金相分析与评定.docx

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金相分析与评定

金相分析与评定（总23页）

金相分析与评定

1、取样与制作

全相试样的选取准则

金相检验是研究金属及合金内部组织的重要方法之一，是骓热处理质量好坏的重要手段，要进行金相检验，首先要选择合适的有代表性的金相试样。

常规检验可按相关技术标准规定要求取样，失效件的检验可在损坏的地方与完事的部位分别截取试样以作比较，结合其他检测手段探究其失效的大摇大摆。

金相试样截取部位确定以后，还必须确定检验面的方向，常取横向截面或纵向截面，横向试样即试样磨面为与轧（锻）制方向垂直的截面；纵向试样即试样磨面为与轧（锻）制方向平等的截面。

两种截面上有不同的检测内容，见表1-1。

表1-1横向、纵向试样检测内容一览表

检验面方向

检测内容

横向试样

试样自中心至边缘部分级的变化情况

表面缺陷及其深度的检验，如表面化学热处理（渗碳、碳氮共渗、渗氮）、表面淬火处理、腐蚀层、表面渗层、镀层处理等

非金属夹杂物在整个截面上的分布情况

晶粒度的大小

碳化物的网状分布情况

纵向试样

非金属夹杂物的数量、大小和形状

钢材的带状组织及通过热处理消除带状组织的效果

因塑性变形引起晶粒或组织变形的情况，从而了解材料冷变形的程度

金相试样的截取方法

金相试样的大小应便于握持及磨制，较理想的形状尺寸是磨面面积小于400m㎡，高度15～20㎜的圆柱体或长方体。

从被检测的金属材料和零件上截取金相试样可用手锯、砂轮切割机、电火花切割机、剪切、锯、鉋、车、铣等截取，必要时也可用气割法截取。

金相实验室里最常用的是手锯和薄片砂轮切割。

未经热处理的钢材、普通铸铁以及有色金属可用手锯切取，也可用薄片砂轮切割机切取；淬火处理后的钢材，常用切割砂轮机切取。

切割时，要注意冷却，特别是用砂轮切割机时，需要有充分的冷却液进行冷却。

硬而脆的可以用锤击法取样，拣出合适的形状和尺寸的试样，或者进行镶嵌。

无论采用何种方法截取试样，都就避免试样因截割加工不当而引起的显微组织变化，如淬火马氏体组织试样，若切割时冷却不当，过热发生回火形成回火马氏体组织；低碳钢、有色金属中晶粒因受力而拉长、压缩、扭曲；奥氏体类钢在外力作用下晶粒内部滑移线增加出现形变孪晶等。

这就要求在截取试样过程中试样受热、受外力作用尽量小。

对于表面处理及深度的检验，取样时应注意切割面与轴线垂直。

夹持与镶嵌

当选取好的试样过小或过薄（金属碎片、钢丝、钢带、钢针、小钢球等）不易握持，或要对表面处理、表面缺陷等边缘组织试样进行检验，因此要保护试样边缘，或者试样要在自动磨光和自动抛光机上进行自动研磨、抛光时，要对试样进行夹持或镶嵌，所选用的夹持与镶嵌方法均不得改变原始组织。

