简介
铁基合金的显微组织非常复杂,受成分、均匀性、加工和截面尺寸等因素的影响。粗晶钢的显微组织比细晶钢更容易观察。当然,为了获得最佳的机械性能,钢通常都是用细小的晶粒尺寸制成的。一般来说,最容易识别热处理后的结构变形和回火前。但是,在大多数应用中,淬火钢必须进行回火处理,通常在这种情况下进行检验。如果在淬火过程中形成贝氏体和马氏体的混合微观组织,当产品的回火温度升高到较低的临界温度时,这些成分将更难可靠地识别。这些因素使鉴别钢中的相和成分变得更加困难。此外,虽然铁金相学家倾向于几乎只使用硝酸钠进行蚀刻,但硝酸钠并不总是用来正确显示所有微结构的最佳试剂。不幸的是,一些公司禁止使用苦味酸,因为苦味酸可以在某些条件下爆炸。Picral是一种显示钢中某些微观结构成分的优良蚀刻剂,事故的发生比nital要少。 In this paper, isothermally transformed microstructures will be examined as an aid to phase/constituent identification. Further, the value of a tint etchant, 10% sodium metabisulfite, for revealing steel phases and constituents will be demonstrated.
术语
某些微观结构术语存在混淆和误用。1937年,由于对微观结构成分的描述不准确,索氏石和屈氏石被从金相词典中删除。然而,这些术语仍然偶尔被使用。“相”一词经常被错误地用于指两种相的混合物,如珠光体或贝氏体,它们更恰当地称为组分。相是一种均匀的、物理上不同的物质。马氏体是淬火时形成的相,回火后由体心四方马氏体(bct)分解为体心立方(bcc)铁素体和正交方渗碳体。
样品制备
为了观察黑色金属的微观结构,必须适当地制备它们。许多人认为这是一项微不足道的练习,但它的正确执行对成功的口译至关重要。第一步是选择要采样的测试地点。这是关键的,如果解释是有效的部分或地段被评估。所选的标本必须具有代表性。抛光平面可以相对于被采样工件的不同方向定向。
为了获得适合金相检验的尺寸和方向,几乎总是需要切片。磨料切断锯是最常用的切割设备。当适当的叶片和适当的冷却剂使用时,它可以产生良好的表面,最小的损伤。在生产作业中经常使用更激进的分段方法。这些会对结构造成更大的损伤,如果要检查真正的结构,就必须将其移除。
接下来,标本可以安装在聚合物材料中,以方便处理,简化制备,增强边缘保留,或便于标本的识别。安装可以在压力机中使用热固性树脂或热塑性树脂或浇注树脂,不需要外部加热和压力进行聚合。
在过去的25年里,自动化在标本制备中的应用得到了极大的发展。这些设备产生的结果比手动实现的更好。它们产生了更一致的结果,更好的平整度和更好的边缘保留,具有更高的生产力。成功制备亚铁样品的方法有很多。没有一个正确的程序。许多不同的产品可以使用成功的结果。有些方法可能适用于某些类型的标本或问题。认识到这种情况,表1列出了制备大多数钢样的有用程序。这种方法给出了一致的结果和良好的边缘保留。对于最困难的样品,在3 μ m金刚石步骤之后可添加1 μ m金刚石步骤,使用相同的材料、速度和方向,但时间略短。
注:
- 载荷是在支架中的每个标本。
- 夹样器与压板在同一方向旋转。
- 反转=标本架和压板在相反的方向旋转。
根据需要和标本的不同,还可能有其他变化。第一步,通常称为平面磨削,可以使用几种产品完成。传统的碳化硅纸总是令人满意的;也可以使用氧化铝纸。总是从尽可能最好的磨料开始,以消除切割造成的损伤,并在合理的时间内使支架内的所有标本共面。SiC纸的寿命确实很短。在纸张失去切割效率后继续研磨会产生热量和损坏。
腐蚀剂
硝酸,通常浓度为2%,最常用来显示钢的微结构。它很好地揭示了马氏体的结构。在马氏体基体中的铁素体和低碳钢中的铁素体晶界的显示上,硝酸也很好。Picral揭示了铁素体合金中的渗碳体以及铁素体-渗碳体组分、珠光体和贝氏体的结构,但没有揭示铁素体晶界。硝酸和异丙酸都能溶解铁氧体,但硝酸的溶解速率是晶体取向的函数,而异丙酸的溶解速率是均匀的。其他试剂也有它们的用途,特别是在处理较高的合金等级或试图选择性地揭示某些成分或前奥氏体晶界时。许多标准教科书(1)和手册以及ASTM E 407中都列出了用于钢材的腐蚀剂。
