鋼的缺陷金相組織.ppt

鋼的缺陷金相組織,一、概述,由于鋼錠或鑄坯在凝固時選擇結晶的結果，使得鋼材在冶煉、軋制、熱加工過程中，易形成各種組織缺陷。 鋼的組織缺陷是指需利用金相顯微鏡析驗才能判別的顯微組織缺陷，它和宏觀分析的不同之處在于放大倍數（宏觀，肉眼或20倍以下；微觀，501000倍），首先簡介一下金相試樣的制備過程，然后簡略的介紹一下鋼中常見的幾種組織缺陷，如：帶狀組織，帶狀碳化物，網狀碳化物，碳化物液析，鋼中的非金屬夾雜物，過熱，過燒組織等。正確判斷鋼中的各種組織缺陷，以及形成原因，和為防止或消除這些組織缺陷應采取的措施是十分重要的工作。,二、金相試樣的制備,由于金屬對一般的光線是不透明的，所以顯微分析要用經過特殊制備的試樣，利用反射光線在顯微鏡下觀察。 1、取樣 取樣的部位及磨面要根據被檢驗鋼材的特點，加工工藝及研究的目的而進行選擇。所取的試樣必須有代表性，能充分代表被檢驗金屬材料的組織特點。如：鋼中非金屬夾雜物含量，不僅各爐之間不同，同一爐的不同鋼錠之間也不同，而且相同鋼錠不同部位也不相同。所以在一批鋼中應適當選擇足夠數量有代表性的試樣。如：GB10561-2005標準規(guī)定取樣方法： 直徑或邊長大于40mm的鋼棒或鋼坯，檢驗面為鋼材外表面到中心的中間位置的部分徑向界面。（圖1）,直徑或邊長大于25mm，小于或等于400mm的鋼棒或鋼坯，檢驗面為通過直徑的界面的一半（由試樣中心到邊緣）（圖2） 直徑或邊長小于或等于25mm的圓棒，檢驗面通過直徑的整個界面，其長度應保證得到約200mm2的檢驗面積（圖3） 如果觀察材料的變形程度，晶粒拉長的程度和帶狀組織等，應平行于軋制方向上截取縱向試樣。而觀察氧化脫碳和表面滲碳處理的組織，則磨面應該在橫截面上。 2、磨樣 試樣截取之后先粗磨，一般用砂輪磨平，注意用水冷卻，防止溫度過高組織發(fā)生變化。 細磨是為了消除粗磨時留下的磨痕，為拋光工序作準備。 拋光的目的是為了消除試樣細磨留下的細磨痕，獲得光亮無痕的鏡面。,3、試樣磨面的侵蝕 除觀察試樣中的缺面（裂紋、氣孔等）和非金屬夾雜物的數量、大小、形狀和分布外，一般都要用化學、物理等方法進行組織顯示才能觀察。一般利用化學侵蝕，它是通過化學或化學作用顯示金屬的組織。 純金屬及單相金屬的侵蝕是一個化學溶解過程，由于晶界上原子排列的規(guī)律性差，具有較高的自由能，所以晶界處較易侵蝕呈凹陷。若侵蝕較淺，由于垂直光線在晶界上的反射作用，在顯微鏡下可顯示出純金屬或固溶體的多面體晶粒。若侵蝕較深，則在顯微鏡下可顯示出明暗不一的晶粒，這是由于晶粒的位向不同，溶解度亦有差異，侵蝕后的顯微平面和原子平面的角度不同，在垂直光線作用下，反射光線方向各異，顯示明暗不一。,三、顯微組織缺陷觀察,1、帶狀組織 在經熱加工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狀分布的組織稱為帶狀組織。 帶狀組織使鋼的機械性能產生各向異性，即沿著帶狀縱向的強度高，韌性好，橫向的強度低，韌性低。此外， 帶狀組織的工件熱處理時易產生變形，且使得硬度不均勻。 歸納形成帶狀組織的原因，其外因為壓延，其內因為鋼錠的磷、硫的偏析和夾雜物（見圖4，MnS夾雜形成的帶狀） 帶狀組織不能用退火的方法來消除，應用正火的方法來減輕或消除。,2、帶狀碳化物 在鋼的凝固過程中，由于成分偏析，使含有較高碳和合金元素的鋼內出現共晶碳化物，它在熱加工過程中隨著變形、延伸呈帶狀分布，稱為帶狀碳化物，或稱碳化物不均勻性。 碳化物不均勻性除受化學成分影響外，還與鋼的冶煉方法，澆注溫度，鋼錠的幾何形狀，鋼錠的大小，鋼錠的冷卻速度以及成材時的變形程度有關。 高速鋼、鉻軸承鋼、高鉻鋼等鋼種，出現帶狀碳化物的幾率比較多。（如圖5，GCr15鋼的帶狀組織；圖6，Cr12MoV鋼的帶狀碳化物） 帶狀碳化物使工件脆性增大，加工成模具易產生崩刃、斷裂，在熱處理過程中，帶狀碳化物外的貧碳區(qū)域，容易造成加熱時的過熱。