鋼的顯微組織缺陷辨識

帶狀組織是鋼中常見的冶金缺陷，帶狀組織影響鋼的強(qiáng)韌性，尤其是降低縱向沖擊韌性。熱處理時易產(chǎn)生淬火裂紋。合金鋼中的帶狀組織難以消除，一般需在1250℃以上加熱30h才能消除。

帶狀組織評級標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)：《鋼中帶狀組織的評定第1部分：標(biāo)準(zhǔn)評級圖法GB/T 34474.1-2017》，帶狀組織評級圖譜按照碳含量劃分為A~E五個系列：

H13鋼中的液析碳化物一般需要高溫進(jìn)行擴(kuò)散退火。生產(chǎn)中，鋼錠或鋼坯需要在1250-1300℃加熱約30h才能消除。長時間保溫不僅能夠消除液析碳化物，也可消除帶狀組織，使合金元素和碳元素通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)相對均勻化，大大提高鋼的冶金質(zhì)量。

工具鋼球化退火可為加工和淬火作好組織準(zhǔn)備。軸承鋼球化退火應(yīng)當(dāng)?shù)玫骄鶆蚣?xì)小的粒狀珠光體組織，為淬火作組織準(zhǔn)備。但是當(dāng)退火工藝不當(dāng)，則會出現(xiàn)不完全球化，殘留并存在部分片狀珠光體。

退火球化不完全時，需要重新在 Ac1-Acm溫度區(qū)間加熱，然后冷卻到Ac1以下（接近Ac1較好）進(jìn)行等溫退火，充分保溫，碳化物以未溶碳化物為非自發(fā)核心，形核并長大為顆粒狀的碳化物，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w組織，然后緩冷出爐。

當(dāng)合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、合金模具鋼等鋼錠、鋼坯的氫含量較高時，需要進(jìn)行去氫退火，將氫含量降低到1.8ppm(1ppm=10-7）以下，以免產(chǎn)生白 點(diǎn)缺陷。白點(diǎn)是鋼中的微小裂紋，或稱為發(fā)裂。

魏氏組織實(shí)際上是一種 偽共析轉(zhuǎn)變組織。亞共析鋼的魏氏組織是先共析鐵素體在奧氏體晶界形核，呈方向性片狀長大，即沿著母相奧氏體的｛111}γ，晶面（慣習(xí)面）析出，一般為過熱組織，是過熱的奧氏體組織在中溫區(qū)的上部區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚓?nèi)生長的條片狀的鐵素體和極細(xì)的片狀珠光體（托氏體）的整合組織。

亞共析鋼的魏氏組織鐵素體（WF)是鋼在較高溫度下形成的一種片狀產(chǎn)物。通常，WF是在等軸狀鐵素體形成溫度以下、貝氏體形成溫度以上，當(dāng)奧氏體晶粒較大，以較快速度冷卻時形成的。

魏氏組織實(shí)際上是先共析和共析分解產(chǎn)物。對于亞共析鋼，其魏氏組織是先共析鐵素體＋珠光體的整合組織，先共析鐵素體從奧氏體中負(fù)脫溶，形 成網(wǎng)狀鐵素體和針狀鐵素體，冷卻到Ar1以下時進(jìn)行共析分解，轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺钪楣怏w組織；對于過共析鋼，先共析滲碳體（二次滲碳體）正脫溶，析出滲碳體網(wǎng)和滲碳體針，冷卻到 Ar1以下時發(fā)生共析分解，轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺钪楣怏w組織。