因为一些实验室不能使用苦丁醛,所以标本也用10%的焦亚硫酸钠(也叫焦亚硫酸钠)蚀刻,它具有苦丁醛和苦丁醛的许多优点。加入10克Na2S2O5到100毫升水,使这个蚀刻。甲亚硫酸钠(SMB)使用起来非常安全。当然,它不应该被摄入和直接接触应该避免。与其他颜色蚀刻剂相比,它使用起来相对简单。它将蚀刻广泛的成分,并产生着色,这不是强烈的,但可以增强使用部分交叉极与敏感的着色板。它会使一些铁素体晶粒着色,并显示铁素体晶粒边界,像氮一样,但更均匀。发现了珠光体和贝氏体,同时还发现了贝氏体。它既显示淬火马氏体,也显示硝酸。蚀刻采用浸渍法,时间通常为5-15秒。10%的SMB可以存储。
等温转换
直到1930年Davenport和Bain(2)发表了他们关于奥氏体等温相变的里程碑式论文,人们才很好地理解了钢的微观结构,热处理更像是一门艺术而不是一门科学。这导致了使用时间-温度-转换(TTT)图(3,4)对每种钢成分的等温转换映射。这些图是用几种方法为许多组分绘制的(5)。等温转化标本在微结构解释教学中非常有用。奥氏体相变也可以通过控制冷却速率来研究,并可以用这种方式绘制(CCT图)。在本文中,除了马氏体外,只说明等温转变的组织(未转变的奥氏体在等温保温后的淬火过程中转变为马氏体)。
合金的碳含量是影响相和组分的数量和外观的主要因素。所示样品在正常推荐温度下进行奥氏体化,然后在不同的亚临界温度下在盐浴中等温保存,以将部分或全部奥氏体转化为其他相和组分。
微观结构
铁素体和珠光体
严格地说,α铁只指纯铁在912℃(1674℃)以下稳定的体心立方(bcc)形式,而铁素体是bcc铁中一种或多种元素的固溶体。这些术语通常被用作同义词,这是不正确的。在一定的冷却条件下,铁素体可从奥氏体中针状析出(Widmanstätten铁素体)。薄钢板是全铁素体的,也有全铁素体的硅电工钢和不锈钢。铁氧体是一种非常柔软的延性相,尽管它在某些临界温度下会失去韧性。
当等温转变温度接近较低的临界温度,且钢处于亚共析状态(< 0.8% C)时,铁素体先析出,珠光体先形成。这种铁素体称为前共析铁素体。随着碳含量的增加和等温转变温度向TTT图的“鼻子”方向的降低,原共析铁素体的数量减少。图1显示了8620合金钢(0.2%C-0.8%Mn-0.25% Si-0.55%Ni-0.5%Cr-0.2%Mo)在927℃奥氏体化,677℃等温相变1分钟,然后水淬火的原共析铁素体和马氏体。标本用2%硝酸钠、4%苦味酸钠和10% SMB蚀刻。保持时间很短,因此在样品被水淬火之前,只有铁素体等温形成(这将剩余的奥氏体转变为马氏体)。图1显示,nital很好地显示了马氏体,保留了铁素体白色,同时显示了铁素体-铁素体晶界。10%的SMB以类似的方式显示马氏体(m),并使部分铁素体(f)晶粒轻微着色,同时显示铁素体晶界。然而,4%的picral显示不出任何东西(由于硬度差异,可以看到铁素体和马氏体之间的轻微缓解,因为孔径隔膜停止向下)。
图1。8620合金钢在927℃下奥氏体化,在677℃等温转化1分钟,在2%硝酸(左)- 4%苦甘酸(中)和10%甲亚硫酸钠(右)中刻蚀后水淬组织 |
在等温保持过程中,如图1所示,原共析铁素体析出后,如果保持持续,将形成珠光体。珠光体是铁素体和渗碳体的亚稳层状聚合体,在较低的临界温度(奥氏体受热时开始形成的温度)以下形成。从奥氏体场冷却后,固体奥氏体转变为具有层状形貌的固体铁素体和渗碳体,通过共析反应形成珠光体。相反的情况发生在加热进入奥氏体场时。
对于高碳合金钢(如SAE 5160), TTT图上没有单独的区域表明已形成原共析铁素体,因为可等温形成的最大含量小于1%。图2显示了SAE 5160合金钢(0.6%C-0.85%Mn-0.25%Si-0.8%Cr)在830℃奥氏体化,在677℃等温转化30秒,水淬后的微观组织。对于这个5160样品,我们观察到一些小斑块的前共析铁素体(体积远小于1%),珠光体和淬火马氏体。珠光体的层间间距太细,难以分辨。
图2中的每张图像都被选中以显示至少一粒原共析铁氧体颗粒(箭头)。这不是典型的磁场,因为大多数磁场不含铁氧体。Nital对这种微观结构并不完全满意。大的光斑中似乎有一些微弱的结构,但尚不清楚这是淬火马氏体(m)、铁素体还是轻度蚀刻的珠光体。picral蚀刻显示均匀蚀刻的珠光体(p)和大块的白色斑块是淬火马氏体(m)。但是,如果人们没有意识到在如此高的碳合金中不可能产生这么多的铁素体,那么未蚀刻马氏体的白色斑块可能被误认为是铁素体。根据这种蚀刻,也很难确定小块的原共析铁素体是否是淬火马氏体。通过黑色和白色的绿色滤镜,10%的SMB蚀刻显示了所有的成分,淬火马氏体可以与细珠光体区分开来,但这不是一个容易的区分。从颜色上看,差别非常明显,因为马氏体是棕色的,而细珠光体有多种颜色(当用部分交叉极性和敏感的着色板观察时)。
