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金相技术Writeby:LesinXuDate:Jun-14-2009金相检测基础知识2金相技术主要指借助光学（金相）显微镜、放大镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支，既包含材料三维显微组织的成像及其定性、定量表征，亦包含必要的样品制备、准备和取样方法。其观测研究的材料组织结构的代表性尺度范围为10-9-10-2m数量级，主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷（例如位错）的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。3金相样品制备——取样常规检验——依据相关国家标准进行表面检验——有无脱碳、折叠等失效分析——在失效部位如裂纹附近取样金相组织不均匀——如铸件须从表面到中心同时取样观察，了解合金的偏析度4金相样品制备——取样取样部位确定后还要确定金相磨面横截面试样由表层到中心金相组织变化表面缺陷的检验，如脱碳、氧化、折叠等表面处理结果的检验，如表面淬火、渗碳、涂镀等网状碳化物晶粒度评级5金相样品制备——浸蚀目的：显示真实，清晰的组织结构方法：化学浸蚀电解浸蚀特殊方法：着色、阴极真空浸蚀等6金相组织识别——夹杂物外来夹杂物截留在金属中的外来物质，其分布形式是不均匀和不可预测的。GB/T10561-2005定性——确定夹杂物类型定量——测定非金属夹杂在金属中的含量、形状及分布。7A硫化物类：具有高延展性，有较宽范围形态比的单个灰色夹杂物，一般边部呈圆角。B氧化铝类：大多没有变形，带角的，形态比（即：长度/宽度）小（一般＜3）黑色或蓝色颗粒，沿轧制方向排成一行。C硅酸盐类：具有高延展性，有较宽范围形态比（一般≥3）的单个呈黑色或深灰色夹杂，一般端部成锐角。D球状氧化物：不变形，带角或圆形，形态比小（一般＜3），黑色或带蓝色，无规则分布。DS单颗粒球状类：圆形或近似圆形，直径≥13μm。夹杂物评级金相组织识别——8金相组织识别——夹杂GB/T10561-2005/ISO4967:1998中夹杂物宽度单位：μm夹杂物类型细系粗系最小宽度最大宽度最小宽度最大宽度A24＞412B29＞915C25＞512D38＞813D类夹杂物规定为最大直径，串（条）状夹杂物规定为最大宽度9金相组织识别——夹杂GB/T10561-2005/ISO4967:1998中夹杂物级别最小值评级图级别夹杂物类别A总长μmB总长μmC总长μmD数量个DS直径μm0.5371718113112777764191.5261184176927243634332016382.564955551025533898＜1181822＜1147746＜102936＜4976＜10710金相组织识别——夹杂物夹杂物名称形状及分布明场暗场偏光其他氧化铝Al2O3细小，成串深灰或暗灰透明黄白色各向异性磨光时易剥落，有托尾氧化亚铁FeO球状，变形后略显椭圆灰色稍带褐色完全不透明（通常比基体黑）沿边有细亮线各向异性，不透明，淡黄色硫化铁FeS量多时呈网状分布在晶界上，量少时成粒状分布在任意部位，易变形加工后伸长淡黄色，长期暴露在空气中变为褐色不透明，沿边界有亮线明显的各向异性。不透明，淡黄色当钢中含有Mn少时才形成，Mn多时形成MnS、FeS的固溶体。11金相组织识别——夹杂物夹杂物名称形状及分布明场暗场偏光硫化铁与硫化锰MnS·FeS同FeS色随MnS量而变，MnS少时呈淡黄色，增多时变深蓝色，再变深为深灰色不透明各向异性，不透明铁矽硫盐2FeO·SiO2多为玻璃质。球状任意分布，稍变性，变形后呈纺锤装深灰色，球体中的环圈反光而中心有亮点。透明，色由淡黄到褐色各向异性，透明呈玻璃状时各向同性锰矽酸盐2MnO·SiO2多为玻璃质，球状任意分布，易变形，变形后伸长深灰色透明，由玫瑰到褐色各向异性，呈玻璃状时各向同性铁锰矽酸盐mFeO·nMnO·SiO2同锰矽酸盐深灰色，球体中的环圈反光而中心有亮点，当Si、Mn量多时呈黑色园盘透明、琥珀黄色，园盘好像有些突出。