金相分析技術(shù)培訓(xùn)資料

1、金相分析技術(shù)第一部分金相試樣的制備一、 試樣的選取原則1 .研究零件顯微組織的金相試樣應(yīng)從材料或零件在使用中最重要的部 位截?。换蚴瞧?，夾雜等缺陷最嚴(yán)重的部位截取。2 .在分析損壞原因時，則應(yīng)在損壞的地方與完整的部位分別截取試樣， 以探究其損壞或失效的原因。3 .對于有些產(chǎn)生較長裂紋的部件，則應(yīng)在裂紋發(fā)源處、擴展處、裂紋尾 端分別取樣，以分析裂紋產(chǎn)生的原因。4 .截取部位確定后，還需要進(jìn)一步明確擇取哪個方向、哪個面作為金相 試樣的磨面。一般分為橫向試樣與縱向試樣，橫向試樣即試樣磨面為 原構(gòu)件的橫截面；縱向試樣即試樣磨面為原構(gòu)件的縱截面。5 .橫向試樣常用于觀察：a、試樣自中心至邊緣組織分布的

2、漸變情況。b、表面滲層、硬化層、鍍層等表面處理的深度及其組織。c、表面缺陷，如裂紋、脫碳、氧化、過燒、折迭等缺陷的深度。d、非金屬夾雜物在整個斷面上的分布情況。e、測定晶粒度。6 .縱向試樣常用于觀察：a、非金屬夾雜物之大小，變形情況及其含量。b、帶狀組織的存在或消除情況。c、因塑性變形而引起晶?；蚪M織變形的情況。二、金相試樣的截取無論采用何種方法截取試樣，都必須保證所截取的試樣的金相組織 與原部件金相組織一致，即不發(fā)生組織變化。這就要求在截取試樣過程 中試樣受熱、受外力作用都能盡量小。如淬火馬氏體組織的試樣，若切 割時冷卻不充分，使之受熱發(fā)生回火而成了回火馬氏體組織。通常用于切割試樣的有砂輪

3、切割機、線切割、鋸床等。三、金相試樣的磨光粗磨-細(xì)磨-拋光四、顯微組織的顯示通常用的是化學(xué)浸蝕。 浸蝕劑中酸用的最多，如硝酸、苦味酸，可 浸蝕普通的碳鋼、低合金鋼。 主要是通過氧化的作用，使試樣的不同的 相受到不同程度的氧化溶解而反映出襯度，達(dá)到顯示微觀組織的目的。溶劑是酒精、水等。常用化學(xué)浸蝕試劑：硝酸酒精溶液：4%硝酸酒精溶液 顯示碳鋼及低合金鋼的組織。鹽酸苦味酸酒精溶液：鹽酸5ml,苦味酸1g,酒精100mL顯示淬火 及淬火回火鋼的晶粒和組織。第二部分 鋼的缺陷金相組織分析鋼的組織缺陷是指需利用金相顯微鏡進(jìn)行檢驗才能判別的顯微組織 缺陷。例如：帶狀組織、帶狀碳化物、網(wǎng)狀碳化物、魏氏組織、

4、非金屬 夾雜物、過熱、過燒組織、鋼材表面的氧化脫碳等。一、帶狀組織在經(jīng)熱加工后的亞共析鋼顯微組織中，鐵素體與珠光體沿壓延變形 方向交替成層分布的組織，稱為帶狀組織。帶狀組織使鋼的機械性能產(chǎn)生各向異性，即沿著帶狀縱向的強度高, 韌性好，橫向的強度低，韌性差。另外，帶狀組織的工件熱處理時易產(chǎn) 生變形，且使得硬度不均勻。帶狀組織的試樣要選取縱截面。放大 100倍進(jìn)行評級。評定帶狀組織按GB/T13299-91鋼的顯微組織評定方法。按含碳量分三個系列ABC各6個級別。帶狀組織的評級分為6級，0-5級。級別愈高，帶狀組織愈嚴(yán)重。零件一般都不允許有帶狀組織存在，帶狀組織不能用退火方法來消 除。應(yīng)用正火的方

5、法來減輕或消除。35CrMo鋼帶狀偏析，帶狀組織3級二、網(wǎng)狀碳化物網(wǎng)狀碳化物實際上亦是碳化物不均勻性的另一種形式。在含碳量大于0.77%的碳工具鋼，合金工具鋼、金各軸承鋼等鋼種， 在熱加工后的冷卻過程中，碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀析出，故稱網(wǎng)狀碳化物。網(wǎng)狀碳化物的存在，將使鋼的機械性能顯著降低，尤其是沖擊韌性 下降，脆性增大。評級時用500倍。三、非金屬夾雜物在鋼鐵材料中一般都含有非金屬夾雜物，這些夾雜物的種類和形狀 是多種多樣的，對鋼材的影響程度也不一樣，一般地說，非金屬夾雜物 的存在，破壞了金屬基體的連續(xù) 性，在熱處理時易引起淬火裂紋。當(dāng)零 件承受載荷特別是動載荷時，易造成應(yīng)力集中，使鋼的機械性能

