鐵基合金的顯微組織.doc

鐵基合金的顯微組織摘要：鐵基合金的顯微組織非常復雜，金相學的基本內容就是研究化學成分和處理工藝形成不同的 顯微組織的學科。為了保證鋼鐵產(chǎn)品的質量，金相工作者僅僅能夠正確的辨別存在的相和組織還是 不夠的，某些情況下還需要定量分析顯微組織。這些都以正確的樣品制備和樣品侵蝕為前提。簡介 鐵基合金受到化學成分、均勻性、加工方法和截面尺寸等因素的影響，故具有各種各樣非常復雜的金相組織。鑄造顯微組織與鍛造就有很大區(qū)別。即便是化學成分相同，但是熱處理方法不同其顯微組織也不盡相同。通常熱處理回火前的顯微組織比較容易辨別。如：在淬火時形成的貝氏體和馬氏體的混合組織比較容易辨別，但是回火后就難以辨別了，特別是當回火溫度逐漸提高到臨界溫度附近時，要想辨別這種顯微組織就變得非常困難了。此外，硝酸酒精溶液被廣泛的應用于金相顯微組織的侵蝕，但是硝酸酒精溶液并不能顯示所有的顯微組織。有些公司禁止使用苦味酸溶液作為侵蝕劑，這是因為苦味酸在特定條件下會發(fā)生爆炸?？辔端崆治g劑對于鋼中的某些金相組織具有特殊的侵蝕效果，但是它不如硝酸酒精溶液使用安全。Vilellas侵蝕劑也包含苦味酸，對于某些成分的金相組織有效果。10% 焦亞硫酸鈉水溶液 (10% SMB) 對于鋼而言是一種非常好的常用侵蝕劑，這種侵蝕劑使用時比硝酸酒精溶液和苦味酸侵蝕更安全，并且具備硝酸酒精溶液和苦味酸侵蝕劑的綜合效果。 名詞術語 在此需要討論一下用于描述鐵基合金組分的名詞術語，因為有些術語經(jīng)常被混淆和誤用。例如：索氏體和屈氏體在1937年的金相詞典中已經(jīng)被刪除，因為使用它們描述金相組織不夠準確。 但是，現(xiàn)在這些術語仍然偶爾在使用。描述兩相混合顯微組織所使用的某些名詞術語也不很準確，例如：珠光體和貝氏體。一個相組分被認為是均質的，從物理意義上講是由不同物質組成。熱處理淬火后的馬氏體是一種相，但是回火后其組織從體心立方的馬氏體轉變?yōu)槊嫘牧⒎降蔫F素體和碳化物。在下面的文章中將描述和圖解鐵基合金中的各種相和組織的定義。 侵蝕劑 如果檢查鋼中的夾雜物和氮化物，不需要侵蝕樣品。顯微組織的觀察需要在侵蝕后進行。2%的硝酸酒精溶液是最常用的侵蝕劑。它對于馬氏體組織的侵蝕效果非常好，侵蝕低碳鋼中，馬氏體組織上的鐵素體和顯示鐵素體的晶界也很好。苦味酸溶液顯示合金中的碳化物和鐵素體與碳化物的混合組織很好，如：珠光體和貝氏體。 苦味酸溶液和硝酸酒精溶液都能溶解鐵素體， 但是硝酸酒精溶液是溶解部分晶體取向的晶粒，而苦味酸溶液確是均勻的溶解。焦亞硫酸鈉水溶液侵蝕鐵素體晶界并將某些鐵素體晶界染色（有些仍舊是白色），對于珠光體和貝氏體的侵蝕效果類似于苦味酸溶液， 但是侵蝕淬火后或回火后的馬氏體的效果更好些。其他種類的侵蝕劑也在使用，特別是當對待高合金的鋼種時，如工具鋼和不銹鋼，或者當有選擇性的侵蝕某些顯微組織，還有侵蝕奧氏體化前的晶界。在許多教科書、手冊和ASTM E 407標準中都能查到這些侵蝕劑。也有些“彩色”侵蝕劑被用于鋼中的某些特定組織的彩色侵蝕。在研究和辨別晶粒尺寸、顯微組織辨別、顯示成分偏析和殘余應力方面更有用處。這些侵蝕劑既能彩色侵蝕鐵素體也能彩色侵蝕奧氏體，不像普通侵蝕劑那樣僅僅顯示部分晶界，彩色侵蝕可以顯示所有晶界。如果晶粒取向是隨機的，那么各種色彩也隨機出現(xiàn)。如果織構存在，那么只能觀察到幾種色彩。