏体晶粒粗化温度的影响
能阻止奥氏体晶粒长大的未溶粒子所提供的阻力与溶粒子所占的体积分数以及奥氏体晶界的界面能成正比，与未溶粒子的半径成反比，亦即未溶粒子数量越多，粒子越细，提供的阻力越大。而曲面晶界提供的推动奥氏体晶界移动的推力决定于界面曲率半径。随奥氏体晶粒长大，晶界曲率半径不断增加，推力逐渐降低，当降到与未溶粒子提供的阻力相等时，晶界停止移动，亦即停止长大。当加热温度超过未溶粒子发生溶解的温度后，由于粒子的消失，奥氏体晶粒将迅速长大，如图2-39所示。
实际上，本质细晶粒钢和本质粗晶粒钢的差异就在于炼钢时采用了不同的脱氧方法。用Al脱氧时，由于Al能形成大量难溶的弥散分布的具有六方点阵结构的AlN，能阻止奥氏体晶粒长大，为本质细晶粒钢；用Si、Mn脱氧时，因为不形成弥散分布的难溶粒子，所以奥氏体晶粒长大倾向大，为本质粗晶粒钢。在钢中加入少量Nb、V、Ti，就是为了形成难溶的能阻止奥氏体晶粒长大的碳化物。
2.2.6.3 钢在加热时的过热现象
钢在热处理时，由于加热不当（如加热温度过高或保温时间过长）而引起奥氏体实际晶粒粗大，以至于在随后淬火或正火时得到十分粗大的组织，从而使钢的力学性能显著恶化（如冲击韧性下降，断口呈粗晶状等）的现象称为过热。钢过热后不仅使性能下降，而且在淬火时极易发生变形和开裂，因此，在热处理生产中不允许有过热现象发生。一旦由于加热不当，发生了过热现象，必须进行返修，即重新加热到正常加热温度，以获得新的细小的奥氏体晶粒，然后冷却。过热不严重时，只需进行一次正火即可消除过热组织，使钢的性能得到恢复，使断口细化。但实践表明，钢在过热后，只有在冷却过程中转变为珠光体时，才可以用一次重新加热奥氏体化来消除过热。如果过热的奥氏体在冷却过程中转变成马氏体等非平衡组织，则很难用上述方法消除过热。