弘測

金屬的性能取決于它的成分和微觀組織，其中微觀組織對金屬性能的影響最為直接，因此我們可以通過對金屬微觀組織的觀察和分析（即金相分析技術(shù)）來預(yù)測和判斷金屬的性能，并分析其失效破壞的原因。金相分析技術(shù)是根據(jù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定來評定金屬材料內(nèi)在質(zhì)量的一種常規(guī)檢驗方法，并可用來判斷零件生產(chǎn)工藝是否完善，有助于尋求零件產(chǎn)生缺陷的原因，因此它是涉及金屬材料生產(chǎn)、使用和科研中一種必不可少的手段。

進行金相分析，首先應(yīng)根據(jù)各種檢驗標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定制備試樣（即金相試樣），若金相試樣制備不當(dāng)，則可能出現(xiàn)假象，從而得出錯誤的結(jié)論，因此金相試樣的制備十分重要。通常，金相試樣的制備步驟主要有：取樣、鑲嵌、標(biāo)識、磨光、拋光、浸蝕，但并非每個金相試樣的制備都必須經(jīng)歷上述步驟，如果試樣形狀、大小合適，便于握持和磨制，則不必進行鑲嵌；如果僅僅檢驗金屬材料中的非金屬夾雜物或鑄鐵中的石墨，就不必進行浸蝕。總之，應(yīng)根據(jù)檢驗的目的來確定制樣步驟。

一、金相試樣制備與觀察

1、取樣

取樣是金相試樣制備的第一道工序，若取樣不當(dāng)，則達不到檢驗?zāi)康摹Ｒ虼耍拥牟课弧?shù)量、磨拋光面方向等應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。

（1）取樣部位和磨面方向的選擇

取樣部位必須與檢驗?zāi)康暮鸵笙嘁恢拢顾腥〉脑嚇泳哂写硇浴１匾獣r應(yīng)在檢驗報告單中繪圖說明取樣部位、數(shù)量和磨拋光面方向。

圖1-1 表示軋制型材金相試樣的切取方位；

一般縱斷面（圖1-1中的1、2、4、5）主要用于：

                       1）檢驗非金屬夾雜物的數(shù)量、大小和形狀；

                       2）檢驗晶粒的變形程度；

                       3）檢驗鋼材的帶狀組織，以及通過熱處理對帶狀組織的消除程度。

橫斷面（圖1-1 中的3）主要用于：

                       1）檢驗從表面到中心金相組織變化情況；

                       2）檢驗表層各種缺陷，如氧化、脫碳、過燒、折疊等；

                       3）檢驗表面熱處理結(jié)果，如表面淬火的淬硬層，化學(xué)熱處理的滲碳層、氮化層、碳氮共滲層以及表面鍍鉻、鍍銅層等；

                       4）檢驗非金屬夾雜物在整個斷面上的分布；5）測定晶粒度等。

（2）取樣方法

金相試樣一般為φ12×12mm的圓柱體或12×12×12mm的立方體。若太小則操作不方便，若太大則磨制面過大，增長磨制時間且不易磨平。非檢驗表面缺陷、滲層、鍍層的試樣，應(yīng)將棱邊倒圓，防止在磨制中劃破砂紙和拋光織物，反之，檢驗表層組織的試樣，嚴(yán)禁倒角并應(yīng)保證磨面平整。

2、鑲嵌

當(dāng)金相檢驗的材料為絲、帶、片、管等尺寸過小或形狀不規(guī)則的試樣，由于不便握持，可采用鑲嵌的方法，得到尺寸適當(dāng)，外形規(guī)則的試樣。當(dāng)檢驗試樣的表層組織時，為防止在磨制中產(chǎn)生倒角，也可采用鑲嵌。常用的鑲嵌方法有機械夾持法、熱鑲嵌法和冷鑲嵌法等。

3、磨光與拋光

金相試樣經(jīng)過切取、鑲嵌后，還需進行磨光、拋光等工序，才能獲得表面平整光滑的磨面。圖1-3表示了切取試樣后形成的粗糙表面，經(jīng)粗磨、細磨、拋光后，磨痕逐漸消除，得到平整光滑的磨面。

磨光可以分為粗磨和細磨。每一道工序，都與上一道工序成90°方向，直到看不到上道工序的劃痕為止。

拋光可以分為機械拋光和電解拋光。機械拋光適用于大部分鋼種，但是由于機械拋光有機械力的作用，不可避免會產(chǎn)生金屬變形層，使金屬擾亂層加厚，出現(xiàn)偽組織。而電解拋光是利用電解方法，以試樣表面作為陽極，逐漸使凹凸不平的磨面溶解成光滑平整的表面，因無機械力的作用，故無變形層，亦無金屬擾亂層，能顯示材料的真實組織并兼有侵蝕作用，適用于硬度較低的單相合金、容易產(chǎn)生塑性變形而引起加工硬化的金屬材料，如奧氏體不銹鋼、高錳鋼、有色金屬和易剝落硬質(zhì)點的合金等的試樣拋光。

