鋼中魏氏組織的形成因素綜述
2012-12-31 00:00:00張立業(yè)
【摘 要】說明鋼中魏氏組織對(duì)力學(xué)性能的不利影響及消除的必要性；概括總結(jié)引起鋼中產(chǎn)生魏氏組織的多種因素，包括加熱溫度、冷卻速度、碳含量以及奧氏體（ A）晶粒的大小等；并根據(jù)每種因素提出相應(yīng)的魏氏組織預(yù)防和消除措施。
【關(guān)鍵詞】魏氏組織；形成因素；消除措施
0.引言
在實(shí)際熱處理生產(chǎn)中，常常出現(xiàn)具有先共析片（針）狀鐵素體或針（片）狀滲碳體的組織，即所謂的魏氏組織（W）。大多數(shù)認(rèn)為，魏氏組織對(duì)鋼的力學(xué)性能是不利的。原因是珠光體基體上分布的針狀鐵素體，不但切割了基體組織，并且如同一些楔狀物造成應(yīng)力集中，形成裂紋核心，并沿鐵素體擴(kuò)展，使鋼的塑性和沖擊韌性顯著降低。所以，為了弄清魏氏組織的形成因素并能在實(shí)際生產(chǎn)中有效預(yù)防和消除，研究者做了大量實(shí)踐，并發(fā)表了大量論文和專著，筆者現(xiàn)將相關(guān)成果進(jìn)行了總結(jié)。影響魏氏組織形成因素主要包括一下幾方面：
1.加熱溫度的影響
為了充分了解在何種溫度下易出現(xiàn)魏氏組織， 研究人員對(duì)高線生產(chǎn)的 12mmML35鋼進(jìn)行了不同的加熱溫度、保溫7 分鐘后空冷以及在300℃的回火爐中保溫30分鐘開啟爐門冷卻， 檢驗(yàn)金相組織的變化情況，其結(jié)果如下：當(dāng)加熱到850℃時(shí)，冷卻后的金相組織為鐵素體+珠光體；當(dāng)加熱到900℃時(shí)，冷卻后的金相組織為鐵素體+珠光體+部分魏氏組織；當(dāng)加熱到950℃時(shí)，冷卻后的金相組織為大部分魏氏組織+少量正常（鐵素體+珠光體）組織；當(dāng)加熱到1000℃時(shí)，冷卻后的金相組織為大量魏氏組織+少量正常（鐵素體+珠光體）組織。從實(shí)驗(yàn)室模擬的情況看：ML35鋼材加熱到900℃以上， 冷卻后鋼中即出現(xiàn)了魏氏組織，這與實(shí)際生產(chǎn)測(cè)的結(jié)果基本吻合。不同的是在300℃的回火爐中保溫30分鐘，開啟爐門冷卻，出現(xiàn)的魏氏組織的量比采用空冷的少。
雖然實(shí)驗(yàn)室模擬的冷卻情況與現(xiàn)場(chǎng)有一定的差距，但從其結(jié)果可以說明： 終軋溫度高是ML35鋼產(chǎn)生魏氏組織的主要原因。所以，只有在合適的溫度下生產(chǎn)鋼材，避免過高的加熱溫度，才能有效消除和預(yù)防鋼中出現(xiàn)魏氏組織。
2.冷卻速度的影響
大量工藝實(shí)踐證明，魏氏組織只能在一定范圍的冷卻速度下才能形成。為了測(cè)定魏氏組織的臨界冷卻速度，一般情況下采用端淬法。首先，對(duì)試樣進(jìn)行一段耐火材料保護(hù)，其目的在于端淬過程沿縱向試樣獲得較大的冷速梯度，以便在一個(gè)試樣上同時(shí)測(cè)得上臨界點(diǎn)和下臨界點(diǎn)。然后將上述用耐火材料保護(hù)的端淬試樣在箱式電阻爐中加熱到920℃，保溫90min，出爐后噴水端淬。端淬后的試樣沿縱向拋光腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果在試樣上端和下端分別觀測(cè)到出現(xiàn)魏氏組織的一個(gè)分界點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著冷速的不同，魏氏組織的相對(duì)量和析出形態(tài)有明顯的不同，從左邊端部開始，由于水冷冷速大，組織為馬氏體，沒有魏氏組織；從端部10mm處往右邊開始魏氏組織量逐漸增多，鐵素體針逐漸增大；至耐火材料保護(hù)部位，無魏氏組織，為等軸的鐵素體+珠光體。