這是因為彩色侵蝕劑具有選擇性的侵蝕，對于圖像分析工作這些侵蝕劑則非常有用，它可以使得你想要測量的部分和不想測量部分的對比度最大。 顯微組織結構： 鐵和鐵素體 嚴格意義上講鐵是指面心立方純鐵（bcc），它在912C (1674 F)溫度以下非常穩(wěn)定。而鐵素體是一種或幾種元素與bcc結構的鐵形成的固溶體。通常這些名詞會被混用，這是不正確的。鐵素體是在一定冷卻條件下，從奧氏體中析出的一種針狀產(chǎn)物。嚴格的講所謂針狀是指在三維空間中像針一樣，但是，實際上在三維空間中針狀的鐵素體并不是針狀。圖1所示，低碳鋼板材中鐵素體晶粒的形貌。但是，由于受到晶粒取向的影響并非所有的鐵素體晶界都被顯示出來。如圖 1a所示，可是如果使用彩色侵蝕劑，鐵素體將被染色。注意所有的晶粒將被顯示，參見1b。 在鐵素體不銹鋼中的鐵素體具有高的Cr含量和較低的C含量。圖2 所示，電解侵蝕后， 26-1鐵素體不銹鋼晶粒結構。使用普通擦拭侵蝕或侵浸侵蝕的方法要顯示不銹鋼中的鐵素體那是非產(chǎn)困難。鐵素體一種硬度低、塑性高的相，在一些臨界溫度下它的沖擊韌性會下降。-鐵和奧氏體 - 鐵 與 - 鐵 一 樣 在 9 1 2 C 1 3 9 4 C ( 1 6 7 4F-2541F)溫度范圍內非常穩(wěn)定，鐵是指面心立方純鐵（fcc），奧氏體是fcc的鐵中固溶了一種或多種元素。混用這些名詞術語是不正確。對于熱處理鋼，奧氏體是所有轉變產(chǎn)物的母相，這也是鐵合金具有廣泛應用價值的原因之一。在普通的合金中，奧氏體在室溫下是不穩(wěn)定的，眾所周知的Cr-Ni奧氏體不銹鋼是不銹鋼中非常重要的一類，其中的奧氏體在室溫下是穩(wěn)定的。圖3 所示，316型奧氏體不銹鋼的顯微組織。圖 3a 所示，316 型奧氏體不銹鋼，侵蝕方法：使用Kallings No. 2（無水的Kallings侵蝕劑）擦拭侵蝕，并非所有晶界被顯示出來。 對于圖3 b所示這種級別的奧氏體晶粒使用彩色侵蝕的方法，可以顯示所有的晶粒結構。還有一種鐵基的奧氏體合金，如：Hadfield 錳鋼(圖4a)和Fe-Ni 磁性鋼(見圖4b)。奧氏體是一種軟的、塑性高的相，通過加工硬化可以提高其強度。對于滲碳硬化鋼和高碳鋼、高合金如：工具鋼在熱處理時奧氏體化溫度過高將會導致過多的碳化物溶解，隨著溫度的降低開始向馬氏體轉變，轉變完成后， 在室溫下一些奧氏體仍舊存在（但是不一定穩(wěn)定，我們稱之為殘余奧氏體）。圖 5 所示，在D3 (Fe - 2.1% C - 12% Cr 0.5%Ni - 0.35% Mn)工具鋼樣品中，存在大量殘余奧氏體的實例（粗片狀的馬氏體），奧氏體化溫度： 1120 C,此樣品加熱溫度在正常的奧氏體化溫度之上，過多的碳化物的溶解會導致局部硬化。請注意：粗片狀馬氏體和未溶解的塊狀Cr7C3碳化物，在工具鋼中如果存在過多的殘余奧氏體將會影響其使用壽命，這些殘余奧氏體一旦轉變成馬氏體會導致裂紋產(chǎn)生。過多的殘余奧氏體也降低零件的耐磨性。對于滲碳的齒輪如果不承受沖擊負荷的話，殘余奧氏體的存在對于齒輪的使用沒有影響的。這是因為殘余奧氏體將轉變成馬氏體或者殘余奧氏體穩(wěn)定化后變成韌性較高的奧氏體，實際上對于零件還有一定的好處。有些牌號的不銹鋼化學成分均衡，在室溫下鐵素體與奧氏體的數(shù)量幾乎相當，圖6 所示 2205 雙相不銹鋼的顯微組織。