基于金相技术的金属材料显微组织分析

马秋彦 汪加楠 孙少娟 宋 超 张 鹏 吴金跃

（1.安阳钢铁集团有限责任公司；2.安阳师范学院）

0 前言

金相技术是对材料科学中金属材料组织结构进行研究的一种实验技术。金相技术就是通过光学显微镜进行观察、记录，进而来分析金属材料的微观组织。光学金相技术已经有一百年的历史，光学金相显微镜的观察范围较广，而且使用起来也比较方便，同时显微镜的成本相对来说也比较低，因此金相技术已经成为科学实验和生产检验中一种常规的研究方法，也是根据有关标准和规定来评定金属材料内在质量的一种常规检验方法[1]。对金属材料物理性能的判定和其失效原因的评估，可以通过观察和分析金属的显微组织来完成。金相技术已经成为金属材料生产、使用以及科研中一种不可或缺的实验手段，金属材料生产工艺的完善性，工艺参数设置的合理性等都可以依靠金相技术来判断[2]。

金属材料的显微组织可以最直接的反应机械零件的性能和使用寿命。在冶金、机械行业，要对金属材料组织进行评定时，制备金相试样是前提条件。金相试样的制备步骤包括取样—磨制—抛光—浸蚀，制样过程中的每一道程序都至关重要，省略其中的任何一道程序对金属试样的组织分析和检验结果的正确程度都会产生很大的影响，甚至会造成错误判定。

1 金相试样的制备

根据磨抛机的实际参数、夹具形式、镶嵌模大小以及被检材料的特点，来确定金相试样的形状和大小。金相试样一般为（20～25）mm×15 mm×材料厚度的条形或（20～30）mm 左右的方体。试样太大或者太小都会有不利之处，试样太小，操作会不太方便；试样太大，磨制面就会变大，磨制时间就会比较久，试样表面也不太容易磨平。为了防止试样在磨制的过程中将砂纸和抛光布划破，对于不需要进行镶嵌和检验表面缺陷的钢样，必须将其边角倒圆，然而需要对钢样表面进行检验的，则不能将其边角倒圆，同时需要保证钢样表面的完整性[3]。对于厚度较大的试样，例如铸锭和厚壁型材等，可以不采用镶嵌，直接切成块状；有些不方便握持的试样，如丝、带、片、管等尺寸过小或形状不规则的，宜采用镶嵌的方法。通过切割机切取，再利用镶嵌机进行镶嵌后的试样，也是要经过预磨机、抛光机的磨制才能使试样的表面平整、光滑。磨光有手工和自动两种方法，每种方法都分粗磨和细磨两步，细磨是消除粗磨时产生的磨痕，为试样磨面的抛光做好准备。笔者采用手动法，粗磨平的试样经清水冲洗并吹干后，随即把磨面依次在由粗到细的各号金相砂纸上磨光，磨制时砂纸应平铺于厚玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，使磨面朝下，与砂纸接触，在轻微压力作用下把试样向前推磨，用力要均匀，务求平稳，否则会使磨痕过深，且容易造成试样磨面的变形。试样退回时不能与砂纸接触，这样"单程单向"地反复进行，直至磨面上旧的磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致为止。在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并将试样转动90°，使新、旧磨痕相互垂直，直到上道工序的划痕看不到，才算磨制完成。最后进行抛光，抛光后的试样就可以直接放置在金相显微镜下观察了，未浸蚀的试样可以用来观察非金属夹杂物、孔洞、裂纹及硬相，浸蚀后的试样可以检验其带状、脱碳和晶粒度等显微组织，浸蚀剂采用4%硝酸酒精。

