碳钢盘条中珠光体类型组织的区分和判定

1、碳钢盘条中珠光体类型组织的区分和判定摘要：在光学显微镜的视场中，片状珠光体与索氏体是否可以共存；同时，是否可以简单地根据是否能够区分层片状结构来划分片状珠光体与索氏体值得探讨。分析可知，在实际生产中，盘条钢截面上一个显微镜视场内的组织一般应当是属于同一种类型的珠光体组织，根据实际生产条件的差异而造成层片间距不同而形成了截面观察时可分辨层片部分与不可分辨层片部分组织比例上的波动。关键词：盘条；珠光体；光学显微镜；片状珠光体；索氏体；片层间距0前言钢中的珠光体类型组织(简称珠光体)一般包括片状珠光体、索氏体、屈氏体等三种，它们通常呈现层片状的结构。在实际教学、生产实践中如何明确辨别这三种组织确实还

2、存在混乱和误区。上海宝钢股份有限公司的李和平，针对高碳钢盘条索氏体含量金相检测方法中的判定方式提出的质疑涉及最基本的金属学理论及样品制备技术。我们对于其文中的基本概念、思考方式基本认同，只是文章过于简单。那么，在实际工作、教学过程中，在显微镜观察条件下，如何区分、判定片状珠光体与索氏体呢?我们做了一些更为详细的工作，与大家共同探讨。1关于珠光体的基本概念珠光体的片层间距铁碳合金中，共析成分的奥氏体，冷却到A1以下时，将分解为铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体，缓冷所得的珠光体呈片状，称为片状珠光体。片状珠光体中片层方向大致相同的区域称为珠光体团，在一个奥氏体晶粒内，可以形成几个珠光体团。珠光体

3、团中相邻两片渗碳体(或铁素体)中心之间的(垂直)距离称为珠光体的片间距。片间距的大小主要决定于珠光体的形成温度，随着冷却速度的增加，奥氏体转变为珠光体的温度逐渐降低，亦即转变时的过冷度不断增大，则转变所得的珠光体片间距也不断减小。一般所谓的片状珠光体的片间距约为150450nm；索氏体的片间距约为80150nm；在更低的温度下形成的片间距为3080nm的珠光体在生产上被称为屈氏体。珠光体类型的组织的具体形成温度区间是：珠光体是A1650；索氏体是650600；屈氏体是600550。实际上，关于珠光体类型组织的片间距的数值也存在不同的划分，比如，有的文献中的数据是珠光体：大于0.4；索氏体：0.

4、20.4；屈氏体：小于0.2；还有的是，粗珠光体：0.60.7；珠光体：0.350.5；索氏体：0.250.3。也有人认为是：片层间距在0.1、0.25、0.6左右的珠光体类型组织分别为屈氏体、索氏体、片状珠光体。对于珠光体层片间距区分范围的混乱，其实可以根据组织、性能之间的关系来明确。由于150nm对应着珠光体组织性能上的一个转折点，所以，有理由认为，一般所谓的片状珠光体的片间距约为150450nm；索氏体的片间距约为80150nm；屈氏体的片间距为3080nm的划分是更为合理的。光学显微镜中的珠光体一般所谓的片状珠光体，是指在光学显微镜(通常是500倍观察条件)下能够明显分辨出片层的珠光体

5、；如果珠光体的片间距小到光镜难以分辨时，这种细片状珠光体被称为索氏体。实际上，用电子显微镜观察时，不论是索氏体还是在更低的温度下形成的屈氏体，都是层片状组织，只是片间距不同而已。不同的文献对于光学显微镜的放大倍数在分辨索氏体能力上的描述基本一致，在满足相应的数值孔径的基础上，认为400500倍条件下，可以分辨片状珠光体，8001000倍时可以分辨索氏体。在GB7216-87，灰铸铁金相中，通常辨别珠光体、屈氏体是在500倍放大倍数下进行观察，近似的判定是：如果放大倍数500倍下，铁素体和渗碳体难以分辨就是索氏体型珠光体。但是，对于在光学显微镜中根据是否能分辨出片层状的结构来区分片状珠光体与索氏

