劉志國(guó)

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

通過對(duì)金屬運(yùn)用光學(xué)金相顯微鏡與電子顯微鏡等器材加以分析，觀測(cè)、辨別金屬材料中的微觀組織叫做金相組織[1]。對(duì)金屬材料的細(xì)致觀察與了解中，最不可缺少的就是對(duì)金相組織進(jìn)行深入分析，它是一種顯微組織圖像，是人們以金屬學(xué)、熱處理知識(shí)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，用于對(duì)金屬材料進(jìn)行判斷和確定的一種方法。金相組織的微觀組織與金相組織的性能有密切的關(guān)系，微觀組織的組成不同性能表現(xiàn)也就不同。在金相組織缺陷分析研究中，確定金象組織缺陷成因的重要手段就是觀測(cè)金相組織的微觀組織。本文采用圖像分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析過程，圖像分析法是一種通過識(shí)別和人工智能方法對(duì)物景進(jìn)行分析、描述、分類和解釋的技術(shù)，這種針對(duì)詳細(xì)問題和應(yīng)用的圖像分析技術(shù)正在逐漸向建立一般理論的方向發(fā)展[2]。同時(shí)，基于圖像分析的金相組織缺陷以及預(yù)防方式研究，對(duì)有效預(yù)防金相組織缺陷的發(fā)生，提高進(jìn)行金象組織的研究時(shí)的準(zhǔn)確度、減少其在其他研究試驗(yàn)中的誤差，均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于圖像分析法的金相組織缺陷分析

1.1 金相組織表象特征分析

通過進(jìn)行圖像分析，金相組織呈現(xiàn)了不同的形貌（如圖1)魏氏組織、枝晶偏析、晶粒粗大過熱或過燒組織。

圖1 金相組織形貌圖

在亞共析鋼和過共析鋼中，由于高溫較快冷卻時(shí)，先共析的鐵素體或滲碳體便沿著奧氏體的一定的晶面呈針狀析出，由晶界插入晶粒內(nèi)部，從而形成魏氏組織，魏氏組織0-5級(jí)，0-2級(jí)較輕，不太嚴(yán)重，3-5級(jí)的魏氏組織不允許存在，必須消除；由于鑄件的復(fù)雜形狀，各部分冷卻先后次序不同，在不同厚度的截面上同時(shí)存在固相、固液固存和液相三種狀態(tài)，從而使鑄件與鑄型之間的熱交換是通過若干區(qū)域來完成的。結(jié)果造成了區(qū)域性的成分不均勻和組織不一致，從微觀上看則存在枝晶偏析，使晶內(nèi)與晶界成分也不一樣。鑄件凝固的冷卻速度越慢，枝晶偏析的程度越嚴(yán)重。鑄件中非金屬夾雜物主要形式是顆粒狀或多角形的脆性金屬氧化物，呈球狀如顆粒狀、塊狀、不連續(xù)的細(xì)小點(diǎn)、條狀的塑性?shī)A雜和常呈較大的球狀和顆粒狀的硅酸鹽。其形成是合金元素和雜質(zhì)元素微觀偏析的結(jié)果，這類夾雜物主要分布在樹枝晶間。奧氏體溫度越高，晶粒長(zhǎng)大越明顯，其強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能均將因晶粒粗大而惡化，尤其是沖擊韌性更趨于明顯降低，這種現(xiàn)象稱之為過熱，過熱可以通過熱處理進(jìn)行改善，如正火彌補(bǔ)。奧氏體晶界發(fā)生弱化的變化，而且奧氏體邊界熔化或被燒熔氧化的現(xiàn)象稱之為過燒。過燒時(shí)除基體有明顯的魏氏組織外還有黑色氧化物沿晶粒邊界分布，過燒只能報(bào)廢重新冶煉。

1.2 金相組織再結(jié)晶情況的表征分析

在溫度的作用下該試驗(yàn)區(qū)的原始粗晶粒被分散成多邊形小晶粒，在熱的作用下，這些破碎小晶體得到所需能量發(fā)生再結(jié)晶活動(dòng)，形成光滑邊界的再結(jié)晶晶粒。在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)溫度不均勻情況下，加熱溫度較高加熱時(shí)間較長(zhǎng)區(qū)域的再結(jié)晶晶粒會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大；而加熱溫度相對(duì)較低的區(qū)域由于能量獲取不夠，會(huì)殘留少量破碎后的多邊形小晶粒。因此，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)小再結(jié)晶晶粒是試驗(yàn)區(qū)的重要組成部分，有些再結(jié)晶晶體會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，也會(huì)存在少量破碎的未發(fā)生再結(jié)晶的小晶粒，主要為細(xì)小再結(jié)晶晶粒。

