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 位截取；或是偏析，夾雜等缺陷最嚴(yán)重的部位截取。2 .在分析損壞原因時(shí)，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(duì)于有些產(chǎn)生較長(zhǎng)裂紋的部件，則應(yīng)在裂紋發(fā)源處、擴(kuò)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(gè)方向、哪個(gè)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(guò)燒、折迭等缺陷的深度。d、非金屬夾雜物在整個(gè)斷面上的分布情況。e、測(cè)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粒或組織變形的情況。二、金相試樣的截取無(wú)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(guò)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(shí)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(jī)、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(guò)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(yàn)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(guò)熱、過(guò)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(chēng)為帶狀組織。帶狀組織使鋼的機(jī)械性能產(chǎn)生各向異性，即沿著帶狀縱向的強(qiáng)度高, 韌性好，橫向的強(qiáng)度低，韌性差。另外，帶狀組織的工件熱處理時(shí)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(píng)級(jí)。評(píng)定帶狀組織按GB/T13299-91鋼的顯微組織評(píng)定方法。按含碳量分三個(gè)系列ABC各6個(gè)級(jí)別。帶狀組織的評(píng)級(jí)分為6級(jí)，0-5級(jí)。級(jí)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(lái)消 除。應(yīng)用正火的方

5、法來(lái)減輕或消除。35CrMo鋼帶狀偏析，帶狀組織3級(jí)二、網(wǎng)狀碳化物網(wǎng)狀碳化物實(shí)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(guò)程中，碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀析出，故稱(chēng)網(wǎng)狀碳化物。網(wǎng)狀碳化物的存在，將使鋼的機(jī)械性能顯著降低，尤其是沖擊韌性 下降，脆性增大。評(píng)級(jí)時(shí)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(lèi)和形狀 是多種多樣的，對(duì)鋼材的影響程度也不一樣，一般地說(shuō)，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(shí)易引起淬火裂紋。當(dāng)零 件承受載荷特別是動(dòng)載荷時(shí)，易造成應(yīng)力集中，使鋼的機(jī)械性能

6、，特別 是疲勞強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致機(jī)械零件在使用過(guò)程中斷裂失效。存在于鋼中常見(jiàn)的非金屬夾雜物種類(lèi)：1. A類(lèi)（硫化物類(lèi)），硫化物夾雜物具有塑性，在鋼材中呈條狀形態(tài)2. B類(lèi)（氧化鋁類(lèi)），常見(jiàn)的有氧化鋁、氧化金各等。屬脆性?shī)A雜，在熱 加工時(shí)它不易變形，沿軋制方向排成一行。3. C類(lèi)（硅酸鹽類(lèi)），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(lèi)（球狀氧化物類(lèi)），不變形，帶角或近似圓形的無(wú)規(guī)則分布。5. DS類(lèi)（單顆粒球狀類(lèi)），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(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)級(jí)，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(jí)低碳鋼熱軋正火態(tài)呈鏈狀分布的黑色點(diǎn)狀氧化物夾雜3.5級(jí)四、過(guò)熱，過(guò)燒組織鋼材過(guò)熱一般是指加熱時(shí)由于超過(guò)正常加熱溫度引起韌性下降的一種現(xiàn)象，碳素鋼過(guò)熱的金相特征是出現(xiàn)魏氏組織。魏氏組織將造成鋼的 機(jī)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(guò)程中的 脆性斷裂。所以鋼中一旦出現(xiàn)魏氏組織，應(yīng)通過(guò)正火處理來(lái)加以改進(jìn)。魏氏組織評(píng)級(jí)GB/T13299-91 ,按含碳量分AB兩個(gè)系列各6個(gè)級(jí)35CrMo鋼鍛造空冷后晶粒粗大，呈魏氏組織。過(guò)燒一般是由于加熱溫度過(guò)高，或在高溫下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，除出現(xiàn) 魏氏組織外，同時(shí)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(chēng)為過(guò)燒。一般在顯微鏡 100倍下觀察，晶界分布 黑色的氧化物。過(guò)燒一般無(wú)法改正，只能作報(bào)廢處理。五、表面脫碳鋼的各種熱加工工序的加熱或保溫過(guò)程中，由于周?chē)趸瘹夥盏淖?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(cè)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(wú)明確規(guī)定時(shí)用金相法。按GB224-87鋼的脫碳層深度測(cè)定法。第三部分鋼的晶粒度大小測(cè)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(shí)際晶 粒大小，即是指鋼材經(jīng)過(guò)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(duì)金屬材料的機(jī)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(shí)形成奧氏體晶粒，它的大小對(duì)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?jiàn)W氏體晶粒過(guò)分粗大，零件在淬火時(shí)易于變形、開(kāi)裂, 對(duì)于淬火、回火狀態(tài)的鋼，晶粒度一般也都是測(cè)定原奧氏體的晶粒度。 對(duì)正火、退火狀態(tài)的鋼，晶粒度一般都是測(cè)定實(shí)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(shí)間起著決定 性作用，溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)際晶粒度的顯示：對(duì)結(jié)構(gòu)鋼正火、退火后常測(cè)定鐵素體晶粒度。用4%硝酸酒精腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)鋼淬火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，測(cè)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(píng)定和表示方法1 .用比較法測(cè)定晶粒度目前生產(chǎn)中，一般都采用比較法測(cè)定晶粒度。比較法評(píng)定晶粒大小簡(jiǎn)單方便，放在100倍下觀察。先對(duì)試樣全面觀察，然后選擇最有代表 性的視場(chǎng)進(jìn)行評(píng)級(jí)。若試樣中發(fā)現(xiàn)有晶粒不均勻現(xiàn)象，若占優(yōu)勢(shì)晶粒所 占的面積不少于視場(chǎng)的90%時(shí)，則可記錄此一種晶粒的級(jí)別數(shù)，否則應(yīng) 用不同級(jí)別來(lái)表示該鋼的晶粒度。2 .用弦計(jì)算法測(cè)定晶粒度3 .綜合判斷法四、鐵素體晶粒度的評(píng)定對(duì)鐵素體晶

