1 什么是晶粒度
先说定义,对任何一个事物的理解需要先理清楚概念定义,然后才能谈应用,确保表达者和倾听者在同一个思想框架下交流沟通,在材料知识的学习上,概念不清,根基不稳,分析事物就会泛泛而谈抓不住重点,看似每句话都对,实则逻辑不清,证据链不能闭环,经不起推敲。
晶粒度顾名思义就是晶粒大小的量度,使用晶粒度级别数表示晶粒的大小,数字越大,晶粒越小,也就是晶粒越细小。例如GB/T 6394-2017中晶粒度级别数从00级到14级共计30个级别,00级晶粒最粗大,14级晶粒最细小。

9级晶粒度照片
当我们谈到晶粒度时,生产上最常用的就是调质钢的奥氏体晶粒度,例如35CrMo产品的晶粒度,渗碳钢18CrNiMo7-6渗碳后的渗碳层和心部晶粒度等等。在材料学中,根据Hall-Petch公式,晶粒越小,材料的强度越高,同时,细化晶粒是可以同时提高材料强度和塑性的有效方法,所以在生产实践中,除了高温下工作的材料以外,通常都会要求产品的奥氏体晶粒度不低于5级,以保证足够的强度和韧性以及疲劳性能。对于高温下工作的零件,一般会要求不低于2级,比如718镍基合金在API 6A 中就要求晶粒度不低于2级。晶粒较粗时,晶界总面积减少,有利于材料在高温下表现出足够的高温强度。
3 为什么是平均晶粒度
GB/T 6394,ISO 643, ASTM E112测定的都是平均晶粒度,是在一个二维平面(或称为截面、检验面)上做的评价,因为金属组织是由不同尺寸和形状的三维晶粒“堆积”而成,所以通过该组织的任一截面(检验面)上晶粒的大小会从最大直径到零之间变化,因此检验面上不可能是尺寸均匀一致的晶粒,但是当三维晶粒大小差不多时,切出来的检验面上的晶粒尺寸应该是符合正态分布的,就是大小随机分布,看起来比较和谐。这种情况下通过平均晶粒度来评价晶粒尺寸是合适的。但是当三维晶粒出现大小不均匀时,则二维面上的晶粒大小就不会符合正态分布特征,也就是出现了混晶,这种情况,就需要用到另外的标准来评价。

混晶照片-非正态分布
4 如何评定晶粒度测定平均晶粒度的基本方法有三种,分别是比较法,面积法和截点法。比较法是将样品的晶粒照片与标准系列评级图进行比较,重复性和再现性通常为±1级。面积法是计数已知面积内晶粒的个数进行评级,重复性和再现性通常小于±0.5级。截点法是计数已知长度的试验线段与晶粒截线或与晶界截点的个数,重复性和再现性通常小于±0.5级,在达到同样精确度的同时,截点法比面积法更节省时间。有争议时,以截点法为仲裁方法。
5 如何形成与显示晶粒
晶粒度需要先形成,后显示,再评价,常遇到的晶粒度包括铁素体钢的铁素体晶粒度,奥氏体钢的奥氏体晶粒度,以及铁素体钢的原奥氏体晶粒度,听起来是不是有点拗口,接下来一一详细说明。
5.1 铁素体钢的铁素体晶粒度,例如20钢的显微组织为铁素体,直接浸蚀后显示铁素体晶界,直接评价即可,相对简单。
5.2 奥氏体钢的奥氏体晶粒度,例如304不锈钢一般都是在固溶热处理后使用,该状态下对应的显微组织就是奥氏体,经电解腐蚀后可清晰显示奥氏体晶界,然后再评价,不需要多余的步骤。
5.3 铁素体钢的原奥氏体晶粒度,较为复杂,作为重点进行说明,如果看标准看的不够深入,实践经验不足,容易造成理解偏差,例如42CrMo材料一般都是在调质状态下使用,当拿到实验室之后,我们通过什么方法检验其晶粒度,是直接浸蚀还是需要做热处理之后进行检测?
先说明为什么是原奥氏体晶粒度,何为原奥氏体?这里我的理解是相对冷却状态下没有奥氏体而言的,比如42CrMo材料在调质后得到回火索氏体,正常情况在室温下是不存在奥氏体的,但是材料在淬火加热奥氏体化过程中材料中已存在奥氏体晶界,后续的淬火马氏体是在每个奥氏体晶粒内生成生长的,在室温下,奥氏体晶界仍然存在,只是需要使用不同的腐蚀剂来显示。在冷状态下检验高温状态的奥氏体晶粒,所以此处称为原奥氏体晶粒。
GB/ISO/ASTM中形成原奥氏体晶粒度的主要方法有渗碳法,氧化法,淬硬法等。
篇幅有限,还是以42CrMo材料为例说明,当实验室拿到一个晶粒度检测需求之后,需要先了解送检材料的热处理状态和客户的检测目的,如果送检状态是正火状态,那么是需要通过标准中形成奥氏体的方法来先形成原奥氏体晶界,然后再显示奥氏体晶界来进行评级,例如通过常用的加热氧化法来形成原奥氏体晶界。如果送检状态本身就是调质后的状态,原奥氏体晶界已经存在,客户此时检测的目的也是为了控制产品出厂的性能,这时候就不需要也不应该再加热形成奥氏体晶界了,否则就不能准确反映产品的实际出厂性能了。这一点尤为重要。很多实验室不管三七二十一,都用氧化法做晶粒度是值得商榷的。
最后还需要说明的一点也非常关键,需要再次提醒说明,GB/T 6394, ISO 643, ASTM E112评价的平均晶粒度是有适用范围的,都是适用于当晶粒度是正态分布时才能使用,切记不要理解成任何大小的晶粒度都能被平均,当晶粒度不是正态分布比如出现混晶时,就不宜再只给出平均晶粒度来表示晶粒度结果了,而需要评价双重晶粒度,之后会另外再写一篇混晶的晶粒度评价文章进行详细说明。
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