金相分析技术培训.docx

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金相分析技术培训

金相分析技术

第一部分金相试样的制备

一、试样的选取原则

1.研究零件显微组织的金相试样应从材料或零件在使用中最重要的部位截取；或是偏析，夹杂等缺陷最严重的部位截取。

2.在分析损坏原因时，则应在损坏的地方与完整的部位分别截取试样，以探究其损坏或失效的原因。

3.对于有些产生较长裂纹的部件，则应在裂纹发源处、扩展处、裂纹尾端分别取样，以分析裂纹产生的原因。

4.截取部位确定后，还需要进一步明确择取哪个方向、哪个面作为金相试样的磨面。

一般分为横向试样与纵向试样，横向试样即试样磨面为原构件的横截面；纵向试样即试样磨面为原构件的纵截面。

5.横向试样常用于观察:

a、试样自中心至边缘组织分布的渐变情况。

b、表面渗层、硬化层、镀层等表面处理的深度及其组织。

c、表面缺陷，如裂纹、脱碳、氧化、过烧、折迭等缺陷的深度。

d、非金属夹杂物在整个断面上的分布情况。

e、测定晶粒度。

6.纵向试样常用于观察：

a、非金属夹杂物之大小，变形情况及其含量。

b、带状组织的存在或消除情况。

c、因塑性变形而引起晶粒或组织变形的情况。

二、金相试样的截取

无论采用何种方法截取试样，都必须保证所截取的试样的金相组织与原部件金相组织一致，即不发生组织变化。

这就要求在截取试样过程中试样受热、受外力作用都能尽量小。

如淬火马氏体组织的试样，若切割时冷却不充分，使之受热发生回火而成了回火马氏体组织。

通常用于切割试样的有砂轮切割机、线切割、锯床等。

三、金相试样的磨光

粗磨-细磨-抛光

四、显微组织的显示

通常用的是化学浸蚀。

浸蚀剂中酸用的最多，如硝酸、苦味酸，可浸蚀普通的碳钢、低合金钢。

主要是通过氧化的作用，使试样的不同的相受到不同程度的氧化溶解而反映出衬度，达到显示微观组织的目的。

溶剂是酒精、水等。

常用化学浸蚀试剂：

硝酸酒精溶液：

4%硝酸酒精溶液显示碳钢及低合金钢的组织。

盐酸苦味酸酒精溶液：

盐酸5ml，苦味酸1g,酒精100ml.显示淬火及淬火回火钢的晶粒和组织。

第二部分钢的缺陷金相组织分析

钢的组织缺陷是指需利用金相显微镜进行检验才能判别的显微组织缺陷。

例如：

带状组织、带状碳化物、网状碳化物、魏氏组织、非金属夹杂物、过热、过烧组织、钢材表面的氧化脱碳等。

一、带状组织

在经热加工后的亚共析钢显微组织中，铁素体与珠光体沿压延变形方向交替成层分布的组织，称为带状组织。

带状组织使钢的机械性能产生各向异性，即沿着带状纵向的强度高，韧性好，横向的强度低，韧性差。

另外，带状组织的工件热处理时易产生变形，且使得硬度不均匀。

带状组织的试样要选取纵截面。

放大100倍进行评级。

评定带状组织按GB/T13299-91钢的显微组织评定方法。

按含碳量分三个系列ABC各6个级别。

带状组织的评级分为6级，0-5级。

级别愈高，带状组织愈严重。

零件一般都不允许有带状组织存在，带状组织不能用退火方法来消除。

应用正火的方法来减轻或消除。

35CrMo钢带状偏析，带状组织3级。

二、网状碳化物

网状碳化物实际上亦是碳化物不均匀性的另一种形式。

在含碳量大于0.77%的碳工具钢，合金工具钢、鉻轴承钢等钢种，在热加工后的冷却过程中，碳化物沿晶界呈网状析出，故称网状碳化物。

网状碳化物的存在，将使钢的机械性能显著降低，尤其是冲击韧性下降，脆性增大。

评级时用500倍。

三、非金属夹杂物

在钢铁材料中一般都含有非金属夹杂物，这些夹杂物的种类和形状是多种多样的，对钢材的影响程度也不一样，一般地说，非金属夹杂物的存在，破坏了金属基体的连续性，在热处理时易引起淬火裂纹。