6、，特別 是疲勞強度降低，甚至導(dǎo)致機械零件在使用過程中斷裂失效。存在于鋼中常見的非金屬夾雜物種類：1. A類（硫化物類），硫化物夾雜物具有塑性，在鋼材中呈條狀形態(tài)2. B類（氧化鋁類），常見的有氧化鋁、氧化金各等。屬脆性夾雜，在熱 加工時它不易變形，沿軋制方向排成一行。3. C類（硅酸鹽類），硅酸鹽夾雜的成分比較復(fù)雜。經(jīng)熱加工后一般沿 著變形方向延伸，外形粗糙，不光滑。4. D類（球狀氧化物類），不變形，帶角或近似圓形的無規(guī)則分布。5. DS類（單顆粒球狀類），圓形或近似圓形的單顆粒夾雜物。分析非金屬夾雜物按照評級圖進(jìn)行評級，放大倍數(shù)100,不腐蝕觀GB/T10561-200520鋼熱軋狀態(tài)，硫

7、化物密集，相當(dāng)于 4級低碳鋼熱軋正火態(tài)呈鏈狀分布的黑色點狀氧化物夾雜3.5級四、過熱，過燒組織鋼材過熱一般是指加熱時由于超過正常加熱溫度引起韌性下降的一種現(xiàn)象，碳素鋼過熱的金相特征是出現(xiàn)魏氏組織。魏氏組織將造成鋼的 機械性能、尤其是沖擊韌性的下降，嚴(yán)重的將造成零件在使用過程中的 脆性斷裂。所以鋼中一旦出現(xiàn)魏氏組織，應(yīng)通過正火處理來加以改進(jìn)。魏氏組織評級GB/T13299-91 ,按含碳量分AB兩個系列各6個級35CrMo鋼鍛造空冷后晶粒粗大，呈魏氏組織。過燒一般是由于加熱溫度過高，或在高溫下停留時間過長，除出現(xiàn) 魏氏組織外，同時發(fā)現(xiàn)粗大的晶粒邊界被燒熔而氧化，破壞了金屬基體 的連續(xù)性，這種現(xiàn)象

8、稱為過燒。一般在顯微鏡 100倍下觀察，晶界分布 黑色的氧化物。過燒一般無法改正，只能作報廢處理。五、表面脫碳鋼的各種熱加工工序的加熱或保溫過程中，由于周圍氧化氣氛的作 用，使鋼材表層的碳全部或部分喪失掉，這種現(xiàn)象叫做脫碳。脫碳層深度是指從脫碳層表面到脫碳層與基體在金相組織差異已經(jīng)不能區(qū)別的位置的距離。測量脫碳層可以用金相法、硬度法、化學(xué)分析法。選用哪種方法由 有關(guān)技術(shù)條件或協(xié)議規(guī)定，無明確規(guī)定時用金相法。按GB224-87鋼的脫碳層深度測定法。第三部分鋼的晶粒度大小測定一、晶粒度的概念晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度。一般是指奧氏體化后的實際晶 粒大小，即是指鋼材經(jīng)過不同的熱處理操作后冷卻到室

9、溫下所得到的晶 粒。晶粒大小對金屬材料的機械性能和工藝性能有很大的影響，因此晶 粒度是表示材料性能的重要數(shù)據(jù)之一。鋼材加熱時形成奧氏體晶粒，它的大小對鋼材性能有著很大影響。 粗大的奧氏體晶粒冷卻后獲得粗大的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其塑性、韌性比細(xì)小的 奧氏體晶粒差，且奧氏體晶粒過分粗大，零件在淬火時易于變形、開裂, 對于淬火、回火狀態(tài)的鋼，晶粒度一般也都是測定原奧氏體的晶粒度。 對正火、退火狀態(tài)的鋼，晶粒度一般都是測定實際晶粒度。影響奧氏體晶粒度的因素很多，其中加熱溫度和保溫時間起著決定 性作用，溫度越高，保溫時間越長，晶粒越大。二、晶粒的顯示1 .本質(zhì)晶粒度的顯示：滲碳法、氧化法、網(wǎng)狀鐵素體法、網(wǎng)狀滲碳體

