[科普中国]-先共析铁素体

简介

随着科学技术的迅猛发展，工业企业国际化进程的加快，理化检验的内涵发生了很大变化。检测项目多元化、检测内容细致化、检测仪器高端化、检测能力快速化已成为生产全过程控制的必然趋势。

金相检验作为理化检验的一种手段，为新产品的研发及零件的失效分析、热处理工艺的改进提供详细的数据，一些新兴、私立企业，对金相检验也越来越重视。因此从事理论与实践教学的教师和初学者、生产一线的工程技术及金相检验人员更需要快速准确辨别先共析铁素体组织。

亚共析钢加热奥氏体化后冷却到Ar3线时，优先从奥氏体中析出的铁素体称为先共析铁素体。先共析铁素体的量取决于奥氏体的碳含量和析出温度及冷却速度，其组织形态与碳含量、加热温度（晶粒度）、冷却速度等因素有关，大体上可分为3类，即等轴块状、网状及沿一定晶面析出的针状铁素体。

在金相检验时，淬火钢中的先共析铁素体不容易鉴别。就曾遇到企业检验员求助辨别45钢调质件中白色网状组织的问题，在实践教学中因学生误操作也发生过类似现象。笔者从热处理工艺入手，详细探讨实际生产中，化学成分、加热温度、冷却速度等因素对亚共析钢先共析铁素体形态和数量的影响，其结论可为企业、学校及其相关人员起到借鉴作用。

试验用加热炉为SX－10－4箱式电阻炉；检测仪器为AXIO VertAⅠ研究级光学显微镜；用截点测量先共析铁素体的数量1。

影响先共析铁素体的因素化学成分通过20钢、45钢、65钢退火后的显微组织形态。可以看出退火状态的亚共析钢随着碳质量分数的增加，铁素体的形态由块状不规则多边形向网状过渡，铁素体的数量不断减少。在实际生产中，这些铁素体的形态容易辨别。

冷却速度1 冷却方式

通过45钢经830℃×30min加热保温后分别采用随炉冷却、空气冷却和油中冷却的显微组织形态。当碳的质量分数和加热温度一定时，随着冷却速度的加快，中碳钢先共析铁素体的形态由块状不规则多边形过渡到网状再到细网状，铁素体的数量逐渐减少。45钢水冷有时也会产生细网状先共析铁素体，需要仔细辨认。

2 工件尺寸

通过50mm×35mm 的45钢较大截面工件经830℃×40min加热保温后水中淬火的显微组织形态。碳素钢由于淬透性较小，淬火后大工件整个截面往往只在表层有很薄的淬硬层。由于从表面到心部冷却速度不同，造成沿截面显微组织不同，从近表面开始获得混合组织，心部将沿晶界析出较多白色网状先共析铁素体。近表层的显微组织是由白色细小断续网状的先共析铁素体、深灰色沿晶界分布的淬火屈氏体、灰色沿晶界向晶内延伸的羽毛状上贝氏体、灰白色淬火中碳马氏体和残余奥氏体基体组成的混合组织；心部的显微组织是由白色网状先共析铁素体、深色淬火屈氏体、白色大块淬火中碳马氏体和残余奥氏体基体组成的混合组织。从表层到心部，由于冷却速度由快变慢，从出现先共析铁素体的部位起，其形态由细小断续半网状过渡到较粗的网状，铁素体的数量不断增加。对于大工件而言，在显微组织检验时，要特别注意整个截面显微组织的变化。

淬火预冷时间1 炉内预冷

通过45钢经830℃×30min加热保温后淬火前，在炉内分别停留267，449，581s后水淬，然后再经600℃×60min回火的显微组织形态。中碳钢在电阻炉中调质时，由于装炉量过大，炉门开启时间过长，工件出炉先后顺序不同，即在加热炉中停留时间（相当于在炉内预冷，其冷却速度大于退火时的冷却速度，小于正火时的冷却速度）长短不一，后出炉的工件有可能析出先共析铁素体，其形态不同于未溶铁素体的凹边多角状。随着在炉中停留时间的延长，先共析铁素体的形态由小块状向不规则多边形过渡，铁素体的数量逐渐增多。炉内预冷267，449，581s后，先共析铁素体所占视域面积分别为±5%，±20%，±30%。这种情况在实际生产中比较少见，但也会发生，在显微组织检验时要结合现场的具体操作进行甄别。

