钢中相变、金相组织检测方案(金相显微镜)

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10um 钢中相变的部分典型金相组织 段宝玉，李一鸣 内蒙古科技大学分析测试中心，内蒙古包头014010 摘要：相变作为材料科学的经典问题历经数百年的研究而不衰。利用金相显微镜观察组织形貌作为一种便捷而基础的手段从19世纪就开始在相变研究中而被广泛使用至今。本文展示了近年来我校在钢铁材料的马氏体、贝氏体和珠光体三种相变研究中的部分金相组织。 关键词：相变；金相组织； 相变在各种材料的加工过程中广泛存在，特别是在钢铁的冷热成型及热处理过程中被作为改变材料性能的重要手段而得到众多学者历经几百百的研究至今。其中，马氏体相变、贝氏体相变和珠光体相变作为钢中主要的三种相变而尤为重要。近年来，我校刘宗昌等人在钢中相变研究方面做了大量系统的工作，其中涉及到相变过程中的热力学计算、晶体学模型、形核、长大机制等各方面，并对钢的相变提出了许多新理论，对相变机制进行新的探索11-81. 1836年 Sorby 首次用显微镜观察到魏氏组织通常被认为是金相研究的起源。从其时至今金相学已经演变为一门专业课程在大学中广泛推广，金相观察的手段从最初的光学显微镜发展到各种电子显微镜，有效放大倍率及分辨率得到了几个数量级的突破。而金相显微镜由于简单、易操作的特征在基础的微米级的金相组织观察领域内仍然是强有力的工具。 本文展示了我校在钢中相变研究过程中获得的典型金相组织，其中涉及到多个钢种的马氏体、贝氏体和珠光体三种主要相变。由于钢种和热处理工艺的差异，各种相变过程中的金相组织数量浩多；同时由于篇幅的限制，此处仅节选了部分金相组织，并简要解说其特征，其相变机制等理论可以参考相关文献[1-8，10-14]。文中金相照片均使利用ZEISS Axio Imager 光学显微镜拍摄。 一、马氏体相变 最先出于对德国冶金学家 Adolf Martens 对金相学功绩的纪念，于19世纪90年代被提议以其名字马氏来命名钢的淬火组织。马氏体组织在我国出土的2000多年前的西汉年代的剑中就已经存在，而马氏体转变这种有趣而又重要的相变从19世纪就引起了科学界的争议[15]，从20世纪至今许多马氏体转变机制的模型被不同的学者提出[16]。20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变，如： Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、T1、Pu、Ⅴ、Zr、和 Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-A1、Cu-Sn、Cu-Zn、In-T1、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体7。随钢中碳及合金元素的变化，马氏体也展现出各种不同的形貌。其中马氏体的二维形态有板条状、片状、蝶状、针状、凸透镜状等，而相对应的三维立体形态为宽片状、长片状、扁针状等[18]。体氏体中含碳量≥1%的钢后火后，马氏体形态多为片状马氏体，当奥氏体中含碳量≤0.2%的钢淬火后，马氏体形状多为板条马氏体。其片状和板条状马氏体典型的特征如图1。过冷奥氏体在极大的远离平衡态时，即达Ms点时，在奥氏体晶粒内的位错处或层错处，出现随机涨落，由于温度太低，原子难以或不能扩散，以无需扩散的方式进行马氏体相变。最先在奥氏体晶粒内形成的马氏体晶体比较粗大，可贯穿奥氏体晶粒，后形成的马氏体晶体由于先形成马氏体和奥氏体晶界的阻碍，就越来越小，马氏体片之间呈一定的角度相交，如图1(a)。图2是 GCr15 淬火后得到的混合马氏体组织，其中黑区是板条状马氏体，而白区为细小的隐针马氏体。图3是Cu-11.42A1-0.35Be-0.18B(wt%)合金中的矛头状马氏体形态。 图1 (a)60Si2CrV 钢加热至930℃水淬得到的片马氏体； (b)9Cr3Ni 钢加热至950℃水淬得到的板条状马 氏体 图2 GCr15钢淬火马氏体组织 图3 Cu-11.42A1-0.35Be-0.18B(wt%)合金的矛头状马氏体形态(a)偏光； (b)明场； 二、贝氏体相变 钢中贝氏体的形态极其复杂，这是由于贝氏体相变的中间过渡性造成的。一般分为上贝氏体和下贝氏体。经典上贝氏体是由板条状铁素体和条间分布不连续碳化物所组成。贝氏体铁素体条间的碳化物是片状形态的细小的渗碳体，组织形貌呈现羽毛状。经典上贝氏体随温度降低和钢中碳含量的增高，板条状铁素体变薄，位错密度提高，弥散度增加19。经典下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针状，与回火马氏体相似，碳化物排列在片内，，一般与片的长轴呈55°60交角，也有与长轴平行的。在等温初期先形成s-碳化物，， -长时间等温则形成渗碳体，尤其在硅钢中易见到下贝氏体中存在e-碳化物120J。 