6、体我们认为存在需要探讨的必要。2教学、生产实践中的应用珠光体这样最基本的组织形态，在一般教学、实践中确实有时得不到重视，很少碰到需要明确一个显微镜视场中是否同时存在片状珠光体和索氏体及判定方式的问题。但是，经常也会有教师在课堂上解释珠光体组织的时候，特别说明在一个视场中看到的不同层片间距的珠光体是由于形成的先后顺序不同，也就是形成温度的高低不同产生的层片间距的差异。我们所知道的会涉及在生产检验中判定珠光体类型组织的场合除了在YBPT169-2000，高碳钢盘条索氏体含量金相检测方法中需要判定组织中是否存在片状珠光体，确定索氏体含量的比例外，在GB7216-87，灰铸铁金相中也涉及基体组织是索氏

7、体还是片状珠光体的判定工作。由于珠光体类型组织的常见性，肯定还有其它的生产场合需要涉及严格区分珠光体类型组织的时候，这需要其他感兴趣且实际工作中碰到此类问题的人士搜集、介绍。3片状珠光体与索氏体能否共存于一个显微镜视场中针对李和平提出的片状珠光体与索氏体不可能存在于同一个显微镜视场中的看法，我们表示认同，下面只是从更感性的一些数据来丰富一下说明。珠光体的片间距主要决定于形成温度，那么，在一个500倍的光学显微镜视场大小尺度范围的材料内部是否会存在不同的温度波动、梯度?我们以OLYMPUS-CK40M型显微镜为例，其10倍目镜的视场大小是18cm。那么，通常在500倍观察条件下观察视场所对应的实

8、际物理尺寸大小是0.36mm直径的圆形区域。而一般钢在奥氏体化的过程中不希望出现粗大的晶粒，晶粒度会控制在58级，相对应的平均直径大小在0.0620.022mm，如此，珠光体团的尺度在30.010.0m左右。对于大尺寸工件，心部、边缘由于散热条件的差异造成冷却速度的差异，形成一定的温度梯度，可以造成较大的温度差异，进而产生不同转变产物由表面到心部的连续分布是比较好理解，也比较常见。不过，一般这是在较大的尺度范围内的现象。如果具体到珠光体类型组织转变的冷却速度、转变温度范围来讲，再加上对于类似盘条等截面很小的工件时，在截面上的温度差异显然无法达到在显微镜视场大小的区域内存在几十度的明显温度差异，

9、甚至温度台阶的可能。不然，类似盘条材料的心部与表面的温度差异会达到几百度的可能，这显然是荒谬的。另外，从实际检测来说，在一个高倍(500倍)视场情况下一般会发现，可以分辨层片的珠光体和无法分辨层片的珠光体的空间分布是散乱、均匀分布的。由此，如果简单地认为是存在不同类型的珠光体组织，那么，也就是认为同一个显微镜视场中是会呈现不同区域(间隔20微米左右)的温度存在高低起伏的状况，进而造成珠光体层片间距的差异。这也显然不合理。反过头来看，在GB7216-87，灰铸铁金相中判定基体组织时，是针对一个视场中的组织是否属于一个类型的珠光体组织来讲的，并没有说明一个视场中还要区分可见层片与不可见层片组织的比

10、例关系，避免了概念的混乱。因此，在高倍观察条件下，同一个视场内的珠光体类型组织不能认为存在不同级别范围的层片间距，而应该肯定地讲，只有一种珠光体类型组织，属于同一个层片间距范围。那么，为什么同一种类型的珠光体会在显微镜的视场中表现出差异很大的层片间距的差异呢?4同一视场中一类珠光体表现出不同层片间距的原因简单地说，珠光体的片间距存在一个真实层片间距和一个截面观察层片间距。其实，在有的文献中也已经注意且明确提到：在用金相法测量珠光体片间距时，由于样品表面与珠光体片层交截的角度不同，将使测出的片间距也不同，只有当样品的表面与珠光体片层垂直时，测得的才是片间距的真实值。实际上，如果了解样品制备的基本

