鋼中的魏氏組織

王紅俐

（韶關市技師學院，廣東 韶關）

0 前言

鋼中的魏氏組織分兩類：鐵素體型魏氏組織和滲碳體型魏氏組織。本文所研究的是亞共析鋼（16Mn）中的魏氏組織，即鐵素體型魏氏組織。

魏氏組織由Widmanstātter最先在Fe-Ni隕石中發現，是按一定幾何形狀分布的針狀組織。通常所說的魏氏組織鋼中先共析的鐵素體或滲碳體不僅沿奧氏體晶界析出，而且在奧氏體晶粒內部以一定的位向關系呈片狀（在顯微鏡下呈針狀態），而研究較多的是先共析片狀鐵素體即魏氏組織鐵素體。

通常認為魏氏組織是一種過熱組織，降低鋼的機械性能，因此常用正火方法予以消除。但后來的研究表明，魏氏組織并不是過熱的標志。姚枚、范瑩隆等證實了它可分為交叉針狀和平行針狀兩類，并發現形成以交叉針狀鐵素體為主的魏氏組織時，鋼材的抗冷脆性好。范瑩隆等已研究了亞共析鋼中魏氏組織鐵素體的形貌，探討其形成機制，以達到指導生產實踐的目的。

本文就是在上述結論的基礎上進一步證實了魏氏組織的F形態可分為交叉和平行兩種形狀，連續觀察磨光試樣在形成魏氏組織時的浮凸，并通過浮凸與組織對應比較獲得魏氏組織形成機制的有關組織。

1 試驗材料及方法

本試驗采用16Mn鋼，其化學成分見表1

表1

為獲得兩類魏氏組織，采用兩種不同溫度650℃和560℃鹽浴等溫（鹽浴的配比為31%BaCl2+48%CaCl2+21%NaCl,其熔點為435℃）一定時間后用10%NaCl鹽水淬的方法，其奧氏體化為用管式高溫爐加熱到1100℃保溫10分鐘，試樣加工成10*15*2mm。腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。

2 試驗結果與分析

2．1 通過鹽浴等溫試驗獲得的組織

650℃等溫15s試樣中，沿奧氏體晶界出現白色的塊狀鐵素體，而在晶粒內部有少部分的雜亂分布針狀鐵素體，其組織為塊狀F+交叉針狀F+其它產物。我們可把此塊狀F看成也為交叉針狀F，它們的分布是隨機的；

560℃等溫15s試樣中，可看到沿奧氏體晶界向晶粒內部伸長的平行針狀鐵素體，在晶粒內部亦有平行塊狀鐵素體的析出。

2．2 用高溫金相法獲得的組織，可更加清晰地分辨出兩類魏氏組織

650℃等溫試樣中，奧氏體晶界上分布著雜亂的塊狀F（交叉針狀F）在某些地方可以看到少數的呈針狀的F，其組織為交叉針狀F。

在連續冷卻獲得的組織中，很明顯地可看出其為平行針狀F，這些F束與束之間成一定的角度，在同一束內針與針、束與束之間有一些細小組織。

2．3 連續冷卻的試樣

控制冷卻速度，連續冷卻可以在試樣的表面看到明顯的浮凸，在拋光腐蝕后對比觀察其顯微組織，可以看出對應的三角形，在相當于表面浮凸的地方存在著魏氏組織的α鐵，它們平行針狀排列，而在沿晶粒間界相當于鐵素體的地主，表面則是平坦的，沒有浮凸，進一步比較還可發現，兩者不能象馬氏體那樣十分嚴格地對立。另外，在試驗連續轉變過程中發現，魏氏組織的浮凸的形成是十分迅速的，而且在瞬間形成之后沒有發現有什么改變。

2．4 650℃等溫的試樣表面沒有浮凸現象，其顯微組織為交叉針狀鐵素體

3 討論

由以上試驗結果我們知道，魏氏組織有交叉針狀和平行針狀兩類，它們的形態及形成時的變化不相同，因此可以推測它們可能是按不同的機制形成的。

戚正風等人認為：先共析鐵素體的析出也是一個形核、長大過程，先共析鐵素體的核大都是在奧氏體晶界上形成，晶核與一側的奧氏體晶粒（γ1）存在K-S關系，兩者之間為共格界面，但與另一側的奧氏體晶粒（γ2）無位向關系，兩者之間為非共格界面。晶核形成后，當轉變溫度較低時，鐵原子作長距離擴散變得困難，使非共格界面不易遷移，而共格界面先鋒則成為主要的。因此，鐵素體晶粒將通過共格界面向與其有位向關系的奧氏體晶粒γ1長大，為減少彈性能，鐵素體將呈條片狀向奧氏體某一晶面{111}向晶粒伸長，此片狀鐵素體常呈現出彼此平行或互成60°、90°。圖1奧氏體;有時可能由于析出開始時溫度較高，最先析出的鐵素體沿奧氏體晶界成網狀，隨后溫度降低，再由網狀鐵素體的一側以片狀向晶粒內長大。圖1b。

