基于金相技術(shù)的金屬材料顯微組織分析

馬秋彥 汪加楠 孫少娟 宋 超 張 鵬 吳金躍

（1.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司；2.安陽(yáng)師范學(xué)院）

0 前言

金相技術(shù)是對(duì)材料科學(xué)中金屬材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。金相技術(shù)就是通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察、記錄，進(jìn)而來(lái)分析金屬材料的微觀組織。光學(xué)金相技術(shù)已經(jīng)有一百年的歷史，光學(xué)金相顯微鏡的觀察范圍較廣，而且使用起來(lái)也比較方便，同時(shí)顯微鏡的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較低，因此金相技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)檢驗(yàn)中一種常規(guī)的研究方法，也是根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定來(lái)評(píng)定金屬材料內(nèi)在質(zhì)量的一種常規(guī)檢驗(yàn)方法[1]。對(duì)金屬材料物理性能的判定和其失效原因的評(píng)估，可以通過(guò)觀察和分析金屬的顯微組織來(lái)完成。金相技術(shù)已經(jīng)成為金屬材料生產(chǎn)、使用以及科研中一種不可或缺的實(shí)驗(yàn)手段，金屬材料生產(chǎn)工藝的完善性，工藝參數(shù)設(shè)置的合理性等都可以依靠金相技術(shù)來(lái)判斷[2]。

金屬材料的顯微組織可以最直接的反應(yīng)機(jī)械零件的性能和使用壽命。在冶金、機(jī)械行業(yè)，要對(duì)金屬材料組織進(jìn)行評(píng)定時(shí)，制備金相試樣是前提條件。金相試樣的制備步驟包括取樣—磨制—拋光—浸蝕，制樣過(guò)程中的每一道程序都至關(guān)重要，省略其中的任何一道程序?qū)饘僭嚇拥慕M織分析和檢驗(yàn)結(jié)果的正確程度都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，甚至?xí)斐慑e(cuò)誤判定。

1 金相試樣的制備

根據(jù)磨拋機(jī)的實(shí)際參數(shù)、夾具形式、鑲嵌模大小以及被檢材料的特點(diǎn)，來(lái)確定金相試樣的形狀和大小。金相試樣一般為（20～25）mm×15 mm×材料厚度的條形或（20～30）mm 左右的方體。試樣太大或者太小都會(huì)有不利之處，試樣太小，操作會(huì)不太方便；試樣太大，磨制面就會(huì)變大，磨制時(shí)間就會(huì)比較久，試樣表面也不太容易磨平。為了防止試樣在磨制的過(guò)程中將砂紙和拋光布劃破，對(duì)于不需要進(jìn)行鑲嵌和檢驗(yàn)表面缺陷的鋼樣，必須將其邊角倒圓，然而需要對(duì)鋼樣表面進(jìn)行檢驗(yàn)的，則不能將其邊角倒圓，同時(shí)需要保證鋼樣表面的完整性[3]。對(duì)于厚度較大的試樣，例如鑄錠和厚壁型材等，可以不采用鑲嵌，直接切成塊狀；有些不方便握持的試樣，如絲、帶、片、管等尺寸過(guò)小或形狀不規(guī)則的，宜采用鑲嵌的方法。通過(guò)切割機(jī)切取，再利用鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌后的試樣，也是要經(jīng)過(guò)預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)的磨制才能使試樣的表面平整、光滑。磨光有手工和自動(dòng)兩種方法，每種方法都分粗磨和細(xì)磨兩步，細(xì)磨是消除粗磨時(shí)產(chǎn)生的磨痕，為試樣磨面的拋光做好準(zhǔn)備。筆者采用手動(dòng)法，粗磨平的試樣經(jīng)清水沖洗并吹干后，隨即把磨面依次在由粗到細(xì)的各號(hào)金相砂紙上磨光，磨制時(shí)砂紙應(yīng)平鋪于厚玻璃板上，左手按住砂紙，右手握住試樣，使磨面朝下，與砂紙接觸，在輕微壓力作用下把試樣向前推磨，用力要均勻，務(wù)求平穩(wěn)，否則會(huì)使磨痕過(guò)深，且容易造成試樣磨面的變形。試樣退回時(shí)不能與砂紙接觸，這樣"單程單向"地反復(fù)進(jìn)行，直至磨面上舊的磨痕被去掉，新的磨痕均勻一致為止。在調(diào)換下一號(hào)更細(xì)的砂紙時(shí)，應(yīng)將試樣上的磨屑和砂粒清除干凈，并將試樣轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使新、舊磨痕相互垂直，直到上道工序的劃痕看不到，才算磨制完成。最后進(jìn)行拋光，拋光后的試樣就可以直接放置在金相顯微鏡下觀察了，未浸蝕的試樣可以用來(lái)觀察非金屬夾雜物、孔洞、裂紋及硬相，浸蝕后的試樣可以檢驗(yàn)其帶狀、脫碳和晶粒度等顯微組織，浸蝕劑采用4%硝酸酒精。

