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【分享】45钢晶粒粗大研究与控制

adela2009

2011/06/20

金相显微镜

朱伟华申景霞李猛

在分析用户提出质量异议的热处理试样时发现，该零件为某厂提供的45钢制作，组织非常特别，表征为晶粒粗大，淬透性差，只淬透了表面非常薄的一层。对原始材料进行了淬火试验，发现此批45钢均存在此类现象。在840℃保温40分钟水淬试验后，发现存在淬透性差、晶粒粗大的现象。这是一个系统的质量缺陷问题。

1 缺陷特征和形貌

1.1 缺陷特征

45钢经过常规淬火工艺，一般来说，具体比较强的淬透能力。淬火试验后，发现只能淬透距表层3-6mm，这很不正常。而且在840℃保温40分钟的情况下，得到的淬火组织居然是非常粗大的异常组织。因此，关键就是要找出组织粗大的原因。粗大的热处理组织强度急剧下降，脆性增强，非常容易开裂。零件的疲劳寿命也大大降低。

1.2 缺陷形貌

1.2.1热轧后的原始组织

原始组织晶粒约为50μm，组织较为粗大，有过热的倾向。但做为使用要求不高的45钢来说，这种组织能够满足一般热处理的要求。下图为原始组织的照片，分别放大500和1500倍。

1.2.2下图为淬火后，缺陷组织明显，放大500\1000\1500和3000倍的照片。

可以看到淬火马氏体组织的周围存在比较宽的晶界，该晶界的耐腐蚀性明显低于马氏体组织。部分马氏体的晶粒超过70μm。

1.2.3 较好炉次的试样

下图为淬火能力较好的组织形貌。在扫描电镜下同样发现存在类似的缺陷，只不过严重程度要小。

从上图可以看出，仍然存在一些粗大的晶界，但马氏体的量较多。这说明该厂生产的所有45钢均不同程度的存在晶粒粗大，晶界粗宽的现象。

2 缺陷分析

为了找出原因，分析了各部分的成分，并做了成分的线扫描和点扫描。

1、点成分扫描

对晶界成分做了全面的分析，发现存在Mn和S元素的偏聚。Mn元素平均在1.00%左右。

2、线扫描

其中一条晶界：

从上面的分析可以看出，C、Mn、S等元素都存在不均匀分布，有集中的线状分布。

3 结论：

从热轧组织上看，存在比较明显的过热迹象，组织粗大，晶粒度在1级左右。淬火后，部分组织转变成马氏体组织，在马氏体晶粒的晶界上，存在较宽的以铁素体为主的粗大晶界，并且晶界上锰和硫的含量较高。综合认为，钢坯在轧制加热过程中，发生了过烧。一般来说，在1250左右℃时，碳钢中的锰和硫极易在边界析出形成硫化锰的夹杂，当钢坯加热温度过高时，晶界首先发生弱化，继而发生粗化、烧损。一旦发生了晶界熔化，晶界处的碳元素就会被氧化形成贫碳区，因此，晶界就会成为粗大铁素体为主的带，并富含夹杂物。这个晶界在后续的热处理过程中不能得到消除和扩散。过烧的钢坯经过轧制后，部分粗大晶界发生了断裂和迁移，仍然存在于钢中，轧制冷却后，钢中的晶粒虽然发生了重结晶和相变，形成了类似过热的平衡态组织，但是，过烧形成的粗大晶界在钢中仍然存在。一旦加热重新奥氏化后，粗大的晶界又重新显示出来，淬火时，奥氏体组织转变为马氏体，而粗大晶界变成为夹有铁素体带的淬火托氏体组织，该组织大大弱化晶粒之间的强度，非常容易造成零件失效和裂纹。

4 控制晶粒度的措施

4.1理论和实践证明轧钢工序控制终轧温度在Ar3附近，约800～850℃范围内可获得细小均匀的晶粒组织，控制较快的冷却速度也可使晶粒变细，因此控制加热炉加热温度和终轧温度是控制晶粒度的关键。

4.2 控制钢的晶粒长大除控制加热温度和终轧温度外，还可通过控制钢中化学成分来细化晶粒，一般方法是采用铝脱氧和加热V、Ti、Nb等合金元素，用铝脱氧时形成高度弥散的氮化铝和Al₂O₃,这些固体颗粒可成为钢液结晶时的晶粒核心，使晶粒细化。还可以防止钢加热时奥氏体晶粒长大。V、Ti、Nb这些元素能和碳形成微小分散的碳化物，这些碳化物难溶于奥氏体，在钢加热时可阻碍奥氏体晶粒长大，因此在钢中加入适量的V、Ti、Nb可抑制奥氏体晶粒长大，减轻钢的过热倾向。

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lin1712

第1楼2011/06/20

支持、学习啦！

0

fengyonghe

第2楼2011/06/20

马氏体晶粒的规范称谓应该是“原奥氏体晶粒”。马氏体只是一种组织。
线扫描没有看到元素偏聚，没有看到哪里有“线状分布”
“淬火马氏体组织的周围存在比较宽的晶界”还是叫做网状铁素体为好。
这种组织照片还是光镜的效果好一些。

0

houjbf

第3楼2011/06/23

很专业啊，勉强理解了一些。由于开发需要，刚开始接触金相，实在搞不明白这些组织或晶粒是怎么判断的，判定依据是什么？怎么来定性、定量？

0

adela2009

第4楼2011/06/30

一般分析金属材料都是用金相显微镜吧

0

社区=冬季=

第5楼2011/06/30

线扫描是什么？
fengyonghe(fengyonghe) 发表:马氏体晶粒的规范称谓应该是“原奥氏体晶粒”。马氏体只是一种组织。
线扫描没有看到元素偏聚，没有看到哪里有“线状分布”
“淬火马氏体组织的周围存在比较宽的晶界”还是叫做网状铁素体为好。
这种组织照片还是光镜的效果好一些。

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adela2009

第6楼2011/06/30

或者说是线切割？

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Insp_5d5351ee

第7楼2018/04/27

扫描电镜里面的一种测试手段，大致能看出成分元素的分布状态：点扫描就是一维的扫描，线扫描就是二维的，面扫描就是三维的
adela2009(adela2009) 发表:或者说是线切割？

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风云变幻

第8楼2018/04/28

怎么你的定义比一般的多一个维度？
Insp_5d5351ee(Insp_5d5351ee) 发表: 扫描电镜里面的一种测试手段，大致能看出成分元素的分布状态：点扫描就是一维的扫描，线扫描就是二维的，面扫描就是三维的

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风云变幻

第9楼2018/04/28

楼主资料中这样的线扫描数据呈现方式对于生手来说确实比较难理解。
其实就是在用SEM分析是，对你观察的样品画一条线段(只是在电脑界面上画，不是实际在样品上，也可以称为选择一个线性区域、但是没有宽度)，然后告诉设备你要对样品按线段的方向进行相应的成分分析，由此你可以了解对应线段的元素分布状况。
社区=冬季=(lylsg555) 发表:线扫描是什么？

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Insp_5d5351ee

第10楼2018/04/28

我的个人理解，这个点扫描还有定义吗
风云变幻(v3165605) 发表: 怎么你的定义比一般的多一个维度？

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