11、原理及过程，并且了解斜面截切在研究表层金相组织中的作用的话，很好理解的是，在样品的某个磨面上我们所看到的珠光体组织的层片间距并不是准确的层片垂直片间距，而是与片层垂直方向有一定角度方向的截面观察层片间距，截面观察层片间距会在一个很大的范围内波动出现，甚至可以见到数倍于垂直片间距的截面观察片间距，这是明确的。实际上，确实可以认为珠光体片的垂直片间距被放大了，不过，不能简单地说成是“假象”那么简单。完整地说，每个珠光体晶团层片的空间取向是任意的，一个样品是由众多的珠光体晶团构成的，晶团之间是无规则、无择优取向分布的。一个金相磨面的取向也是任意的，截取珠光体晶团的角度也就是任意的，因而，不同位置珠光

12、体晶团的截面片间距也表现出很大的差异。5光学显微镜视场中如何区分珠光体类型组织这在实际应用中的混乱是比较大的，主要是没有考虑到一定尺度内两种类型组织不可能出现的事实；其次，样品制备时截面对于层片间距的放大作用。那么，珠光体类型的组织在光学显微镜中应该如何判定呢?这需要根据不同珠光体类型组织的垂直片间距并结合试样制备技术及实际使用的显微镜来具体说明。还是以OLYMPUS-CK40M型显微镜的50倍物镜为例，其数值孔径是0.75，则，理论上的分辨能力是275P0.75=366.6nm=0.36m(采用绿光，波长是550nm)。由此，如果单从珠光体的垂直片间距来看，索氏体、屈氏体由于片间距过小，根本

13、是无法区分层片结构的，而实际并非如此。我们不能根据显微镜中是否能够观察到层片结构来区分片状珠光体与索氏体。由于截面放大效应，我们所看到的珠光体类型组织的片间距基本都是大于真实垂直片间距的截面观察片间距。那么，珠光体的垂直片间距被放大了多少，如何在光学显微镜中观察、分辨不同的珠光体类型组织呢?先看简单的，如果从一个显微镜视场角度来说，如果整个500倍视场内的珠光体层片都可以分辨，则真实层片间距在360nm以上，可以认为组织是片状珠光体。而对于屈氏体，由于截面原因造成的片间距扩大的效果无助于在显微镜下分辨出其层片结构，光学显微镜对其层片结构的观察是无能为力。问题是，层片间距在150360nm的珠光

14、体与80150nm的索氏体之间的辨别如何实现；特别，珠光体层片间距为150nm的时候，针对盘条钢的性能来讲是一个分水岭，能够明确显微镜中的明辨方式至关重要。综合前面的论述、数据，我们可以定性地讲，对于类似盘条钢的材料，某个位置附近的多视场截面图像的采集，或多个相同冷却条件的不同位置采集的截面图像中，可以分辨层片结构部分的组织，与不可分辨层片结构部分的组织的比例关系，实际上对应于一定层片垂直间距的珠光体类型的组织。反过来讲，一定层片垂直间距范围的珠光体类型组织对应于在一定的视场截面观察中可分辨部分与不可分辨部分的比例。根据体视学原理可以知道，截面观察层片间距在一个很大的范围内波动出现的事实其实符

15、合数理统计规律，在此不做精细的数学推导，我们参考有关文献进行粗略的定性说明。文献中提到，进口盘条钢中的索氏体比例比较高，都在85%以上，且截面分布差异小，层片厚度均匀性好。实际上，更准确地讲，应当是不可分辨层片组织部分占视场的面积比例在85%以上。由此，我们可以粗略地认为，85%在此时就是一个分界，即，如果视场中的不可分辨部分在85%以上，组织就是索氏体，如果比例更高，说明索氏体的层片间距也在变小，造成不可以分辨层片部分的比例增大；如果比例偏小，则是属于片状珠光体范畴，偏离的越大，说明片状珠光体的层片间距也越大，造成可以分辨层片部分的比例增大。另外，对于盘条钢来讲，心部位置的冷却速度最慢，因此，完全可以根据心部位置附近的组织中不可分辨部分组织的比例的高低，判定整个盘条截面上的组织分布规律，似乎没有必要特别在标准中选定其它截面上的位置。6结语首先，一个显微镜视场中的珠光体类型组织应当是属于一个类型，片状珠光体，或是索氏体；其次，如果视场中存在不可分辨层片组织所占的比例超过85%，则视场中的所有组织属于索氏体，偏低，则是属于片状珠光体，此为一个简单判断方法。另外，样品制备的好