10、法 等。（930 C,保溫38h）2 .實際晶粒度的顯示：對結(jié)構(gòu)鋼正火、退火后常測定鐵素體晶粒度。用4%硝酸酒精腐蝕對結(jié)構(gòu)鋼淬火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，測原奧氏體晶粒度。用飽和苦味酸水溶液+ 洗凈劑等。三、晶粒度的評定和表示方法1 .用比較法測定晶粒度目前生產(chǎn)中，一般都采用比較法測定晶粒度。比較法評定晶粒大小簡單方便，放在100倍下觀察。先對試樣全面觀察，然后選擇最有代表 性的視場進(jìn)行評級。若試樣中發(fā)現(xiàn)有晶粒不均勻現(xiàn)象，若占優(yōu)勢晶粒所 占的面積不少于視場的90%時，則可記錄此一種晶粒的級別數(shù)，否則應(yīng) 用不同級別來表示該鋼的晶粒度。2 .用弦計算法測定晶粒度3 .綜合判斷法四、鐵素體晶粒度的評定對鐵素體晶

11、粒度的評定原則上用比較法，當(dāng)要求精確測量時，以用 弦計算法測定晶粒度為宜。見評級圖。45鋼退火處理組織：珠光體和鐵素體。晶粒細(xì)小，67級。第四部分基本熱處理組織形態(tài)一、 珠光體的組織形態(tài)珠光體型組織是退火和正火鋼的重要組織。主要形態(tài)有兩種：片狀 珠光體和粒狀珠光體。片狀珠光體是由一片片互相交替排列的滲碳體和鐵素體所組成。片 狀珠光體似手指紋的層狀結(jié)構(gòu)，它是一層鐵素體和一層滲碳體的機械混 合物。細(xì)小的片狀珠光體又稱索氏體。粒狀珠光體是在鐵素體基體上分布著細(xì)小顆粒狀的滲碳體的球化組 織。實際生產(chǎn)中，片狀珠光體常見于亞共析鋼退火或正火組織中。粒狀 珠光體常是高碳鋼切削等加工前要求獲得的組織形態(tài)。45

12、鋼齒輪心部正火組織：片狀珠光體和鐵素體二、先共析相鐵素體和滲碳體的組織形態(tài)經(jīng)奧氏體化的亞（或過）共析鋼，冷卻時在珠光體形成之前析出的 鐵素體（或滲碳體）稱為先共析相。先共析鐵素體的金相形態(tài)大體上分為三類，即等軸塊狀鐵素體，網(wǎng) 狀鐵素體和沿一定晶面析出的針狀鐵素體（魏氏組織）。如果奧氏體晶粒較細(xì)，含碳量較低，冷卻速度較快時，先共析鐵素體 呈等軸塊狀。如果奧氏體晶粒較大，含碳量較高，冷速較慢時，先共析 鐵素體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出。過共析鋼中的先共析滲碳體的形態(tài)一般是網(wǎng)狀或針片狀（魏氏組織） 的。先共析相的金相形態(tài)對鋼的性能有一定的影響，網(wǎng)狀鐵素體將降低 鋼的疲勞性能。網(wǎng)狀滲碳體使鋼件變脆，在淬火

13、或加工時容易開裂。故 需用正火處理消除。三、馬氏體的組織形態(tài)馬氏體相變是一種非擴散型相變，它是提高鋼的硬度、強度的最主 要的途徑。經(jīng)過不同溫度的回火，其性能可滿足零件不同要求。馬氏體形態(tài)可分為板條狀馬氏體和針狀馬氏體。板條狀馬氏體：是低、中碳鋼、不銹鋼等的典型的馬氏體組織。又稱低碳馬氏體。針狀（片狀）馬氏體：常見于淬火高、中碳鋼等。在同一成分鋼的組織中，馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小， 因此，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，體積會增大；含碳量越高，比容相差貝氏體的組織形態(tài)15MnB鋼淬火的低碳馬氏體（板條狀馬氏體）42CrMo鋼淬火的中碳馬氏體（針狀馬氏體）越大，體積變化也就越大。這是淬火時產(chǎn)生變

14、形，開裂的主要原因之一貝氏體相變發(fā)生在珠光體相變溫度以下，馬氏體相變溫度以上的中溫區(qū)域。主要包括上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體又稱羽毛狀貝氏體，形成溫度在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的上部。下貝氏體呈片狀或針狀，形成溫度約在 350至Ms點之間。第五部分鋼的退火、正火、淬火、回火組織狀態(tài)一、 退火亞共析鋼：珠光體+鐵素體共析鋼：珠光體過共析鋼：珠光體+滲碳體二、正火正火的目的：1 .對亞共析鋼能細(xì)化晶粒，組織均勻，提高硬度，改善鋼的切削加工性。2 .對過共析鋼，能消除其組織中的網(wǎng)狀碳化物，利于球化退火。3 .正火可使鑄鍛件過熱晶粒細(xì)化和消除內(nèi)應(yīng)力。4 .對于最終要求淬火的零件，正火能細(xì)化晶粒，改善碳化物的形態(tài)和