2 金相顯微組織

鋼樣加工后的各種性能以及其產(chǎn)生的各種缺陷都和其顯微組織有密切的關(guān)系，所以對(duì)它顯微組織的研究是一件有非常重要價(jià)值的工作。

2.1 夾雜物

科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展，用戶也再不斷地向冶金工作者提出改善產(chǎn)品性能的要求，鋼樣的化學(xué)成分通過(guò)二次冶金技術(shù)基本上可以控制在所要求的范圍之內(nèi)，但是在煉鋼的過(guò)程中，或多或少的有害元素氧和硫依然會(huì)殘存在鋼樣中，這些有害元素和合金元素就會(huì)進(jìn)一步形成各式各樣的非金屬夾雜物。非金屬夾雜物不僅會(huì)導(dǎo)致鋼樣的物理性能（例如：韌性和疲勞壽命）變壞，同時(shí)也會(huì)對(duì)鋼樣表面的焊接性能和光潔度產(chǎn)生一定的影響。通過(guò)金相技術(shù)對(duì)某爐號(hào)管線鋼L290 進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測(cè)到A 類(lèi)、B 類(lèi)、C 類(lèi)和DS 類(lèi)四種類(lèi)型的夾雜物，如圖1 所示。A 類(lèi)、B 類(lèi)和C 類(lèi)三種夾雜物屬于塑形夾雜物，這類(lèi)夾雜物在鋼加工變形時(shí)也隨之變形，沿變形方向延伸成帶狀。DS 類(lèi)夾雜物屬于球狀（或點(diǎn)狀）不變形夾雜物，在熱加工后球狀（或點(diǎn)狀）保持不變。非金屬夾雜物常以單相組織出現(xiàn)在鋼中，使鋼樣基體的連續(xù)性遭到破壞，進(jìn)而加大了鋼樣基體組織的不均勻性[4]。

圖1 某爐號(hào) L290 管線鋼夾雜物形貌200×

鋼的冶煉、澆注及凝固結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的物理-化學(xué)過(guò)程。在VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）、LF（Ladle Furnace）爐鋼水精煉工藝中，通過(guò)控制鋼液的混勻時(shí)間和混勻程度可以達(dá)到去除非金屬夾雜物的目的。鋼液中的非金屬夾雜物會(huì)不斷碰撞、相繼長(zhǎng)大，這就會(huì)對(duì)鋼液中比較微小的非金屬夾雜物的去除起到一定的積極作用[5]。顆粒較大的非金屬夾雜物（>50 μm）由于浮力的作用會(huì)上浮、分離。鋼液在混勻攪拌的過(guò)程中，微小非金屬夾雜物（<50 μm）經(jīng)過(guò)混合、碰撞、長(zhǎng)大而上浮、去除。鋼液混勻時(shí)間（在一定條件下，鋼液混勻到同等程度所用的時(shí)間）的長(zhǎng)短對(duì)微小非金屬夾雜物相互碰撞有直接的影響?；靹驎r(shí)間越短，鋼液混合的就會(huì)越均勻，就可以使鋼液中的非金屬夾雜物得到充分混合，逐漸長(zhǎng)大，進(jìn)而鋼樣中的夾雜物數(shù)量大幅度下降。

2.2 帶狀組織

帶狀組織在熱軋低碳鋼結(jié)構(gòu)鋼顯微組織中常出現(xiàn)，是一種鋼材內(nèi)部缺陷。沿著軋制方向平行排列、呈層狀分布形態(tài)、會(huì)形成條帶的珠光體晶粒和鐵素體晶粒的交叉組織，即為帶狀組織[6]。采用普碳鋼510L 和SQ510L 縱向全厚度試樣，磨制、拋光后用4%硝酸酒精進(jìn)行浸蝕。利用金相顯微鏡在10×倍物鏡下觀察試樣，隨機(jī)采集10 個(gè)視場(chǎng)照片，圖2 是其中一個(gè)典型視場(chǎng)的照片。510L 含有等軸鐵素體晶粒和少量的珠光體，沒(méi)有帶狀組織，帶狀結(jié)果評(píng)定為0 級(jí)。SQ510L 等軸鐵素體晶?；w上有幾條連續(xù)的鐵素體帶穿過(guò)整個(gè)視場(chǎng)，帶狀結(jié)果評(píng)定為2.5 級(jí)。

