35 钢“年轮组织” 缺陷解说

35 钢“年轮组织” 缺陷解说 35钢“年轮组织”缺陷解说 段莉萍,陈 耘 (中国兵器工业第五二研究所宁波分所,宁波315041) 摘 要:在抽样检验35钢原材料质量时,发现钢中存在类似树木的年轮状形貌,故称之为“年轮组织”。通过对其宏、微观形貌特征的检验及成因等分析,认为年轮组织的微观形貌是由钢的多种组织组成,即形态各异的铁素体、贝氏体和珠光体等交错构成。这种年轮组织是一种不允许存在的热加工组织缺陷。因此,建议钢材生产企业采用控制轧制、冷却等措施,提高钢材的质量,以利于钢材二次加工和成材率。 关键词:钢材;缺陷;年轮组织 1 引言 在对钢铁零件的原材料进行检验时,经常会发现材料中存在着的各类高、低倍缺陷,有些是常见的、有名可循,有些是少见的、无名可查。某生产厂一次购进几十吨规格<15mm的35钢钢材,入库后,随机抽样检查原材料质量,在抽检的三只试样中,其呈现的异常显微组织在以往的文献中未曾述及。 根据其横截面的宏观特征,笔者将这种组织缺陷命名为“年轮组织”(所用侵蚀剂均为4%硝酸酒精溶液)。 2 年轮组织 2.1 宏观形貌 如图1所示,在试样横截面的金相磨面上,可看到由不同色彩灰度组成的几何圆环,就像树木的年轮一样,因此称之为“年轮组织”。从圆外边缘至心部,可分成五个部分,依次为:第一圆环,白色;第二圆环,深灰色;第三圆环,灰白色;第四圆环,灰色;第五为心部圆形,灰白色,见图1及对应的低倍组织图2,图4,其中第一、二、三环之间的界线清晰,第三、四、五部分的环或圆间的界线不明显。 2.2 微观形貌 观察年轮组织的微观形貌,可以进一步说明年轮组织所显示的宏观现象。在光学显微镜下,上述五部分的显微组织情况分析如下: 图1 年轮组织宏观形貌 图2 一至三环低倍组织形貌 40× 图3 三至四环低倍组织形貌 40× 图4 四至五环低倍组织形貌 40× 图5左侧是一环白色组织,其主要组成物是无碳化物贝氏体,其特征是铁素体大都始于奥氏体晶界,形成一束平行的片,且片较宽,片间距较大,形似魏氏组织;铁素体与奥氏体之间保持严格的晶体学位向关系。片与片之间为富碳的残余奥氏体或奥氏体的其他转变产物,形成与其他组织组成物共存的混合组织[1]。 图5 一至二环高倍组织形貌 400× 图6 二环高倍组织形貌 400× 图7 三环高倍组织形貌 400× 在高倍观察时,二环黑色组织还可细分为两部分,靠近一环颜色较浅(图2中部左侧)的部位是由粗网状铁素体和上贝氏体组成(图5右侧);靠近三环颜色较深(图2中部右侧)的部位是由条块状铁素体和上贝氏体组成(图6)。由于该组织较易腐蚀,其外形呈羽毛状或不规则形状,铁素体板条较薄,渗碳体更小、更密集。因此,这是在较低温度下形成的上贝氏体。 三环白色组织也可细分为两部分,靠近二环颜色较浅(图2右)的部位是由上贝氏体、块状铁素体和珠光体组成(图7);随着与四环的接近,一部分铁素体由块状变为细网状,上贝氏体消失,珠光体量增多,颜色变深(图3左侧)。因此,三环和四环之间界线不清晰。 图8所示的四环黑色组织由网状、块状或魏氏组织的铁素体与珠光体组成。图9心部白色组织由二次魏氏组织的铁素体与珠光体组成。从四环至心部,铁素体逐渐变为较严重魏氏组织或大块状,珠光体量减少,颜色变浅(图4自左至右)。因此,四环和心部之间界线不清晰。 图8 四环高倍组织形貌 400× 图9 心部高倍组织形貌 400× 2.3 化学成分 在钢材横截面样品的金相观察面上,用OxfordLikeISIS型能谱仪进行成分分析。试验结果显示,在年轮组织各环中,碳元素近似均匀分布。 2.4 年轮组织的形成 一般情况下,钢材的交货状态是热轧空冷态,35热轧圆钢的终轧温度为800,850?,停轧后大多采用堆垛空冷方式冷却,正常的显微组织应为等轴铁素体与珠光体。但在实际生产中,经常会出现终轧温度过高、堆垛过密等情况,因此热加工余热所引起的复杂冷却条件,将会造成钢材从表面至心部的不同深度,具有不同的冷却速度及相变过程,使钢材得到复杂的显微组织。本文所涉及的样品之所以存在着“年轮组织”,正是在上述情况下形成的。根据样品的组织形貌和钢的连续冷却转变曲线,可以将样品从表面至心部的冷却过程描述如下:因表面的一环冷却速度最快,获得无碳化物贝氏体;以后随着冷却速度的逐渐减慢,获得前述各环的组织。由于堆垛过密等因素,使钢材散热变慢,最后心部形成了过热组织,导致钢材力学性能的不均匀甚至恶化。不同位置的显微组织取决于钢的成分、钢材直径、终轧温度和钢材的堆垛方式等诸多因素。 3 建议 随着轧钢设备、轧制工艺和技术的不断发展,热轧后控制冷却的技术迅速提高,从轧后自然冷却、人工调节和控制等发展到现在可以根据钢种、终轧温度实现计算机控制。因此,建议钢材生产企业在提高钢材产量的同时,严把钢材质量关。不断改进工艺和技术,减少钢材缺陷的产生,提高钢材的质量和成材率,减少钢制结构和零部件的失效。以优良的钢材品质供货,减少深加工前的退火和调质等工序,节约能源,避免供需双方不必要的麻烦和经济损失。 4 结论 从宏观来看,年轮组织是由深浅不同的几何圆环或圆组成。从微观来看,年轮组织是由六种形态各异的组织组成物交错构成。年轮组织的形成不是由化学成分偏析引起的。年轮组织严重恶化钢材的力学性能,是不允许存在的组织缺陷。 本文摘自 理化检验-物理分册 2003 年第39卷第11 期