钢的晶粒大小对其机械性能有何影响？

aaron01

大家随便聊聊：
有什么影响，为什么会有这些影响？

upposition

一般来说，细晶强化是同时对提高强度和塑性唯一的方式。机理不清楚，请说说。

所以因为

晶粒粗大对各项机械性能指标是否都会引起下降？

upposition

所以因为 发表于 2013-7-4 16:51
晶粒粗大对各项机械性能指标是否都会引起下降？

这个不一定，有些调质钢，由于晶粒粗大，奥氏体均匀，回火后碳化物弥散析出，使得强度上升

所以因为

upposition 发表于 2013-7-4 16:57
这个不一定，有些调质钢，由于晶粒粗大，奥氏体均匀，回火后碳化物弥散析出，使得强度上升 ...

这个晶粒粗大是在什么范围？

孤鸿踏雪

　　　晶粒度是表示金属材料晶粒大小的程度，它由单位面积内内所包含的晶粒个数来度量，也可用直接测量晶粒平均直径大小（用毫米或微米）来表示。晶粒度级别越高，说明单位面积中包含晶粒个数越多，也就是说晶粒越细。
　　　金属材料或零件的晶粒大小和形状，随材料或零件的加工工艺过程不同可在很大的范围内变化，而不同大小的晶粒对机械性能及理化性能有很大影响，所以在生产实践中往往要控制晶粒大小。
        晶粒大小对机械性能及理化性能的影响
　　  生产实践中对于很多钢种，无论在锻造或热处理之后一般不要求检查晶粒度（有些重要零件除外）。因此，容易形成一种错觉，好像晶粒度在零件生产中并不十分重要。其实不然，这是因为从冶炼到成品的整个工艺过程，都采用了细化晶粒的措施。例如，采用Al、Ti等脱氧，或在钢中加入一些能细化晶粒的元素等等，从材料本身保证获得了细晶粒；锻后采用了细化晶粒的正火（或退火）工序，或者进行调质处理进一步细化晶粒。因此，除特殊情况外，各工序之间不安排晶粒度检查。但如果忽略对晶粒度的控制，则产品质量将受到一定程度，甚至严重的不良影响。例如：某厂用45Mn2钢生产的三连环，技术要求环的整体拉断力不小于22吨。但有一批三连环仅能达到14~15吨。分析结果表明，是由于热锻时过热引起粗大经历并出现严重的魏氏组织所致。后来采用正火处理，得到了正常化的细晶组织，性能合格（见实例14）。
　　　18Cr2Ni4WA钢锻件严重过热（产生粗大奥氏体晶粒），出现石状断口时，αk值从10kgf·m/cm²以上骤降至5kgf·m/cm²。
　　　某厂生产的一批铝合金锻件，由于晶粒粗大导致性能不合格而报废（详见实例118）。在锻件上取拉力试样，结果发现凡是抗拉强度不合格的断口均有粗大晶粒。
　　　一般情况下，随着晶粒细化，可以提高金属材料的屈服强度、疲劳强度、塑性和冲击韧性，降低钢的脆性转变温度。因为晶粒越细，晶粒空间取向越多，晶界总长度越长，位错移动时阻力越大，所以能提高强度和韧性。因此，一般要求强度和硬度高、韧性好的结构钢、工模具钢及有色金属，总希望获得细晶粒。
　　　工业纯铁（铁素体）晶粒大小对机械性能有明显影响，随着铁素体晶粒细化，强度与塑性不断提高。
　　　根据研究认为：钢的强度与晶粒平均直径的平方根的倒数成直线关系。其数学表达式为：σ=σ0+Kd-1/2
　　　σ——钢的强度（kgf/mm²），σ0——常数，相当于钢单晶时的的强度（kgf/mm²），K——系数，与材料性质有关，d——晶粒的平均直径（mm）。
