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1、钢的缺陷金相组织钢的缺陷金相组织 1 1一、概述一、概述 由于钢锭或铸坯在凝固时选择结晶的结果，使得钢材由于钢锭或铸坯在凝固时选择结晶的结果，使得钢材由于钢锭或铸坯在凝固时选择结晶的结果，使得钢材由于钢锭或铸坯在凝固时选择结晶的结果，使得钢材在冶炼、轧制、热加工过程中，易形成各种组织缺陷。在冶炼、轧制、热加工过程中，易形成各种组织缺陷。在冶炼、轧制、热加工过程中，易形成各种组织缺陷。在冶炼、轧制、热加工过程中，易形成各种组织缺陷。 钢的组织缺陷是指需利用金相显微镜析验才能判别的钢的组织缺陷是指需利用金相显微镜析验才能判别的钢的组织缺陷是指需利用金相显微镜析验才能判别的钢的组织缺陷是指需利用金相
2、显微镜析验才能判别的显微组织缺陷，它和宏观分析的不同之处在于放大倍数显微组织缺陷，它和宏观分析的不同之处在于放大倍数显微组织缺陷，它和宏观分析的不同之处在于放大倍数显微组织缺陷，它和宏观分析的不同之处在于放大倍数（宏观，肉眼或（宏观，肉眼或（宏观，肉眼或（宏观，肉眼或2020倍以下；微观，倍以下；微观，倍以下；微观，倍以下；微观，501000501000倍），首先简倍），首先简倍），首先简倍），首先简介一下金相试样的制备过程，然后简略的介绍一下钢中常介一下金相试样的制备过程，然后简略的介绍一下钢中常介一下金相试样的制备过程，然后简略的介绍一下钢中常介一下金相试样的制备过程，然后简略的介绍一下钢
3、中常见的几种组织缺陷，如：带状组织，带状碳化物，网状碳见的几种组织缺陷，如：带状组织，带状碳化物，网状碳见的几种组织缺陷，如：带状组织，带状碳化物，网状碳见的几种组织缺陷，如：带状组织，带状碳化物，网状碳化物，碳化物液析，钢中的非金属夹杂物，过热，过烧组化物，碳化物液析，钢中的非金属夹杂物，过热，过烧组化物，碳化物液析，钢中的非金属夹杂物，过热，过烧组化物，碳化物液析，钢中的非金属夹杂物，过热，过烧组织等。正确判断钢中的各种组织缺陷，以及形成原因，和织等。正确判断钢中的各种组织缺陷，以及形成原因，和织等。正确判断钢中的各种组织缺陷，以及形成原因，和织等。正确判断钢中的各种组织缺陷，以及形成原因
4、，和为防止或消除这些组织缺陷应采取的措施是十分重要的工为防止或消除这些组织缺陷应采取的措施是十分重要的工为防止或消除这些组织缺陷应采取的措施是十分重要的工为防止或消除这些组织缺陷应采取的措施是十分重要的工作。作。作。作。2 2二、金相试样的制备二、金相试样的制备 由于金属对一般的光线是不透明的，所以显微分析要由于金属对一般的光线是不透明的，所以显微分析要用经过特殊制备的试样，利用反射光线在显微镜下观察。用经过特殊制备的试样，利用反射光线在显微镜下观察。 n n1 1、取样、取样、取样、取样 取样的部位及磨面要根据被检验钢材的特点，加工取样的部位及磨面要根据被检验钢材的特点，加工工艺及研究的目的
5、而进行选择。所取的试样必须有代表性，工艺及研究的目的而进行选择。所取的试样必须有代表性，能充分代表被检验金属材料的组织特点。如：钢中非金属能充分代表被检验金属材料的组织特点。如：钢中非金属夹杂物含量，不仅各炉之间不同，同一炉的不同钢锭之间夹杂物含量，不仅各炉之间不同，同一炉的不同钢锭之间也不同，而且相同钢锭不同部位也不相同。所以在一批钢也不同，而且相同钢锭不同部位也不相同。所以在一批钢中应适当选择足够数量有代表性的试样。如：中应适当选择足够数量有代表性的试样。如：GB10561-GB10561-20052005标准规定取样方法：标准规定取样方法： 直径或边长大于直径或边长大于40mm40mm的
