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  • 光学金相检验

    光学金相检验是用肉眼、放大镜或光学金相显微镜观察金属材料的组织(或缺陷)及其变化规律的一种材料物理试验。

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      用肉眼、放大镜或光学金相显微镜观察金属材料的组织(或缺陷)及其变化规律的一种材料物理试验。通过光学金相检验可以控制加工工艺,保证产品质量;找出机器零部件的失效原因,以提高产品的性能和寿命;研究材料的组织和成分与性能之间的关系,为发展新工艺、新材料、新设备提供依据。光学金相检验一般都应参照相应的检验标准,如晶粒度标准、夹杂物标准、宏观检验标准和马氏体级别标准等来进行。光学金相检验包括宏观检验和显微组织检验两部分。
      宏观检验  用肉眼或30倍以下的放大镜检测宏观组织和缺陷。这种检验所需设备简单,故应用广泛。常用方法有侵蚀法、断口法和印痕法
      ① 侵蚀法:包括热酸蚀、冷酸蚀、电解酸蚀等。应用化学药品进行侵蚀以显示金属铸锭、铸件或型材等的宏观组织和缺陷,如偏析、疏松、夹杂、缩孔、气泡、裂缝、折叠、表面脱碳、发纹和粗晶等。图1为 1Cr13不锈钢方锭用热酸蚀法显示的宏观组织照片。从图中可看出因激冷形成的表层细等轴晶区、向着锭心成长的柱状晶区和内部粗等轴晶区,以及锭心处串联成海绵状的疏松缺陷。

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      ② 断口法:将金属材料折断,以观察断口的组织和缺陷。这种方法对显示晶粒粗细、渗层厚度、分层、白点、裂缝等特别适用。图2为用断口法显示的钢中白点(发裂)缺陷。白点还可通过酸蚀法在横向试片上显示,但不如在纵向断口上显示得清楚和直观。
      ③ 印痕法:主要指钢铁检验中应用的硫印和磷印法。硫印法是将经2~5%硫酸水溶液浸润过的相纸覆于钢铁试片表面上,使试片中的硫化物与相纸上的溴化银作用而生成硫化银沉淀的斑点,从而显示出硫的多少和分布状况。磷印的原理与硫印相似,但其图象所显示的是磷的分布情况。各种宏观检验方法各有一定的适用范围须根据检验目的不同而进行选择。
      显微组织检验  利用金相显微镜来观察、分析金属材料的显微组织和微观缺陷。检验内容包括测定各组成相和夹杂物的种类、分布和形态特征,有无孔隙、裂纹等存在并确定其数量和分布情况。检验目的是通过这些观察和分析,进一步了解金属材料的各种显微组织和微观缺陷的形成规律以及它们与各种性能之间的关系。金相显微镜的放大倍率一般不超过2000倍,其分辨极限约为0.2微米。在检验孔隙和夹杂物时,通常先在材料或机件上具有代表性的部位取样,然后经磨平、抛光即可观察。如欲检验显微组织,则还须将金相试样再用化学或其他物理方法进行组织显示,具体方法视检验目的而定。
      钢铁中的常见显微组织  在工业用金属材料中以钢铁应用最广,它们在加热和冷却过程中形成各种具有不同性能的显微组织。常见的钢铁显微组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、贝氏体和马氏体。
      ① 铁素体:碳溶解在具有体心立方晶体结构的铁(α-Fe或δ-Fe)中所形成的固溶体。铁素体一般硬度较低,塑性较好。经硝酸溶液侵蚀后,铁素体晶粒在显微镜下呈均匀白亮的多边形(图3)。由于各晶粒取向不同,相互间常有明暗之分。因含碳量的变化和冷却条件的不同,铁素体还可能以网状、针状、片状等形态出现。

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      ② 奥氏体:碳溶解在具有面心立方晶体结构的铁(γ-Fe)中所形成的固溶体。通常在高温时存在,但由于合金元素的加入,有时也可能在室温时稳定存在,如高锰钢,Cr18-Ni8型奥氏体不锈钢等。奥氏体晶粒(图4)在显微镜下一般也呈多边形,但晶界较铁素体晶界平直。奥氏体塑性较好,但强度较低。
      ③ 渗碳体:碳与铁的间隙型化合物(Fe3C),属复杂斜方晶体结构,含6.67%的碳。硬度高,塑性和韧性很低,不受硝酸酒精溶液侵蚀,故在显微镜下呈白亮色。其形态有条块状、细片状、针状和球状等。它是碳钢中的主要强化相,其形态、大小、数量、分布等对钢的性能有很大影响。
      ④ 珠光体:奥氏体从高温冷却下来所形成的铁素体和渗碳体的两相共析组织,其疏密程度受形成时过冷度的影响,过冷度越大则越细密,强度和硬度也越高。图5为钢中的片状珠光体,呈指纹状的层状排列,其中细条状者为渗碳体,白色基底为铁素体。

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      ⑤ 贝氏体:过冷奥氏体在中温区域转变而成的铁素体和渗碳体两相混合组织(有时可能有奥氏体)。主要有上贝氏体(羽毛状)、下贝氏体(针状)和粒状贝氏体3种形态。上贝氏体形成温度较高,下贝氏体形成温度较低,粒状贝氏体则是某些合金钢在一定冷速范围内连续冷却过程中形成的。图6为钢中的下贝氏体组织,呈黑色针状。
      ⑥ 马氏体:碳在α-Fe中的过饱和固溶体,是奥氏体在很大的过冷度条件下形成的低温转变产物。按含碳量的不同主要有低碳马氏体和高碳马氏体两种形态。前者在金相显微镜下呈细条状并同向成束排列,故又称板条状马氏体(图7),在一个奥氏体晶粒中可出现多个不同位向的马氏体束。它有较好的强度和韧性,是低碳钢和低合金钢中具有良好性能的组织。高碳马氏体相互交叉成针状或竹叶状,故又称针状马氏体(图8)。在针叶之间常有残余奥氏体存在。针状马氏体脆性大,硬度高,一般须经回火后使用。
      参考书目
     姚鸿年:《金相研究方法》,中国工业出版社,北京,1963。
     刘国勋主编:《金属学原理》,冶金工业出版社,北京,1980。

     

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