夹持法夹持法即利用预先制作好的夹具装置，把外形比较规则的圆柱体、薄板等细小试样夹在相应的夹具中。

这些夹具比较简单，可自制，一般分为圆环状试样夹具和板型试样夹具，见图1-2。

利用机械夹持可将几片试样夹在一起，中间可用铜皮隔开，以保护试样边

图1-2金相试样机械夹持夹具

缘。

试样与夹具间应紧密接触。

镶嵌法镶嵌是把试样嵌入塑料胶木、树脂或低熔点金属，通过加热加压或固化剂作用等方法，使试样与镶嵌料紧密接触，具体方法见表1-3所列。

表1-3镶嵌方法一览表

镶嵌方法

应用说明

树脂镶嵌法

热压镶嵌法

树脂（胶木）用镶嵌器加热、加压冷却固化

浇注镶嵌法（冷镶嵌）

室温下使镶嵌料固化，适用于对温度变化敏感或熔点较低不允许加热的试样、不宜腾空而起的软的试样、形状复杂的试样、多孔性试样等。

特殊镶嵌法

真空冷镶法

适用于多孔样品，如裂纹样品、易脆样品、脆性材料等，可保证塑料填满孔洞

倾斜镶嵌法

适用于存在扩散层、渗层、镀层等的薄层试样，可以放大镀层在一个方向上的厚度

电镀保护镶嵌法

适用于细线材、异型件、断口或受检处为刃口等的试样，通常在镶嵌之前先电镀，可电镀铜、铁、镍、银等金属

金相试样的制样

经切割或经切割、镶嵌后得到的金相试样，再经过磨制和抛光，得到磨面平整光滑，没有磨痕和变形层的金相试样，用适当的化学或物理方法对试样抛光面进行浸蚀的过程称为制样。

不同的组织、不同位向的晶粒，以及晶粒内部与晶界处受到不同程度的浸蚀，从而在金相显微镜下可清晰地显示出金属与合金的内部组织。

对于表面处理及其深度的检验，制样时应防止表面倒角。

制样过程见表1-4，常用化学浸蚀剂见表1-5

表1-4制样过程一览表

制样程序

可选方法

操作说明

设备

辅料

粗磨

机械或手工

一般在砂轮机上进行，磨时要注意接触压力不宜过大，且需用水冷却试样，使金相试样的组织不因受热而发生变化。

一些较软的材料如铜、铝等有色金属，不宜在砂轮机上磨制，而应该用锉刀整修锉平。

经过粗磨可以把金相试样磨面整修平整，为下一道砂纸的磨制做好准备

砂轮机

锉刀

细磨

手工磨光

手工夜光是把经粗磨后的试样放在垫有平的玻璃或金属板的砂纸上进行磨制，可按试样软硬程度选择由粗到细数道砂纸。

从粗砂纸到细砂纸，每换一次砂纸时，试样均须转90°角与旧磨痕成垂直方向，向一个方向磨至旧磨痕完全消失，新弃权票痕均匀一致时为止。

最后只留有极细的磨痕，为试样磨面的抛光做好准备

由粗到细不同号数的金相砂纸（04号）

机械磨光

将由粗到细数道砂纸分别置于机械磨样机上，或以不同粒度的金刚砂镶嵌于腊盘、铅盘或其他盘上依次磨制

机械磨样机

由粗到细不同号数的水砂纸、腊盘、铅盘等

抛光

机械抛光（粗细）

将经砂纸磨光的试样在装有抛光织物的抛光盘上进行抛光，抛光时用力要轻，须从盘的中心至边缘来回抛光，并不时滴加少许磨粉悬浮液。

一般抛光到试样的磨痕完全除去，表面像镜面时为止

抛光机

抛光织物（丝绒等）、抛光料（金刚石悬浮液等）

电解抛光

电解抛光基于阳极溶解原理，样品为阳极，不锈钢板或其他材料为阴极。

电解抛光的条件由电压、电流、温度、抛光时间来确定

电解抛光装置

电解抛光液（特配）

化学抛光

化学抛光是靠化学试剂对试样表面不均匀溶解，逐渐得到光亮表面的。

但化学抛光只能使样品表面光滑，不能达到表面平整的要求

化学抛光液（特配）

