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金相技术 Writeby LesinXuDate Jun 14 2009 金相检测基础知识 金相技术 主要指借助光学 金相 显微镜 放大镜和体视显微镜等对材料显微组织 低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支 既包含材料三维显微组织的成像及其定性 定量表征 亦包含必要的样品制备 准备和取样方法 其观测研究的材料组织结构的代表性尺度范围为10 9 10 2m数量级 主要反映和表征构成材料的相和组织组成物 晶粒 非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷 例如位错 的数量 形貌 大小 分布 取向 空间排布状态等 金相样品制备 取样 常规检验 依据相关国家标准进行表面检验 有无脱碳 折叠等失效分析 在失效部位如裂纹附近取样金相组织不均匀 如铸件须从表面到中心同时取样观察 了解合金的偏析度 金相样品制备 取样 取样部位确定后还要确定金相磨面 横截面 试样由表层到中心金相组织变化 表面缺陷的检验 如脱碳 氧化 折叠等 表面处理结果的检验 如表面淬火 渗碳 涂镀等 网状碳化物 晶粒度评级 金相样品制备 浸蚀 目的 显示真实 清晰的组织结构方法 化学浸蚀电解浸蚀特殊方法 着色 阴极真空浸蚀等 金相组织识别 夹杂物 外来夹杂物 截留在金属中的外来物质 其分布形式是不均匀和不可预测的 GB T10561 2005 定性 确定夹杂物类型定量 测定非金属夹杂在金属中的含量 形状及分布 A硫化物类 具有高延展性 有较宽范围形态比的单个灰色夹杂物 一般边部呈圆角 B氧化铝类 大多没有变形 带角的 形态比 即 长度 宽度 小 一般 3 黑色或蓝色颗粒 沿轧制方向排成一行 C硅酸盐类 具有高延展性 有较宽范围形态比 一般 3 的单个呈黑色或深灰色夹杂 一般端部成锐角 D球状氧化物 不变形 带角或圆形 形态比小 一般 3 黑色或带蓝色 无规则分布 DS单颗粒球状类 圆形或近似圆形 直径 13 m 夹杂物评级 金相组织识别 金相组织识别 夹杂 GB T10561 2005 ISO4967 1998中夹杂物宽度单位 m 金相组织识别 夹杂 GB T10561 2005 ISO4967 1998中夹杂物级别最小值 金相组织识别 夹杂物 金相组织识别 夹杂物 金相组织识别 夹杂物 金相组织识别 夹杂物 固熔态中的Ti夹杂 金相组织识别 铁碳相图 Fe和C能够形成Fe3C Fe2C和FeC等多种稳定化合物 由于化合物是硬脆相 通常所说的铁碳相图就是Fe Fe3C部分 化合物Fe3C称为渗碳体 Cementite 是一种亚稳定的化合物 在一定条件下可以分解为Fe和C C原子聚集到一起就是石墨 因此 铁碳相图常表示为Fe Fe3C和Fe 石墨双重相图 Fe Fe3C相图主要用于钢 而Fe 石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产 金相组织识别 铁碳相图 铁碳相图 纯铁的同素异晶转变如下 共析成分的Fe C合金升温转变成奥氏体之后 在不同冷却条件下奥氏体所发生的相变 主要有三种不同的相变过程 珠光体转变 贝氏体转变 马氏体转变 金相组织识别 铁碳相图 单相区 5个液相区 L ABCD以上区域 固溶体区 AHNA奥氏体区 NJESGN铁素体区 GPQ以左渗碳体区 Fe3C DFK直线 两相区 7个L AHJBAL BJECBL Fe3C DCFD HNJH GPSG Fe3C ESKFCE Fe3C PQLKSP 三相区 3个包晶线 水平线HJB L 共晶线 水平线ECF L Fe3C 共析线 水平线PSK Fe3C 金相组织识别 铁碳合金的基本相铁碳合金在平衡状态下的五个基体组织中 铁素体 奥氏体和渗碳体是铁碳合金的三个基本相 而珠光体和莱氏体则为基本相组成的机械混合物 碳溶解于 Fe和 Fe中形成的固溶体称为铁素体 Ferrite 用 或F表示 由于 Fe是高温相 因此也称为高温铁素体 