鋼在氧化性爐氣中加熱會使鋼件表面氧化脫碳。氧化使金屬表面失去光澤，表面粗糙度增加，精度下降，這對精密零件是不允許的。鋼表面氧化一般同時伴隨表面脫碳。

脫碳是指鋼在加熱時表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的現(xiàn)象。脫碳的實(shí)質(zhì)是鋼中的碳在高溫下與氧、氫等元素發(fā)生作用，生成一氧化碳或甲烷，逸出鋼件表面，使鋼件表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。氧、氫、二氧化碳、水使鋼在加熱過程中脫碳，而一氧化碳、甲烷可以使鋼增碳。一般情況下，鋼的氧化、脫碳是同時進(jìn)行的。當(dāng)鋼表面的氧化速度小于碳從內(nèi)層向外層的擴(kuò)散速度時，發(fā)生脫碳；反之，當(dāng)氧化速度大于碳從內(nèi)層向外層的擴(kuò)散速度時，發(fā)生氧化。因此，在氧化作用相對較弱的氧化氣氛中，容易產(chǎn)生較深的脫碳層。

脫碳在鋼表面形成的鐵素體晶粒形狀有柱狀和粒狀兩種：

1）鋼在A1~A3或在A1~Acm區(qū)域內(nèi)加熱時，強(qiáng)脫碳形成柱狀晶粒；

2）鋼在A3或A1以上加熱時，弱脫碳產(chǎn)生等軸狀晶粒。隨著加熱溫度的升高，加熱介質(zhì)的氧化性增強(qiáng)，鋼的氧化脫碳增加。

通常，在高溫下（一般指700℃以上），鋼中的碳原子比鐵原子更容易氧化，同時，脫碳需要碳原子在鋼中的擴(kuò)散。在低溫下，碳原子擴(kuò)散慢。因此，脫碳一般發(fā)生在高溫狀態(tài)，低溫下加熱一般不存在明顯脫碳。通常所說的脫碳都是指鋼在奧氏體溫度范圍內(nèi)發(fā)生的。一般地，在回火溫度范圍內(nèi)發(fā)生氧化，不發(fā)生脫碳。脫碳層深度可根據(jù)國標(biāo) GB/T224-1987《鋼的脫碳層深度測定法》進(jìn)行測定。

脫碳會明顯降低鋼的淬火硬度、耐磨性和抗疲勞性能，高速鋼脫碳會降低熱硬性。

圖a所示為在780℃保溫60min后空冷的顯微組織。裂紋兩側(cè)發(fā)生嚴(yán)重的氧化脫碳，產(chǎn)生了全脫碳層，可看到白色的鐵素體晶粒。

圖b所示為在850℃保溫60min后空冷的顯微組織，是裂紋尾部的組織,可見，裂紋兩側(cè)氧化脫碳，脫碳層組織由靠近裂紋兩側(cè)的全脫碳和向里的半脫碳層組成。

圖c所示為在920℃保溫60min后空冷的顯微組織。裂紋兩側(cè)嚴(yán)重氧化，脫碳層組織只有粒狀的鐵素體晶粒，是半脫碳層，沒有全脫碳層。

隨著加熱溫度的升高，全脫碳層逐漸消失，出現(xiàn)半脫碳層 ，而且全脫碳層中的柱狀晶逐漸向大晶粒轉(zhuǎn)變直到消失，半脫碳層中全部為粒狀的鐵素體晶粒。

鋼中的非金屬夾雜一般簡稱為夾雜。夾雜有簡單氧化物、復(fù)雜氧化物、硅酸鹽及硅酸鹽玻璃。例如FeO,MnO,Cr203,Al203等。

鋼中的硫化物主要以 FeS,MnS或（Mn· Fe)S等形式存在。Mn對S比Fe對S有較大的親和力，向鋼中加入Mn時優(yōu)先形成MnS。

多數(shù)工業(yè)用鋼中，S的含量在0.03％以下，S在液態(tài)鋼中的溶解度很大，但在固態(tài)鋼中的溶解度很小，并隨著溫度的降低而減小。析出的S和Fe生成 FeS，熔點(diǎn)為1190℃,FeS和Fe的共晶體熔點(diǎn)為 988℃。因此，當(dāng)FeS結(jié)晶時，沿初生晶界析出，呈網(wǎng)狀，會在熱加工時，由于晶界硫化物熔化而造成 鋼“熱脆”。為了克服這一缺點(diǎn)，一般往鋼中加入一定量的Mn而形成熔點(diǎn)較高的MnS(1620℃)，因此，通常鋼中的硫化物主要是MnS。