6、钢棒或钢坯，检验面为的钢棒或钢坯，检验面为钢材外表面到中心的中间位置的部分径向界面。（钢材外表面到中心的中间位置的部分径向界面。（图图1 1）3 3 直径或边长大于直径或边长大于25mm25mm，小于或等于，小于或等于400mm400mm的钢的钢棒或钢坯，检验面为通过直径的界面的一半（由试样中心棒或钢坯，检验面为通过直径的界面的一半（由试样中心到边缘）（到边缘）（图图2 2） 直径或边长小于或等于直径或边长小于或等于25mm25mm的圆棒，检验面通的圆棒，检验面通过直径的整个界面，其长度应保证得到约过直径的整个界面，其长度应保证得到约200mm200mm2 2的检验的检验面积（面积（图图3 3
7、） 如果观察材料的变形程度，晶粒拉长的程度和带状组如果观察材料的变形程度，晶粒拉长的程度和带状组织等，应平行于轧制方向上截取纵向试样。而观察氧化脱织等，应平行于轧制方向上截取纵向试样。而观察氧化脱碳和表面渗碳处理的组织，则磨面应该在横截面上。碳和表面渗碳处理的组织，则磨面应该在横截面上。2 2、磨样、磨样、磨样、磨样 试样截取之后先粗磨，一般用砂轮磨平，注意用水冷试样截取之后先粗磨，一般用砂轮磨平，注意用水冷却，防止温度过高组织发生变化。却，防止温度过高组织发生变化。 细磨是为了消除粗磨时留下的磨痕，为抛光工序作准细磨是为了消除粗磨时留下的磨痕，为抛光工序作准备。备。 抛光的目的是为了消除试样
8、细磨留下的细磨痕，获得抛光的目的是为了消除试样细磨留下的细磨痕，获得光亮无痕的镜面。光亮无痕的镜面。43 3、试样磨面的侵蚀、试样磨面的侵蚀、试样磨面的侵蚀、试样磨面的侵蚀 除观察试样中的缺面（裂纹、气孔等）和非金属夹杂除观察试样中的缺面（裂纹、气孔等）和非金属夹杂物的数量、大小、形状和分布外，一般都要用化学、物理物的数量、大小、形状和分布外，一般都要用化学、物理等方法进行组织显示才能观察。一般利用化学侵蚀，它是等方法进行组织显示才能观察。一般利用化学侵蚀，它是通过化学或化学作用显示金属的组织。通过化学或化学作用显示金属的组织。 纯金属及单相金属的侵蚀是一个化学溶解过程，由纯金属及单相金属的侵
9、蚀是一个化学溶解过程，由于晶界上原子排列的规律性差，具有较高的自由能，所以于晶界上原子排列的规律性差，具有较高的自由能，所以晶界处较易侵蚀呈凹陷。若侵蚀较浅，由于垂直光线在晶晶界处较易侵蚀呈凹陷。若侵蚀较浅，由于垂直光线在晶界上的反射作用，在显微镜下可显示出纯金属或固溶体的界上的反射作用，在显微镜下可显示出纯金属或固溶体的多面体晶粒。若侵蚀较深，则在显微镜下可显示出明暗不多面体晶粒。若侵蚀较深，则在显微镜下可显示出明暗不一的晶粒，这是由于晶粒的位向不同，溶解度亦有差异，一的晶粒，这是由于晶粒的位向不同，溶解度亦有差异，侵蚀后的显微平面和原子平面的角度不同，在垂直光线作侵蚀后的显微平面和原子平面
10、的角度不同，在垂直光线作用下，反射光线方向各异，显示明暗不一。用下，反射光线方向各异，显示明暗不一。5 5三、显微组织缺陷观察三、显微组织缺陷观察1 1、带状组织、带状组织、带状组织、带状组织 在经热加工的亚共析钢显微组织中，铁素体与珠光体在经热加工的亚共析钢显微组织中，铁素体与珠光体沿压延变形方向交替成层状分布的组织称为带状组织。沿压延变形方向交替成层状分布的组织称为带状组织。 带状组织使钢的机械性能产生各向异性，即沿着带状带状组织使钢的机械性能产生各向异性，即沿着带状纵向的强度高，韧性好，横向的强度低，韧性低。此外，纵向的强度高，韧性好，横向的强度低，韧性低。此外， 带状组织的工件热处理时