浸蚀

化学浸蚀

化学试剂与试样表面起化学溶解或电化学溶解的过程，以显示金属的显微组织

化学浸蚀剂

电解浸蚀

试样作为电路的阳极，浸入合适的电解浸蚀液中，通入较小电流进行浸蚀，以显示金属显微组织，可在电解抛光后随即降压进行浸蚀

同电解抛光装置

电解浸蚀剂（特配）

特殊显示组织的方法

为特殊需要，可采用特殊显示组织的方法，主要有：

阴极真空浸蚀、恒电位浸蚀、薄膜干涉显示组织（化学浸蚀形成薄膜法、真空蒸发镀膜法、离子溅射镀膜法）及热染法

特种设备

表1-5常用化学浸蚀试剂一览表

名称

成分

适用范围

硝酸酒精溶液

硝酸2～4mL

酒精100mL

显示碳钢及低合金钢、铸铁的组织

盐酸苦味酸酒精溶液

盐酸5mL

苦味酸1g

酒精100mL

显示淬火及淬火回火后钢的晶粒和组织

三氯化铁盐酸水溶液

三氯化铁5g

盐酸50mL

水100mL

显示奥氏体不锈钢组织及铜合金组织

三氯化铁盐酸酒精溶溶液

三氯化铁5g

盐酸2mL

水96mL

显示钢合金组织

硫酸铜盐酸水溶液

硫酸铜4g

盐酸20mL

水20mL

显示不锈钢组织及渗氮钢渗氮层深度

2、非金属夹杂物含量测定

钢中非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等都呈独立相存在，主要是由脱氧产物和钢凝固时由于一系列物化反应所形成的各种夹杂物组成。

非金属夹杂物作为独立相存在钢中，破坏了钢基体的连续性，使钢组织的不均匀性增大，一般来说钢中非金属夹杂物对钢的性能产生的是不良影响，因此评定钢中夹杂物类别、级别对保证钢材质量、防止开列十分重要。

常用标准

GB/T10561《钢中非金属夹杂物含量的测定----标准评级图显微检验法》；ISO4967《钢中非金属夹杂物含量的测定----标准评级图显微检验法》。

上述标准适用范围：

压缩比大于或等于3的轧制或锻制钢材中的非金属夹杂物。

取样位置

钢材外表面到中心的中间位置的纵向截面。

夹杂物类型

上述实际生产应用标准中按形态把钢中非金属夹杂物分为A、B、C、D、DS五大类，其中又把A～D类按夹杂物粗、细分为两类分别评定，用字母e表示粗系的夹杂物，分类及评定方法等见表1-6。

表1-6夹杂物分类及评定一览表

类型

形态

评定方法

A类

（硫化物类）

（图1-7）

粗系

具有高的延展性、有较宽范围形态比（长度/宽度）的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角，由长度及多少分为3级

A法：

应检验整修抛光面。

对于每一类夹杂物，按细系和粗系记下与所检验面上最恶劣视场相符合的标准图片的级别数

B法：

应检验整修抛光面，最少检验100个视场。

试样每一视场同标准图片相对比，每类夹杂物按细系或粗系记下与检验视场最符合的级别数

细系

B类

（氧化铝类）

（图1-8）

粗系

大多数没有变形、带角的、形态比小（一般小于3）、黑色或带蓝色的颗粒，沿轧制方向排成一行（至少有3个颗粒），由颗粒多少分为3级

细系

C类

（硅酸盐类）

（图1-9）

粗系

具有高的延展性，有较宽范围形态比（一般≥3）的单个呈黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角，由长度及多少分为3级

