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结构钢与工具钢的比较分析

更新时间:2025-01-09 工作计划 版权反馈
【摘要】:表5-20给出了结构钢与工具钢的常用侵蚀剂,其中硝酸酒精溶液是常规检验中最常用的侵蚀剂。对工具钢必须评定球化级别,检验可依据GB/T 1299—2000进行。

结构钢、工具钢是最常用的工程材料,也是显微检验的主要对象。钢的组织十分复杂,随成分及热处理工艺的不同可在很大幅度内变化。钢的磨、抛性良好,制样容易。表5-20给出了结构钢与工具钢的常用侵蚀剂,其中硝酸酒精溶液是常规检验中最常用的侵蚀剂。

表5-20 结构钢与工具钢的常用侵蚀剂

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(续)

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5.5.1.1 基本组织及检验

钢的基本组织组成物包括铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体、碳化物及奥氏体等。

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图5-32 低碳钢中铁素体与珠光体的几种分布特征

a)热轧正火或退火态,两种组成物均匀分布200x b)热变形终锻温度过高,呈魏氏组织铁素体250× c)铸造退火态,两者呈树枝状分布100x

1.铁素体与珠光体 低碳钢近于平衡的组织为铁素体和珠光体,以铁素体为主,两者的相对量取决于碳含量及冷却速度。铁素体和珠光体的分布随工艺条件而异。在热轧、正火或退火条件下,铁素体及珠光体均为等轴状,两者均匀分布(图5-32a)。如果原奥氏体晶粒粗大,冷却速度又较快,铁素体则会沿着奥氏体的某些晶面析出,形成具有一定位向的铁素体片,常称为魏氏组织铁素体,铸态或热变形过热时常常出现这类组织(图5-32b)。有时铸态经退火后,由于枝晶偏析未被消除,铁素体及珠光体的分布呈明显的树枝状(图5-32c)。因此,根据两种组织组成物的分布特征可以判断试样的加工状态。

随着钢中碳含量增加,铁素体相对量减少,分布也发生变化,铁素体沿着原奥氏体晶界成核生长,呈网状。

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图5-33 30钢的球化退火组织 750x

珠光体是奥氏体共析转变的产物,是铁素体和渗碳体的两相混合物,一般呈片状。粗片状珠光体可在光镜下分辨,细珠光体(索氏体)可在高倍光镜下分辨,而极细珠光体(托氏体)只能在电镜下分辨,但熟练的检验者也能根据晶团的外形及衬度从光学显微镜中判断是否为极细珠光体。

经球化退火后可得粒状珠光体,渗碳体以颗粒状分布于铁素体基体上。对工具钢必须评定球化级别,检验可依据GB/T 1299—2000进行。低中碳钢在某些加工工艺下(如冷镦、冷挤压等)也要求进行球化退火,以获得良好的塑性。球化退火的组织如图5-33所示,检验标准为JB/T 5074—2007《低、中碳钢球化体评级》。

2.碳化物 网状碳化物会恶化钢的性能,所以碳素工具钢及低合金工具钢在球化退火前必须先进行正火,并且对正火后的网状碳化物进行检验。当网很细时,用硝酸酒精溶液浸蚀时不易分辨,改用苦味酸酒精溶液则效果较好,它对F/Fe3C相界的显示更为敏感。在实际工作中常常需要测定球化退火态中碳化物的总量,如采用1号、2号试剂,虽然能显示相界,但不适合用图像分析,碳化物的测定值常常明显偏高。这种情况下可改用有染色作用的侵蚀剂。3号试剂使Fe3C染黑,而10号试剂则使铁素体基体染黑,这两种试剂使组织衬度明显增大(图5-34),在定量金相分析中都能取得良好效果。

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图5-34 工具钢球化退火的显微组织先用苦味酸酒精溶液浸蚀,再用10号试剂使铁素体基体染黑

3.马氏体及其回火组织 钢淬火后得到马氏体,按其形态可以分为两大类——板条马氏体和针片状马氏体。

低碳钢淬火后得到板条马氏体。如图5-35所示,在一个奥氏体晶粒内常包含几个不同位向的板条束群,在每一束群内又由许多相互平行的、细长的条状马氏体组成。由于形成温度高,有自发回火现象,故易被浸蚀而呈现较深的颜色,不同取向的马氏体表现出不同衬度。

