一、概念

所谓晶粒度就是指晶粒的大小。它可以用单位体积材料中的晶粒数或单位截面面积内的晶粒数来度量。一种较近似、但较方便的表示方法是将晶粒近似地看成是球形，把各球形晶粒的的平均直径ｄ作为晶粒度的度量。

晶粒度对晶体的各种性能都有影响，而影响最大的是力学性能，特别是对屈服极限的影响。一般来说，晶粒越细，阻碍滑移的晶界便越多（或晶界面积越大），屈服极限也就越高。实验发现大多数金属的屈服极限σs与晶粒度ｄ有以下关系：

σs =σ0 + K d-1/2

式中，σs和K都是常数。这个公式称为Hall-Petch公式。精细的实验表明，具有明显屈服点的金属特别符合上述公式，而没有明显屈服点的面心立方结构金属则不甚符合。

除了屈服极限外，金属的硬度与晶粒度也有一定的关系，例如：

       HV   或     HB=A+B  d-1/4

式中，HV或HB分别是维氏或布氏硬度。A和B是常数。显然这个公式有一个前提，即压痕大于晶粒直径。否则，塑性变形都发生在一个晶粒内部，晶界的影响就不大，因而晶粒度对硬度也就没有多大的影响。

晶粒度对晶体的形变硬化行为也有很大的影响。

二、解释与应用

（1）对于金属的常温力学性能来说，细化晶粒一直是改善多晶体材料的一种有效手段，根据位错理论，晶界是位错运动的障碍，在外力作用下，为了在相邻晶粒产生切变变形，晶界处必须产生足够大的应力集中。细化晶粒可以产生更多的晶界，如果晶界结构未发生变化，则需施加更大的外力才能产生位错塞积，从而使材料强化。同时塑性和韧性也越好。这是因为，晶粒越细，塑性变形也越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，由内应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折，裂纹不易萌生；；晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。

下表列出晶粒大小对纯铁的力学性能影响。由表可见细化晶粒对于提高金属的常温力学性能作用很大，因此，通常总是希望钢铁材料的晶粒越细越好。

（2）高温下晶界在应力作用下会产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动，还可能产生“扩散蠕变”。所以，细晶粒组织的高温强度反而较低，为了降低高温蠕变，一般需要采用具有更高强度的大晶粒金属。但晶粒较大时，它们在材料表层取向不同，变形量差异比较明显，材料表面易出现“桔皮”现象。细化晶粒可减轻桔皮现象发生，但晶粒过细，塑性应变比值会减小，屈强比和屈服伸长都会增大，不利于成形。晶粒较大时，有利于提高材料的塑性应变比，并降低屈强比和屈服伸长。

（3）晶粒度对合金的电阻率影响：金属由自由电子导电，晶粒大，晶界面积小，电子穿过晶界所遇到阻力越小，电阻率就小，反之电阻率越大。单晶的导电传导声音的效果都好，因为没有晶界。

另外，制造电机变压器的硅钢片，就要求晶粒粗大，因为晶粒粗大的硅钢片磁滞损耗较小，电磁效率高。

从上述可看出对于材料晶粒大小的要求，必须根据实际需要而定。

（4）图示，304钢种的晶粒度与机械性能的关系，304钢种的晶粒度一般要求在7-9级之间。

三、影响晶粒度的因素

金属结晶后单位体积中晶粒总数Z与结晶过程中的形核率N(单位时间在单位体积内所形成的晶核数)和成长速率G(单位时间界面向前推进的距离)之间存在如下关系：

N=0.9×（N/G）3/4

上式表明，凡是增大N/G值的方法，都会细化晶粒。

即，细化晶粒的两个途径：一是增加形核率N；二是降低长大速率G  ；

（1）提高冷却速度细化晶粒：

不同过冷度△T对形核率N和成长速率G的影响如图所示。过冷度等于零时，结晶没有发生；过冷度增大，形核率和长大速率都增大，过冷度增大至一定值时，形核率N和长大速率G达到最大值。之后，随过冷度的增大，N和G反而逐渐减小，因过冷度很大，开始结晶温度非常低，造成液态金属中原子扩散困难。

过冷度的大小取决于冷却速度，冷却速度大则过冷度大。

提高金属结晶冷却速度的方法：降低金属液的浇注温度、采用金属模、水冷模、连续浇注等。对于大截面的铸锭或铸件，欲获得大的过冷度是不容易实现的，更难以使整个体积范围内均匀冷却以得到较均匀的晶粒度，因此工业生产中常采用变质处理和振动搅拌等方法来细化晶粒。

（2）变质处理是在液态金属浇注前专门加入可成为非自发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到细化晶粒的目的。通常在钢中加入铝、钒等。铝合金中加入钛、锆等，用于一些大型铸件。

（3）采用机械振动、超声振动和电磁搅拌等方法,使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。