铁素体的含碳量非常低 727 时 Fe最大溶碳量仅为0 0218 室温下含碳仅为0 005 所以其性能与纯铁相似 硬度 HB50 80 低 塑性 延伸率 为30 50 高 铁素体的显微组织与工业纯铁相似 铁素体Ferrite 铁素体 金相组织识别 铁碳合金的基本相 碳溶解于 Fe中形成的固溶体称为奥氏体 Austenite 用 或A表示 具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳 碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心 1148 时最多可以溶解2 11 的碳 到727 时含碳量降到0 77 奥氏体的硬度 HB170 220 较低 塑性 延伸率 为40 50 高 碳钢在室温下无奥氏体 奥氏体Austenite 奥氏体的显微组织及晶胞示意图 金相组织识别 铁碳合金的基本相 渗碳体是铁和碳形成的金属化合物 含碳量为6 67 有些书上为6 69 具有复杂的斜方晶体结构 熔点为1227 渗碳体硬度极高 HB800 塑性几乎等于0 是硬脆相 在钢中 渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中 对钢的力学性能影响很大 在一定条件下 如高温长期停留或缓慢冷却 渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳 Fe3C 3Fe C 石墨 这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义 渗碳体Fe3C 渗碳体的晶胞示意图 金相组织识别 珠光体 在727 时 奥氏体 0 77 C 铁素体 0 02 C 渗碳体Fe3C 6 67 C 奥氏体过冷到727 以下在奥氏体晶界首先形成Fe3C晶核 Fe3C是高碳相必须依靠周围的奥氏体不断的供碳使它长大 随Fe3C核的横向长大在它两侧的奥氏体形成贫碳区 为铁素体的形成创造了条件 在侧面的贫碳区就形成铁素体晶核 贫碳区形成铁素体的晶核长大 因铁素体是贫碳相随着它的长大必有一部分碳排出使相邻的奥氏体中富碳 又为Fe3C形核创造了条件 就在富碳区形成Fe3C核 如此反复形成层片状分布的组织 且铁素体与Fe3C同时向纵深长大形成珠光体组织 层片状分布大致分别相同的区域称为珠光体团 显然这是典型的扩散型相变 珠光体 727 金相组织识别 贝氏体 如果将共析钢过冷到550 230 之间并没有产生片间距更细的珠光体 而是产生了另一种新组织称为贝氏体 Bainite 它也是由铁素体加碳化物组成 但碳化物是非层片状分布的 这是因为珠光体转变是受碳在奥氏体中的扩散控制 同时铁原子也要发生扩散 如果过冷度很大 转变的温度达到相当的低 使铁原子无法发生扩散 同时碳的扩散也受到影响 显然不可能发生珠光体转变了 就会使转变的规律发生变化 产生贝氏体组织 由于形成的温度不同使贝氏体的形貌有所不同 又将贝氏体分成上贝氏体 UpperBainite 与下贝氏体 LowerBainite 其形貌如图8 9所示 金相组织识别 贝氏体 上贝氏体在500 350 形成 从图中可见在光学显微镜下呈羽毛状 电镜照片表明 它是由平行分布的铁素体片和分布在片间的断续而细小的渗碳体片共同组成 上贝氏体 金相组织识别 贝氏体 下贝氏体在350 230 形成 从图11可见在光学显微镜呈黑色针状 针的基体是铁素体 内部分布着细小的碳化物 下贝氏体 金相组织识别 贝氏体 根据实验的结果 贝氏体相变有如下的规律 贝氏体转变也是形核与长大的过程 因相变是由一种成分的奥氏体分解出铁素体及碳化物两相组织 转变必有碳的扩散 但铁原子与合金元素不发生扩散 且在许多的钢种中存在转变的不完全性 由于形成温度较低 碳原子扩散困难使得贝氏体中的碳化物的尺寸比珠光体中的碳化物细小 铁素体中碳的过饱和度增加 贝氏体的组织形态主要决定于形成温度 还与奥氏体中的含碳量有关 为了得到下贝氏体 奥氏体中的含碳量需达到中碳以上 贝氏体转变的基本规律 金相组织识别 马氏体 当高温的奥氏体获得极大的过冷 