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图5-35 低碳钢淬火后的板条马氏体100x

高碳钢在较高温度下淬火可得到针片状马氏体,在光镜下如竹叶状。针片状马氏体形成温度低,不易发生自回火,故淬火态下常难以浸蚀,衬度较浅,稍经回火,马氏体针片则十分清晰。生产中如得到光镜下可见的针片马氏体,则属疵病组织(淬火过热)。在正常淬火温度下,由于未溶碳化物的存在,奥氏体晶粒细小,因此获得的马氏体针极为细小,在光镜下不易分辨,故称为隐晶马氏体。

中碳钢在正常温度下淬火后主要是板条马氏体,也有少量针片状马氏体(图5-36),而经高温加热淬火后也可得到全部板条马氏体。

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图5-36 中碳钢的马氏体形态(图中P所指为针片状马氏体)1000×

典型的板条马氏体和针片状马氏体在光镜下尚可鉴别,然而实际生产条件下的奥氏体晶粒细小,不易从形貌上区分,深入研究时必须依据电镜下的内部亚结构予以鉴别。两者亚结构的主要差异是:板条马氏体内有很高的位错密度,位错相互缠结构成胞块结构(图5-37a),所以板条马氏体又称位错马氏体。而针片状马氏体中可发现很多均匀分布的极细平行条纹(图5-37b),厚度仅为5~90nm,经暗场及衍射花样标定证实为孪晶亚结构,故针片状马氏体又称孪晶马氏体。在相同强度级别下,位错马氏体的韧性明显优于孪晶马氏体。

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图5-37 板条马氏体及针片状马氏体的内部亚结构

a)板条马氏体中缠结的位错胞块 26000x b)针片状马氏体中的孪晶亚结构 26000x

除了马氏体形态外,评定马氏体的尺寸在生产检验中十分重要,它直接影响了钢件的服役性能。检验可依据JB/T 9211—2008或其他相关标准进行。(www.xing528.com)

马氏体在较低温度下回火时,内部的变化有碳原子偏聚、碳化物析出及残留奥氏体转变。这些变化在光镜下无法鉴别,唯一能觉察的是马氏体回火后容易浸蚀发黑,所以检验者只能凭经验再配合硬度值来估计回火的程度。只有当回火温度升高到基体发生回复、再结晶和碳化物聚集长大,才能为高倍光镜所鉴别。一般的碳钢、低合金钢在600℃回火时,基体仍隐约保留马氏体针形边界,但其中的碳化物已清晰可见(图5-38)。在700℃回火后,针状铁素体才被等轴铁素体所取代,碳化物粒子也明显长大,但仍保留片间排列的特征。

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图5-38 w(C)=0.18%的钢淬火后经600℃回火10min 1000×

电镜在研究马氏体的回火转变中有重要作用,可以根据碳化物的形态、分布和尺寸判断回火程度。低温回火只在马氏体内析出杆状碳化物,随回火温度的升高,在马氏体片的两侧边界上可见断续的析出碳化物(图5-15)。回火温度升至500℃以上时,碳化物明显长大,特别是边界上的碳化物更为粗大。600℃回火后,碳化物聚集成球状,此时组织已能被光镜所鉴别。

4.贝氏体 奥氏体在珠光体转变区以下马氏体转变区以上转变为贝氏体,它也属于铁素体与渗碳体两相混合组织。钢中贝氏体的形态很多,随相变温度及钢的成分而异。对于含碳量大于0.15%(质量分数)的钢而言,贝氏体形态。大致可分为无碳贝氏体、上贝氏体和下贝氏体,在某些条件下还形成粒状贝氏体。各类贝氏体的形成条件及组织特征见表5-21,钢中上、下贝氏体在光镜下的典型特征如图5-39所示。

各类贝氏体在光镜下虽有一定的特征,但可靠地鉴别还要依靠电镜,如下贝氏体和回火马氏体两者的形貌很相似,但电镜下片内的碳化物分布不同。下贝氏体的碳化物只有一个取向,与片的长度方向成55°,而回火马氏体有两个以上不同取向的碳化物排列(图5-40)。

5.5.1.2 混合组织的检验

热处理时常得到混合组织,如贝氏体和马氏体、细珠光体和马氏体等。检验混合组织时,首先应了解试样的处理工艺,结合各类组织的形态及分布特点,并配合浸蚀程度的变化予以鉴别,必要时应借助电镜。