细系

D类

（球状氧化物类）

（图1-10）

粗系

不变形、带角或圆形的、形态比小（一般小于3）、黑色或带蓝色的、无规则分布的颗粒，由颗粒多少分为3级

细系

DS类（单颗粒球状头）

（图1-11）

圆形或近似圆形、直径≥13um的单颗粒夹杂物，由颗粒大小分为3级

···

··

···

··

i=2（粗系）i=2（细系）

图1-7A类（硫化物类）夹杂物（2级）级别图100×（×

…………

·………

i=2（粗系）i=2（细系）

图1-8B类（氧化铝类）夹杂物（2级）级别图100×（×

i=2（粗系）i=2（细系）

图1-9C类（硅酸盐类）夹杂物（2级）级别图100×（×

、

、、

、、、

、

、、、

、

、、、

、

i=2（粗系）i=2（细系）i=2

图1-10D类（球状氧化物类）夹杂物（2级）级别图100×（×图1-11DS类（单颗粒球状类）夹杂物（2级）级别图100×（×

3、金属材料晶粒度评定

晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。

对钢来说，晶粒度一般是指奥氏体化后的实际晶粒大小，即钢材经过不同的热处理操作后冷却到室温下所得到的晶粒。

一般来说，在常温下使用的金属材料，晶粒越细，不仅温度、硬度越高，而且塑性、韧性也好。

在100倍下㎜2（1in2）面积内包含的晶粒个数N与显微晶粒度级别数G有如下关系：

N=2G-1

如8级（G=8）晶粒度时，上述面积内约有128颗晶粒（也为ASTM晶粒度级别）

常用标准

GB/T6394《金属平均晶粒度评定方法》；ASTME112《测定平均晶粒度试验方法》。

上述标准适用范围：

金属组织、晶粒形状与评级图相似的非金属材料。

晶粒度测定方法

晶粒度测定在金相试样上进行，晶粒度的显示可根据钢种按标准规定操作。

检测方法见表1-12。

方法类别

测定方法

用途

比较法

通过与标准系列评级图对比来评定平均晶粒度

检验常用方法

面积法

通过计算给定面积网格内的晶粒数N来测定晶粒度

截点法

通过计数给定长度的测量线段（或网格）与晶粒边界相交截点数P来测定晶粒度

仲裁的方法

表1-12晶粒度测定方法

评定结果表示

日常检验常用比较法对照相应标准系列评级图（放大倍率为100倍）直接进行对比，结果用晶粒度级别数表示。

若采用其他放大倍数，则可通过表1-13进行换算。

图像的放大倍数

晶粒度级别

-1

100

200

400

表1-13晶粒度级别和放大倍数的关系

高速工具钢用Snyder-Graff晶粒度测定方法

高速工具钢的原始奥氏体晶粒度级别通常为9～12级。

晶粒度从9级变化到12级，单位面积内的晶粒数将增加近10倍，而平均线截距长度由㎛减小至5㎛，但晶粒度级别只改变3个单位。

高速工具钢晶粒的细化能显著改变其性能，常需精确测定其晶粒度。

Snyder和Graff提出了一个改进后的截数法。

浸蚀好的样品用1000×的放大倍数观察，测试线为长度127mm的直线；有些样品可用500×的放大倍数并用㎜的测试线，然后测量被直线截割的晶粒数。

10个这样的测量数据的平均值就是Snyder-Graff截割数，以S-G）表示。

晶粒度级别G与S-G晶粒号间存在以下函数关系：

G=[（S-G）]+

图1-14ASTM晶粒度级别与截数法Snyder-Graff晶粒号的对应曲线

图1-14为ASTM晶粒度级别与截数法Snyder-Graff晶粒号的对应曲线，由图中曲线可找出ASTM的值与相对应的Snyder-Graff的值。

4、带状组织（偏析）评定

在经热加工后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分布的组织，成为带状组织。

带状组织使钢材的力学性能产生各向异性，即沿着带状纵向的强度高、韧性好，横向的强度低、韧性差。

此外，带状组织的工件热处理时易产生畸变，且使得硬度不均匀。

常用标准

GB/T13299《钢的显微组织评定方法》。

上述标准适用范围：

低碳、中碳钢的钢板、钢带和型材。

带状组织评定方法

评定珠光体钢中的带状组织，要根据带状铁素体数理，并考虑带状贯穿视场的程度、连续性和变形铁素体晶粒多少确定。

上述标准按钢材碳的质量分数分为A、B、C三系列，每系列中按偏析程度分为0～5级，5级最严重，由试样100倍视场的相应图片对照评定。

各系列、各级别对应的带状组织特征见表1-10所示。

图1-15为各系列4级带状组织评级图。

级别

组织特征

A系列（ωC≤﹪钢）

B系列（ωC：

﹪～﹪钢）

C系列（ωC：

﹪～﹪钢）

等轴的铁素体晶粒和少量的珠光体，没有带状

均匀的铁素体—珠光体组织，没有带状

组织的总取向为变形方向，带状不很明显

铁素体聚集，沿变形方向取向，带状不很明显

等轴铁素体晶粒基体上有1～2条连续的铁素体带

等轴铁素体晶粒基体上有1～2条连续的和几条分散的等轴铁素体带

等轴铁素体晶粒基体上有1～2条连续的和几条分散的等轴铁素体—珠光体带

等轴铁素体晶粒基体上有几条连续的铁素体带穿过整修视场

等轴晶粒组成几条连续的贯穿视场的铁素体—珠光体交替带

等轴晶粒组成的几条连续铁素体—珠光体的带，穿过整修试场

等轴铁素体晶粒和大量较粗的变形铁素体晶粒组成贯穿视场的交替带

等轴晶粒和一些变形晶粒组成贯穿视场的铁素体—珠光均匀交替带

等轴晶粒和一些变形晶粒组成贯穿视场的铁素体—珠光体均匀交替带

等轴铁素体晶粒和大量较粗的变形铁素体晶粒组成贯穿视场的交替带

变形晶粒为主构成贯穿视场的铁素体—珠光体不均匀交替带

图1-10带状组织

图1-15

5、魏氏组织评定

亚共析钢在铸造、锻造、轧制、焊接和热处理时，由于高温形成粗大奥氏体，在冷却时游离铁素体除沿晶界呈网状析出外，还有一部分呈针状自晶界伸入晶内或在晶粒内部独自析出，而不与晶界铁素体网相连，这种针状组织称为魏氏组织。