圖1 先共析片狀鐵素體形成示意圖

魏氏組織在形成時還將在磨光的表面上產生浮凸現象。眾所周知，馬氏體轉變時也形成浮凸，現已公認：馬氏體轉變是通過奧氏體的均勻切變進行的。奧氏體中已轉變為馬氏體的部分發生了宏觀切變而使點陣發生改組，且帶動靠近晶界的還未轉變的奧氏體也隨之而來發生了彈塑性應變，故在磨光表面出現部分突起、部分凹陷的浮凸現象魏氏組織形成時出現浮凸，因此，柯梭認為魏氏組織鐵素體是通過類似馬氏體相變的切變機制形成的。在長大時，它與奧氏體之間以后者的切變而維持兩相的共格。近期的研究表明，魏氏組織所引起的浮凸現象與馬氏體相變引起的不同：前者為 “∧”形，后者為 “N”形。Hehemann認為通過切變機制可以造成V型浮凸，之所以不形成N型浮凸可能是由于某種特殊原因導致不對稱長大，即切變時只是一側界面移動，而另一側辦面保持不動。Aaronson首先提出，魏氏鐵素體是通過臺階機制長大的，具有半共格或共格界面時茂片狀新相的寬面上存在的位錯難以在垂直寬面方向上運動，就只能利用臺階邊的擴散長大，使相界面在垂直方向推移，如圖2：其中小箭頭表示臺階邊（非共格晶面）的伸長，大箭頭表示寬面方向總的增厚，這增厚是臺階邊總伸長的結果。

圖2 臺階長大機制示意圖

我們研究了16Mn鋼中魏氏組織的形貌，證實鋼中的魏氏組織確實具有兩種形態：交叉針和平行排列針，交叉針比平行針組織具有較好的機械性能。我們的研究認為：在650℃以為轉變的為塊狀鐵素體（F1），650-600℃之間轉變的為交叉針狀鐵素體 （F2），600℃以下轉變的為平行針狀鐵素體（F3）。

綜上所述：（1）交叉針狀鐵素體具有高密度的位錯，層錯能高，臺階機制形成后，使鐵素體針獨立存在，真正的交叉形式分布，整個組織無方向性，因此細化晶粒，組織均勻性提高，增加裂紋擴展阻力，因此，當形成以交叉針狀鐵素體為主的組織時，鋼的低溫韌性最佳，強韌性也提高；（2）平行針狀鐵素體初始階段按切變機制形成，因此各鐵素體針的空間位向關系基本相同，裂紋通過平行針晶界的擴展沒有太大的阻力，“有效”的晶粒尺寸并未細化，鋼材低溫脆性沒有得到改善，有時反而由于針的平行排列，可把其看作長方體，晶粒粗大而使性能惡化。

4 結論

1）鋼中魏氏確實可分為交叉針狀與平行針狀兩類，它們有不同的形貌。

2）交叉針隨機分布，形成時無浮凸現象，其形成機制為臺階或小平面方式生長。

3）平等針分布有一定規律，有明顯的浮凸現象與顯微組織對應，但對應不是十分嚴格。形成時，大針是按切變機制形成的，隨后形成的大針之間的小針是按臺階、擴散型機制形成的，因此，平等針狀鐵素體的形成是切變+臺階兩種機制都存在，初始階段為切變機制。

5 結束語

本文的全部研究工作是在范瑩隆老師的精心指導下完成的，在工作中得到金材實驗室石英、陳春桃及其他老師的幫助和大力支持，李愛民、王立新、劉文、黃紅格等同志也給予了很多幫助，在此，特表示最誠摯的謝意。

［1］戚正風．金屬熱處理原理[M]．機械出版社，1989．

［2］柯梭，等[J]．金屬學報．

［3］徐祖耀．相變原理[M]．科學出版社，1988．

［4］姚忠凱，等編譯．鋼的組織轉變譯文集[M]．機械工業出版社，1985．

［5］姚枚、范瑩，隆．金屬科學與工藝[J]．