表5-21 贝氏体的类型、形成条件及组织特征

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图5-39 钢中的贝氏体形态(基底为马氏体,黑色为贝氏体)

a)40Cr钢,1000℃加热10min,420℃等温30s,水淬 800×

b)40Cr钢,900℃加热10min,300℃等温30s,水淬 500×

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图5-40 不同基体中的碳化物分布

a)下贝氏体中的碳化物分布 10000× b)低温回火马氏体中的碳化物分布 15000×

上贝氏体与马氏体共存时,上贝氏体常分布于原奥氏体晶界,通常上贝氏体的衬度明显深于马氏体,且上贝氏体受蚀比较均匀,不像低碳马氏体各板条束间呈现衬度差。

细珠光体、上贝氏体和马氏体共存时,细珠光体和上贝氏体均是沿奥氏体晶界分布。细珠光体最先析出,常在晶界呈球团状,其轮廓比较清晰,衬度较上贝氏体略深。上贝氏体呈平行片状,马氏体则分布于晶内呈基体,其衬度最浅。

下贝氏体和回火马氏体共存时,两者较难区分。在高倍下下贝氏体的针片呈不均匀黑色,似依稀可见的两相组织,而高碳马氏体则呈均匀的灰黑色。

上、下贝氏体共存,且在转变完成的情况下,光镜难以作出肯定的判断。一般可结合硬度值来鉴别,中碳合金结构钢硬度在40HRC以上,高碳钢在45HRC以上,经等温处理的试样内部组织一般以下贝氏体为主。

结构钢经亚温淬火可得到M+F或M+F+A混合组织,采用常规侵蚀技术后,在光镜下可以鉴别各相的形态及分布特点,但由于衬度差异较小,照相及定量分析时不能得到满意的结果。表5-16推荐了几种具有着色作用的化学侵蚀剂,对不同的相染上或显示不同的颜色或衬度,效果十分理想。

5.5.1.3 钢的原始奥氏体晶粒度的显示方法

钢的性能对于原奥氏体晶粒大小很敏感,而奥氏体经相变后其晶粒尺寸难以清晰显示,为此发展了很多奥氏体晶粒尺寸的间接显示或直接侵蚀技术(表5-22)。间接方法应用范围有一定的局限性,直接侵蚀可不经任何处理而显示淬火、回火态的原始晶粒尺寸,结果比较可靠。但是没有一种侵蚀剂能显示所有钢种的晶界。表5-16介绍了几种侵蚀剂,在使用中可根据实际情况改变温度、时间参数,适当调整配方,或对试样进行350℃或550℃的补充回火,以改善效果。

表5-22 原奥氏体晶粒大小的显示方法

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5.5.1.4 有效晶粒尺寸

在板条马氏体和贝氏体组织中,通常认为同一板条束内各板条间的晶体位向差很小,而相邻板条束之间有较大的位向差。因此,有人曾提出以板条束作为一个组织单元,束界的作用相当于晶界,可有效地阻止裂纹扩展,故可把板条束大小作为有效晶粒尺寸。

近年来,背散射电子衍射新技术(EBSD)为有效晶粒尺寸的研究提供了手段。其原理是把透射电镜中的电子衍射与扫描成像结合起来,利用试样表面发射出的背散射电子所产生的衍射花样,经计算机处理直接转换成各晶粒的位向差信息,最终在扫描电镜下得到与晶体学相关的组织图像。如相邻晶粒(或板条束)之间的位向差较小(小于某一规定的门槛角度),则它们将显示出相接近的组织衬度,只有当位向差大于门槛角度时才呈现不同的组织衬度。

研究表明,在低碳针状或板条型组织中,板条束几何形貌上的取向差和晶体学位向差是两个截然不同的概念。两个互不平行的板条束仍可能具有低的位向差,且几率很高,故把一个板条束作为一个有效晶粒的概念是不全面的,一个有效晶粒至少包括一两个以上的板条束。这与从断口形貌和显微组织对应关系的研究结论一致。大量试验观察表明,有效晶粒尺寸至少是板条束宽度的1.3~1.5倍以上。

在控制轧制的铁素体-珠光体钢中、纯铝与铝合金及其他非铁金属中也发现了显微组织中的晶界并非能有效阻止裂纹扩展,此时从组织中测得的晶粒尺寸并不能代表有效晶粒尺寸。

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