2 金相显微组织

钢样加工后的各种性能以及其产生的各种缺陷都和其显微组织有密切的关系，所以对它显微组织的研究是一件有非常重要价值的工作。

2.1 夹杂物

科学技术在不断地发展，用户也再不断地向冶金工作者提出改善产品性能的要求，钢样的化学成分通过二次冶金技术基本上可以控制在所要求的范围之内，但是在炼钢的过程中，或多或少的有害元素氧和硫依然会残存在钢样中，这些有害元素和合金元素就会进一步形成各式各样的非金属夹杂物。非金属夹杂物不仅会导致钢样的物理性能（例如：韧性和疲劳寿命）变坏，同时也会对钢样表面的焊接性能和光洁度产生一定的影响。通过金相技术对某炉号管线钢L290 进行检验，检测到A 类、B 类、C 类和DS 类四种类型的夹杂物，如图1 所示。A 类、B 类和C 类三种夹杂物属于塑形夹杂物，这类夹杂物在钢加工变形时也随之变形，沿变形方向延伸成带状。DS 类夹杂物属于球状（或点状）不变形夹杂物，在热加工后球状（或点状）保持不变。非金属夹杂物常以单相组织出现在钢中，使钢样基体的连续性遭到破坏，进而加大了钢样基体组织的不均匀性[4]。

图1 某炉号 L290 管线钢夹杂物形貌200×

钢的冶炼、浇注及凝固结晶是一个复杂的物理-化学过程。在VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）、LF（Ladle Furnace）炉钢水精炼工艺中，通过控制钢液的混匀时间和混匀程度可以达到去除非金属夹杂物的目的。钢液中的非金属夹杂物会不断碰撞、相继长大，这就会对钢液中比较微小的非金属夹杂物的去除起到一定的积极作用[5]。颗粒较大的非金属夹杂物（>50 μm）由于浮力的作用会上浮、分离。钢液在混匀搅拌的过程中，微小非金属夹杂物（<50 μm）经过混合、碰撞、长大而上浮、去除。钢液混匀时间（在一定条件下，钢液混匀到同等程度所用的时间）的长短对微小非金属夹杂物相互碰撞有直接的影响。混匀时间越短，钢液混合的就会越均匀，就可以使钢液中的非金属夹杂物得到充分混合，逐渐长大，进而钢样中的夹杂物数量大幅度下降。

2.2 带状组织

带状组织在热轧低碳钢结构钢显微组织中常出现，是一种钢材内部缺陷。沿着轧制方向平行排列、呈层状分布形态、会形成条带的珠光体晶粒和铁素体晶粒的交叉组织，即为带状组织[6]。采用普碳钢510L 和SQ510L 纵向全厚度试样，磨制、抛光后用4%硝酸酒精进行浸蚀。利用金相显微镜在10×倍物镜下观察试样，随机采集10 个视场照片，图2 是其中一个典型视场的照片。510L 含有等轴铁素体晶粒和少量的珠光体，没有带状组织，带状结果评定为0 级。SQ510L 等轴铁素体晶粒基体上有几条连续的铁素体带穿过整个视场，带状结果评定为2.5 级。

图2 试样典型视场显微组织100×

带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，压力加工时容易在交界处出现开裂。对于需要进行热处理的钢样，如果带状组织比较严重，则会使应力集中一点，进而造成钢样出现裂纹。即便钢样的带状组织比较轻，也会使钢样在热处理的过程中出现明显的变形。成分偏析和热加工温度是形成带状组织的两大原因，利用热处理的方法来消除带状组织能起到明显的效果。经过高温获取一些单相组织的金属材料，可以通过正火来去除其带状组织。然而因为磷偏析使钢样产生的严重带状组织，则需要同时通过高温扩散和正火来达到去除的目的。

2.3 脱碳

在光学显微镜下观察试样（盘条SWRH-72A）从表面到基体随着碳含量的变化而产生的组织变化。样品采用4%硝酸酒精腐蚀，盘条钢表面脱碳的金相组织如图3 所示（图中箭头标出的区域为脱碳层，白色铁素体部分为完全脱碳区，珠光体减少的区域为部分脱碳）。通过金相法测定盘条钢的总脱碳层和完全脱碳层深度，分别为0.62 mm，0.32 mm。

图3 盘条钢表面脱碳的金相组织100×

脱碳也是钢材料的一种缺陷，对绝大多数钢材料而言，脱碳现象会导致钢材料性能变差，尤其是对于某些特种钢（如工具钢、轴承钢、高速钢等）而言，脱碳层更是严重影响其性能。钢样表层的碳（C）元素被氧化后就会在边部形成脱碳层，相对正常组织中的C 含量而言，在化学成分上，脱碳层中的碳元素含量会低于正常组织中的。这样脱碳层中渗碳体(Fe3C)的数量也会低于正常组织中的渗碳体的数量。最终导致存在脱碳层的钢样，其强度和硬度等力学性能都会低于正常组织的。