11、易产生变形，且使得硬度不均匀。带状组织的工件热处理时易产生变形，且使得硬度不均匀。 归纳形成带状组织的原因，其外因为压延，其内因为钢锭归纳形成带状组织的原因，其外因为压延，其内因为钢锭的磷、硫的偏析和夹杂物（见的磷、硫的偏析和夹杂物（见图图4 4，MnSMnS夹杂形成的带状）夹杂形成的带状） 带状组织不能用退火的方法来消除，应用正火的方法带状组织不能用退火的方法来消除，应用正火的方法来减轻或消除。来减轻或消除。6 6n n2 2、带状碳化物、带状碳化物、带状碳化物、带状碳化物 在钢的凝固过程中，由于成分偏析，使含有较高碳在钢的凝固过程中，由于成分偏析，使含有较高碳和合金元素的钢内出现共晶碳化物
12、，它在热加工过程中随和合金元素的钢内出现共晶碳化物，它在热加工过程中随着变形、延伸呈带状分布，称为带状碳化物，或称碳化物着变形、延伸呈带状分布，称为带状碳化物，或称碳化物不均匀性。不均匀性。 碳化物不均匀性除受化学成分影响外，还与钢的冶碳化物不均匀性除受化学成分影响外，还与钢的冶炼方法，浇注温度，钢锭的几何形状，钢锭的大小，钢锭炼方法，浇注温度，钢锭的几何形状，钢锭的大小，钢锭的冷却速度以及成材时的变形程度有关。的冷却速度以及成材时的变形程度有关。 高速钢、铬轴承钢、高鉻钢等钢种，出现带状碳化高速钢、铬轴承钢、高鉻钢等钢种，出现带状碳化物的几率比较多。（如物的几率比较多。（如图图5 5，GCr
13、15GCr15钢的带状组织；钢的带状组织；图图6 6，Cr12MoVCr12MoV钢的带状碳化物）钢的带状碳化物） 带状碳化物使工件脆性增大，加工成模具易产生崩带状碳化物使工件脆性增大，加工成模具易产生崩刃、断裂，在热处理过程中，带状碳化物外的贫碳区域，刃、断裂，在热处理过程中，带状碳化物外的贫碳区域，容易造成加热时的过热。此外带状碳化物使工件在淬火时容易造成加热时的过热。此外带状碳化物使工件在淬火时产生较大的变形，还可能导致淬火裂纹。产生较大的变形，还可能导致淬火裂纹。 反复锻造，可以改变碳化物不均匀性的程度。反复锻造，可以改变碳化物不均匀性的程度。7 73 3、网状碳化物、网状碳化物、网状
14、碳化物、网状碳化物 网状碳化物实际上亦是碳化物不均匀的另一种形式。网状碳化物实际上亦是碳化物不均匀的另一种形式。 在含碳量不大于在含碳量不大于0.77%0.77%的碳工具钢，合金工具钢，鉻的碳工具钢，合金工具钢，鉻轴承钢等钢种，在热加工冷却过程中，碳化物沿晶界呈网轴承钢等钢种，在热加工冷却过程中，碳化物沿晶界呈网状析出，故称为网状碳化物。状析出，故称为网状碳化物。 形成网状碳化物的原因是由于钢材在热轧或退火过形成网状碳化物的原因是由于钢材在热轧或退火过程中，因加热温度过高，保温时间太长，造成奥氏体晶粒程中，因加热温度过高，保温时间太长，造成奥氏体晶粒的粗大，并在缓慢冷却过程中，碳化物沿晶界析出
15、，形成的粗大，并在缓慢冷却过程中，碳化物沿晶界析出，形成网状分布的碳化物。同样，在热加工的终止温度较高，在网状分布的碳化物。同样，在热加工的终止温度较高，在随后的缓冷过程中亦形成网状碳化物。随后的缓冷过程中亦形成网状碳化物。 网状碳化物的存在，将使钢的机械性能显著降低，网状碳化物的存在，将使钢的机械性能显著降低，尤其是冲击韧性下降，脆性增大，做成的工模具易在使用尤其是冲击韧性下降，脆性增大，做成的工模具易在使用过程中崩刃或开裂。过程中崩刃或开裂。 析验网状碳化物时，试样应经淬火、回火处理并深析验网状碳化物时，试样应经淬火、回火处理并深侵蚀，腐蚀过轻、过重均不能正确反应网状组织。侵蚀，腐蚀过轻、