此外帶狀碳化物使工件在淬火時產生較大的變形，還可能導致淬火裂紋。 反復鍛造，可以改變碳化物不均勻性的程度。,3、網狀碳化物 網狀碳化物實際上亦是碳化物不均勻的另一種形式。 在含碳量不大于0.77%的碳工具鋼，合金工具鋼，鉻軸承鋼等鋼種，在熱加工冷卻過程中，碳化物沿晶界呈網狀析出，故稱為網狀碳化物。 形成網狀碳化物的原因是由于鋼材在熱軋或退火過程中，因加熱溫度過高，保溫時間太長，造成奧氏體晶粒的粗大，并在緩慢冷卻過程中，碳化物沿晶界析出，形成網狀分布的碳化物。同樣，在熱加工的終止溫度較高，在隨后的緩冷過程中亦形成網狀碳化物。 網狀碳化物的存在，將使鋼的機械性能顯著降低，尤其是沖擊韌性下降，脆性增大，做成的工模具易在使用過程中崩刃或開裂。 析驗網狀碳化物時，試樣應經淬火、回火處理并深侵蝕，腐蝕過輕、過重均不能正確反應網狀組織。,4、碳化物的液析 某些高合金工具鋼，在凝固過程中，由于碳和合金元素的偏析，從液態(tài)中析出碳化物，這種碳化物在往后一般加工過程中不被消除，它的鏈狀，塊狀，或條狀沿鋼的軋制方向存在。 形成碳化物液析原因是由于熔煉時鋼液過熱，澆注溫度偏高，鋼錠冷卻緩慢等因素造成。 在GCr15、CrWMn、CrMn鋼中，容易產生碳化物液析。碳化物液析存在，切割了金屬基體，使鋼的脆性增大。在熱處理時容易產生淬火裂紋，并使工件在使用過程中由于碳化物的剝落而成為磨粒磨損或形成疲勞破壞的發(fā)源地，故其存在有較大的危險性。 防止及減輕方法：采用合理的定型設計，適當降低澆注溫度并加快冷卻速度，對已產生的碳化物液析，可進行高溫均熱或擴散退火的辦法進行補救。如GCr15細鋼錠可先于1230加熱，然后再進行開坯軋制。,5. 非金屬夾雜物 非金屬夾雜物就是指存在于鋼中的金屬或非金屬化合物，在鋼鐵材料中一般都含有非金屬夾雜物。 鋼中非金屬夾雜物的來源通常可以分為兩類，一類是外來的非金屬夾雜物，指在冶煉、澆注過程中的爐渣及耐火材料浸入剝落后進入鋼液中形成的。另一類是內在的非金屬夾雜物，即在冶煉及澆注過程中物理化學反應的生成物，如氧化物、硅酸鹽、硫化物等。 通常存在于鋼中的非金屬夾雜物大致有這樣幾種： 1、氧化物：常見的有Al2O3、Cr2O3等。用Al脫氧時易產生高硬度的Al2O3脆性夾雜，在熱加工時它不易變形，總是沿著加工壓延方向呈多角形顆粒排列成條狀分布。 2、硫化物：硫化物夾雜具有塑性，在鋼材中呈條狀形態(tài)。 3、硅酸鹽：鋼中的硅酸鹽夾雜的成分比較復雜。硅酸鹽夾雜物經過熱加工后一般沿著變形方向延伸，外形粗糙，不光滑。,4、氮化物：常見的有TiN、Ti（NC）等，它在鋼中多呈一定規(guī)則的幾何形狀，如方形、矩形、六角形、條形。在明場下具有粉紅的色澤。 5、點狀不變形。 近代隨著精煉技術的開發(fā)，鋼的“潔凈度”大大提高，然而還無法完全避免鋼中內生夾雜物的產生。非金屬夾雜物降低鋼的塑性、韌性和疲勞性能，使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞。但是，夾雜物的相并不總是損害鋼的性能，有時甚至還能改善鋼的性能。如含S鋼，可改善切削加工性能。,6. 過熱過燒組織 鋼材過熱一般是指加熱時由于超過正常加熱溫度引起韌性下降的一種現象。碳素鋼過熱的金相特征是出現魏氏組織。魏氏組織的出現往往伴隨有粗大的奧氏體晶粒，因此，魏氏組織將造成鋼的機械性能尤其是沖擊韌性下降，嚴重的將造成零件在使用過程中的脆性斷裂。一般鋼的魏氏組織可以通過熱處理（正火處理）手段來加以矯正。但是有這樣一種情況不可逆轉，即鍛件由于爐溫過高，除了出現上述的過熱的組織特征外，還會產生硫化物向A體的固溶以及在冷卻時沿境界的再析出。 這種過熱區(qū)別于一般過熱，可稱之為穩(wěn)定過熱或鍛造過熱。這是因為已經過熱的成形鍛件，不可能也不允許再次加熱到鍛造溫度并通過再度變形來改善硫化物的分布形態(tài)了，同時由于硫化物沿晶界的析出是十分細小的，容易被忽視，但是由于它的存在破壞了晶粒間的緊密結合，使斷面脆性增加，常