什么是混晶？

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，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

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，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，你是不是依然很疑惑呢？

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。同时，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。

轧制的过程相当于锻造和挤压过程。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，然后再精加工，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，那么它的直径变成了多少？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，随着外力到来，大家就像橡皮筋一样被拉扯，生存空间被挤压，只能随着外力变细，不断变细。原来是一堆土豆，现在变成了一束麦子。在这个过程中，大家还是相安无事，没有太多的事情发生，甚至你会惊奇的发现，晶粒度超级好。从土豆粗细，变成麦秆大小，确实细了不少。但是我们要擦亮眼睛，不要被表象迷惑。

4、热处理：

热处理作为中间工序，看不见摸不着，不能即时检测，过程中无法调整，只能通过过程控制和最终检验确定产品状态。前边的所有工序所产生的问题都在热处理集中爆发了。热处理的渗碳、淬火工艺，都要求加热到钢材的奥氏体化温度以上才能进行。这就不得不将工件加热到AC3温度以上进行作业，在这个过程中，发生了很多奇妙的转变。体心立方的铁素体晶格转变为面心立方的奥氏体晶格，溶碳量增加，合金元素融入量增加，合金元素的扩散等等都在这个过程要发生。晶粒之间的界限也会被打破，重新结晶，原始晶粒要发生变化，晶粒要重组。

晶粒重组的过程，说的简单点就是比拼能量的过程，有点恃强凌弱的意思。就比如我们目前的国际形势一样，高科技、核武器、作战能力等决定了国家的大小，能力越强国家越大，能力越小，国家越容易分裂。合金元素所形成的碳化物就像一个一个据点一样，扎在这些国家当中，阻碍晶粒的长大，而另外一方面，在合金元素稀少的地方，所到之处，所向披靡，版图不断扩大，晶粒逐渐长大。

为了保证产品的变形尺寸，加热温度不能太高，就会导致合金元素的扩散行为受到牵制，加热温度太低，不能满足奥氏体化，就会导致相变无法进行，所以热处理的加热问题属于中温加热，大大受到制约。

一般情况下，渗碳温度在900-940℃左右，淬火温度一般在AC3温度以上30-50℃进行。这些都是教科书上留下的数据。那现在就讨论一下在这个温度下，1、2、3可能会给我们带来什么后果。

a、合金元素的偏析的影响：

随着奥氏体化的进行，存在不同区域的合金元素含量不同，会导致这些区域的奥氏体化温度高低不同，在工件达到同样温度的前提下，有的区域已经开始了奥氏体的转变，有些区域还在准备过程中；有的区域已经奥氏体转变完了，有的区域还没有结束，这就势必导致那些先转变为奥氏体的区域的晶粒不断长大，而那些还没有转变完了的区域的晶粒细小。如果此时终止奥氏体化，快速冷却，就会产生大小晶粒的并存，严重的话就会产生混晶。

合金元素当中大多数元素都会阻碍晶粒长大：如V、Ti、Nb等；有合金元素会减慢奥氏体形成速度，如Cr、Mo、W等；这样的元素会影响晶粒度变大，起到细化晶粒的作用。同时也有少数元素会促进晶粒长大：如Mn、P等。如果这些元素在钢材中偏析严重，就可能发生混晶。

b 、轧制过程和锻造过程以及冷加工过程的形变的影响：

这个过程中晶粒受到拉扯和挤压导致的晶粒变形，使得原本的晶界虽然存在，但是能量降低。

随着加热温度上升，到了钢材本身的再结晶温度的时候，晶粒就会重组。此时合金元素的能量越来越大，两个相邻的细条状的晶粒。原本只能在晶粒内活动的元素，突破两个晶界之间变得更加容易，他们就会走捷径，两个细条状晶粒就会在极短时间内合并形成一个大晶粒。随着加热温度和加热时间的变化，这些晶粒不断的长大，直到没有能量再去突破晶界的约束的时候才会停下来，此时已经形成了很多的大晶粒。这样的形变晶粒并不是所有的都会产生这种情况，只有当达到临界变形的晶粒才会长大，这样还存在一些正常的晶粒，于是就产生了混晶。

C、温度的影响：

锻造过程、热处理过程温度和时间的影响对于晶粒的影响也非常大。当温度较高时候，保温时间较长的情况下，晶粒也会长大。这个温度根据材质而定，不同的材质的极限温度不同。

热处理的温度一般比较固定，常规渗碳温度一般不会超过950℃，这个温度下，大多数的本质细晶粒钢不会发生较大变化。但是也不排除参数错误或者温度不准确导致的超温，而使钢材发生晶粒粗大。

锻造超温发生的晶粒粗大，一般会在锻造后的金相中发现魏氏组织。可以通过多次正火来消除魏氏组织。从本质上来讲，温度造成的晶粒变化，可以通过正火来弥补。但是现实中如果出现魏氏组织，一般不建议使用。

小结：

综上所述，混晶产生的最重要的原因就是元素偏析，并且在后续的过程中很难通过热处理方法来消除。

其次，就是能够产生形变的每一道工序，需要注意晶粒的大小，纯粹的因为形变导致的晶粒度混晶，是可以通过热处理工艺来进行改善的。如果晶粒已经长大，并且状态稳定，合金元素已经在晶界上析出的，处理起来也会比较麻烦。