34CrNi3MoV钢具有良好的综合力学性能，可用来制造火炮的管身、高压釜等构件。但其生产过程中由于热加工、热处理工艺不当容易造成混晶或粗大晶粒，这将降低材料的力学性能，特别是韧性。本文研究了34CrNi3MoV钢高压釜在生产过程中晶粒的长大过程，分析了混晶的形成原因并制定了相应的消除措施。
1、试验用钢及方法
试验用钢采用内蒙古北方重工集团特殊钢厂生产的34CrNi3MoV钢，经过冶炼、锻造成大型锻件，其化学成分如表1所示。
取样进行热处理工艺试验，应用金相显微镜和Quanta400型环境扫描电子显微镜分析组织结构变化，并且与现场实际生产试验相结合，研究确定科学合理的工艺规范。
2、生产工艺及混晶组织
34CrNi3MoV钢大锻件，直径为Φ335ｍｍ，长为6530mｍ。生产工艺路线为：炼钢(VD)→铸锭→锻造→正火→去氢退火→粗加工→正火→调质→精加工，工艺流程如图1所示。
去氢退火后进行机械加工，最终热处理为正火＋调质处理。调质后进行金相检验，发现调质处理后的晶粒度不均匀，有混晶现象，如图2所示，晶粒度级别为：3～4级粗晶粒约占70％，8级约占30％。由于混晶，各项力学性能指标均不能满足使用要求。
3、生产过程中出现的混晶及粗大组织
为找出最终热处理后出现混晶的原因，本试验结合生产工艺过程，利用金相分析法对每一步工艺处理的试样（12ｍｍ×8ｍｍ×8ｍｍ）进行晶粒度测定（定量法）及组织观察和分析。
由于34CrNi3MoV钢在去氢退火前要进行锻造加工。在实际锻压生产中停锻温度多在950℃以上，锻后空冷，冷却速度较慢，晶粒较为粗大且不均匀，在中温贝氏体区等温停留（如图1的第1阶段）得到贝氏体＋马氏体＋少量残留奥氏体的整合组织。对这种粗大的非平衡组织加热奥氏体化，然后在860℃进行重结晶（如图1的第3段），加热时间较长，由于组织遗传，新形成的奥氏体晶粒会继承原始粗大的晶粒，此时，粗大的奥氏体晶粒空冷到350℃（见图1的第5段），目的是正火细化晶粒。但是，由于该钢属于贝氏体钢，在350℃等温时，粗大的奥氏体晶粒经过空冷，得到了粗大的贝氏体组织，再重新加热到640℃保温脱氢（如图1的第7段）。
虽然氢的含量可以降低到1.8×10-4以下，不会产生白点，但组织仍然较为粗大，而且还保留着贝氏体条片的方向性，贝氏体铁素体并没有再结晶，金相观察确认为回火托氏体组织，如图3所示。
去氢退火后，粗加工，最终进行调质处理。在调质处理之前进行一次正火，目的是细化晶粒，但是实际上这次正火没有达到细化组织的目的。因为以这种粗大的托氏体组织加热奥氏体化，在890℃进行重结晶，加热时间又很长，新形成的奥氏体晶粒继承了原始的粗大组织。由于该钢属于贝氏体钢，粗大的奥氏体晶粒经过正火，发生了组织遗传。以此种有序的方向性明显的粗晶组织进行奥氏体化，然后空冷正火，又一次得到了粗大的贝氏体组织。
最后进行调质处理，将粗大的贝氏体组织又一次加热奥氏体化，则造成组织遗传。在加热保温过程中，将回复原来粗大的奥氏体晶粒。由于大锻件加热保温时间过长，奥氏体晶粒还发生了异常长大现象,大晶粒吞噬小晶粒，结果是造成了混晶，如图2所示。混晶组织降低了钢的冲击韧度，危害严重，应予以消除。
34CrNi3MoV钢大锻件的原热处理工艺存在一定的不合理性，即不应该将正火后得到的贝氏体＋马氏体组织作为调质的预备组织，而应当以退火平衡组织作为淬火的预备组织。
4、混晶组织形成机理