-Fe和-鐵素體 -Fe是在1394 C (2541 F) 至純鐵熔點1538 C(2800 F)溫度范圍內非常穩(wěn)定體心立方的純鐵。在此溫度范圍內-Fe固溶一種或多種元素形成穩(wěn)定的相。在鑄態(tài)的奧氏體不銹鋼中可以觀察到-Fe（通常在熱加工之后，通過固溶退火來進行的），對于沉淀硬化不銹鋼如：17-4PH鋼,馬氏體不銹鋼和某些工具鋼要避免成分不均勻。當-Fe出現(xiàn)于較硬的組織中，對于橫向沖擊韌性是有害的。但是-Fe也不總是有害的，當奧氏體鋼進行焊接時，通過焊接材料的成分調整，在鑄態(tài)的焊接組織中產(chǎn)生一定數(shù)量的-Fe可以減小熱裂紋產(chǎn)生的機率。圖 7 所示，312焊材用于焊接 316 不銹鋼材料。-Fe 形成在凝固區(qū)域的末端并伴隨著相互連接的枝晶存在。石墨和碳化物 碳在鐵中以石墨和碳化物兩種形式存在，石墨是碳在鐵中存在的穩(wěn)定形式，碳化物是亞穩(wěn)定的，當在高溫長時間加熱后碳化物可以轉變成石墨。石墨在鑄鐵中主要有以下幾種形態(tài)，如灰口鑄鐵中各種尺寸和分布狀態(tài)不同的片狀石墨（圖8），球墨鑄鐵中的球形石墨 (圖9) 。 但是還有其它形態(tài)的石墨，如可鍛鑄鐵中的回火石墨 (圖10) 和蠕墨鑄鐵中的短而粗的石墨。在鋼中偶爾也會見到石墨，有些石墨是特意保留的(工具鋼中的石墨，見圖 11)， 有些是由于加熱溫度高保溫時間長而產(chǎn)生。碳化物是Fe和C的化合物，其近似分子式為Fe3C，它屬于斜方晶系結構。C也可以與其他金屬形成碳化物，如Mn和Cr。因此更常見的分子式為M3C，其中M代表金屬，但是只有很少的碳化物形成元素在形成其他晶系結構的合金碳化物之前，被碳化物所取代。 圖12 所示，白口鑄態(tài)中的碳化物。苦味酸溶液可以很好的顯示大塊狀碳化物的輪廓，也能顯示珠光體中的碳化物。有幾種侵蝕劑能夠擇優(yōu)使碳化物染色。碳化物的含碳量是6.67重量百分比，通常這也是Fe-C相圖橫坐標的端點，F(xiàn)e3C的硬度非常高(大約 800 HV ，有些高合金的M3C硬度高達 1400HV)，而且還很脆。奧氏體轉變產(chǎn)物 碳鋼或合金鋼都是在奧氏體狀態(tài)下進行熱加工的，隨著溫度的降低奧氏體轉變成其他的相或組分。 如果碳鋼或低合金鋼在熱軋后空冷，擴散控制型轉變導致鐵素體顆粒先析出，然后是珠光體。正火也是一種熱處理工藝，常用于細化碳鋼或低合金鋼的晶粒。鋼在較高的溫度下奧氏體化為了淬火處理，空冷后會產(chǎn)生細鐵素體和珠光體。珠光體是亞穩(wěn)定的，它是片狀鐵素體和碳化物的混合物，形成于臨界溫度（此溫度就是鐵素體和碳化物開始向奧氏體轉變開始溫度）之下，隨著時間和溫度的變化，珠光體中的碳化物開始被球化，從片狀碳化物轉變成球狀。球狀碳化物導致樣品的硬度和強度降低，但是塑性提高。合金中的碳含量變化對其影響甚微。珠光體的形成于共析反應，共析轉變是個等溫轉變，而且是個可逆轉變，固溶體（奧氏體）轉變成兩種固態(tài)的相鐵素體和碳化物混合組織。所有的共析轉變的產(chǎn)物都是片狀的，即便是非鐵合金也是如此。 當鋼中的含碳量低于共析點時，鐵素體將在共析轉變之前沉淀析出，因此稱之為先共析鐵素體，圖13 所示，一個鋼板樣品中的先共析鐵素體和片狀珠光體，這個鋼板是RMSNomadic公司生產(chǎn)的，它當年也參與Titanic郵船的投標。鐵素體是白色的，由于在此放大倍數(shù)下珠光體的片層間距太小，所以珠光體顯示是黑色的。