11、粒度的評(píng)定原則上用比較法，當(dāng)要求精確測(cè)量時(shí)，以用 弦計(jì)算法測(cè)定晶粒度為宜。見(jiàn)評(píng)級(jí)圖。45鋼退火處理組織：珠光體和鐵素體。晶粒細(xì)小，67級(jí)。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(jī)械混 合物。細(xì)小的片狀珠光體又稱(chēng)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(shí)際生產(chǎn)中，片狀珠光體常見(jiàn)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(guò)）共析鋼，冷卻時(shí)在珠光體形成之前析出的 鐵素體（或滲碳體）稱(chēng)為先共析相。先共析鐵素體的金相形態(tài)大體上分為三類(lèi)，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(shí)，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(shí)，先共析 鐵素體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出。過(guò)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(duì)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(shí)容易開(kāi)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(kuò)散型相變，它是提高鋼的硬度、強(qiáng)度的最主 要的途徑。經(jīng)過(guò)不同溫度的回火，其性能可滿(mǎn)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(chēng)低碳馬氏體。針狀（片狀）馬氏體：常見(jiàn)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(shí)，體積會(huì)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(shí)產(chǎn)生變

14、形，開(kāi)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(chēng)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(diǎn)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(guò)共析鋼：珠光體+滲碳體二、正火正火的目的：1 .對(duì)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(duì)過(guò)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(guò)熱晶粒細(xì)化和消除內(nèi)應(yīng)力。4 .對(duì)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(shí)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(guò)高或在高溫下加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗針狀馬氏體，出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。而因加熱不足在淬火組織中會(huì)出現(xiàn) 鐵素體，使零件淬火后的硬度，強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度下降四、回火回火可分三類(lèi):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(qiáng)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(qiáng)度、硬度和良好 的韌性、塑性相配合的綜合機(jī)械性能。淬火加高溫回火又稱(chēng)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(guò)對(duì)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(guò) 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(wèn)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(guò)高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，奧 氏體晶粒明顯長(zhǎng)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(kāi)裂。因此控溫儀表必須定期校驗(yàn)，及時(shí)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(jī)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(shí)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(lái)，分布在 針狀馬氏體基體上。這種組織硬度低，強(qiáng)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)共析層、共析層、亞共析層過(guò) 渡層以及心部原始組織。過(guò)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(guò)渡層：從開(kāi)始析出鐵素體起，一直延伸過(guò)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(guò)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