基于金相技術的金屬材料顯微組織分析

馬秋彥 汪加楠 孫少娟 宋 超 張 鵬 吳金躍

（1.安陽鋼鐵集團有限責任公司；2.安陽師范學院）

0 前言

金相技術是對材料科學中金屬材料組織結構進行研究的一種實驗技術。金相技術就是通過光學顯微鏡進行觀察、記錄，進而來分析金屬材料的微觀組織。光學金相技術已經有一百年的歷史，光學金相顯微鏡的觀察范圍較廣，而且使用起來也比較方便，同時顯微鏡的成本相對來說也比較低，因此金相技術已經成為科學實驗和生產檢驗中一種常規的研究方法，也是根據有關標準和規定來評定金屬材料內在質量的一種常規檢驗方法[1]。對金屬材料物理性能的判定和其失效原因的評估，可以通過觀察和分析金屬的顯微組織來完成。金相技術已經成為金屬材料生產、使用以及科研中一種不可或缺的實驗手段，金屬材料生產工藝的完善性，工藝參數設置的合理性等都可以依靠金相技術來判斷[2]。

金屬材料的顯微組織可以最直接的反應機械零件的性能和使用壽命。在冶金、機械行業，要對金屬材料組織進行評定時，制備金相試樣是前提條件。金相試樣的制備步驟包括取樣—磨制—拋光—浸蝕，制樣過程中的每一道程序都至關重要，省略其中的任何一道程序對金屬試樣的組織分析和檢驗結果的正確程度都會產生很大的影響，甚至會造成錯誤判定。

1 金相試樣的制備

根據磨拋機的實際參數、夾具形式、鑲嵌模大小以及被檢材料的特點，來確定金相試樣的形狀和大小。金相試樣一般為（20～25）mm×15 mm×材料厚度的條形或（20～30）mm 左右的方體。試樣太大或者太小都會有不利之處，試樣太小，操作會不太方便；試樣太大，磨制面就會變大，磨制時間就會比較久，試樣表面也不太容易磨平。為了防止試樣在磨制的過程中將砂紙和拋光布劃破，對于不需要進行鑲嵌和檢驗表面缺陷的鋼樣，必須將其邊角倒圓，然而需要對鋼樣表面進行檢驗的，則不能將其邊角倒圓，同時需要保證鋼樣表面的完整性[3]。對于厚度較大的試樣，例如鑄錠和厚壁型材等，可以不采用鑲嵌，直接切成塊狀；有些不方便握持的試樣，如絲、帶、片、管等尺寸過小或形狀不規則的，宜采用鑲嵌的方法。通過切割機切取，再利用鑲嵌機進行鑲嵌后的試樣，也是要經過預磨機、拋光機的磨制才能使試樣的表面平整、光滑。磨光有手工和自動兩種方法，每種方法都分粗磨和細磨兩步，細磨是消除粗磨時產生的磨痕，為試樣磨面的拋光做好準備。筆者采用手動法，粗磨平的試樣經清水沖洗并吹干后，隨即把磨面依次在由粗到細的各號金相砂紙上磨光，磨制時砂紙應平鋪于厚玻璃板上，左手按住砂紙，右手握住試樣，使磨面朝下，與砂紙接觸，在輕微壓力作用下把試樣向前推磨，用力要均勻，務求平穩，否則會使磨痕過深，且容易造成試樣磨面的變形。試樣退回時不能與砂紙接觸，這樣"單程單向"地反復進行，直至磨面上舊的磨痕被去掉，新的磨痕均勻一致為止。在調換下一號更細的砂紙時，應將試樣上的磨屑和砂粒清除干凈，并將試樣轉動90°，使新、舊磨痕相互垂直，直到上道工序的劃痕看不到，才算磨制完成。最后進行拋光，拋光后的試樣就可以直接放置在金相顯微鏡下觀察了，未浸蝕的試樣可以用來觀察非金屬夾雜物、孔洞、裂紋及硬相，浸蝕后的試樣可以檢驗其帶狀、脫碳和晶粒度等顯微組織，浸蝕劑采用4%硝酸酒精。