圖2 試樣典型視場(chǎng)顯微組織100×

帶狀組織的存在會(huì)使金屬的力學(xué)性能呈各向異性，壓力加工時(shí)容易在交界處出現(xiàn)開(kāi)裂。對(duì)于需要進(jìn)行熱處理的鋼樣，如果帶狀組織比較嚴(yán)重，則會(huì)使應(yīng)力集中一點(diǎn)，進(jìn)而造成鋼樣出現(xiàn)裂紋。即便鋼樣的帶狀組織比較輕，也會(huì)使鋼樣在熱處理的過(guò)程中出現(xiàn)明顯的變形。成分偏析和熱加工溫度是形成帶狀組織的兩大原因，利用熱處理的方法來(lái)消除帶狀組織能起到明顯的效果。經(jīng)過(guò)高溫獲取一些單相組織的金屬材料，可以通過(guò)正火來(lái)去除其帶狀組織。然而因?yàn)榱灼鍪逛摌赢a(chǎn)生的嚴(yán)重帶狀組織，則需要同時(shí)通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散和正火來(lái)達(dá)到去除的目的。

2.3 脫碳

在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣（盤(pán)條SWRH-72A）從表面到基體隨著碳含量的變化而產(chǎn)生的組織變化。樣品采用4%硝酸酒精腐蝕，盤(pán)條鋼表面脫碳的金相組織如圖3 所示（圖中箭頭標(biāo)出的區(qū)域?yàn)槊撎紝?，白色鐵素體部分為完全脫碳區(qū)，珠光體減少的區(qū)域?yàn)椴糠置撎迹?。通過(guò)金相法測(cè)定盤(pán)條鋼的總脫碳層和完全脫碳層深度，分別為0.62 mm，0.32 mm。

圖3 盤(pán)條鋼表面脫碳的金相組織100×

脫碳也是鋼材料的一種缺陷，對(duì)絕大多數(shù)鋼材料而言，脫碳現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鋼材料性能變差，尤其是對(duì)于某些特種鋼（如工具鋼、軸承鋼、高速鋼等）而言，脫碳層更是嚴(yán)重影響其性能。鋼樣表層的碳（C）元素被氧化后就會(huì)在邊部形成脫碳層，相對(duì)正常組織中的C 含量而言，在化學(xué)成分上，脫碳層中的碳元素含量會(huì)低于正常組織中的。這樣脫碳層中滲碳體(Fe3C)的數(shù)量也會(huì)低于正常組織中的滲碳體的數(shù)量。最終導(dǎo)致存在脫碳層的鋼樣，其強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能都會(huì)低于正常組織的。

為了獲得較好質(zhì)量的鋼樣，應(yīng)盡力避免脫碳組織的存在。工件加熱時(shí)，可以降低加熱溫度以及減少高溫工作下的停留時(shí)間；選擇比較合理的加熱速度，進(jìn)而可以起到縮短工件加熱時(shí)間的作用；同時(shí)，通過(guò)控制加熱氣體，使其呈現(xiàn)中性或采用保護(hù)氣體加熱；在熱壓力過(guò)程中，如果因?yàn)橐恍﹤€(gè)別因素造成生產(chǎn)中斷，那么必須等高爐的溫度降低下來(lái)之后才可以繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)，如果高爐降溫需要的時(shí)間比較久，那么就應(yīng)該將爐料取出來(lái)或者是讓其隨著高爐一起降溫；在進(jìn)行冷變形的時(shí)候，中間退火的次數(shù)越少越有益，同時(shí)可以通過(guò)降低退火溫度和軟化回火來(lái)替代高溫退火。在進(jìn)行中間退火和軟化回火的時(shí)候，需要在保護(hù)介質(zhì)中進(jìn)行加熱；在進(jìn)行高溫加熱的時(shí)候，為了防止鋼樣被氧化和脫碳，可以采用覆蓋物和涂料對(duì)鋼的表面起到保護(hù)作用[7]。