　　　实验证明，将合金结构钢的奥氏体晶粒度从9级超细化到15级后，屈服强度（调质状态）从115kgf/mm²提高到142kgf/mm²，并使脆性转变温度从-50℃降到-150℃。将低碳钢的铁素体晶粒度从8级超细化至16级后，屈服强度（退火状态）从20kgf/mm²提高到55kgf/mm²。将碳素工具钢的奥氏体晶粒度从8级超细化到15级后，其硬度（低温回火状态）从63.5HRC提高到65HRC。
　　　晶粒度对钢的冷脆性转变温度有很大影响。粗晶粒钢的冷脆性转变温度较细晶粒钢高，在转变温度下的断裂应力也低。如0.12％C的合金钢经930℃淬火、650℃回火后，晶粒的线尺寸24μm时，20℃的冲击值为20.6kgf·m/cm²，直到-60℃仍保持韧性断口，并且冲击值为18.0kgf·m/cm²，至-80℃时才出现脆性断口，冲击值降到2kgf·m/cm²。同样成分的钢经1100℃退火后，晶粒的线尺寸为78μm，在20℃下即出现脆性断口，并且冲击值只有2.40kgf·m/cm²，到+80℃才恢复韧性断口，但冲击值也只有16kgf·m/cm²，，仍低于上述细晶在-60℃时的水平。
　　　粗晶粒中碳钢的冷脆转变温度较细晶粒的钢高出40℃。
　　　晶粒大小对化学性能的影响以1Cr18Ni9Ti不锈钢为例，粗晶粒钢比细晶粒钢晶界腐蚀敏感性大。
　　　一般说来，粗晶粒使晶界腐蚀的程度加深，抗应力腐蚀能力下降，但重量损失较少，因为粗晶粒比细晶粒晶界少。
　　　但是，也不应该过分强调细晶粒。实际上在很多情况下，在一定范围内晶粒粗大对强度极限（σb、σs等）影响不明显，而对冲击韧性却比较敏感。在有些情况下，晶粒适当大些对某些性能有其有利的一面。例如，对软磁材料（硅钢片等），为了减少磁损及提高导磁率时反而希望晶粒粗大。当该材料在每一平方毫米上具有80~100个晶粒时，则矫顽力为0.50~0.60奥斯特，而在每一平方毫米上的晶粒数降至1~10个（即晶粒粗大）和杂质含量大致相同的情况下，其矫顽力则为0.20~0.30奥斯特。
　　　工业纯铁在仪表生产中作为导磁体。室温下纯铁的晶粒尺寸对最大导磁率是晶粒越大μ最大也越大。
对于高温合金、奥氏体钢，从要求高的持久强度考虑，希望经理略微粗大一些。因为晶粒变粗说明晶界总长度减少，对以沿晶界粘性滑动而产生变形或破坏形式的持久和蠕变性能而言，晶粒粗化则意味着这一类性能提高。但考虑到疲劳性能，又希望晶粒细一点，所以对这类耐热材料，一般取适中晶粒为宜。从GH135晶粒度对疲劳性能和持久等影响来看，晶粒度从4~6级细化到7~9级时，室温疲劳强度从29kgf/mm²提高到40kgf/mm²；在700℃下疲劳强度从40kgf/mm²提高到59kgf/mm²。因为在多数情况下大晶粒试样疲劳断口的疲劳条痕间距较宽，说明疲劳裂纹发展速度较快；而疲劳裂纹在细晶粒内向前推进时，不但受到相邻晶粒的限制，同时从一个晶粒到另一个晶粒还要改变方向，这些可能都是细晶粒能提高疲劳强度的的原因。但晶粒细化后持久强度下降，蠕变速度增加。例如，晶粒度从5级细化到7级时，在700℃下100小时的持久强度从45kgf/mm²下降到37kgf/mm²；当晶粒度由4~5级细化到10~11级时700℃、4.40kgf/mm²下的最小蠕变速度增加了25~100倍，持久寿命缩短到原来的十分之一。