4、金相顯微組織的顯示

拋光后的試樣表面是平整光亮、無痕的鏡面，置于金相顯微鏡下觀察時，除能見到非金屬夾雜物、孔洞、裂紋、石墨和鉛青銅中的鉛質(zhì)點以及極硬相在拋光時形成的浮凸外，僅能看到光亮一片，看不到顯微組織，必須采用適當(dāng)?shù)娘@示方法（即侵蝕），才能顯示出組織。

金相顯微組織的侵蝕方法很多，可分為化學(xué)侵蝕、電解侵蝕和其他侵蝕等。其中化學(xué)侵蝕法具有顯示全面、操作便捷、經(jīng)濟便宜、重現(xiàn)性好等優(yōu)點，故在生產(chǎn)以及科研中廣泛應(yīng)用。

化學(xué)浸濕是一個電化學(xué)溶解的過程。金屬與合金中的晶粒與晶界之間，以及各相之間的物理化學(xué)性質(zhì)不同，他們具有不同的自由能，在電解質(zhì)溶液中則具有不同的電極電位，可組成許多微電池，較低電位的部分是微電池的陽極，溶解較快，溶解的地方則呈現(xiàn)凹陷或沉積反應(yīng)產(chǎn)物而著色，如圖1-3a 所示。在顯微鏡下觀察時，光線在晶界處被散射，不能進入物鏡而顯示出黑色晶界；在晶粒平面上的光線則散射較少，大部分反射進入物鏡而呈現(xiàn)亮白色的晶粒。圖1-3b 是純鐵的顯微組織，黑色為晶界明亮色微晶粒。

二、金屬材料典型組織

1、鐵碳平衡相圖

按照含碳量從高到低的順序；

1、典型的鋼鐵平衡組織如下：

鐵素體（工業(yè)純鐵）→鐵素體+珠光體（20 鋼）→鐵素體+珠光體（45 鋼）→鐵素體+珠光體（60 鋼）→珠光體（T8 鋼退火組織）→P+Fe3CⅡ（T12鋼退火組織）→P+Fe3CⅡ+Ldˊ（亞共晶白口鐵組織）→Ldˊ(共晶白口鑄鐵)→Fe3CⅠ+Ldˊ（過共晶白口鑄鐵組織）；

2、典型非平衡組織如下：

低碳馬氏體（15 鋼淬火組織）→20 鋼板條狀馬氏體→45 鋼中碳馬氏體→T12 鋼回火馬氏體→40Cr 回火托氏體→40Cr 回火索氏體→ZGMn13 奧氏體組織→上貝氏體組織形態(tài)→下貝氏體組織形態(tài)→魏氏組織；

三、金相分析技術(shù)的應(yīng)用

金相分析在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。下面以失效分析中的應(yīng)用，舉例說明，如下：

1、根據(jù)金相分析結(jié)果可以判斷熱處理生產(chǎn)工藝及其組織缺陷

（1）螺栓金相顯微組織分析

螺栓的金相組織照片見圖1。橫剖面金相顯微組織觀察結(jié)果表明，該螺栓基本組織為鐵素體（白色）＋珠光體（黑色），晶粒度比較細小（約為11～12級），表明該螺栓采用變形加工或者正火熱處理進行了細化晶粒處理，細小的晶粒可以提高螺栓的綜合力學(xué)性能，對提高螺栓的強度有益。縱剖面金相顯微組織觀察結(jié)果表明，該螺栓存在較為嚴(yán)重的帶狀組織分布，帶狀組織分布程度等級為5級。

帶狀組織通常發(fā)生在經(jīng)過熱變形加工后的亞共析鋼（中、低碳鋼）中，其典型特征是鐵素體和珠光體沿著壓延變形方向交替分層分布。帶狀組織會使鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，即沿著帶狀組織的縱向強度高、韌性好，而橫向則強度低、韌性差，另外還會導(dǎo)致硬度不均勻。