當(dāng)鋼中加入與N親和力較大的元素時，形成 AlN,TiN,ZrN,VN等氮化物。鋼中的AlN顆粒通常很小，TiN或ZrN在鋼中實(shí)際不溶解，它們在顯微鏡下呈方形或棱角形。一般來說，鋼脫氧前的N含量不高，故鋼中的氮化物不多。

夾雜往往被看作顯微裂紋的發(fā)源地，在疲勞裂紋和塑性加工中生成的裂紋也往往與夾雜存在密切關(guān)系。這可能是由于比較容易變形的金屬在難以變形的夾雜周圍塑性流動時，產(chǎn)生很大的張力而使金屬和夾雜界面的聯(lián)結(jié)斷裂，形成空隙。還可能是由于夾雜周圍的應(yīng)力而使夾雜破碎，生成空隙。由于非金屬夾雜破壞了鋼基體的均勻性、連續(xù)性，還會在該 處造成應(yīng)力集中，因此成為疲勞源（即疲勞裂紋的起始點(diǎn)）。在外力作用下，通常沿著夾雜與其周圍金屬基體的界面開裂，形成疲勞裂紋。在某些條件下，夾雜還會加速裂紋的擴(kuò)展，從而進(jìn)一步降低疲勞壽命。

由于夾雜的存在，特別是當(dāng)夾雜聚集分布時，對鍛造、熱軋、冷變形開裂、淬火裂紋及零件磨削后的表面粗糙度等都有較明顯的不利影響。

非金屬夾雜的鑒定一般包括定性分析和定量分析。常用的定性方法有化學(xué)法、巖相法、金相法、X射線衍射法、光譜分析法和電子探針分析等。常用的定量方法有磁性探傷法、低倍酸蝕法、金相法和圖像儀法等。

夾雜的金相鑒定是利用光學(xué)顯微鏡在明場、暗場及偏光下鑒別夾雜的形狀、大小、分布、色彩、可塑性、硬度、光學(xué)性能和化學(xué)腐蝕性能等，從而確定夾雜的類型和組成。這種方法的主要缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度較低。因?yàn)橛行A雜的結(jié)晶類型、色彩和形狀等極為相似，在鑒別過程中難以區(qū)分，需要結(jié)合如下分析方法進(jìn)行辨識：

(1)明場鑒定。在明場下，主要研究夾雜的形狀、大小、分布、數(shù)量、表面色彩、反光能力、結(jié)構(gòu)、磨光性和可塑性等。通常在放大100-500倍下 進(jìn)行。

(2）暗場鑒定。在暗場下，主要研究夾雜的透明度和固有色彩。在暗場下，由于金屬基體的反射光不進(jìn)入物鏡，光線透過透明夾雜，在夾雜與金屬的交界面上產(chǎn)生反射，因此透明夾雜在暗場下是發(fā) 亮的，不透明夾雜在暗場下呈灰黑色。此外，在暗場下，光線透過透明夾雜后，在夾雜與金屬基體交界處產(chǎn)生反射，反射光透過夾雜后入射到鏡筒內(nèi)，如果夾雜是透明有色彩的，那么射入鏡筒內(nèi)的光也帶有該夾雜的色彩，故夾雜的固有色彩在暗場下便顯露出來。

(3）偏光鑒定。在偏光下，主要判別夾雜的各向異性效應(yīng)和黑十字等現(xiàn)象。偏光和暗場一樣，可以判別夾雜的透明性和固有色彩，其原理和暗場一 樣。因此，一般情況下，經(jīng)偏光觀察后可以不再作暗場觀察，但暗場對透明度鑒別的靈敏度比偏光的大，因而對一些弱透明度的夾雜還是需要通過暗場來鑒定。