当零件承受载荷特别是动载荷时，易造成应力集中，使钢的机械性能，特别是疲劳强度降低，甚至导致机械零件在使用过程中断裂失效。

存在于钢中常见的非金属夹杂物种类：

1.A类（硫化物类），硫化物夹杂物具有塑性，在钢材中呈条状形态

2.B类（氧化铝类），常见的有氧化铝、氧化鉻等。

属脆性夹杂，在热加工时它不易变形，沿轧制方向排成一行。

3.C类（硅酸盐类），硅酸盐夹杂的成分比较复杂。

经热加工后一般沿着变形方向延伸，外形粗糙，不光滑。

4.D类（球状氧化物类），不变形，带角或近似圆形的无规则分布。

5.DS类（单颗粒球状类），圆形或近似圆形的单颗粒夹杂物。

分析非金属夹杂物按照评级图进行评级，放大倍数100，不腐蚀观察。

GB/T10561-2005

20钢热轧状态，硫化物密集，相当于4级。

低碳钢热轧正火态呈链状分布的黑色点状氧化物夹杂3.5级

四、过热，过烧组织

钢材过热一般是指加热时由于超过正常加热温度引起韧性下降的一种现象，碳素钢过热的金相特征是出现魏氏组织。

魏氏组织将造成钢的机械性能、尤其是冲击韧性的下降，严重的将造成零件在使用过程中的脆性断裂。

所以钢中一旦出现魏氏组织，应通过正火处理来加以改进。

魏氏组织评级GB/T13299-91，按含碳量分AB两个系列各6个级别。

35CrMo钢锻造空冷后晶粒粗大，呈魏氏组织。

过烧一般是由于加热温度过高，或在高温下停留时间过长，除出现魏氏组织外，同时发现粗大的晶粒边界被烧熔而氧化，破坏了金属基体的连续性，这种现象称为过烧。

一般在显微镜100倍下观察，晶界分布黑色的氧化物。

过烧一般无法改正，只能作报废处理。

五、表面脱碳

钢的各种热加工工序的加热或保温过程中，由于周围氧化气氛的作用，使钢材表层的碳全部或部分丧失掉，这种现象叫做脱碳。

脱碳层深度是指从脱碳层表面到脱碳层与基体在金相组织差异已经不能区别的位置的距离。

测量脱碳层可以用金相法、硬度法、化学分析法。

选用哪种方法由有关技术条件或协议规定，无明确规定时用金相法。

按GB224-87钢的脱碳层深度测定法。

第三部分钢的晶粒度大小测定

一、晶粒度的概念

晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。

一般是指奥氏体化后的实际晶粒大小，即是指钢材经过不同的热处理操作后冷却到室温下所得到的晶粒。

晶粒大小对金属材料的机械性能和工艺性能有很大的影响，因此晶粒度是表示材料性能的重要数据之一。

钢材加热时形成奥氏体晶粒，它的大小对钢材性能有着很大影响。

粗大的奥氏体晶粒冷却后获得粗大的转变产物，其塑性、韧性比细小的奥氏体晶粒差，且奥氏体晶粒过分粗大，零件在淬火时易于变形、开裂。

对于淬火、回火状态的钢，晶粒度一般也都是测定原奥氏体的晶粒度。

对正火、退火状态的钢，晶粒度一般都是测定实际晶粒度。

影响奥氏体晶粒度的因素很多，其中加热温度和保温时间起着决定性作用，温度越高，保温时间越长，晶粒越大。

二、晶粒的显示

1.本质晶粒度的显示：

渗碳法、氧化法、网状铁素体法、网状渗碳体法等。

（930℃，保温3～8h）

2.实际晶粒度的显示：

对结构钢正火、退火后常测定铁素体晶粒度。

用4%硝酸酒精腐蚀。

对结构钢淬火或调质状态下，测原奥氏体晶粒度。

用饱和苦味酸水溶液+洗净剂等。

三、晶粒度的评定和表示方法

1.用比较法测定晶粒度

目前生产中，一般都采用比较法测定晶粒度。

比较法评定晶粒大小简单方便，放在100倍下观察。

先对试样全面观察，然后选择最有代表性的视场进行评级。

若试样中发现有晶粒不均匀现象，若占优势晶粒所占的面积不少于视场的90%时，则可记录此一种晶粒的级别数，否则应用不同级别来表示该钢的晶粒度。

2.用弦计算法测定晶粒度

3.综合判断法

四、铁素体晶粒度的评定