对共析钢要过冷到230 以下 造成碳无法扩散 碳化物无法从奥氏体中析出 就形成一种非平衡的新组织 试验表明 虽然碳无法从奥氏体中扩散出来 但是奥氏体仍然从原来 Fe的FCC结构转变成 Fe的BCC结构 因为没有碳化物的析出 所以碳就过饱和的溶解在BCC结构中将晶格拉长变成了BCT结构 钢中形成的这种碳在 Fe中过饱和的固溶体就被称为马氏体 Martensite 有两种典型的组织 板条马氏体与片状马氏体 金相组织识别 马氏体 板条状马氏体 板条状马氏体光学显微镜下的特征是 束状组织 每一束内有条 条与条间以小角度晶界分开 而束与束间有较大的夹角 金相组织识别 马氏体 片层状马氏体 片层状马氏体光学显微镜下的特征是 细针状或竹叶状 片与片之间以一定的夹角相交 一个重要的规律是 奥氏体的晶粒越粗大 马氏体的片也越粗大 金相组织识别 马氏体 对马氏体的转变机理目前尚不完全清楚 但根据大量的试验结果可归纳出以下的转变特征 相对于扩散性相变具有的一些特点 因为转变温度很低 相变驱动力大 使铁原子发生迁移 奥氏体由原来的FCC结构变成BCC结构 Fe原子的移动时是以马氏体与母相的界面为固定的平面 每一个原子均相对于相邻的原子以相同的矢量移动 且移动的距离不超过原子间距 移动后仍然保持原有的近邻关系 这种方式为切变 因转变的温度很低 碳及合金元素均无法扩散 造成原奥氏体中的化学成分与马氏体中的化学成分完全一致 这一特征称为无扩散性 马氏体的形成的速度极快 只要有过冷度到马氏体开始转变的温度 Ms点 会立即以高速形成相当数量的马氏体 在一般的钢中如果在Ms点以下的某一温度延长时间 马氏体的数量不会增加 只有不断的降温 马氏体的数量才可以不断的增加 一旦到了马氏体转变终了温度 Mf点 再降温马氏体的数量也不再增加 这种特征称为变温形成瞬时长大 根据变温形成瞬时长大特征可知 即使到了Mf点 一般在室温以下 也会有一部分奥氏体不发生转变 而保留下来 称为残余奥氏体 此特征称为转变不完全性 金相组织识别 典型钢铁组织 铁素体成分 C0 03 Si0 33 Mn0 22 P0 014 S0 012 热处理 950 退火 金相组织识别 典型钢铁组织 珠光体 铁素体成分 C0 44 Si0 19 Mn0 73 P0 022 S0 011 热处理 930 退火 金相组织识别 典型钢铁组织 珠光体 网状渗碳体成分 C1 13 Si0 17 Mn0 45 P0 022 S0 009 热处理 900 退火 退火或者正火时 由于加热温度过高或者冷却过分缓慢会造成先共析相沿奥氏体晶界析出 亚共析钢中的先共析铁素体或过共析钢中的二次渗碳体析出后形成网状组织 此乃网状渗碳体的形成原因 知道了形成原因就不难解决问题了 即热处理时温度不能升的太高 冷却速度不能过于缓慢 在进行淬火时 亚共析钢中的网状组织会自行消除 而过共析钢中的网状组织则不能 必须进行一次正火处理 即把过共析钢的温度加热到Accm温度以上30 50度 网状组织也就是二次渗碳体会自动溶入奥氏体当中 金相组织识别 典型钢铁组织 球状渗碳体成分 C1 13 Si0 17 Mn0 45 P0 022 S0 009 热处理 780 退火1小时后徐冷 金相组织识别 典型钢铁组织 屈氏体成分 C0 81 Si0 25 Mn0 36 P0 014 S0 009 热处理 850 水淬后 350 回火 金相组织识别 典型钢铁组织 索氏体成分 C0 81 Si0 18 Mn0 33 P0 022 S0 014 热处理 820 水淬 580 回火 金相组织识别 典型钢铁组织 残留奥氏体成分 C1 13 Si0 17 Mn0 45 P0 022 S0 009 热处理 1030 油冷 金相组织识别 典型钢铁组织 马氏体 球状渗碳体成分 C1 13 Si0 17 Mn0 45 P0 022 S0 009 热处理 球化珠光体组织加热到800 水冷 100 回火 金相组织识别 典型钢铁组织 屈氏体 马氏体成分 C0 41 Si0 25 Mn0 73 P0 015 S0 011 热处理 850 油冷 金相组织识别 典型钢铁组织 马氏体 铁素体成分 