15、分布，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。正火組織與退火相比，由于正火冷速快，珠光體更為細(xì)密，先共析 產(chǎn)物（鐵素體、滲碳體）的析出量較平衡冷卻時要少。三、淬火低碳鋼淬火后得到低碳條狀馬氏體，高碳鋼淬火后得到針狀馬氏體。淬火零件都希望得到細(xì)小的馬氏體組織，如果淬火加熱控制不當(dāng)，如加熱溫度過高或在高溫下加熱時間過長引起奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗針狀馬氏體，出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。而因加熱不足在淬火組織中會出現(xiàn) 鐵素體，使零件淬火后的硬度，強度，疲勞強度下降四、回火回火可分三類:1 .低溫回火：150250c之間，目的是減少應(yīng)力和脆性，得到回火馬氏 體組織而保持高硬度和高耐磨性?；鼗瘃R氏體仍具針狀特征，經(jīng)浸蝕 后，顏

16、色比淬火馬氏體深。2 .中溫回火：350500c之間，目的是獲得高的彈性和屈服強度，得到 回火屈氏體。主要用于各種彈簧。3 .高溫回火：500650c之間，目的是要得到一定的強度、硬度和良好 的韌性、塑性相配合的綜合機械性能。淬火加高溫回火又稱調(diào)質(zhì)處理，組織為回火索氏體35CrMo鋼調(diào)質(zhì)組織：均勻細(xì)小的回火索氏體第六部分 調(diào)質(zhì)、滲碳、感應(yīng)淬火組織分析一、 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)鋼：含碳量一般在0.250.50%碳，加上適量的合金元素。調(diào)質(zhì)處理是淬火加高溫回火，得到的組織是回火索氏體。通過對調(diào)質(zhì)鋼顯微組織的分析，可以分析該調(diào)質(zhì)鋼的熱處理工藝過 程是否合理，或者是否符合正常工藝的要求，也可發(fā)現(xiàn)一些涉及工藝和 材

17、質(zhì)上的問題。1.淬火后出現(xiàn)粗大的針狀馬氏體淬火后出現(xiàn)粗大的針狀馬氏體，高溫回火后得到的是粗大的回火索 氏體組織。這種粗大組織產(chǎn)生主要是加熱溫度過高，保溫時間過長，奧 氏體晶粒明顯長大，在快速冷卻下，馬氏體針葉就變得粗大。這種組織 在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用下，極易出現(xiàn)顯微裂紋，最終甚至可能引起零 件的開裂。因此控溫儀表必須定期校驗，及時維護(hù)和保養(yǎng)，以免失控。 2.淬火組織中出現(xiàn)鐵素體淬火后出現(xiàn)較多的鐵素體，將大大地降低調(diào)質(zhì)鋼的機械性能。鍛件或鑄件未經(jīng)退火或正火處理而直接進(jìn)行淬火， 鐵素體數(shù)量較多, 在加熱溫度偏低、保溫時間不充分的情況下，造成一部分鐵素體未能全 部溶解成為奧氏體，冷卻后大塊狀的未溶

18、鐵素體仍舊保持下來，分布在 針狀馬氏體基體上。這種組織硬度低，強度也較低。42CrMo鋼調(diào)質(zhì)處理組織：索氏體及針狀分布的鐵素體。3 .淬火后出現(xiàn)屈氏體組織如果淬火溫度恰當(dāng)，保溫時間充足，但冷卻速度不夠，極易產(chǎn)生此 種組織。顯微鏡下觀察呈黑色團(tuán)絮狀。4 .調(diào)質(zhì)鋼的原始組織缺陷帶狀組織、粗大原始晶粒和魏氏組織、過燒組織、較多的夾雜物、 氧化脫碳。二、滲碳件1 .表面碳濃度各種數(shù)據(jù)表明，表層含碳濃度在 0.81.0%之間，各種性能都比較 局。2 .滲碳層深度必須根據(jù)零件的使用要求，選擇適宜的滲碳層深度4 .滲碳層的顯微組織低碳鋼或低碳合金鋼，經(jīng)過高溫滲碳后在緩慢冷卻的條件下，就可 以得到平衡狀態(tài)的組織。由表及里分成過共析層、共析層、亞共析層過 渡層以及心部原始組織。過共析層：最表層，碳濃度最高，含碳量約在 0.81.0%之間。珠 光體+碳化物共析層：含碳量在0.77%左右，組織為片狀珠光體。亞共析過渡層：從開始析出鐵素體起，一直延伸過渡到與心部組織 交界處為止。 組織是珠光體和鐵素體混合分布。20CrMnTi鋼滲碳后坑冷：過共析層、共析層、亞共析層、心部12Cr2Ni4鋼滲碳后緩冷和淬火后的組織分布5 .滲碳淬火回火后的組織表面得到針狀馬氏體及部分殘留奧氏體，馬