图460Si2CrV 钢450℃盐浴等温不同时间的金相组织(a)8min； (b)23min； (c)1h； (d) 2h 图4是60Si2CrV 钢在930℃奥氏体化，保温30分钟后，经450℃盐浴等温不同时间，取出后在水中冷却，可得到不同比例的上贝氏体及少量的残余奥氏体。等温时过冷奥氏体在达到下贝氏体转变孕育期后，即开始下贝氏体转变，随等温时间的延长上贝氏体量不断增多。从图中还可以看出，450℃等温处理时的组织均为上贝氏体。常见的上贝氏体组织在高碳合金钢中出现几率较大，其铁素体片条平行排列，尺寸及间距较宽，片条间为渗碳体。但60Si2CrV钢得到的上贝是一粒一粒堆积起来形成条状，由于 Si 元素的作用其不溶于渗碳体中，阻碍了渗碳体的析出，所以基本上没有碳化物的析出。图5是 GCr15 钢1000℃奥氏体化，480℃等温，发生贝氏体相变。 GCr15钢为高碳钢，故所得到的贝氏体组织为经典上贝氏体，呈现羽毛状，如图5(a)所示。300℃等温淬火，得到下贝氏体组织，如图5(b)所示。GCr15 钢下贝氏体呈现典型的高碳下贝氏体的特征，呈针状，沿与铁素体主轴相夹55°60°角的方向上呈排状分布21，22]。下贝氏体碳化物通常为：-碳化物或渗碳体，呈薄片状。 图 5 GCr15 钢中温区转变产物组织 (a)480℃盐浴等温 3min， (b)300℃盐浴等温 25min 三、珠光体相变 在钢中组成珠光体的相有铁素体、渗碳体、合金渗碳体、各类合金碳化物。各种相的形态、分布是形形色色的。珠光体组织形貌有片状、细片状、极细片状的；点状、粒状、球状；以及渗碳体不规则形态的类珠光体；“相间沉淀”组织也是珠光体的一种形态1231。在发生贝氏体转变的Bs 点以上温度等温时，发生共析分解形成珠光体组织，由于温度较低，因此珠光体片间距细小，形成索氏体或托氏体组织。在光学显微镜下难以分辨，金相照片呈现灰黑色，无片层结构，如图6所示。 图6T8钢高温区转变的组织 (a)680℃盐浴等温 3min， (b)550℃盐浴等温 3min 图7是 GCr15 钢和T8钢经过完全退火860℃得到典型的片层状珠光体组织。珠光体晶核的侧向长大和端向长大，使珠光体晶核迅速长大为珠光体领域。从图中可以看出，每个珠光体领域的大小、形态也都不一样，而且每个珠光体领域中的珠光体片位向都不同；有的珠光体领域中珠光体片较粗，有的珠光体领域中珠光体较细。 图7(a)GCr15 钢和(b)T8钢的珠光体组织 珠光体晶核的端向长大过程有赖于碳原子从铁素体片前沿富碳奥氏体区向渗碳体前沿贫碳奥氏体中扩散，铁素体片前沿的碳含量降低，有利于铁素体长大；增碳的奥氏体则促使渗碳体长大。这样通过体扩散实现渗碳体和铁素体的端向长大。铁素体和渗碳体的共析共生，重复进行，迅速沿着晶界展宽，使珠光体团长大。珠光体的端向长大依靠铁素体和渗碳体的协同长大进行。这样，由珠光体核长大而成为珠光体领域[24-25]。 图8T8钢不同保温时间的淬火组织 (a)90s； (b)93s； (c)96s； (d)100s； (e)105s； (f)110s； (g)120s； (h)130s； (i) 140s 表1保温时间与转变量的关系 保温时间/s 90 93 96 100 105 110 120 130 140 600 转变量% 0 0 0 2 8 19 45 62 91 100 图8是T8钢在800℃加热不同时间淬火的淬火组织。用称重法计算 T8钢奥氏体的转变量，经过计算，奥氏体转变量如表1所示。由图8可见，在前三个保温时间内，珠光体没有发生转变，图中灰白色的小块并不是马氏体，即转变的奥氏体，只是由于珠光体的位向不同，浸蚀程度不同造成的。随着保温时间的延长，保温100秒后淬火，发现珠光体已经开始发生转变，只是转变量很少，仅为2%。随着保温时间的继续延长，珠光体转变程度越来越大，形成的奥氏体也越来越多，到保温十分钟后淬火，发现珠光体已经全部转变成奥氏体。 四、结束语 钢的相变机理是钢铁生成过程中组织控制的基础，相变过程中的金相组织随材料成分和热处理工艺纷繁芜杂。本文节选了近年来我校在相变研究中的部分典型金相照片，涉及到过冷奥氏体从扩散型相变到半扩散型相变到无扩散型相变存在整个相变贯序，即珠光体、上贝氏体、 下贝氏体和马氏体转变。 ( 参考文献 ) ( [1]刘宗昌.钢的整合系统及其复杂性[J].钢铁研究学报，2002，5：35-40. ) ( [2]刘宗昌，王海燕，任慧平，等.贝氏体铁素体形核机理求索[].材料热处理学报， 2007，1：53-57 ) ( [3]刘宗昌，段宝玉，王海燕，等.珠光体表面浮凸的形貌及成因[].金属热处理， 2009，1：23-27. ) ( [4]刘宗昌.马氏体切变学说的评价[J].内蒙古科技大学学报， 2008，27：293-300. ) ( 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