aaron01

晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。如下图所示是一个只包含两个晶粒的试样经受拉伸时的变形情况。由图可见，试样在晶界附近不易发生变形，出现了所谓的“竹节”现象。这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移。很显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。这就是说的细晶强化作用！

aaron01

细晶粒的多晶体不仅强度较高，而且塑性和韧性也较好。
因为晶粒越细，在同样变形条件下，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，而不致过分集中在少数晶粒上，使其变形严重。另一方面，晶粒越细，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂纹的传播，从而在其断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，表现出较好的塑性和韧性。

upposition

所以因为 发表于 2013-7-4 17:01
这个晶粒粗大是在什么范围？

请看图

aaron01

upposition 发表于 2013-7-5 09:21
请看图

这个图是说，晶粒越小，强度越低吗？
然后晶粒大到某一尺寸的以后，晶粒继续增大，强度不再增加？
那我们以后都去拿粗晶好啦。

upposition

aaron01 发表于 2013-7-5 09:29
这个图是说，晶粒越小，强度越低吗？
然后晶粒大到某一尺寸的以后，晶粒继续增大，强度不再增加？
那我们 ...

这个数据与我们常说的是不一样。
但这是别人做出来的实验数据。
具体可参考金属热处理1988年第十期里面的 奥氏体晶粒大小对30CrMnSiA 调质状态机械性能的影响

aaron01

upposition 发表于 2013-7-5 09:43
这个数据与我们常说的是不一样。
但这是别人做出来的实验数据。
具体可参考金属热处理1988年第十期里面的 ...

我不信这样的数据，不知道是不是有什么前提，或者是作者搞错什么东西了，你想想如果晶粒大到0级，或者比0级还大10倍，强度会高吗？
粗晶易断是有无数实例证明过的，易断的东西，强度自然就不会高。

吉祥如意

upposition 发表于 2013-7-5 09:43
这个数据与我们常说的是不一样。
但这是别人做出来的实验数据。
具体可参考金属热处理1988年第十期里面的 ...

请蓝虎把原文给铁匠传上来。

upposition

aaron01 发表于 2013-7-5 09:49
我不信这样的数据，不知道是不是有什么前提，或者是作者搞错什么东西了，你想想如果晶粒大到0级，或者比0 ...

对，这里作者的结论是有前提的。也就是晶界强化占主导因素。而作者说的这种现象的造成是由于弥散强化作用占了主导。

upposition

吉祥如意 发表于 2013-7-5 09:58
请蓝虎把原文给铁匠传上来。

原文下载：1988年第十期
http://www.rclhome.net/forum.php ... =1001&extra=&page=3

aaron01

upposition 发表于 2013-7-5 10:03
对，这里作者的结论是有前提的。也就是晶界强化占主导因素。而作者说的这种现象的造成是由于弥散强化作用 ...

我觉得这个作者水平不怎么样，毕竟是论文，不是教科书，出错很正常。
他干脆说靠碳化物强化得了。怎么讨论奥氏体晶粒度会扯到回火上去，奥氏体晶粒度和析出多少碳化物有关系吗？

吉祥如意

upposition 发表于 2013-7-5 10:07
原文下载：1988年第十期
http://www.rclhome.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1001&extra=&page=3 ...

你对此问题是如何看待的。娃娃有点偏面性。想和铁匠唱对台戏。

upposition

吉祥如意 发表于 2013-7-5 10:10
你对此问题是如何看待的。娃娃有点偏面性。想和铁匠唱对台戏。

看了全文，实验数据自己没做过，不敢否定。作者至少能自园其说，我保持中立，

所以因为

aaron01 发表于 2013-7-5 09:29
这个图是说，晶粒越小，强度越低吗？
然后晶粒大到某一尺寸的以后，晶粒继续增大，强度不再增加？
那我们 ...

我也会“情不自禁”这样想

吉祥如意

upposition 发表于 2013-7-5 10:12
看了全文，实验数据自己没做过，不敢否定。作者至少能自园其说，我保持中立，
...