以上實(shí)驗(yàn)充分證明了冷卻速度對(duì)魏氏體形成的影響，魏氏組織是在一定的冷速范圍內(nèi)形成的。在該冷速范圍內(nèi)，先共析鐵素體將由一部分呈針狀魏氏組織形態(tài)存在，過慢（等軸鐵素體+珠光體）或過快（馬氏體）的冷速都不出現(xiàn)魏氏組織。因此，在熱處理過程中，為了避免魏氏組織的產(chǎn)生及其對(duì)工件力學(xué)性能的不利影響，應(yīng)盡量控制工件的冷卻速度，避開魏氏體形成的溫度范圍，以提高工件的綜合力學(xué)性能。
3.碳（合金）量的影響
碳含量減少使先共析鐵素體組織增多，當(dāng)出現(xiàn)過熱時(shí)，在一定的冷卻速度下，鐵素體首先在奧氏體晶界上成核，向奧氏體晶粒內(nèi)部呈羽毛狀長大，使碳原子發(fā)生擴(kuò)散。隨著加熱溫度的升高，晶粒趨向粗大，在較低的冷卻速度下會(huì)出現(xiàn)魏氏體組織。由此可以看出，鋼中的魏氏組織主要來自于先共析鐵素體（有時(shí)也可來自于先共析滲碳體），而先共析組織的含量取決于鋼中碳元素的濃度，所以說，含碳量也是影響鋼中魏氏組織形成的一個(gè)重要因素。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：含碳量<0.1%時(shí)，為粒狀組織；含碳量為0.3-0.5%時(shí)，為網(wǎng)狀組織；含碳量>0.5時(shí)，為珠光體；只有碳含量在0.2%左右時(shí)才有魏氏組織產(chǎn)生。之后隨著碳含量的升高，其逐漸接近鋼的共析成分，先共析組織越難析出，魏氏組織也就逐漸消失。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)鋼的碳含量超過0.6%時(shí)，魏氏組織鐵素體就難以再形成。
另外，影響魏氏組織形成的不僅是碳含量，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有很多合金元素也能對(duì)其產(chǎn)生重要影響。當(dāng)鋼中加入Mn元素時(shí)，會(huì)促進(jìn)魏氏組織鐵素體的形成；而如果在其中加入Mo、Cr、Si等元素時(shí)，則會(huì)阻礙魏氏組織的形成。因此，在熱處理工業(yè)生產(chǎn)中，為了避免魏氏組織帶來的不利影響，要注意鋼中碳及合金元素的影響，并通過控制合金的種類和含量來控制魏氏組織的產(chǎn)生。
4.晶粒度的影響
一般認(rèn)為，奧氏體晶粒越粗大，越容易形成魏氏組織，而魏氏組織也往往與粗大的奧氏體晶粒伴生。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得，在不同的奧氏體化加熱溫度條件下、采用同一冷卻速度進(jìn)行冷卻，隨著溫度的變化，魏氏組織的數(shù)量和形態(tài)有很大的不同：溫度低于900℃時(shí)，晶粒度在8.0～8.5 級(jí)，魏氏組織量較少；溫度在950℃～1000℃范圍，晶粒開始長大、晶粒度在6.0-7.0范圍，魏氏組織量增加；溫度在1050℃～1100℃范圍，晶粒粗化、晶粒度在3.5～5.0范圍，鐵素體針的尺度增大，魏氏組織級(jí)別明顯增大。
應(yīng)該指出，當(dāng)鋼的奧氏體晶粒較小，存在少量魏氏組織鐵素體時(shí)，并不明顯降低鋼的力學(xué)性能，在這種情況下鋼件仍可使用。只有當(dāng)奧氏體晶粒粗大，出現(xiàn)粗大的魏氏組織鐵素體時(shí)，才使鋼的強(qiáng)度降低，特別是韌性顯著下降。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中為了有效消除魏氏組織，可以采取細(xì)化晶粒的正火、退火及鍛造等工藝。
5.結(jié)語
以上具體分析了鋼中形成魏氏組織的具體因素，因此我們可根據(jù)這些因素提出相應(yīng)的預(yù)防消除措施：①調(diào)整合適的熱處理溫度，避免過高溫度；②過快或過慢的冷卻速度都會(huì)抑制它的形成，因此在生產(chǎn)中要避開形成魏氏體的冷卻速度范圍；③選擇碳含量合適的鋼材，并可以通過添加適當(dāng)合金元素的方法控制魏氏組織的形成；④采取細(xì)化晶粒的正火、退火及鍛造等工藝，消除粗大的奧氏體晶粒。
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