圖 14 所示4140合金完全退火后的粗片狀珠光體，珠光體層片非常明顯。 碳化物層片顯示為黑色，鐵素體仍舊顯示為白色。當鋼中的含碳量高于共析點時，碳化物將在共析轉變之前在晶界處沉淀析出，因此稱之為先共析碳化物，如圖15所示。珠光體能夠提高鋼的強度。片層間距的減小有助于提高鋼的強度和沖擊韌性。對于含碳量為0.77%鋼樣品緩慢冷卻后，可以得到100% 的珠光體。共析鋼的全部珠光體的硬度隨著層片間距的減小而增加，其硬度從250 400 HV 。珠光體通過冷拔也能提高強度，如鋼琴絲也顯示出超級的延展性。如果冷卻速度比空冷速度快或者鋼中含有提高淬透性的合金元素，鋼中將出現(xiàn)兩種完全不同的相，我們稱之為貝氏體。貝氏體是一種亞穩(wěn)定組織，它也是奧氏體轉變的鐵素體與珠光體的混合物，它的形成溫度是在珠光體形成溫度和馬氏體開始形成溫度之間，貝氏體的形貌隨著轉變溫度的不同而各異，較高溫度轉變的貝氏體是“羽毛狀” ，較低溫度轉變的貝氏體是“針狀”。羽毛狀的“上” 貝氏體的形成受到鋼中的含碳量影響，更容易在高碳鋼中出現(xiàn)。針狀貝氏體也被稱之為“下”貝氏體，這種叫法與其形態(tài)無關。圖16 和17 分別顯示5160合金樣品中的上、下貝氏體組織。 如果從奧氏體化溫度上快速冷卻冷卻速度足夠快 (淬火截面尺寸小，淬火冷卻介質)，馬氏體將形成，馬氏體是體心立方晶系，它是由非擴散性轉變形成的，它的化學組分與其母相完全相同，而且與母相保持特定的晶體學位相關系。馬氏體形成的合金中，溶質原子占據(jù)著間隙位置，像C原子在Fe原子晶格中一樣，從而導致硬化、高應力和高脆性狀態(tài)。但是在高Ni的無碳合金中，如馬氏體時效鋼 溶質原子 (Ni) 可以替換溶劑原子位置，這樣可以得到軟的有塑性的馬氏體。在碳鋼中, 當所有C都溶解到奧氏體中，馬氏體形貌隨著碳原子在間隙位置的多少而改變。低碳鋼中的“板條”馬氏體和高碳鋼中的“片狀”馬氏體，也常常被錯誤的稱之為“針狀”馬氏體。圖18 所示板條馬氏體。粗片狀馬氏體顯示于圖5。當采用正確的淬火溫度，合適數(shù)量的碳化物被溶解 (見下面的討論)晶粒尺寸非常細小，在光學顯微鏡下看不到任何馬氏體的特點，如圖 19 所示的52100軸承鋼的顯微組織。圖 20,為了比較之用，顯示接近無碳的馬氏體時效鋼18Ni250中馬氏體的金相組織。當鋼中的含碳量在0.5%以下時，馬氏體的強度和硬度隨著奧氏體的含碳量的增加而提高。當鋼中的奧氏體含碳量超過0.5%時，硬度和強度曲線開始變平，然后下降，這是由于奧氏體不能全部轉變成馬氏體（殘余奧氏體出現(xiàn)并開始增多）。因此，高碳鋼的奧氏體化溫度確定，只要使得奧氏體中的碳含量不要超過0.6% 即可。其他相組分 鋼中還有些含量很少的組分，如非金屬夾雜物，氮化物，金屬間化合物，和相。非金屬夾雜物可分為兩類：與熔融態(tài)的液態(tài)鋼相比O和S在鋼中固態(tài)相中的溶解度有限，這些雜質都來源于外部，如：在金屬熔化時與之接觸的耐火材料。 前者是“固有的”，后者是“外來的”。只有很少的術語來描述這些夾雜物。當有一定數(shù)量的氮化物形成元素存在，將形成氮化物和碳氮化物，例如： Al, Ti, Nband Zr元素。熔融態(tài)的鋼中總是存在一些氮，其含量隨著熔煉工藝不同而各異。 通常的電爐鋼的含氮量大約在100ppm，如果采用氧氣頂吹轉爐煉鋼則含氮量大約在60 ppm