基于图像分析的金相组织缺陷及预防

刘志国

（三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027）

通过对金属运用光学金相显微镜与电子显微镜等器材加以分析，观测、辨别金属材料中的微观组织叫做金相组织[1]。对金属材料的细致观察与了解中，最不可缺少的就是对金相组织进行深入分析，它是一种显微组织图像，是人们以金属学、热处理知识和技术标准为依据，用于对金属材料进行判断和确定的一种方法。金相组织的微观组织与金相组织的性能有密切的关系，微观组织的组成不同性能表现也就不同。在金相组织缺陷分析研究中，确定金象组织缺陷成因的重要手段就是观测金相组织的微观组织。本文采用图像分析法进行实验分析过程，图像分析法是一种通过识别和人工智能方法对物景进行分析、描述、分类和解释的技术，这种针对详细问题和应用的图像分析技术正在逐渐向建立一般理论的方向发展[2]。同时，基于图像分析的金相组织缺陷以及预防方式研究，对有效预防金相组织缺陷的发生，提高进行金象组织的研究时的准确度、减少其在其他研究试验中的误差，均具有重要的现实意义。

1 基于图像分析法的金相组织缺陷分析

1.1 金相组织表象特征分析

通过进行图像分析，金相组织呈现了不同的形貌（如图1)魏氏组织、枝晶偏析、晶粒粗大过热或过烧组织。

图1 金相组织形貌图

在亚共析钢和过共析钢中，由于高温较快冷却时，先共析的铁素体或渗碳体便沿着奥氏体的一定的晶面呈针状析出，由晶界插入晶粒内部，从而形成魏氏组织，魏氏组织0-5级，0-2级较轻，不太严重，3-5级的魏氏组织不允许存在，必须消除；由于铸件的复杂形状，各部分冷却先后次序不同，在不同厚度的截面上同时存在固相、固液固存和液相三种状态，从而使铸件与铸型之间的热交换是通过若干区域来完成的。结果造成了区域性的成分不均匀和组织不一致，从微观上看则存在枝晶偏析，使晶内与晶界成分也不一样。铸件凝固的冷却速度越慢，枝晶偏析的程度越严重。铸件中非金属夹杂物主要形式是颗粒状或多角形的脆性金属氧化物，呈球状如颗粒状、块状、不连续的细小点、条状的塑性夹杂和常呈较大的球状和颗粒状的硅酸盐。其形成是合金元素和杂质元素微观偏析的结果，这类夹杂物主要分布在树枝晶间。奥氏体温度越高，晶粒长大越明显，其强度、塑性和韧性等力学性能均将因晶粒粗大而恶化，尤其是冲击韧性更趋于明显降低，这种现象称之为过热，过热可以通过热处理进行改善，如正火弥补。奥氏体晶界发生弱化的变化，而且奥氏体边界熔化或被烧熔氧化的现象称之为过烧。过烧时除基体有明显的魏氏组织外还有黑色氧化物沿晶粒边界分布，过烧只能报废重新冶炼。

1.2 金相组织再结晶情况的表征分析

在温度的作用下该试验区的原始粗晶粒被分散成多边形小晶粒，在热的作用下，这些破碎小晶体得到所需能量发生再结晶活动，形成光滑边界的再结晶晶粒。在整个试验区温度不均匀情况下，加热温度较高加热时间较长区域的再结晶晶粒会发生长大；而加热温度相对较低的区域由于能量获取不够，会残留少量破碎后的多边形小晶粒。因此，我们发现细小再结晶晶粒是试验区的重要组成部分，有些再结晶晶体会发生长大，也会存在少量破碎的未发生再结晶的小晶粒，主要为细小再结晶晶粒。

1.3 确定金相组织缺陷及其成因

通过上述研究，我们得出以下结果：金相组织易受加热温度、保温时间和冷却速度的影响。下面，我们来分析以下缺陷的具体成因：在对金相组织进行热处理时，如果温度过高，会对金相组织造成冷却速度慢、再结晶后停留时间长的现象，金相组织晶粒粗大就是由于这些原因造成的。粗大的晶粒结构使晶粒与晶粒之间的粘合能力降低，影响了晶体的韧性与可塑性。通过相同理论我们可以得知，在进行样本加热处理时，因为所选样本都具有一定的厚度，由于加热方式不当导致样本会有受热不均的现象。金相组织的内外形成不一样的结构就是由于受热不均引起的。同时因为组织结构不同都具备不同的成分特征，这种情况会相对的对样本形成内应力，如果无法做到完全消除内应力就会对金相组织的后续研究产生影响。

2 预防金相组织缺陷措施

2.1 严格控制金相组织成分

当某种成分在金相组织中所占比重过高，超过原定成分，就会在相高温下析出大量结晶晶粒[3]。假使金相组织中基础成分的密度比其他成分小，原有成分在热量的带动下，使原有成分结构发生变化，产生金相组织结构异常。该种成分含量越高，组织变异现象越严重。另外，当金相组织中稳定的基础成分元素含量过少时，也会加重金相组织的变异情况。由此，控制组织成分对于预防金相组织的缺陷有重要作用。

2.2 控制热处理温度

通过图像分析我们可以得知，加热处理温度的不同是根据所选取加热方式的变化而变化的。同时，我们也发现选取不同的材料采用不同的加温方式，材料的温度也随着其变化而变化。因此，选择什么样的金象组织的加热方式，需要按照金相组织的实际情况确定。随着金相组织温度的增加，金相组织晶粒有壮大的趋势，同时晶粒的状态也发生粗大形态变化，粗大状态的晶体使晶体与晶体之间无法结合，金相组织由整体转向一个晶粒与一个晶粒之间的零散组织，影响了晶粒的可塑性与韧性；如果金相组织加热温度过低，到不到要求，也得不到我们所希望获得的性能。

2.3 控制金相组织恒温时长及冷却温度

热处理过后的恒温时长的选择对于整个预防金相组织异常与缺陷也是极其重要的，除了相应的理论保温时间确定下来以外，实际的操作时间也是制定保温时间方案的具体条件之一，就比如说采用不同的加热设备，金相组织的保温时长和冷却时间都会有所差异，所以，这些参数的确定，对于能否有效预防金相组织缺陷的产生有重要意义。金相组织再结晶区产生变形时冷却速度慢或是进行再结晶时冷却的时间过都是产生晶粒粗大现象的因素。如何确定冷却时间以及冷却时的温度控制，对抑制金相组织在成分产生变异上有重要的作用，金相组织随着冷却速度的变化形成不同的组织结构。金相组织的结构成分不同使材料的性能也有所差异，金相组织异常是金相组织缺陷的重要表现之一，其产生的原因通常为对这三个因素的没有进行合理的选择或者控制手段不恰当而产生的，我们根据金相组织的特征可以判断出产生缺陷的因素，对这些因素加以改进，可以有效避免金相异常组织的出现。

3 结语

根据图像分析法，针对金相组织的缺陷问题，进行图像分析实验，分别为金相组织的表象特征与再结晶情况两个方面研究金相组织产生缺陷的原因及影响因素的规律性，并且分别针对金相组织的成分、加热时长、保温时长及冷却时间这几方面的因素提出预防措施。鉴于本次图像分析结果，日后还将继续研究产生金相组织缺陷的其他原因，提出相应的解决办法，根据实际生产条件以及要求，寻找具体有效的热处理工艺。保证金相组织研究在安全、可靠的前提下，优化热处理生产的工艺流程，有效避免金相组织缺陷的产生。