基于圖像分析的金相組織缺陷及預防

劉志國

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

通過對金屬運用光學金相顯微鏡與電子顯微鏡等器材加以分析，觀測、辨別金屬材料中的微觀組織叫做金相組織[1]。對金屬材料的細致觀察與了解中，最不可缺少的就是對金相組織進行深入分析，它是一種顯微組織圖像，是人們以金屬學、熱處理知識和技術標準為依據，用于對金屬材料進行判斷和確定的一種方法。金相組織的微觀組織與金相組織的性能有密切的關系，微觀組織的組成不同性能表現也就不同。在金相組織缺陷分析研究中，確定金象組織缺陷成因的重要手段就是觀測金相組織的微觀組織。本文采用圖像分析法進行實驗分析過程，圖像分析法是一種通過識別和人工智能方法對物景進行分析、描述、分類和解釋的技術，這種針對詳細問題和應用的圖像分析技術正在逐漸向建立一般理論的方向發展[2]。同時，基于圖像分析的金相組織缺陷以及預防方式研究，對有效預防金相組織缺陷的發生，提高進行金象組織的研究時的準確度、減少其在其他研究試驗中的誤差，均具有重要的現實意義。

1 基于圖像分析法的金相組織缺陷分析

1.1 金相組織表象特征分析

通過進行圖像分析，金相組織呈現了不同的形貌（如圖1)魏氏組織、枝晶偏析、晶粒粗大過熱或過燒組織。

圖1 金相組織形貌圖

在亞共析鋼和過共析鋼中，由于高溫較快冷卻時，先共析的鐵素體或滲碳體便沿著奧氏體的一定的晶面呈針狀析出，由晶界插入晶粒內部，從而形成魏氏組織，魏氏組織0-5級，0-2級較輕，不太嚴重，3-5級的魏氏組織不允許存在，必須消除；由于鑄件的復雜形狀，各部分冷卻先后次序不同，在不同厚度的截面上同時存在固相、固液固存和液相三種狀態，從而使鑄件與鑄型之間的熱交換是通過若干區域來完成的。結果造成了區域性的成分不均勻和組織不一致，從微觀上看則存在枝晶偏析，使晶內與晶界成分也不一樣。鑄件凝固的冷卻速度越慢，枝晶偏析的程度越嚴重。鑄件中非金屬夾雜物主要形式是顆粒狀或多角形的脆性金屬氧化物，呈球狀如顆粒狀、塊狀、不連續的細小點、條狀的塑性夾雜和常呈較大的球狀和顆粒狀的硅酸鹽。其形成是合金元素和雜質元素微觀偏析的結果，這類夾雜物主要分布在樹枝晶間。奧氏體溫度越高，晶粒長大越明顯，其強度、塑性和韌性等力學性能均將因晶粒粗大而惡化，尤其是沖擊韌性更趨于明顯降低，這種現象稱之為過熱，過熱可以通過熱處理進行改善，如正火彌補。奧氏體晶界發生弱化的變化，而且奧氏體邊界熔化或被燒熔氧化的現象稱之為過燒。過燒時除基體有明顯的魏氏組織外還有黑色氧化物沿晶粒邊界分布，過燒只能報廢重新冶煉。

1.2 金相組織再結晶情況的表征分析

在溫度的作用下該試驗區的原始粗晶粒被分散成多邊形小晶粒，在熱的作用下，這些破碎小晶體得到所需能量發生再結晶活動，形成光滑邊界的再結晶晶粒。在整個試驗區溫度不均勻情況下，加熱溫度較高加熱時間較長區域的再結晶晶粒會發生長大；而加熱溫度相對較低的區域由于能量獲取不夠，會殘留少量破碎后的多邊形小晶粒。因此，我們發現細小再結晶晶粒是試驗區的重要組成部分，有些再結晶晶體會發生長大，也會存在少量破碎的未發生再結晶的小晶粒，主要為細小再結晶晶粒。

