混晶起因及其产生的影响.docxVIP

一个热处理“患者”在工作过程中，发生了断裂失效问题，经过“医生”的检查发现原来是因为混晶的存在。

其实在机械制造行业当中，热处理工序过后金相观察时，经常会发现混晶现象。让热处理工作者感到非常担忧。今天我们就来聊一聊混晶问题。

一、什么是混晶

混晶，顾名思义，就是晶粒度大小不一的混杂在一起。晶粒度是表征金属材料韧性好坏一个指标；晶粒度级别越高，材料韧性越高；反之韧性越差。如果在高级别晶粒的区域中混入低级别的晶粒，就会拉低金属材料整体的性能；低级别晶粒所占比例越大，材料的整体性能越不稳定。

一般情况下，我们把相差3-4级晶粒度的晶粒同时出现在组织当中的情况，就认为发生了混晶。当大晶粒所占比例超过10%时，我们就不得不重视大晶粒可能造成机械零件的早期失效。

混晶所产生的不稳定因素，让我们无法预知机械零件可能在什么时候失效。所以混晶对于我们热处理工作者来讲，是非常不愿意看到的。

混晶金相图片如下图所示：

二、混晶的起因：

作为热处理工作十几年的技术人员，不敢高谈阔论。只是通过这些年的积累，把我所认为的可能产生混晶的起因分享一下，不当之处还请大家指教！

我认为混晶产生的根本原因有两个大类：

A、合金元素偏析（合金元素分布不均匀）

B、临界变形度（钢铁发生了变形，晶粒发生变化）

围绕这两个原因，我们从钢材冶炼开始谈起：

1、钢材冶炼：

我们都知道钢材冶炼过程，就是用铁矿石和各种原料经过复杂工艺最终冶炼成钢水，然后浇铸形成钢锭。钢水的形成过程钢厂是最专业的，并且作为液相的钢水来讲，均匀程度自然不在话下，所以此处不做评价。我们只说钢水冷凝成为钢锭的过程。

钢锭偏析是我们最为常见的一种偏析形式。用通俗的话来讲，钢锭产生偏析原因很简单，就是合金元素在凝固过程中，容易先凝固，而合金元素少的地方会稍后凝固；这样就造成了合金元素的分布不均匀的现象。最典型的金相组织是枝晶偏析。还有一些杂质，夹渣随着钢液的翻滚冷却过程，也会在特定的位置聚集。

偏析最大的问题就是会导致合金元素的分布不均匀。也就是说会导致碳、铬、镍、钼、铝等等合金元素的分布不均匀。这些元素的分布不均匀就会形成一个个相对独立的小区域，这个区域内有着不同的化学成分。严重一点说，每一个区域都是一个钢种。

在这个阶段，我们仅仅看到了这样的晶粒，还和混晶说不上。大家不要着急，我慢慢解释。

2、钢材轧制：

从钢锭到钢材出厂，需要一个过程，这个过程就是轧制。钢锭变成我们需要的棒材、板材、线材、型钢等等，需要对钢锭再加热，然后经过N道轧制，最终满足我们的需求。

轧制前一般会对钢材进行扩散退火，扩散退火的目的就是为了让钢材合金元素均匀化，就是我在1中提到的，凝固过程中合金元素的偏聚导致了成分不均匀，这样的钢材会有很大的问题，所以通过扩散退火，温度在1200℃左右，这时候合金元素活性增加，活动范围加大，会在钢铁内部做扩散运动，也就是从浓度高的地方跑到浓度低的地方，这样就可以提升钢材的均匀性了。同时，我还是要强调，毕竟这个钢铁还是固体的，没有变成液相，虽然合金元素发生了移动，只是对钢材均匀性进行了改善，不能达到完全消除的目的。

轧制的过程就相当于我们锻造和挤压的过程。在这个过程中，钢材经受了加热、锻打、挤压、降温、再结晶、退火、再挤压等等工序；原始钢材的一些缺陷在这个过程中被逐步缩小，合金元素的偏聚程度也逐步降低。

如果这个两个过程是完美的，那么就不存在后边的问题了。但是现实是残酷的。

为了节约费用、降低成本，钢厂在这两个环节会提高生产效率，就有可能会扩散退火温度不足、时间不足；轧制过程省去退火工序、加大锻造比等等手段来提升生产效率。这样一来，原材料的缺陷有可能会被掩盖，但是没有根除，甚至在轧制过程中会越演越烈。这个变化，我们在3中讲述原因。

3、变形问题（锻造、挤压）：

机械加工厂拿到钢材以后，形状结构复杂的一般情况下会采用热锻造、冷挤压的方式，让工件预成型，然后在精加工，热处理，磨削最后做成成品。那么在这个过程中，问题来了。

其实加热锻造和2所讲的钢材轧制是一个道理，只是设备不同，压缩比不同，产品结构不同而已。冷挤压是在不加热的情况下，利用钢材本身的韧性产生塑性变形来成型的工艺。这两个工艺都牵扯了一个问题那就是塑性变形。

我们知道金属的韧性就是指他的形变能力，通俗的说就是拉伸或者压缩的能力，能够被拉伸的越长说明韧性越好，能够压缩的越短，说明韧性越好。在拉伸或者压缩的过程中，晶粒发生了什么变化呢？我们想想一下橡皮筋。一开始橡皮筋的直径是10mm的话，如果你拉伸了长度的10倍，那么他的直径变成了多少？肯定不是1mm，但是为了说明问题，大家都知道他会变细，继续拉，他会更细，直到你拉断他。

金属的变形就是晶粒发生变化的过程。没有发生形变以前的晶粒虽然形状不规则，但是大家还都相安无事，基本上是以团状存在，大家搂在一起还