C0 33 Si0 17 Mn0 74 P0 027 S0 015 热处理 从950 炉冷到750 后水淬 金相组织识别 典型钢铁组织 魏氏组织成分 C0 33 Si0 17 Mn0 74 P0 027 S0 015 热处理 从1280 加热1小时后空冷 金相组织识别 表面处理 渗碳组织成分 C0 16 Si0 26 Mn0 53 P0 018 S0 019 热处理 在890 加热2小时固体渗碳后徐冷 金相组织识别 表面处理 脱碳组织成分 C0 16 Si0 26 Mn0 53 P0 018 S0 019 热处理 在890 加热2小时固体渗碳后徐冷 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 第二节铸铁的金相检验 铸铁的分类一般按碳和石墨的形态特征可分为 白口铸铁 灰口铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 可锻铸铁 还有特殊性能的合金铸铁 分别含有Cr Mo Cu Ni W Ti V等合金元素 铸铁金相主要检验石墨的形态 大小和分布状况以及金属基体中各种组织 铸铁的金相组织是由石墨和基体组成的 铸铁中的金属基体常见的组织为P P F和F 还有渗碳体和磷共晶 铸铁的金相检验 一 白口铸铁由于普通白口铸铁中存在大量渗碳体和莱氏体 硬度高 脆性大 难以切削加工 在工业生产中很少直接应用 它主要被用于作为炼钢生铁和可锻铸铁的坯件 在工业生产中 应用得最多的是冷硬白口铸铁和高铬白口铸铁 铸铁的金相检验 二 灰铸铁灰铸铁是一种断口呈灰色 碳主要以片状石墨出现的铸铁 片状石墨是灰铸铁特有的石墨形态 GB T7216 灰铸铁金相 将片状石墨的二维形态分成A B C D E F六种类型 按Fe C状态图 灰铸铁的平衡组织为铁素体 石墨 受化学成分和冷却速度等的影响 则可能出现碳化物和磷共晶 因此铸铁的基体可能是P F或全部是P 灰铸铁的金相检验必须按照GB T7216 1987 灰铸铁金相 标准规定的方法和内容进行 标准规定金相试块应取自抗拉试棒距断口10mm处 或从试棒的底部切除10mm后再取金相试块 试块尺寸应包括试棒直径的一半 不允许直接从浇口或冒口上取样 铸铁的金相检验 灰铸铁石墨的检验 石墨分布GB T7216 1987 灰铸铁金相 标准规定灰铸铁石墨检验应在未侵蚀的试样上进行 观察放大倍数为100倍 GB T7216 灰铸铁金相 将片状石墨的二维形态分成A B C D E F六种类型 如图 生产中 在同一铸件的同一部位上往往会存在几种形状的石墨 铸铁的金相检验 片状 A型 石墨 特征是片状石墨均匀分布 这种石墨一般是共晶或接近共晶成分的铁水在不大的过冷度下均匀形核和长大而成 铸铁的金相检验 菊花状 B型 石墨 特征是片状与点状石墨聚集成菊花状 其心部为少量点状石墨 外围为卷曲片状石墨 这种石墨一般是接近共晶成分的铁水经孕育处理后在较大的过冷度下形成 铸铁的金相检验 块片状 C型 石墨 特征是部分带尖角块状 粗大片状初生石墨及小片状石墨 这种石墨一般是过共晶成分的铁水在过冷度比较小的情况下形成 铸铁的金相检验 枝晶点状 D型 石墨 特征是点状和片状枝晶间石墨呈无向分布 这种石墨是亚共晶成分的铁水在较强烈的过冷度下形成 为过冷石墨 铸铁的金相检验 枝晶片状 E型 石墨 特征是短小片状枝晶间石墨呈有方向分布 这种石墨是亚共晶成分的铁水在比形成D型石墨为小的过冷度下形成 铸铁的金相检验 星状 F型 石墨 特征是星状 或蜘蛛状 与短片状石墨混合均匀分布 这种石墨是由较大的块状石墨及其上分布着的小片状石墨所组成 铸铁的金相检验 石墨长度在灰铸铁中 石墨长度是影响铸铁力学性能的重要因素 抗拉强度随石墨长度的增加而降低 GB T7216 1987将石墨长度分为8级 见表 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 灰铸铁基体组织的检验灰铸铁的基体组织一般为P或P F 按其铸态或经热处理后状态列入7种 F 片状P 粒状P T 粒状B 针状B M 此外 受化学成分和冷却速度的影响 