16、过重均不能正确反应网状组织。84 4、碳化物的液析、碳化物的液析、碳化物的液析、碳化物的液析 某些高合金工具钢，在凝固过程中，由于碳和合金某些高合金工具钢，在凝固过程中，由于碳和合金元素的偏析，从液态中析出碳化物，这种碳化物在往后一元素的偏析，从液态中析出碳化物，这种碳化物在往后一般加工过程中不被消除，它的链状，块状，或条状沿钢的般加工过程中不被消除，它的链状，块状，或条状沿钢的轧制方向存在。轧制方向存在。 形成碳化物液析原因是由于熔炼时钢液过热，浇注形成碳化物液析原因是由于熔炼时钢液过热，浇注温度偏高，钢锭冷却缓慢等因素造成。温度偏高，钢锭冷却缓慢等因素造成。 在在GCr15GCr15、Cr
17、WMnCrWMn、CrMnCrMn钢中，容易产生碳化物液钢中，容易产生碳化物液析。碳化物液析存在，切割了金属基体，使钢的脆性增大。析。碳化物液析存在，切割了金属基体，使钢的脆性增大。在热处理时容易产生淬火裂纹，并使工件在使用过程中由在热处理时容易产生淬火裂纹，并使工件在使用过程中由于碳化物的剥落而成为磨粒磨损或形成疲劳破坏的发源地，于碳化物的剥落而成为磨粒磨损或形成疲劳破坏的发源地，故其存在有较大的危险性。故其存在有较大的危险性。 防止及减轻方法：采用合理的定型设计，适当降低防止及减轻方法：采用合理的定型设计，适当降低浇注温度并加快冷却速度，对已产生的碳化物液析，可进浇注温度并加快冷却速度，对
18、已产生的碳化物液析，可进行高温均热或扩散退火的办法进行补救。如行高温均热或扩散退火的办法进行补救。如GCr15GCr15细钢锭细钢锭可先于可先于12301230加热，然后再进行开坯轧制。加热，然后再进行开坯轧制。9 95. 5. 非金属夹杂物非金属夹杂物非金属夹杂物非金属夹杂物 非金属夹杂物就是指存在于钢中的金属或非金属化合非金属夹杂物就是指存在于钢中的金属或非金属化合物，在钢铁材料中一般都含有非金属夹杂物。物，在钢铁材料中一般都含有非金属夹杂物。 钢中非金属夹杂物的来源通常可以分为两类，一类是钢中非金属夹杂物的来源通常可以分为两类，一类是外来的非金属夹杂物，指在冶炼、浇注过程中的炉渣及耐外来
19、的非金属夹杂物，指在冶炼、浇注过程中的炉渣及耐火材料浸入剥落后进入钢液中形成的。另一类是内在的非火材料浸入剥落后进入钢液中形成的。另一类是内在的非金属夹杂物，即在冶炼及浇注过程中物理化学反应的生成金属夹杂物，即在冶炼及浇注过程中物理化学反应的生成物，如氧化物、硅酸盐、硫化物等。物，如氧化物、硅酸盐、硫化物等。 通常存在于钢中的非金属夹杂物大致有这样几种：通常存在于钢中的非金属夹杂物大致有这样几种： 1 1、氧化物：常见的有、氧化物：常见的有Al2O3Al2O3、Cr2O3Cr2O3等。用等。用AlAl脱氧时易产脱氧时易产生高硬度的生高硬度的Al2O3Al2O3脆性夹杂，在热加工时它不易变形，总
20、脆性夹杂，在热加工时它不易变形，总是沿着加工压延方向呈多角形颗粒排列成条状分布。是沿着加工压延方向呈多角形颗粒排列成条状分布。 2 2、硫化物：硫化物夹杂具有塑性，在钢材中呈条状形态。、硫化物：硫化物夹杂具有塑性，在钢材中呈条状形态。 3 3、硅酸盐：钢中的硅酸盐夹杂的成分比较复杂。硅酸盐、硅酸盐：钢中的硅酸盐夹杂的成分比较复杂。硅酸盐夹杂物经过热加工后一般沿着变形方向延伸，外形粗糙，夹杂物经过热加工后一般沿着变形方向延伸，外形粗糙，不光滑。不光滑。10104 4、氮化物：常见的有、氮化物：常见的有TiNTiN、TiTi（NCNC）等，它在钢中多呈一定）等，它在钢中多呈一定规则的几何形状，如方