2 金相顯微組織

鋼樣加工后的各種性能以及其產生的各種缺陷都和其顯微組織有密切的關系，所以對它顯微組織的研究是一件有非常重要價值的工作。

2.1 夾雜物

科學技術在不斷地發展，用戶也再不斷地向冶金工作者提出改善產品性能的要求，鋼樣的化學成分通過二次冶金技術基本上可以控制在所要求的范圍之內，但是在煉鋼的過程中，或多或少的有害元素氧和硫依然會殘存在鋼樣中，這些有害元素和合金元素就會進一步形成各式各樣的非金屬夾雜物。非金屬夾雜物不僅會導致鋼樣的物理性能（例如：韌性和疲勞壽命）變壞，同時也會對鋼樣表面的焊接性能和光潔度產生一定的影響。通過金相技術對某爐號管線鋼L290 進行檢驗，檢測到A 類、B 類、C 類和DS 類四種類型的夾雜物，如圖1 所示。A 類、B 類和C 類三種夾雜物屬于塑形夾雜物，這類夾雜物在鋼加工變形時也隨之變形，沿變形方向延伸成帶狀。DS 類夾雜物屬于球狀（或點狀）不變形夾雜物，在熱加工后球狀（或點狀）保持不變。非金屬夾雜物常以單相組織出現在鋼中，使鋼樣基體的連續性遭到破壞，進而加大了鋼樣基體組織的不均勻性[4]。

圖1 某爐號 L290 管線鋼夾雜物形貌200×

鋼的冶煉、澆注及凝固結晶是一個復雜的物理-化學過程。在VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）、LF（Ladle Furnace）爐鋼水精煉工藝中，通過控制鋼液的混勻時間和混勻程度可以達到去除非金屬夾雜物的目的。鋼液中的非金屬夾雜物會不斷碰撞、相繼長大，這就會對鋼液中比較微小的非金屬夾雜物的去除起到一定的積極作用[5]。顆粒較大的非金屬夾雜物（>50 μm）由于浮力的作用會上浮、分離。鋼液在混勻攪拌的過程中，微小非金屬夾雜物（<50 μm）經過混合、碰撞、長大而上浮、去除。鋼液混勻時間（在一定條件下，鋼液混勻到同等程度所用的時間）的長短對微小非金屬夾雜物相互碰撞有直接的影響。混勻時間越短，鋼液混合的就會越均勻，就可以使鋼液中的非金屬夾雜物得到充分混合，逐漸長大，進而鋼樣中的夾雜物數量大幅度下降。

2.2 帶狀組織

帶狀組織在熱軋低碳鋼結構鋼顯微組織中常出現，是一種鋼材內部缺陷。沿著軋制方向平行排列、呈層狀分布形態、會形成條帶的珠光體晶粒和鐵素體晶粒的交叉組織，即為帶狀組織[6]。采用普碳鋼510L 和SQ510L 縱向全厚度試樣，磨制、拋光后用4%硝酸酒精進行浸蝕。利用金相顯微鏡在10×倍物鏡下觀察試樣，隨機采集10 個視場照片，圖2 是其中一個典型視場的照片。510L 含有等軸鐵素體晶粒和少量的珠光體，沒有帶狀組織，帶狀結果評定為0 級。SQ510L 等軸鐵素體晶粒基體上有幾條連續的鐵素體帶穿過整個視場，帶狀結果評定為2.5 級。

圖2 試樣典型視場顯微組織100×

帶狀組織的存在會使金屬的力學性能呈各向異性，壓力加工時容易在交界處出現開裂。對于需要進行熱處理的鋼樣，如果帶狀組織比較嚴重，則會使應力集中一點，進而造成鋼樣出現裂紋。即便鋼樣的帶狀組織比較輕，也會使鋼樣在熱處理的過程中出現明顯的變形。成分偏析和熱加工溫度是形成帶狀組織的兩大原因，利用熱處理的方法來消除帶狀組織能起到明顯的效果。經過高溫獲取一些單相組織的金屬材料，可以通過正火來去除其帶狀組織。然而因為磷偏析使鋼樣產生的嚴重帶狀組織，則需要同時通過高溫擴散和正火來達到去除的目的。

2.3 脫碳

在光學顯微鏡下觀察試樣（盤條SWRH-72A）從表面到基體隨著碳含量的變化而產生的組織變化。樣品采用4%硝酸酒精腐蝕，盤條鋼表面脫碳的金相組織如圖3 所示（圖中箭頭標出的區域為脫碳層，白色鐵素體部分為完全脫碳區，珠光體減少的區域為部分脫碳）。通過金相法測定盤條鋼的總脫碳層和完全脫碳層深度，分別為0.62 mm，0.32 mm。