魏氏组织出现为钢材过热的金相特征，将造成钢的力学性能，尤其是冲击性能的下降，严重的将造成零件在使用过程中的脆性断裂。

常用标准

GB/T13299《钢的显微组织评定方法》。

上述标准适用范围：

低碳、中碳钢的钢板、钢带和型材。

魏氏组织评定方法

评定珠光体钢过热后的魏氏组织，要根据析出的针状铁素体数量、尺寸和自由铁素体网确定的奥氏体晶粒大小确定。

上述标准按钢材碳的质量分数分为A、B两系列，每系列中按魏氏分布的严重程度分为0～5级，5级最严重。

试样在100倍下的视场由相应图片对照评定。

各系列、各级别对应的魏氏组织特征见表1-11所示。

图1-16为各系列4级魏氏组织评级图。

级别

组织特征

A系列（C≤﹪钢）

B系列（C：

﹪～﹪钢）

均匀的铁素体和珠光体组织，无魏氏组织特征

铁素体组织中，有呈现不规则的块状铁素体出现

铁素体组织中出现碎块状及沿晶界铁素体网的少量分叉

呈现个别针状组织区

出现由晶界铁素体网向晶内生长的针状组织

由铁素体网向晶内生长，分布于晶粒内部的细针状魏氏组织

大量晶内细针状及由晶界铁素体网向晶内生长的针状魏氏组织

明显的魏氏组织

大量的由晶界铁素体网向晶内生长的长针状的魏氏组织

粗大针状及厚网状的非常明显的魏氏组织

表1-11魏状组织

图1-16各系列4级魏氏组织评级图100×（×

6、球粒状珠光体（球化体）评定

钢经球化退火后，获得均匀分布的小球状珠光体，能降低钢的硬度、改善切削加工性能，并为以后的热处理做好准备。

具有片状珠光体的钢材硬度高、切削性能差、加工后表面粗糙，当进行热处理时工具变形较大，且容易造成过热。

产生片状珠光体的原因主要是退火工艺不良或温度控制不准确，例如加热温度不足、保温时间过短均会使钢得不到均匀的球状组织，而出现细片或点状的珠光体。

如果加热温度太高，则造成钢材过热，出现粗片状珠光体及网状碳化物。

对于球化不良的钢，可再经球化退火处理。

各钢种球化体评定的常用标准和依据见表1-14

钢种

采用标准

球化体级别评定方法

低碳结构钢、低碳合金结构钢、中碳结构钢、中碳合金结构钢及易切削结构钢

JB/T5074《低、中碳钢球化体评级》

球化体组织级别根据其组织的形态、数量、大小及分布情况，根据化学成分对照相应图片评定（三个分级图），各分6级（图1-17、图1-18、图1-19）

GC15、GC15SMn、GC15SMO、GC18MO钢（滚动轴承零件）

JB/T1255《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》

球化体组织（退火组织）级别根据碳化物的尺寸、数量及形状，对照相应图片评定，分6级（图1-20）

T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12和T13钢（碳素工具钢）

GB/T1298《碳素工具钢技术条件》

球化体组织（珠光体组织）级别根据碳化物的尺寸、数量及形状，对照相应图片评定，分6级（图1-21）

9SiCr2、CrWMn、9CrWMn、Cr06、W和9Cr2钢

GB/T1299《合金工具钢》

球化体组织（珠光体组织）级别根据碳化物的尺寸、数量及形状，对照相应图片评定，分6级（图1-22）

评定时，在金相试样上，一定倍率下（500倍或400倍），球化体组织级别根据其组织的形态、数量、大小及分布情况，并对照标准图片进行评定。

图1-18

图1-17

1级（组织特性：

珠光体+铁素体）6级（组织特性：

均匀分布球化全+铁素体）

图1-19JB/T5074中碳合金结构钢部分球化体组织分级图400×（×

图1-22

图1-21

图1-20

7、马氏体组织评定

钢经淬火处理或淬火、低温回火（150～250℃）后得到马氏体组织。

马氏体形态主要为板条状马氏体（低碳马氏体，见图1-23）、针状马氏体（高碳马氏体，见图1-24）。

马氏体的粗细或长短（大小）对性能有很大影响，热处理工艺中常要对其控制。

具体钢种、具体工艺不同，马氏体组织的评定方法不相同。