2 空气预冷

通过45钢经830℃×30min加热保温后淬火前分别在空气中停留15，30，40s后水淬，然后再经600℃×60min回火的显微组织形态。实际生产中这样的事例很多，如一些连续作业炉，由于工步设计上的差异，使加热后淬火前的工件在空气中停留时间过长，调质后的显微组织中产生较多的铁素体。还有一些硬度要求不高、形状比较复杂、淬火开裂倾向较大的工件，往往采取预冷淬火。在空气中预冷，其冷却速度相对较快，如时间把握不准确，停留过长，就有先共析铁素体析出，其形态由细短条组成的半网状过渡到块网状，铁素体的数量逐渐增多。空气中预冷15，30，40s后，先共析铁素体所占视域面积分别为±10%，±30%，±40%。

加热温度通过45钢分别在830，860，890℃加热保温30min后在空气中冷却的显微组织形态。化学成分一定的亚共析钢，随着加热温度的升高，在适当的冷却速度下，先共析铁素体的形态由块网状过渡到有针状魏氏组织出现，针状魏氏组织也随着加热温度的升高、晶粒的粗化而增多2。

先共析铁素体与热处理工艺的关系先共析铁素体的形态主要受化学成分（碳的质量分数）、冷却速度和加热温度等因素影响。当碳的质量分数较低时，主要形成块状铁素体；随着碳的质量分数增加，铁素体的数量减少，当铁素体的数量少于50%时，则呈网状分布于珠光体周围。

当钢的化学成分一定时，先共析铁素体的形态与冷却速度有关。冷却速度越慢，先共析铁素体形态趋向于块状，且量较多，块越大；冷却速度越快，先共析铁素体形态趋向于块网状，且量越少，网越细。淬火前的预冷时间不同，先共析铁素体的形态不同。

淬火前在炉内停留时间越长，先共析铁素体析出温度越高，其形态越接近于退火态，即铁素体的形态呈块状；淬火前在空气中预冷时间越长，其形态越接近于正火态，即铁素体呈块网状分布。大截面工件淬火时，由于淬透性的影响，从表层到心部，冷却速度由快变慢，先共析铁素体的形态由断续细小半网状向粗网状过渡。对于碳含量一定的碳钢，加热温度越高，在适当的冷却速度下，可形成魏氏组织铁素体2。

建议及检验思路碳钢选择双液淬火时，需严格控制其在空气中的预冷时间；对于不需预冷的淬火工件，则应加快出炉时间；对于大截面调质工件，最好选择淬透性较好的合金钢。

实际生产中，亚共析钢淬火组织中如出现白色网状或块状组织，通常应考虑是先共析铁素体，因为一般情况下淬火加热温度不会出现太大的偏差，淬火组织中出现未溶铁素体的几率较小。所以组织检验时首先应从冷却速度排查，然后考虑化学成分以及加热温度，就能找到真正的原因。

在显微组织鉴别时，检验人员要养成以下习惯：

第一，目测侵蚀好的试样表面，如有明暗不一的区域，就要把这些区域逐一观察，寻找异同点，分析产生原因，提出解决方案；

第二，无论哪种状态的试样，尽量多观察几个视场，并从最表层看起，依次逐渐向里仔细观察显微组织的变化，丰富知识，积累经验；

第三，每个单位的热处理工艺基本是固定的，所以应如实详细记录检验结果，尽可能收集更多的资料，分门别类整理，总结分析，为以后工艺的改进提供有力的参考依据3。