1.3 確定金相組織缺陷及其成因

通過上述研究，我們得出以下結(jié)果：金相組織易受加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度的影響。下面，我們來分析以下缺陷的具體成因：在對(duì)金相組織進(jìn)行熱處理時(shí)，如果溫度過高，會(huì)對(duì)金相組織造成冷卻速度慢、再結(jié)晶后停留時(shí)間長(zhǎng)的現(xiàn)象，金相組織晶粒粗大就是由于這些原因造成的。粗大的晶粒結(jié)構(gòu)使晶粒與晶粒之間的粘合能力降低，影響了晶體的韌性與可塑性。通過相同理論我們可以得知，在進(jìn)行樣本加熱處理時(shí)，因?yàn)樗x樣本都具有一定的厚度，由于加熱方式不當(dāng)導(dǎo)致樣本會(huì)有受熱不均的現(xiàn)象。金相組織的內(nèi)外形成不一樣的結(jié)構(gòu)就是由于受熱不均引起的。同時(shí)因?yàn)榻M織結(jié)構(gòu)不同都具備不同的成分特征，這種情況會(huì)相對(duì)的對(duì)樣本形成內(nèi)應(yīng)力，如果無法做到完全消除內(nèi)應(yīng)力就會(huì)對(duì)金相組織的后續(xù)研究產(chǎn)生影響。

2 預(yù)防金相組織缺陷措施

2.1 嚴(yán)格控制金相組織成分

當(dāng)某種成分在金相組織中所占比重過高，超過原定成分，就會(huì)在相高溫下析出大量結(jié)晶晶粒[3]。假使金相組織中基礎(chǔ)成分的密度比其他成分小，原有成分在熱量的帶動(dòng)下，使原有成分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生金相組織結(jié)構(gòu)異常。該種成分含量越高，組織變異現(xiàn)象越嚴(yán)重。另外，當(dāng)金相組織中穩(wěn)定的基礎(chǔ)成分元素含量過少時(shí)，也會(huì)加重金相組織的變異情況。由此，控制組織成分對(duì)于預(yù)防金相組織的缺陷有重要作用。

2.2 控制熱處理溫度

通過圖像分析我們可以得知，加熱處理溫度的不同是根據(jù)所選取加熱方式的變化而變化的。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)選取不同的材料采用不同的加溫方式，材料的溫度也隨著其變化而變化。因此，選擇什么樣的金象組織的加熱方式，需要按照金相組織的實(shí)際情況確定。隨著金相組織溫度的增加，金相組織晶粒有壯大的趨勢(shì)，同時(shí)晶粒的狀態(tài)也發(fā)生粗大形態(tài)變化，粗大狀態(tài)的晶體使晶體與晶體之間無法結(jié)合，金相組織由整體轉(zhuǎn)向一個(gè)晶粒與一個(gè)晶粒之間的零散組織，影響了晶粒的可塑性與韌性；如果金相組織加熱溫度過低，到不到要求，也得不到我們所希望獲得的性能。

2.3 控制金相組織恒溫時(shí)長(zhǎng)及冷卻溫度

熱處理過后的恒溫時(shí)長(zhǎng)的選擇對(duì)于整個(gè)預(yù)防金相組織異常與缺陷也是極其重要的，除了相應(yīng)的理論保溫時(shí)間確定下來以外，實(shí)際的操作時(shí)間也是制定保溫時(shí)間方案的具體條件之一，就比如說采用不同的加熱設(shè)備，金相組織的保溫時(shí)長(zhǎng)和冷卻時(shí)間都會(huì)有所差異，所以，這些參數(shù)的確定，對(duì)于能否有效預(yù)防金相組織缺陷的產(chǎn)生有重要意義。金相組織再結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生變形時(shí)冷卻速度慢或是進(jìn)行再結(jié)晶時(shí)冷卻的時(shí)間過都是產(chǎn)生晶粒粗大現(xiàn)象的因素。如何確定冷卻時(shí)間以及冷卻時(shí)的溫度控制，對(duì)抑制金相組織在成分產(chǎn)生變異上有重要的作用，金相組織隨著冷卻速度的變化形成不同的組織結(jié)構(gòu)。金相組織的結(jié)構(gòu)成分不同使材料的性能也有所差異，金相組織異常是金相組織缺陷的重要表現(xiàn)之一，其產(chǎn)生的原因通常為對(duì)這三個(gè)因素的沒有進(jìn)行合理的選擇或者控制手段不恰當(dāng)而產(chǎn)生的，我們根據(jù)金相組織的特征可以判斷出產(chǎn)生缺陷的因素，對(duì)這些因素加以改進(jìn)，可以有效避免金相異常組織的出現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)圖像分析法，針對(duì)金相組織的缺陷問題，進(jìn)行圖像分析實(shí)驗(yàn)，分別為金相組織的表象特征與再結(jié)晶情況兩個(gè)方面研究金相組織產(chǎn)生缺陷的原因及影響因素的規(guī)律性，并且分別針對(duì)金相組織的成分、加熱時(shí)長(zhǎng)、保溫時(shí)長(zhǎng)及冷卻時(shí)間這幾方面的因素提出預(yù)防措施。鑒于本次圖像分析結(jié)果，日后還將繼續(xù)研究產(chǎn)生金相組織缺陷的其他原因，提出相應(yīng)的解決辦法，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件以及要求，尋找具體有效的熱處理工藝。保證金相組織研究在安全、可靠的前提下，優(yōu)化熱處理生產(chǎn)的工藝流程，有效避免金相組織缺陷的產(chǎn)生。