（2）減速機軸金相顯微組織分析

減速機軸金相組織照片見圖2～圖5。組織觀察結(jié)果表明，該減速機軸外表面沒有經(jīng)過滲碳處理或其他表面處理，基本組織為鐵素體（白色）＋珠光體（黑色），從鐵素體和珠光體含量比例來看，該減速機軸含碳量約為0.45％，結(jié)合前面成分分析結(jié)果，可以確認(rèn)減速機軸材料為45 鋼。另外，從減速機軸基本組織組成來看，該減速機軸沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。從鐵素體的分布形態(tài)來看，鐵素體呈網(wǎng)狀分布于晶界，并向晶內(nèi)生長，形成具有一定取向的針片狀晶內(nèi)鐵素體，具有魏氏體組織特征，魏氏體組織的出現(xiàn)會嚴(yán)重降低鋼的韌性、塑性和強度，尤其會增加鋼的脆性。由于魏氏體一般是在較慢的冷卻速度條件下形成，并結(jié)合考慮基本組織具有非常粗大的晶粒度（2～3級），可以確認(rèn)該減速機軸沒有經(jīng)過規(guī)定要求的調(diào)質(zhì)處理，甚至沒有經(jīng)過正火處理，嚴(yán)重不符合熱處理工藝要求的規(guī)定。

（3）活塞桿顯微組織分析

該活塞桿材料為42CrMo 鋼，一般要求進行調(diào)質(zhì)處理，對螺栓材料的金相顯微組織分析結(jié)果表明活塞桿組織為回火索氏體＋鐵素體（見圖9），其中白色條狀物為鐵素體，索氏體組織粗大，碳化物呈顆粒狀集中分布于鐵素體條之間，可見原馬氏體位向。根據(jù)GB/T 13298-91標(biāo)準(zhǔn)進行檢驗，從鐵素體條的形狀、大小和分布可以看出該活塞桿在淬火時得到的馬氏體組織非常粗大，其中活塞桿外表面馬氏體最為粗大，馬氏體等級為8級，活塞桿半徑中部的馬氏體等級為7級，而活塞桿心部的馬氏體等級為6級，因此整個活塞桿截面上馬氏體組織都非常粗大，可能是由于淬火溫度過高造成的。粗大的馬氏體雖然不會明顯降低活塞桿的硬度，但是會嚴(yán)重降低活塞桿的強韌性。對活塞桿螺紋面的金相顯微組織觀察還發(fā)現(xiàn)螺紋表面沒有發(fā)生氧化脫碳現(xiàn)象，表明活塞桿在熱處理過程中得到較好的氣氛保護。

2、根據(jù)金相顯微組織照片可以知道構(gòu)件的破壞原因

（1）304不銹鋼盤管破壞分析

304 不銹鋼盤管的微觀組織照片見圖6。從圖中可以看出，304 不銹鋼盤管材料微觀組織基本由單相奧氏體晶粒以及極少量碳化物組成，晶粒度比較粗大

（約3 級），碳化物分布均勻，沒有發(fā)生晶間碳化物大量析出現(xiàn)象，可以排除晶間敏化的可能性。晶內(nèi)有大量孿晶和滑移線出現(xiàn)，由于孿晶是奧氏體的主要塑性變形方式，表明該304不銹鋼盤管承受較大的工作應(yīng)力。304不銹鋼盤管中的微觀裂紋見圖7。從圖中可以看出，裂紋由盤管外表面萌生并向盤管內(nèi)表面發(fā)展，直至穿透管壁發(fā)生泄漏失效。裂紋為穿晶型裂紋，除了主裂紋外，還有少量二次裂紋存在，二次裂紋數(shù)量很少且發(fā)展程度十分有限，據(jù)此同樣可以排除發(fā)生晶間腐蝕破裂的可能性。從304不銹鋼盤管外表面周向主裂紋基本垂直于表面向內(nèi)部發(fā)展這一特征來看，該304不銹鋼盤管的開裂可能與軸向拉應(yīng)力有關(guān)。根據(jù)腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果（含有大量氯離子），可以判斷該盤管破裂屬于氯離子應(yīng)力腐蝕開裂破壞。

（2）高溫彈簧破壞分析

彈簧的微觀組織照片見圖8。從圖中可以看出，彈簧材料微觀組織基本由回火托氏體+ 少量鐵素體（白色）+ 石墨（黑色）組成，從未經(jīng)浸蝕的金相組織

照片中可以更加清晰地看到石墨的組織形態(tài)，石墨顆粒的平均弦長為8um，游離面積百分比為0.36%，根據(jù)YB/43-64 彈簧鋼游離石墨檢驗標(biāo)準(zhǔn)，該彈簧鋼游離石墨的等級為4 級（最高級），表明該彈簧已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的石墨化。游離石墨破壞了金屬基體的連續(xù)性，降低固溶體中的碳含量，嚴(yán)重影響鋼的綜合性能尤其是韌性、高溫強度和疲勞強度，并最終導(dǎo)致脆性斷裂。