看来只能自己解放自己了。
中立派人数不少呀。
铁匠又是多数派。
漏洞先生是否也改行了？
提个问题：
超低碳钢适当的晶粒度比较细晶粒的工件，其塑性指标要高，如收缩率和延伸率。证明，非晶粒越细，综合性能越好。

upposition

aaron01 发表于 2013-7-5 10:08
我觉得这个作者水平不怎么样，毕竟是论文，不是教科书，出错很正常。
他干脆说靠碳化物强化得了。怎么讨论 ...

其实是这么回事
我们是在讨论晶粒大小对机械性能的影响
但很多方面会影响机械性能。
讨论这个问题的前提是晶粒度大小改变，其它影响机械性能的因素不变
但问题是你晶粒度大小改变了，能保证影响机械性能的其它因素不会改变呢？

aaron01

upposition 发表于 2013-7-5 10:37
其实是这么回事
我们是在讨论晶粒大小对机械性能的影响
但很多方面会影响机械性能。

那倒也是，这个研究是不好做。
刚才看完了那个论文，他的数据是带前提的，就是调质态零件的状态下测机械性能。
另外，他的数据也表明了，粗晶的话，塑性和韧性下降了很多。

沉默处理

孤鸿踏雪 发表于 2013-7-4 17:15
　　　晶粒度是表示金属材料晶粒大小的程度，它由单位面积内内所包含的晶粒个数来度量，也可用直接测量晶粒 ...

学习了，非常好，感谢老前辈！

找漏洞

这个论文写的不能说好也不能说不好~很多前提被限制的情况下~
个人认为此论文只能看看没有任何参考作用~也有前提没被限制分析的作者后面带了个可能的口气
题目首先要对晶粒或机械性能的一方做个限定，范围太宽，容易混淆~

街角风铃

孤鸿踏雪 发表于 2013-7-4 17:15
　　　晶粒度是表示金属材料晶粒大小的程度，它由单位面积内内所包含的晶粒个数来度量，也可用直接测量晶粒 ...

杨工你好，我有些资料上写的“石状断口一般对应过烧组织呢，过热是萘状断口”

孤鸿踏雪

街角风铃 发表于 2013-7-7 15:47
杨工你好，我有些资料上写的“石状断口一般对应过烧组织呢，过热是萘状断口” ...

         石状断口
         这类缺陷在断口上表现为无金属光泽、浅灰色、有棱角、类似碎石块状，轻微时只有少数几个，严重时可布满整个断口。
         石状断口表征：钢件已严重过热或已经发生过烧，使钢的塑性及韧性大大降低，特别是韧性降低尤为显著。钢件一旦出现石状断口，通常无法挽救。
         萘状断口
         这种缺陷的特征是，断口上有弱金属的亮点或小平面，由于各个晶粒位向不同，这些小平面闪耀着荼晶体般的光泽。
         这种缺陷在结构钢和高速钢的断口上均可见到。高速钢中典型的萘状断口常常是因为工件多次重复淬火，其间又未经退火而造成的，结构钢中的萘状断口是由于钢加热时温度过高或高温保温时间太长而导致晶粒长大而引起的。

街角风铃

孤鸿踏雪 发表于 2013-7-7 16:34
石状断口
         这类缺陷在断口上表现为无金属光泽、浅灰色、有棱角、类似碎石块状，轻微时只有少数 ...

这么说来
1.韧性大幅下降或出现石状断口，基本就可断定是严重过热甚至过烧了，没得救了；
2.轻微过热还可以拯救；
3.“工件多次重复淬火”，我们公司好像规定淬火次数不能超过两次，这是为什么呢？
请杨工赐教！

孤鸿踏雪

街角风铃 发表于 2013-7-7 18:40
这么说来
1.韧性大幅下降或出现石状断口，基本就可断定是严重过热甚至过烧了，没得救了；
2.轻微过热还可 ...

建议看看这个http://www.rclhome.net/forum.php ... =3277&fromuid=8帖子