图2。5160合金钢组织在830℃奥氏体化,在677℃等温转化30秒,在2%硝酸(左),4%苦甘酸(中)和10%甲亚硫酸钠(右)蚀刻后水淬。 |
贝氏体
如果等温转变温度降低到TTT曲线的“鼻部”以下,但不低于马氏体开始形成的温度(Ms温度),则可以观察到一种不同的两相成分,称为贝氏体。贝氏体是铁素体和渗碳体的亚稳聚合体,由奥氏体在低于珠光体形成的温度和高于马氏体开始形成的温度下形成。贝氏体的形貌随转变温度的变化而变化,在高温时呈“羽毛状”,在低温时呈“针状”。“上”贝氏体的羽毛状外观也受碳含量的影响,最适合碳含量高的品位。针状描述并不是对“下”贝氏体形状的完美描述。
图3显示了5160合金钢在830℃奥氏体化,538℃等温转化60秒,水淬后马氏体基体中产生少量上贝氏体(未转化的奥氏体)的显微组织。用硝酸、味精和甲亚硫酸钠揭示了结构。Picral根本没有显示马氏体基体。(如果试样经过回火处理,或者在切割试样时产生过多的热量,则会产生马氏体。)它是用数码浅显影(过度蚀刻会使它变暗),用SMB稍微暗一些。同样,SMB图像显示的颜色更多(未显示)。三种蚀刻剂均显示上贝氏体的结构。
图3。5160合金钢组织在830℃奥氏体化,538℃等温转化60秒,在2%硝酸(左),4%苦甘酸(中)和10% -甲亚硫酸钠(右)蚀刻后水淬。 |
图4显示了5160合金中的下贝氏体和淬火马氏体。样品与之前一样进行奥氏体化,但在343℃等温转化5分钟,然后水淬。同样,所有三种蚀刻剂都被用来显示这两种成分。观察到同样的基本趋势。甲亚硫酸钠对两种成分的整体对比度最强,可见性最好。Picral是最精细的,在未蚀马氏体和下贝氏体之间产生了最大的对比差异。贝氏体的两相性质最好的描述是picral。
马氏体
如果奥氏体化温度的冷却速率足够快(与截面尺寸、淬硬性和淬火介质有关),使上述相不形成,就会产生马氏体。当然,这不是一个等温处理,而是无扩散的。马氏体是通过无扩散相变形成的以体为中心的四方相的总称,其母相和产物相具有相同的成分和特定的晶体学关系。在溶质原子占据间质位置的合金中可以形成马氏体,如C在Fe中,产生大量硬化和高度着色,脆性条件。然而,在镍含量高的无碳合金中,如马氏体时效钢,溶质原子(Ni)可以占据取代位,产生柔软和韧性好的马氏体。在含碳钢中,马氏体的外观随间质中碳的变化而变化。当所有的碳都溶解到奥氏体中时,低碳钢产生板条马氏体,而高碳钢产生板状马氏体,通常被错误地称为“针状”马氏体。大多数显微图显示马氏体,其中转化时间不够大,无法将所有奥氏体转化为铁素体、珠光体或贝氏体。
图4。5160合金钢组织在830℃下奥氏体化,在343℃等温转化5分钟,在2%硝酸(左),4%苦甘酸(中)和10%甲亚硫酸钠(右)蚀刻后水淬。 |
总结
黑色合金的显微组织十分复杂。鉴别钢中的相或成分取决于适当的试样制备和蚀刻。所举的例子表明,数字和数字显示的结构是完全不同的。10%的甲亚硫酸钠水溶液的行为与硝酸很相似,但其作用更均匀。与picral不同的是,它将揭示淬火马氏体的结构。它能很好地显示扩散控制产物铁素体、珠光体、贝氏体和非扩散产物马氏体。它通常能产生最好的对比,而且比硝酸或硝酸更安全。
参考文献
- 冯德华,金相学原理与实践,中国机械工程学报,1999。
- “恒定亚临界温度下奥氏体的相变”,译。艾梅,1930年,第117页。
- 戴文波特,“钢的等温相变”,译。《ASM》1939年第27卷第837页。
- 等温变换图,第3版,美国钢铁公司,宾夕法尼亚州匹兹堡,1963年。
- G.F. Vander Voort,钢铁的时间-温度图图集,美国机械工程学会,材料园,1991。
乔治范德Voort具有物理、工艺和机械冶金方面的背景,从事金相学研究已有43年。他是ASTM委员会E-4金相学的长期成员,在金相学和失效分析方面发表了大量文章。他定期为ASM国际教授MEI课程,现在正在做网络研讨会。他是斯特鲁厄斯公司的顾问,不久将为他们授课。联系他的电话是1-847-623-7648,电子邮件是georgevandervoort (at) yahoo (DOT) com,网址是www.georgevandervoort.com
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