2.4 晶粒度

對(duì)垂直于鍛、軋方向的橫截面經(jīng)磨制、拋光后用4%硝酸酒精進(jìn)行浸蝕。利用金相顯微鏡在10×倍物鏡下觀察試樣（HP295，510L），在試樣截面上隨機(jī)取三個(gè)或三個(gè)以上的代表性視場(chǎng)，其中的一個(gè)典型視場(chǎng)如圖4 所示。利用比較法測(cè)量試樣的平均晶粒度，評(píng)定結(jié)果分別為9.5 級(jí)，11.5 級(jí)。

圖4 試樣典型視場(chǎng)顯微組織500×

晶粒大小對(duì)金屬的力學(xué)性能有很大的影響。一般情況下，晶粒越細(xì)小，金屬的力學(xué)性能也很好，因?yàn)榫ЯＴ叫?，晶界越多?晶界處的晶體的排列是非常不規(guī)則的，晶面呈犬牙交錯(cuò)，相互咬合，加強(qiáng)了金屬間的結(jié)合力。

為獲得具有優(yōu)異物理性能的鋼樣，需要盡可能控制晶粒的長(zhǎng)大。過(guò)冷度對(duì)形核率和生長(zhǎng)速率都有一定的影響，增大過(guò)冷度會(huì)使鑄件的晶粒變小。在對(duì)試樣連續(xù)進(jìn)行冷卻的時(shí)候，如果冷卻速度越大，那么過(guò)冷度就會(huì)越大，采用吸熱能力和導(dǎo)熱性較強(qiáng)的鑄型材料可以降低熔液的澆注溫度，這樣就可以達(dá)到增加冷卻速度的目的。例如，金屬型比砂型冷卻速度大，故金屬型鑄件比砂型鑄件的晶粒小。在金屬液結(jié)晶前，向金屬液中加入少量的活性物質(zhì)（稱為變質(zhì)劑），一種是形核變質(zhì)劑，這種變質(zhì)劑在金屬液中可以非自發(fā)形核，使其在凝固過(guò)程中通過(guò)異質(zhì)形核而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；另一種是吸附變質(zhì)劑，它的特點(diǎn)是熔點(diǎn)低，能顯著降低合金的液相線溫度，原子半徑大，在合金中固溶量小，在晶體生長(zhǎng)時(shí)富集在相界面上，進(jìn)而阻礙晶粒的長(zhǎng)大，從而獲可以得細(xì)小的晶粒。在金屬液結(jié)晶時(shí)，可采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波或電磁振動(dòng)等措施，使鑄型中的液體金屬運(yùn)動(dòng)，造成枝晶破碎，碎晶塊就會(huì)起到晶核作用，從而使得晶粒細(xì)化。

3 結(jié)論

金屬的性能主要取決于兩點(diǎn)，其一是金屬的成分，其二是金屬的微觀組織，其中微觀組織會(huì)直接影響金屬材料的物理性能。通過(guò)金相技術(shù)對(duì)金屬材料的微觀組織進(jìn)行觀察，分析該微觀組織可能會(huì)對(duì)鋼樣物理性能造成的影響，并采取必要措施進(jìn)行預(yù)防。隨著金屬材料加工技術(shù)的高速發(fā)展，廠家對(duì)材料的加工技術(shù)和使用要求越來(lái)越高，要想獲得具有優(yōu)異物理性能的鋼樣，光學(xué)金相分析技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)必不可少的技術(shù)，同時(shí)它對(duì)鋼樣失效破壞原因的預(yù)測(cè)和判斷也發(fā)揮著非常重要的作用。金相技術(shù)作為顯微組織檢驗(yàn)過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)和手段，在質(zhì)量控制上的應(yīng)用也將會(huì)越來(lái)越多。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝流程和產(chǎn)品特點(diǎn)，靈活運(yùn)用金相分析技術(shù)，將會(huì)更好地指導(dǎo)金屬材料的生產(chǎn)，滿足客戶的使用需求。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光學(xué)金相技術(shù)也取得了長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)推動(dòng)金屬材料在加工中的應(yīng)用起到了很大的作用。相信隨著金相技術(shù)研究的不斷深入，在提高金屬制品內(nèi)在質(zhì)量的科研中，在新材料、新工藝、新產(chǎn)品的研究中，金相技術(shù)分析將會(huì)起到越來(lái)越大的作用。