1.3 確定金相組織缺陷及其成因

通過上述研究，我們得出以下結果：金相組織易受加熱溫度、保溫時間和冷卻速度的影響。下面，我們來分析以下缺陷的具體成因：在對金相組織進行熱處理時，如果溫度過高，會對金相組織造成冷卻速度慢、再結晶后停留時間長的現象，金相組織晶粒粗大就是由于這些原因造成的。粗大的晶粒結構使晶粒與晶粒之間的粘合能力降低，影響了晶體的韌性與可塑性。通過相同理論我們可以得知，在進行樣本加熱處理時，因為所選樣本都具有一定的厚度，由于加熱方式不當導致樣本會有受熱不均的現象。金相組織的內外形成不一樣的結構就是由于受熱不均引起的。同時因為組織結構不同都具備不同的成分特征，這種情況會相對的對樣本形成內應力，如果無法做到完全消除內應力就會對金相組織的后續研究產生影響。

2 預防金相組織缺陷措施

2.1 嚴格控制金相組織成分

當某種成分在金相組織中所占比重過高，超過原定成分，就會在相高溫下析出大量結晶晶粒[3]。假使金相組織中基礎成分的密度比其他成分小，原有成分在熱量的帶動下，使原有成分結構發生變化，產生金相組織結構異常。該種成分含量越高，組織變異現象越嚴重。另外，當金相組織中穩定的基礎成分元素含量過少時，也會加重金相組織的變異情況。由此，控制組織成分對于預防金相組織的缺陷有重要作用。

2.2 控制熱處理溫度

通過圖像分析我們可以得知，加熱處理溫度的不同是根據所選取加熱方式的變化而變化的。同時，我們也發現選取不同的材料采用不同的加溫方式，材料的溫度也隨著其變化而變化。因此，選擇什么樣的金象組織的加熱方式，需要按照金相組織的實際情況確定。隨著金相組織溫度的增加，金相組織晶粒有壯大的趨勢，同時晶粒的狀態也發生粗大形態變化，粗大狀態的晶體使晶體與晶體之間無法結合，金相組織由整體轉向一個晶粒與一個晶粒之間的零散組織，影響了晶粒的可塑性與韌性；如果金相組織加熱溫度過低，到不到要求，也得不到我們所希望獲得的性能。

2.3 控制金相組織恒溫時長及冷卻溫度

熱處理過后的恒溫時長的選擇對于整個預防金相組織異常與缺陷也是極其重要的，除了相應的理論保溫時間確定下來以外，實際的操作時間也是制定保溫時間方案的具體條件之一，就比如說采用不同的加熱設備，金相組織的保溫時長和冷卻時間都會有所差異，所以，這些參數的確定，對于能否有效預防金相組織缺陷的產生有重要意義。金相組織再結晶區產生變形時冷卻速度慢或是進行再結晶時冷卻的時間過都是產生晶粒粗大現象的因素。如何確定冷卻時間以及冷卻時的溫度控制，對抑制金相組織在成分產生變異上有重要的作用，金相組織隨著冷卻速度的變化形成不同的組織結構。金相組織的結構成分不同使材料的性能也有所差異，金相組織異常是金相組織缺陷的重要表現之一，其產生的原因通常為對這三個因素的沒有進行合理的選擇或者控制手段不恰當而產生的，我們根據金相組織的特征可以判斷出產生缺陷的因素，對這些因素加以改進，可以有效避免金相異常組織的出現。

3 結語

根據圖像分析法，針對金相組織的缺陷問題，進行圖像分析實驗，分別為金相組織的表象特征與再結晶情況兩個方面研究金相組織產生缺陷的原因及影響因素的規律性，并且分別針對金相組織的成分、加熱時長、保溫時長及冷卻時間這幾方面的因素提出預防措施。鑒于本次圖像分析結果，日后還將繼續研究產生金相組織缺陷的其他原因，提出相應的解決辦法，根據實際生產條件以及要求，尋找具體有效的熱處理工藝。保證金相組織研究在安全、可靠的前提下，優化熱處理生產的工藝流程，有效避免金相組織缺陷的產生。