金属平均晶粒度

摘要：本文主要介绍了标准GB/T 6394-2002金属平均晶粒度测定方法,简述了比较法、面积法、截点法三种晶粒度评判方法。并结合平时工作经验简述一些常见金属的平均晶粒度显示方法，以及实际应用中改善晶粒大小从而改善材料力学性能的手段。

关键词：金属平均晶粒度；比较法；面积法；截点法；

前言

晶粒度是指晶粒大小的量度。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别来表示不同方法评定或测定的晶粒大小，而使用晶粒度级别数表示的晶粒度与测量方式和计量单位无关。一般情况下晶粒越细小力学性能也很好，，因为晶粒越小，晶界越多。晶界处的晶体排列顺序是嫉妒不规则的，晶面犬牙交错，相互咬合，因而加强了金属间的结合力。 一般来说，晶粒越细小，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性也越好，通常情况下，材料晶粒越细越好。但有些情况下，反而晶粒越粗大越好。材料的晶粒度很大程度的影响着材料的力学性能，在实际生产中可以通过热处理等方法改变晶粒度从而改变金属材料的性能。

1 金属平均晶粒度测定方法  

1.1 取样 

测定晶粒度用的试样应在交货状态材料上切取。试样的数量及取样部位按相应的标准或技术条件规定。必要时，有代表性的表面应该与客户协商确定，标明在图上或用适当的标记标明在样品上。切割时，镀层及基体应保证其原有完整性，避免测试部位及导致样品受到损伤。

1.1.2 切取试样应避开剪切、加热影响的区域。不能使用有改变晶粒结构的方法切取试样。

1.1.2 晶粒度的试样不允许重复热处理。

1.1.3 渗碳层处理用的钢材试样应去除脱碳层和氧化层。

1.2 研磨、抛光

研磨应依次用180#、800#、1200#、2400#砂纸研磨样品直到磨至检测位置。研磨通常使用的转速为200~300rpm，在进行不同目数砂纸研磨时样品应旋转90度，将上一道的粗磨痕完全去除掉。抛光依次用6 μm、3μm、0.05um抛光盘以及对应的抛光液进行抛光。

1.3 浸蚀

为使晶粒显现出来，需用适当的腐蚀液浸蚀。有些材料的晶界难以清晰的显现出来，需反复抛光反复腐蚀。如图1所示为本人做过的一种刀头产品，材料为20CrNiMo，腐蚀液为煮沸的饱和苦味酸溶液，经过十几次的反复腐蚀反复抛光，才让其晶界显示出来，在饱和的苦味酸溶液中需加入1-2ml洗洁精，洗洁精在这里起到了缓冲剂的作用，有利于晶界的显示。反复抛光的过程中需采用软，滑的抛光布，以免破坏晶界,并需反复在显微镜下进行观察。

图1

1.4晶粒度测定方法

1.4.1 比较法

比较法不需计算晶粒、截点和截距。与标准系列评级图进行比较，评级图为标准挂图或目镜插片。用比较法评估晶粒度时一般存在一定的偏差(±0.5级)。评估值的重现性与再现性通常为±1级。比较法适用于评定具有等轴晶粒的再结晶材料或铸态材料。

1.4.2 面积法

面积法是计算已知面积内晶粒个数，利用单位面积晶粒数来确定晶粒度级别数G，该方法通过合理计数可实现±0.25级的精确度。面积法的测定结果是无偏差的，重现性小于±0.5级。

面积法在显微图片或毛玻璃屏幕上显示的金相图片上刻画一个已知面积的圆或矩形（一般5000mm2的面积比较方便计算)，选择一个至少能截获50个晶粒的放大倍数。图像调好焦后，计算落在给定面积内的晶粒个数。在使用选定的放大倍数下，给定面积内的晶粒个数包括完全落在给定面积内的晶粒个数和与给定面积图形相交截的晶粒个数的二分之一，将总晶粒个数乘以JEFFRIES乘数f，乘积就是每平方毫米面积内的晶粒数，计算3个区域的平均值。放大X倍每平方毫米面积内晶粒数，由以下公式计算出：

为了能够获得测试环内晶粒的数目和测试环上相交的晶粒数目，有必要用油笔或钢笔在模板上的晶粒做记号。在测量环中晶粒的数目不能超过100，否则计算会变得复杂且不准确。经验表明选择一个倍数使视野中包含50个晶粒左右为最佳。由于面积法需要在晶粒上做记号以获得准确的计数，所以面积法比截点法效率低。

1.4.3 截点法

截点法是我们运用最广，最高效的测试方法。截点法测平均晶粒度是通过计算一条或更多条至少能获得50个截点长度的直线与晶粒的截点数获得的。选择合适的测量线长度和放大倍数，以至保证检测视场内包含要求的截点数，并能使检测视场内的晶粒度级别数非常接近标准晶粒度级别数。为了获得合理的平均值，应任意选择3~5个视场进行测量。如果这一平均值的精度不满足要求时，应增加足够的附加视场，获得要求的精确度。如图2所示为截点法测晶粒度的的演示。截距与截点数的比值即晶粒间的平均截距，再对照GB/T 6394-2002中的评级表便可进行晶粒度评级。

图2

2 影响金属平均晶粒度的因素

在生产工艺中经常为了得到更好的晶粒组织会加入合金元，采取一些如热处理等方法来改善晶粒的大小，从而改变金属平均晶粒度的值。例如,铝中加人少量锰可显著提高铝的晶粒大小,但加人锌和铜时,加入量即使较大,影响也较微弱.这与锰生成阻碍晶界迁移的弥散质点MnA1有关。一般来说晶粒都会随退火温度的增高而粗化,这是因为实际退火时都已发展到晶粒长大阶段,这种粗化实质上是晶粒长大的结果.退火温度愈高,再结晶完成所需时间愈短,在相同保温时间下,晶粒长大时间更长,高温下晶粒长大速率也愈快,因而最终得到粗大的晶粒。 回火的时间也会很大程度上影响金属晶粒的大小，一般来说回火时间不宜太长，如图3，图4所示为本人在测试中接触的一种牌号为SUS436L的铁素体不锈钢，图3位850℃ 回火3秒的晶粒图，图4为850℃ 回火10秒的晶粒图。很明显回火时间为10秒的组织晶粒更加粗大。

图3

图4

3 总结

金属平均晶粒度测试在生产生活中具有重要意义，也是检验金属材料力学性能的理论支撑。通过金属平均晶粒度的测定也可以较为准确的判断生产中的热处理工艺，强化效果是否达到理想效果。在平时测试中，我们需认真学习晶粒度测试的相关标准，改善测试方法，减小误差，理论与实践相结合，要经常将测试结果与理论和生产相联系，做到测试高效、准确。

4 参考文件

ASTM E112-2012 平均晶粒度测定的标准方法

GB/T 6394-2002 金属平均晶粒度测定方法

YS/T 347-2004 铜及铜合金平均晶粒度测定方法

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