钢在加热过程中，奥氏体晶粒将随加热温度升高和保温时间的延长而不断长大。在晶粒正常长大过程中，随时间延长晶粒虽不断长大，但晶粒尺寸基本保持均匀；当高于一定温度后将发生晶粒的异常长大，此时将严重影响工件淬火后的力学性能。
晶粒的长大是通过晶界的迁移和晶粒的合并实现的，其驱动力来自晶界移动后体系总的自由能下降。已知有不均匀因子存在时，由界面能提供晶界迁移的驱动力Ｐ为：
式中：σ-界面能，ρ-小晶粒半径，Ｚ-不均匀因子。同时存在第二相颗粒对晶界的钉扎作用，其形成的阻力为：
式中：ｆ-第二相颗粒的面积分数，ｒ-第二相颗粒半径，σ-界面能。由此可见，为减弱奥氏体晶粒的长大倾向，必须降低晶界移动驱动力Ｐ和增大长大阻力Ｆ。
不均匀因子Ｚ可用已知加热条件下最大晶粒直径和平均晶粒直径的比值来表示，由于组织中存在相起伏，不均匀因子Ｚ＞1，由公式（1）可知，奥氏体晶粒长大的驱动力与不均匀因子Ｚ呈增函数关系。当在正常奥氏体温度下保温时，不均匀因子很低；但在高温加热时不均匀因子很明显，极易出现奥氏体晶粒的异常长大。温度太高，造成第二相粒子较少的情况下，所提供的阻力不足以克服晶界移动的驱动力受粒子分布不均匀的诱发，已形成的奥氏体除了大晶粒吞并小晶粒之外，在一些晶界阻力不均匀的地方，还发生“圈地式”吞并，其结果是形成混晶，造成不均匀因子显著增大。这时只有在恒温下长时间保持，当奥氏体长大的驱动力与同温度下相应的晶界阻力平衡时，奥氏体晶粒将逐步趋于均匀一致，直至晶界平直化，不均匀因子又将降低，尽管此时晶粒实际已粗化。故不均匀因子在每一温度段随晶粒长大先增后减，是材料奥氏体化过程中重要的行为特征。
通过分析，34CrNi3MoV钢中的混晶是在组织遗传的基础上，在高温保温过程中，不均匀因子继续增加而造成的。通过调整加热工艺或原始组织，有可能利用较小的起始晶粒度和不均匀因子的这种行为特征，使已形成的奥氏体晶粒预先均匀化，以降低不均匀因子，来有效控制奥氏体晶粒在最终奥氏体化过程中的长大。这为混晶的消除奠定了理论基础。
5、消除混晶组织的方法
混晶是在合中常常出现的一种组织缺陷，合金钢的组织遗传在生产实践中较为常见，钢的合金化程度越高，加热速度越快，越容易在钢中出现组织遗传性，原始组织是影响组织遗传的重要因素。通常，原始组织为贝氏体组织遗传性较强，为此必须将原始的非平衡组织转变为平衡组织。将原始的非平衡组织转变为平衡组织的热处理手段较多，如完全退火、不完全退火、A1温度下的高温回火即再结晶退火等。本试验采用完全退火工艺：860℃奥氏体化，保温一定时间，然后炉冷至640℃等温一定时间，再炉冷至室温，得到组织如图4所示。
从扫描电镜照片图4可以看出，得到的组织确为珠光体＋铁素体平衡组织，只是有的地方珠光体不能连续成片状而成断续的片状。这种经过相变重结晶的平衡组织破坏了组织遗传的可能性。试验检测，退火后的原奥氏体晶粒度级别大约为（6～8）级。以此种组织再进行调质处理，就会得到较为细小的回火索氏体组织，晶粒度为11级，混晶确已消除如图5所示。
对最终热处理后的试样进行力学性能测定，结果如表2所示。性能检验表明，产品的各项性能指标合格。
6、结论
（1）34CrNi3MoV钢锻造后组织粗大，正火＋调质后容易出现混晶，严重影响材料的力学性能。
（2）混晶是由于组织中先出现粗大晶粒，随后在奥氏体化温度下保温时，由于组织遗传使粗大晶粒再次发生异常长大而造成。
（3）调整大锻件热处理工艺，用完全退火工艺取代调质处理前的正火工艺，使不平衡组织转变为平衡组织 ，可以隔断组织遗传，消除混晶。