21、形、矩形、六角形、条形。在明场规则的几何形状，如方形、矩形、六角形、条形。在明场下具有粉红的色泽。下具有粉红的色泽。5 5、点状不变形。、点状不变形。 近代随着精炼技术的开发，钢的近代随着精炼技术的开发，钢的“ “洁净度洁净度” ”大大提大大提高，然而还无法完全避免钢中内生夹杂物的产生。非金属高，然而还无法完全避免钢中内生夹杂物的产生。非金属夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能，使钢的冷热加工夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。但是，夹杂物的相并不总是性能乃至某些物理性能变坏。但是，夹杂物的相并不总是损害钢的性能，有时甚至还能改善钢的性能。如含损害钢的性能
22、，有时甚至还能改善钢的性能。如含S S钢，钢，可改善切削加工性能。可改善切削加工性能。11116. 6. 过热过烧组织过热过烧组织过热过烧组织过热过烧组织 钢材过热一般是指加热时由于超过正常加热温度引钢材过热一般是指加热时由于超过正常加热温度引起韧性下降的一种现象。碳素钢过热的金相特征是出现魏起韧性下降的一种现象。碳素钢过热的金相特征是出现魏氏组织。魏氏组织的出现往往伴随有粗大的奥氏体晶粒，氏组织。魏氏组织的出现往往伴随有粗大的奥氏体晶粒，因此，魏氏组织将造成钢的机械性能尤其是冲击韧性下降，因此，魏氏组织将造成钢的机械性能尤其是冲击韧性下降，严重的将造成零件在使用过程中的脆性断裂。一般钢的魏严
23、重的将造成零件在使用过程中的脆性断裂。一般钢的魏氏组织可以通过热处理（正火处理）手段来加以矫正。但氏组织可以通过热处理（正火处理）手段来加以矫正。但是有这样一种情况不可逆转，即锻件由于炉温过高，除了是有这样一种情况不可逆转，即锻件由于炉温过高，除了出现上述的过热的组织特征外，还会产生硫化物向出现上述的过热的组织特征外，还会产生硫化物向A A体的体的固溶以及在冷却时沿境界的再析出。固溶以及在冷却时沿境界的再析出。 这种过热区别于一般过热，可称之为稳定过热或锻这种过热区别于一般过热，可称之为稳定过热或锻造过热。这是因为已经过热的成形锻件，不可能也不允许造过热。这是因为已经过热的成形锻件，不可能也不
24、允许再次加热到锻造温度并通过再度变形来改善硫化物的分布再次加热到锻造温度并通过再度变形来改善硫化物的分布形态了，同时由于硫化物沿晶界的析出是十分细小的，容形态了，同时由于硫化物沿晶界的析出是十分细小的，容易被忽视，但是由于它的存在破坏了晶粒间的紧密结合，易被忽视，但是由于它的存在破坏了晶粒间的紧密结合，使断面脆性增加，常会导致零件的突然断裂。使断面脆性增加，常会导致零件的突然断裂。12 过烧，一般是由于加热温度过高，或在高温下停留过烧，一般是由于加热温度过高，或在高温下停留时间过长，除出现魏氏组织外，同时发现粗大的晶粒边界时间过长，除出现魏氏组织外，同时发现粗大的晶粒边界被烧熔而氧化，破坏了金属基体的连续性，这种现象称为被烧熔而氧化，破坏了金属基体的连续性，这种现象称为过烧。过烧。 表面过烧在条件许可（足够的加工余量）的情况下表面过烧在条件许可（足够的加工余量）的情况下可以用机械加工除去，一般无法改正。因此，过烧是不允可以用机械加工除去，一般无法改正。因此，过烧是不允许的缺陷，一般只能做废品处理。许的缺陷，一般只能做废品处理。13131414151617181920