呈玻璃状，各向同性，含Si较多的夹杂能看到黑暗的十字叉12金相组织识别——夹杂物夹杂物名称形状及分布明场暗场偏光氮化钛TiN成群，成串金黄色不透明各向同性碳氮化钛Ti（CN）成群，变形后成串随碳含量不同由浅黄变紫玫瑰完全不透明各向同性氮化钒VN孤立或成群淡粉色不透明各向同性碳氮化钒V（CN）孤立或成群淡粉不透明各向同性石英SiO2球状深灰色透明无色各向同性铝酸盐CaO·2Al2O3变形后呈链状灰色透明亮黄色弱各向异性3Al2O3·2SiO2三棱或针状分布无规则深灰色透明无色各向异性13金相组织识别——夹杂物固熔态中的Ti夹杂14金相组织识别——铁碳相图Fe和C能够形成Fe3C,Fe2C和FeC等多种稳定化合物。由于化合物是硬脆相，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。15金相组织识别——铁碳相图铁碳相图纯铁的同素异晶转变如下：共析成分的Fe-C合金升温转变成奥氏体之后,在不同冷却条件下奥氏体所发生的相变。主要有三种不同的相变过程：珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变。16金相组织识别——铁碳相图单相区——5个液相区(L)——ABCD以上区域δ固溶体区——AHNA奥氏体区(γ)——NJESGN铁素体区(α)——GPQ以左渗碳体区(Fe3C)——DFK直线两相区——7个L+δ——AHJBAL+γ——BJECBL+Fe3C——DCFDδ+γ——HNJHγ+α——GPSGγ+Fe3C——ESKFCEα+Fe3C——PQLKSP三相区——3个包晶线——水平线HJB(L+δ+γ)共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C)共析线——水平线PSK(γ+α+Fe3C)17金相组织识别——铁碳合金的基本相铁碳合金在平衡状态下的五个基体组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的三个基本相，而珠光体和莱氏体则为基本相组成的机械混合物。碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示,由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（727℃时，α－Fe最大溶碳量仅为0.0218％，室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50~80)低，塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相似。铁素体Ferrite铁素体18金相组织识别——铁碳合金的基本相碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.77%。奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性(延伸率δ为40%~50%)高。碳钢在室温下无奥氏体奥氏体Austenite奥氏体的显微组织及晶胞示意图19金相组织识别——铁碳合金的基本相渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的斜方晶体结构，熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对钢的力学性能影响很大。在一定条件下（如高温长期停留或缓慢冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe+C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。渗碳体Fe3C渗碳体的晶胞示意图20金相组织识别——珠光体在727℃时，奥氏体（0.77%C）—铁素体(0.02%C)+渗碳体Fe3C(6.67%C)奥氏体过冷到727℃以下在奥氏体晶界首先形成Fe3C晶核。