圖3 盤條鋼表面脫碳的金相組織100×

脫碳也是鋼材料的一種缺陷，對絕大多數鋼材料而言，脫碳現象會導致鋼材料性能變差，尤其是對于某些特種鋼（如工具鋼、軸承鋼、高速鋼等）而言，脫碳層更是嚴重影響其性能。鋼樣表層的碳（C）元素被氧化后就會在邊部形成脫碳層，相對正常組織中的C 含量而言，在化學成分上，脫碳層中的碳元素含量會低于正常組織中的。這樣脫碳層中滲碳體(Fe3C)的數量也會低于正常組織中的滲碳體的數量。最終導致存在脫碳層的鋼樣，其強度和硬度等力學性能都會低于正常組織的。

為了獲得較好質量的鋼樣，應盡力避免脫碳組織的存在。工件加熱時，可以降低加熱溫度以及減少高溫工作下的停留時間；選擇比較合理的加熱速度，進而可以起到縮短工件加熱時間的作用；同時，通過控制加熱氣體，使其呈現中性或采用保護氣體加熱；在熱壓力過程中，如果因為一些個別因素造成生產中斷，那么必須等高爐的溫度降低下來之后才可以繼續進行生產，如果高爐降溫需要的時間比較久，那么就應該將爐料取出來或者是讓其隨著高爐一起降溫；在進行冷變形的時候，中間退火的次數越少越有益，同時可以通過降低退火溫度和軟化回火來替代高溫退火。在進行中間退火和軟化回火的時候，需要在保護介質中進行加熱；在進行高溫加熱的時候，為了防止鋼樣被氧化和脫碳，可以采用覆蓋物和涂料對鋼的表面起到保護作用[7]。

2.4 晶粒度

對垂直于鍛、軋方向的橫截面經磨制、拋光后用4%硝酸酒精進行浸蝕。利用金相顯微鏡在10×倍物鏡下觀察試樣（HP295，510L），在試樣截面上隨機取三個或三個以上的代表性視場，其中的一個典型視場如圖4 所示。利用比較法測量試樣的平均晶粒度，評定結果分別為9.5 級，11.5 級。

圖4 試樣典型視場顯微組織500×

晶粒大小對金屬的力學性能有很大的影響。一般情況下，晶粒越細小，金屬的力學性能也很好，因為晶粒越小，晶界越多。 晶界處的晶體的排列是非常不規則的，晶面呈犬牙交錯，相互咬合，加強了金屬間的結合力。

為獲得具有優異物理性能的鋼樣，需要盡可能控制晶粒的長大。過冷度對形核率和生長速率都有一定的影響，增大過冷度會使鑄件的晶粒變小。在對試樣連續進行冷卻的時候，如果冷卻速度越大，那么過冷度就會越大，采用吸熱能力和導熱性較強的鑄型材料可以降低熔液的澆注溫度，這樣就可以達到增加冷卻速度的目的。例如，金屬型比砂型冷卻速度大，故金屬型鑄件比砂型鑄件的晶粒小。在金屬液結晶前，向金屬液中加入少量的活性物質（稱為變質劑），一種是形核變質劑，這種變質劑在金屬液中可以非自發形核，使其在凝固過程中通過異質形核而達到細化晶粒的目的；另一種是吸附變質劑，它的特點是熔點低，能顯著降低合金的液相線溫度，原子半徑大，在合金中固溶量小，在晶體生長時富集在相界面上，進而阻礙晶粒的長大，從而獲可以得細小的晶粒。在金屬液結晶時，可采用機械振動、超聲波或電磁振動等措施，使鑄型中的液體金屬運動，造成枝晶破碎，碎晶塊就會起到晶核作用，從而使得晶粒細化。

3 結論

金屬的性能主要取決于兩點，其一是金屬的成分，其二是金屬的微觀組織，其中微觀組織會直接影響金屬材料的物理性能。通過金相技術對金屬材料的微觀組織進行觀察，分析該微觀組織可能會對鋼樣物理性能造成的影響，并采取必要措施進行預防。隨著金屬材料加工技術的高速發展，廠家對材料的加工技術和使用要求越來越高，要想獲得具有優異物理性能的鋼樣，光學金相分析技術已經成為一項必不可少的技術，同時它對鋼樣失效破壞原因的預測和判斷也發揮著非常重要的作用。金相技術作為顯微組織檢驗過程中一個非常重要的環節和手段，在質量控制上的應用也將會越來越多。結合現場生產工藝流程和產品特點，靈活運用金相分析技術，將會更好地指導金屬材料的生產，滿足客戶的使用需求。近年來，隨著科學技術的進步，光學金相技術也取得了長足發展，對推動金屬材料在加工中的應用起到了很大的作用。相信隨著金相技術研究的不斷深入，在提高金屬制品內在質量的科研中，在新材料、新工藝、新產品的研究中，金相技術分析將會起到越來越大的作用。