对铁素体晶粒度的评定原则上用比较法，当要求精确测量时，以用弦计算法测定晶粒度为宜。

见评级图。

45钢退火处理组织：

珠光体和铁素体。

晶粒细小，6～7级。

第四部分基本热处理组织形态

一、珠光体的组织形态

珠光体型组织是退火和正火钢的重要组织。

主要形态有两种：

片状珠光体和粒状珠光体。

片状珠光体是由一片片互相交替排列的渗碳体和铁素体所组成。

片状珠光体似手指纹的层状结构，它是一层铁素体和一层渗碳体的机械混合物。

细小的片状珠光体又称索氏体。

粒状珠光体是在铁素体基体上分布着细小颗粒状的渗碳体的球化组织。

实际生产中，片状珠光体常见于亚共析钢退火或正火组织中。

粒状珠光体常是高碳钢切削等加工前要求获得的组织形态。

45钢齿轮心部正火组织：

片状珠光体和铁素体

二、先共析相铁素体和渗碳体的组织形态

经奥氏体化的亚（或过）共析钢，冷却时在珠光体形成之前析出的铁素体（或渗碳体）称为先共析相。

先共析铁素体的金相形态大体上分为三类，即等轴块状铁素体，网状铁素体和沿一定晶面析出的针状铁素体（魏氏组织）。

如果奥氏体晶粒较细，含碳量较低，冷却速度较快时，先共析铁素体呈等轴块状。

如果奥氏体晶粒较大，含碳量较高，冷速较慢时，先共析铁素体沿奥氏体晶界呈网状析出。

过共析钢中的先共析渗碳体的形态一般是网状或针片状（魏氏组织）的。

先共析相的金相形态对钢的性能有一定的影响，网状铁素体将降低钢的疲劳性能。

网状渗碳体使钢件变脆，在淬火或加工时容易开裂。

故需用正火处理消除。

三、马氏体的组织形态

马氏体相变是一种非扩散型相变，它是提高钢的硬度、强度的最主要的途径。

经过不同温度的回火，其性能可满足零件不同要求。

马氏体形态可分为板条状马氏体和针状马氏体。

板条状马氏体：

是低、中碳钢、不锈钢等的典型的马氏体组织。

又称低碳马氏体。

针状（片状）马氏体：

常见于淬火高、中碳钢等。

在同一成分钢的组织中，马氏体的比容最大，奥氏体的比容最小，因此，当奥氏体转变为马氏体时，体积会增大；含碳量越高，比容相差越大，体积变化也就越大。

这是淬火时产生变形，开裂的主要原因之一。

15MnB钢淬火的低碳马氏体（板条状马氏体）

42CrMo钢淬火的中碳马氏体（针状马氏体）

四、贝氏体的组织形态

贝氏体相变发生在珠光体相变温度以下，马氏体相变温度以上的中温区域。

主要包括上贝氏体和下贝氏体。

上贝氏体又称羽毛状贝氏体，形成温度在贝氏体转变区的上部。

下贝氏体呈片状或针状，形成温度约在350至Ms点之间。

第五部分钢的退火、正火、淬火、回火组织状态

一、退火

亚共析钢：

珠光体+铁素体

共析钢：

珠光体

过共析钢：

珠光体+渗碳体

二、正火

正火的目的：

1.对亚共析钢能细化晶粒，组织均匀，提高硬度，改善钢的切削加工性。

2.对过共析钢，能消除其组织中的网状碳化物，利于球化退火。

3.正火可使铸锻件过热晶粒细化和消除内应力。

4.对于最终要求淬火的零件，正火能细化晶粒，改善碳化物的形态和分布，为最终热处理作好组织准备。

正火组织与退火相比，由于正火冷速快，珠光体更为细密，先共析产物（铁素体、渗碳体）的析出量较平衡冷却时要少。

三、淬火

低碳钢淬火后得到低碳条状马氏体，高碳钢淬火后得到针状马氏体。

淬火零件都希望得到细小的马氏体组织，如果淬火加热控制不当，如加热温度过高或在高温下加热时间过长引起奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗针状马氏体，出现过热现象。

而因加热不足在淬火组织中会出现铁素体，使零件淬火后的硬度，强度，疲劳强度下降。

四、回火

回火可分三类：

1.低温回火：

150～250℃之间，目的是减少应力和脆性，得到回火马氏体组织而保持高硬度和高耐磨性。

回火马氏体仍具针状特征，经浸蚀后，颜色比淬火马氏体深。

2.中温回火:

350～500℃之间，目的是获得高的弹性和屈服强度，得到回火屈氏体。

主要用于各种弹簧。

3.高温回火：

500～650℃之间，目的是要得到一定的强度、硬度和良好的韧性、塑性相配合的综合机械性能。

淬火加高温回火又称调质处理，组织为回火索氏体。

35CrMo钢调质组织：

均匀细小的回火索氏体

第六部分调质、渗碳、感应淬火组织分析

一、调质

调质钢：

含碳量一般在0.25～0.50%碳，加上适量的合金元素。

调质处理是淬火加高温回火，得到的组织是回火索氏体。

通过对调质钢显微组织的分析，可以分析该调质钢的热处理工艺过程是否合理，或者是否符合正常工艺的要求，也可发现一些涉及工艺和材质上的问题。

1.淬火后出现粗大的针状马氏体

淬火后出现粗大的针状马氏体，高温回火后得到的是粗大的回火索氏体组织。

这种粗大组织产生主要是加热温度过高，保温时间过长，奥氏体晶粒明显长大，在快速冷却下，马氏体针叶就变得粗大。

这种组织在热应力和组织应力作用下，极易出现显微裂纹，最终甚至可能引起零件的开裂。

因此控温仪表必须定期校验，及时维护和保养，以免失控。

2.淬火组织中出现铁素体

淬火后出现较多的铁素体，将大大地降低调质钢的机械性能。

锻件或铸件未经退火或正火处理而直接进行淬火，铁素体数量较多，在加热温度偏低、保温时间不充分的情况下，造成一部分铁素体未能全部溶解成为奥氏体，冷却后大块状的未溶铁素体仍旧保持下来，分布在针状马氏体基体上。

这种组织硬度低，强度也较低。

42CrMo钢调质处理组织：

索氏体及针状分布的铁素体。

3.淬火后出现屈氏体组织

如果淬火温度恰当，保温时间充足，但冷却速度不够，极易产生此种组织。

显微镜下观察呈黑色团絮状。

4.调质钢的原始组织缺陷

带状组织、粗大原始晶粒和魏氏组织、过烧组织、较多的夹杂物、氧化脱碳。

二、渗碳件

1.表面碳浓度

各种数据表明，表层含碳浓度在0.8～1.0%之间，各种性能都比较高。

2.渗碳层深度

必须根据零件的使用要求，选择适宜的渗碳层深度。

4.渗碳层的显微组织

低碳钢或低碳合金钢，经过高温渗碳后在缓慢冷却的条件下，就可以得到平衡状态的组织。

由表及里分成过共析层、共析层、亚共析层过渡层以及心部原始组织。

过共析层:

最表层，碳浓度最高，含碳量约在0.8～1.0%之间。

珠光体+碳化物

共析层：

含碳量在0.77%左右，组织为片状珠光体。

亚共析过渡层：

从开始析出铁素体起，一直延伸过渡到与心部组织交界处为止。

组织是珠光体和铁素体混合分布。

20CrMnTi钢渗碳后坑冷：

过共析层、共析层、亚共析层、心部

12Cr2Ni4钢渗碳后缓冷和淬火后的组织分布

5.渗碳淬火回火后的组织

表面得到针状马氏体及部分残留奥氏体，马氏体是根据针叶的长短来评定级别的，残留奥氏体是根据分布的量来评定的。

按评级图进行评级。

心部得到低碳马氏体及少量铁素体。

对铁素体有评级要求。

28MnCr5渗碳淬火表面组织：

细针状马氏体及少量残留奥氏体

6.对渗碳淬火件的金相检验

一般检查项目有：

表面碳化物级别、淬硬层深度、表面马氏体及残余奥氏体级别、心部铁素体级别。

三、感应淬火

中碳结构钢和中碳合金结构钢感应淬火后的金相组织为马氏体。

按大小分为10级，4～6级为正常组织，是细小马氏体。

1～3级是粗大或中等大小的马氏体，因淬火加热温度偏高引起。

7～10级组织中有未溶铁素体，是加热温度偏低引起的。

按标准JB/T9204-1999钢件感应淬火金相检验

注：

中碳结构钢和中碳合金结构钢淬火低温回火后的马氏体评级见JB/T9211-1999共分8级。

一般2～6级组织正常。