Fe3C是高碳相必须依靠周围的奥氏体不断的供碳使它长大。随Fe3C核的横向长大在它两侧的奥氏体形成贫碳区。为铁素体的形成创造了条件，在侧面的贫碳区就形成铁素体晶核。贫碳区形成铁素体的晶核长大。因铁素体是贫碳相随着它的长大必有一部分碳排出使相邻的奥氏体中富碳，又为Fe3C形核创造了条件。就在富碳区形成Fe3C核。如此反复形成层片状分布的组织。且铁素体与Fe3C同时向纵深长大形成珠光体组织。层片状分布大致分别相同的区域称为珠光体团。显然这是典型的扩散型相变。珠光体21727℃2223金相组织识别——贝氏体如果将共析钢过冷到550℃~230℃之间并没有产生片间距更细的珠光体，而是产生了另一种新组织称为贝氏体(Bainite）。它也是由铁素体加碳化物组成，但碳化物是非层片状分布的。这是因为珠光体转变是受碳在奥氏体中的扩散控制，同时铁原子也要发生扩散。如果过冷度很大，转变的温度达到相当的低，使铁原子无法发生扩散，同时碳的扩散也受到影响，显然不可能发生珠光体转变了，就会使转变的规律发生变化，产生贝氏体组织。由于形成的温度不同使贝氏体的形貌有所不同，又将贝氏体分成上贝氏体(UpperBainite)与下贝氏体(LowerBainite)。其形貌如图8、9所示。24金相组织识别——贝氏体上贝氏体在500℃~350℃形成，从图中可见在光学显微镜下呈羽毛状，电镜照片表明，它是由平行分布的铁素体片和分布在片间的断续而细小的渗碳体片共同组成。上贝氏体25金相组织识别——贝氏体下贝氏体在350℃~230℃形成，从图11可见在光学显微镜呈黑色针状，针的基体是铁素体，内部分布着细小的碳化物。下贝氏体26金相组织识别——贝氏体根据实验的结果，贝氏体相变有如下的规律：贝氏体转变也是形核与长大的过程。因相变是由一种成分的奥氏体分解出铁素体及碳化物两相组织，转变必有碳的扩散，但铁原子与合金元素不发生扩散。且在许多的钢种中存在转变的不完全性。由于形成温度较低，碳原子扩散困难使得贝氏体中的碳化物的尺寸比珠光体中的碳化物细小，铁素体中碳的过饱和度增加。贝氏体的组织形态主要决定于形成温度，还与奥氏体中的含碳量有关。为了得到下贝氏体,奥氏体中的含碳量需达到中碳以上。贝氏体转变的基本规律27金相组织识别——马氏体当高温的奥氏体获得极大的过冷（对共析钢要过冷到230℃以下）造成碳无法扩散，碳化物无法从奥氏体中析出，就形成一种非平衡的新组织。试验表明，虽然碳无法从奥氏体中扩散出来，但是奥氏体仍然从原来γ—Fe的FCC结构转变成α—Fe的BCC结构。因为没有碳化物的析出，所以碳就过饱和的溶解在BCC结构中将晶格拉长变成了BCT结构。钢中形成的这种碳在α—Fe中过饱和的固溶体就被称为马氏体（Martensite）。有两种典型的组织：板条马氏体与片状马氏体。28金相组织识别——马氏体板条状马氏体板条状马氏体光学显微镜下的特征是：束状组织，每一束内有条，条与条间以小角度晶界分开，而束与束间有较大的夹角。29金相组织识别——马氏体片层状马氏体片层状马氏体光学显微镜下的特征是：细针状或竹叶状，片与片之间以一定的夹角相交。一个重要的规律是：奥氏体的晶粒越粗大，马氏体的片也越粗大。30金相组织识别——马氏体对马氏体的转变机理目前尚不完全清楚。但根据大量的试验结果可归纳出以下的转变特征(相对于扩散性相变具有的一些特点)：因为转变温度很低，相变驱动力大，使铁原子发生迁移，奥氏体由原来的FCC结构变成BCC结构。Fe原子的移动时是以马氏体与母相的界面为固定的平面，每一个原子均相对于相邻的原子以相同的矢量移动，且移动的距离不超过原子间距，移动后仍然保持原有的近邻关系。这种方式为切变。因转变的温度很低，碳及合金元素均无法扩散，造成原奥氏体中的化学成分与马氏体中的化学成分完全一致，这一特征称为无扩散性。马氏体的形成的速度极快。只要有过冷度到马氏体开始转变的温度（Ms点）会立即以高速形成相当数量的马氏体，在一般的钢中如果在Ms点以下的某一温度延长时间，马氏体的数量不会增加。只有不断的降温，马氏体的数量才可以不断的增加。一旦到了马氏体转变终了