为了获得较好质量的钢样，应尽力避免脱碳组织的存在。工件加热时，可以降低加热温度以及减少高温工作下的停留时间；选择比较合理的加热速度，进而可以起到缩短工件加热时间的作用；同时，通过控制加热气体，使其呈现中性或采用保护气体加热；在热压力过程中，如果因为一些个别因素造成生产中断，那么必须等高炉的温度降低下来之后才可以继续进行生产，如果高炉降温需要的时间比较久，那么就应该将炉料取出来或者是让其随着高炉一起降温；在进行冷变形的时候，中间退火的次数越少越有益，同时可以通过降低退火温度和软化回火来替代高温退火。在进行中间退火和软化回火的时候，需要在保护介质中进行加热；在进行高温加热的时候，为了防止钢样被氧化和脱碳，可以采用覆盖物和涂料对钢的表面起到保护作用[7]。

2.4 晶粒度

对垂直于锻、轧方向的横截面经磨制、抛光后用4%硝酸酒精进行浸蚀。利用金相显微镜在10×倍物镜下观察试样（HP295，510L），在试样截面上随机取三个或三个以上的代表性视场，其中的一个典型视场如图4 所示。利用比较法测量试样的平均晶粒度，评定结果分别为9.5 级，11.5 级。

图4 试样典型视场显微组织500×

晶粒大小对金属的力学性能有很大的影响。一般情况下，晶粒越细小，金属的力学性能也很好，因为晶粒越小，晶界越多。 晶界处的晶体的排列是非常不规则的，晶面呈犬牙交错，相互咬合，加强了金属间的结合力。

为获得具有优异物理性能的钢样，需要尽可能控制晶粒的长大。过冷度对形核率和生长速率都有一定的影响，增大过冷度会使铸件的晶粒变小。在对试样连续进行冷却的时候，如果冷却速度越大，那么过冷度就会越大，采用吸热能力和导热性较强的铸型材料可以降低熔液的浇注温度，这样就可以达到增加冷却速度的目的。例如，金属型比砂型冷却速度大，故金属型铸件比砂型铸件的晶粒小。在金属液结晶前，向金属液中加入少量的活性物质（称为变质剂），一种是形核变质剂，这种变质剂在金属液中可以非自发形核，使其在凝固过程中通过异质形核而达到细化晶粒的目的；另一种是吸附变质剂，它的特点是熔点低，能显著降低合金的液相线温度，原子半径大，在合金中固溶量小，在晶体生长时富集在相界面上，进而阻碍晶粒的长大，从而获可以得细小的晶粒。在金属液结晶时，可采用机械振动、超声波或电磁振动等措施，使铸型中的液体金属运动，造成枝晶破碎，碎晶块就会起到晶核作用，从而使得晶粒细化。

3 结论

金属的性能主要取决于两点，其一是金属的成分，其二是金属的微观组织，其中微观组织会直接影响金属材料的物理性能。通过金相技术对金属材料的微观组织进行观察，分析该微观组织可能会对钢样物理性能造成的影响，并采取必要措施进行预防。随着金属材料加工技术的高速发展，厂家对材料的加工技术和使用要求越来越高，要想获得具有优异物理性能的钢样，光学金相分析技术已经成为一项必不可少的技术，同时它对钢样失效破坏原因的预测和判断也发挥着非常重要的作用。金相技术作为显微组织检验过程中一个非常重要的环节和手段，在质量控制上的应用也将会越来越多。结合现场生产工艺流程和产品特点，灵活运用金相分析技术，将会更好地指导金属材料的生产，满足客户的使用需求。近年来，随着科学技术的进步，光学金相技术也取得了长足发展，对推动金属材料在加工中的应用起到了很大的作用。相信随着金相技术研究的不断深入，在提高金属制品内在质量的科研中，在新材料、新工艺、新产品的研究中，金相技术分析将会起到越来越大的作用。