各钢种、各工艺下马氏体组织评定的常用标准及方法见表1-15。

钢种、工艺

采用标准

马氏体级别评定方法

中碳钢、中碳合金结构钢淬火后

JB/T9211《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》

马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分8级，最细1级，最粗8级（图1-25）

Cr12型钢淬火回火后

JB/T7713《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验》

马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分5级，最细1级，最粗5级（图1-26）

5CiNiMo、5Cr4W5Mo2V、3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、4Cr5MoSiV、4Cr3Mo2NiVNbB钢淬火后

JB/T8420《热作模具钢显微组织评级》

马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分6级，最细1级，最粗6级（图1-27）

GC15、GC15SiMo、GC18Mo、钢制滚动轴承零件淬火、回火后

JB/T1255《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》

马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分5级，最细1级，最粗5级（图1-28）

20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNi2Mo、20CrNi3Mo、15CrNi3Mo、20Cr2Ni4等钢制重载渗碳齿轮渗碳、淬火后

JB/《重载齿轮渗碳金相检验》

渗层马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分6级，最细1级，最粗6级（图1-29）

08F、Q215AF、Q235AF、10、15、20、20Cr、20CrMnMo等低碳和低合金钢的零件经碳氮共渗或渗碳层深度小于或等于时

JB/T7710《薄层碳氮共渗或薄层渗碳钢件显微组织检测》

渗层马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分56级，最细1级，最粗5级（当渗层显微组织主要为针状马氏体时，见图1-30；当渗层显微组织主要为板条马氏体时，见图1-31）

汽车用钢制渗碳齿轮渗碳、淬火后

QC/T262《汽车渗碳齿轮金相检验》

渗层马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分8级，最细1级，最粗8级（图1-32）

汽车钢制渗碳齿轮碳氮共渗、淬火后

QC/T29018《汽车碳氮共渗齿轮金相检验》

渗层马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分8级，最粗1级，最细8级（图1-33）

中碳碳素结构钢和中碳合金钢制造的机械零件高、中频感应淬火后

JB/T9204《钢件感应淬火金相检验》

表层马氏体组织级别按粗细及长度，对照图片评定，分10级，最粗1级，最细10级（图1-34）

图1-28

图1-27

图1-26

图1-25

图1-29

图1-30

图1-31

图1-32

图1-33

图1-34

图1-31

图1-30

图1-29

评定时，在金相试样上，一定倍率下（500倍或400倍），针状马氏体常用测量针叶长度并对照标准图片进行评定，中碳马氏体主要用对照法。

8、残留奥氏体含量评定

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