在铸铁结晶后 还可能出现碳化物和磷共晶 珠光体粗细和珠光体数量灰铸铁的珠光体一般呈片状 片状P的粗 铸铁的金相检验 细可以用渗碳体和F的片间距离来表示 片距越小 P越细 硬度和强度越高 标准GB T7216 1987规定 在500倍下 按片间具的大小 将P的粗细分为四级 S型P F与K难以分辨 细片状P 片间距 1mm 中片状P 片间距 1 2mm 粗片状P 片间距 2mm P数量是指P和F的相对量 P数量越多 灰铸铁的强度和耐磨性越高 国家标准将P数量分为8级 见表5 铸铁的金相检验 8 铸铁的金相检验 碳化物的分布形态和数量如果铁水按Fe Fe3C亚稳定系相图结晶 则得到碳化物 在合金铸铁和耐磨铸铁中 出现的碳化物要比灰铸铁中多 根据碳化物的分布形态 可分为针条状碳化物 块状碳化物 网状碳化物和莱氏体状碳化物 碳化物具有很高的硬度 却降低铸铁的韧性 恶化加工性能 标准将碳化物分为6级 见表7 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 各级别名称中的数字表示碳化物数量体积分数 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 磷共晶类型 分布形态和数量 磷共晶类型 磷共晶按其组成分为四种 二元磷共晶 三元磷共晶 二元磷共晶 碳化物复合物及三元磷共晶 碳化物复合物 检验磷共晶的试样一般采用2 5 硝酸酒精溶液浸蚀 放大倍数500倍 磷共晶类型 磷共晶类型 二元磷共晶 磷化铁和奥氏体 其转变产物为珠光体或铁素体 所组成的共晶体 磷共晶类型 三元磷共晶 磷化铁 碳化铁和奥氏体 其转变产物为珠光体或铁素体 所组成的共晶体 磷共晶类型 二元磷共晶 碳化物复合物 磷化铁和奥氏体 其转变产物为珠光体或铁素体 所组成的共晶体 碳化物呈较大的块状 铸铁的金相检验 磷共晶分布形态 分为4种 孤立块状 均匀分布 断续网状 连续网状 检验磷共晶分布形态的试样用2 5 硝酸酒精溶液浸蚀 放大倍数100倍 磷共晶数量 磷共晶硬而脆 显著降低铸铁的韧性 标准将磷共晶数量分为1 6级 见表10 检验磷共晶数量的试样用2 5 硝酸酒精溶液浸蚀 放大倍数100倍 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 铸铁的金相检验 三 球墨铸铁球墨铸铁是指铁液经球化处理后 使石墨大部或全部呈球状形态的铸铁 与灰铸铁比较 球墨铸铁的力学性能有显著提高 因为它的石墨呈球状 对基体的切割作用最小 可有效地利用基体强度的70 80 灰铸铁一般只能利用基体强度的30 球墨铸铁还可以通过合金化和热处理 进一步提高强韧性 耐磨性和耐蚀性等各项性能 铸铁的金相检验 球墨铸铁的石墨及其检验 石墨形态石墨形态用石墨面积率表示 石墨面积率愈接近1 石墨愈接近球状 面积率 0 81为球状石墨 面积率0 80 0 61为团状石墨 面积率0 60 0 41为团絮状石墨 面积率0 40 0 10为蠕虫状石墨 面积率 0 10为片状石墨 铸铁的金相检验 石墨球化率及其测定在金相检验中通常所见到的是几种形态的石墨共存 评定石墨的球化质量用球化率来解决 球化率是在规定的视场内所有石墨球化程度的综合指标 它反映了该视场内所有石墨接近球状的程度 根据石墨形态及其分布和球化率 参考其对机械性能影响的趋势和工艺特点 将球化分为从1 6共六个级别 球化率愈高 力学性能愈高 铸铁的金相检验 石墨球化分级 1 石墨大小石墨大小也会影响球墨铸铁的力学性能 石墨球细小可减少由石墨引起的应力集中现象 细小的石墨往往球化率也高 因此 均匀 圆整 细小的石墨可以使球墨铸铁具有高的强度 塑性 韧性和疲劳强度 GB T9441 1988标准将石墨大小分为从3 8级共六个级别 见表2 铸铁的金相检验 1 铸铁的金相检验 球墨铸铁的基体组织及其检验球墨铸铁铸态下的基体组织一般为F P 大多数球墨铸铁有必要进行热处理改善其基体组织 从而达到所需要的性能 F基体往往是通过退火来达到 正火可以消除铸造应力 细化晶粒 获得全部或以P为主的基体组织 此外 受化学成分和冷却速度