新学员金相检验基础教程

无锡市理化无损检验协会欢迎你

新学员如何来学好金相检验钱华新整理金相检验技术人员必须掌握和了解的热加工知识基础，各位检验检测人员能够熟练掌握好热加工工艺，就能够应用好基本概念性的知识。该材料由无锡国信质量检验技术研究院和无锡市理化无损检验协会专家委员会与培训指导老师进行组织汇编，供理化检验（金相检验）技术人员提供学习提高的教程。

对新上岗在职质检工作学习还没满半年的，需要学好质量技术监督基础知识后，就要开始起了解理化检验中的金相检验与热加工的相关领域关系。如金属学、金属材料学、【热加工工艺学：铸造的铸造工艺学（熔炼学）、锻造工艺学、焊接工艺学、热处理工艺学等等】在应用在用的最多的是，热处理过程中有什么渗碳啊，渗氮，碳氮工渗，正火，回火，退火，淬火，调质等等，这些处理工艺来都了基本有各种模式，对热处理的各种炉子要有局部的了解，要基本了解热处理的相对技能、进行熟悉和了解。热处理师傅及热处理工程师和质量部门领导感觉做理化检验的金相检验人员身上需要掌握知识还缺点什么，是理论理解差一点呢？还是缺点经验呢？还是分析问题的能力欠些火候呢？作为金相检验人员自己也没整明白。

我们在培训过程中对理论和实操学习中进行对初学切样、镶嵌、抛光、腐蚀的基本功进行详细讲解，一般操作了416马氏体不锈钢，指导老师说的过程请大家记好，不锈钢耐腐蚀的，硝酸酒精腐蚀不动，得用盐酸氯化铁水溶液，这些活学员们都在培训中心学习过程中大家可以进行训练，不会难倒大家的，指导老师会化功夫把样品进行解读，就拿着试样在显微镜上观察。

有颜色色的嘛是马氏体，白色的嘛，是啥，铁素体吗？里面怎么还有那么多黑色的圆点点，这个是啥，难道是球铁的石墨，是不对，是不锈钢材料老师请进行观察，请大家看看图片来观察？

把样品放到显微镜上请大家过程，看这些视野：看高倍然后再看低倍;

500X图片100X图片

指导老师就给大家进行解说：那个有颜色的是马氏体，白色的也是铁

素体，从暗场情况看也证实了和马氏体组织结构是不同的，黑色圆点嘛，估

计是某种夹杂物，这样，这根轴你现在是横向切样看的，我再去纵向切个样

看一下啥情况。

学员们听得一愣有的不明白，暗场，是什么东西呢，横向，纵向怎么要切两次呢？这是为什么呢？

500X的图片：100X的黑白图片：学员们请看完金相图片，我们就请指导老师就再大家进行详细介绍，这个从横向和纵向的情况综合起来看，说明原材料有比较严重的硫化物夹杂物，这个铁素体应该是未溶的，奥氏体化是有点可能不充分。

我们大家讨论下为什么纵向看完就能确定是硫化物夹杂呢？为什么说铁素体是未溶的呢？不能是析出的铁素体吗？

我们的理论指导老师和技能辅导老师要很耐心地进行给学员们进行解释：要从基础部分和解读立体几何的视野角度来看待金相照片哦，横断面上的一个圆，实际上可能是一个球的投影，也可能是一个细长的圆柱体的投影，这个时候去纵向切一刀，就能分辨出到底是哪种立体几何形态了。大家看，横断面这个黑团团，在纵向看是黑色带状，可不就是个细棍子形状吗？以MnS为代表的硫化物夹杂，在扎制、锻造等压力成型加工的时候，MnS这种塑性相很容易沿着变形方向被拉长啊，拉长后可不就是这样的吗？所以我们要采用不同的方向进行综合分析和观察、金属的结构方式在不同角度了解。

至于我们了说下铁素体吧，那也是一个塑性的相，图上的铁素体也是有规律地沿着和MnS一样的方向形成带状，这可不是淬火冷速不够析出的，淬火冷却形成的铁素体不会有这个方向性，说明了基本理念大家就知道了。

学员们大家来说说，是否有点明白了，因为光学平面金相显微镜在做金相检验的时候不能单看平面的图像，要像制图那样从不同视角去立体投影啊。那么你说的暗场又是什么呢？有没有明场的啊？

学员们在金相检验的时候、在明场下观察，光线垂直入射到检测面的视图是平面图片，反射回来的光线成像图像，表面越平的地方反射回来光线越多，光学金相显微镜里看到的自然就越亮越偏白喽，大家看到这张就是同一个视野，我们就把它处理成黑白两色图片吧，铁素体块是不是比边上的马氏体呈现的更亮更白吧？因为铁素体要比马氏体更难腐蚀，测试面就更平了吧。在暗色的地方被酸腐蚀成坑坑洼洼的形态，大部分光线都被漫反射回来后就是这样的一这个结构图型了。

关于说暗场情况成像下，入射光是斜向投射到材料试样的检测面上，它的角度是还很大，那么试样越平的那个面，越少的光线被反射回来后成像就

产生了变化，只有那些坑坑洼洼的地方，才会有光线漫反射回来啊。我们来请大家看看成像的基本原理结构图：

同学们大家看，我把同一个视场的明场图片和暗场图片放到一起来进行对比下，就拿那个红箭头指向的铁素体小块做示范，是不是这样的特征呢？

那为什么大家看完高倍的还不够，还要去看低倍呢？高倍的自然细节放大得更清楚，可是视野小啊，有时候局部并不能代表全部哦，盲人摸象的故事你该听说过，站得远一些才能看到整个大象嘛。

下面我们大家再来讨论下合金钢材料-如：35CrMo淬火回火，硬度450-460HV1，组织是低碳马氏体回火组织+少量球状碳化物。1000X照片：

前面学期有的学员在学习讨论中看了说好想不对啊，这个好像有问题呢，就提问了指导老师：这个35CrMo合金钢怎么淬火组织里会出球状碳化物呢，看上去这个材料硬度蛮高的，回火温度不会超过300度，不会有像高温回火那样出现回火时的碳化物聚集长大现象啊。

假如说那个材料是35CrMo的螺栓的话，这种材料采用冷镦工艺成型方法在做淬火回火，或者冷镦前是做的球化退火，那些多碳化物就有可能是没来得及融溶分解，也有可能会采用工艺的方法是做亚温淬火的吧。

还有部分学员又在显微镜下进行观察来回的看了好几遍，还专门问道，这是什么现象如何解释？

在学习期间的过程中很多学员很认真，有的学员又问道，像这些个小点点是什么？不会可能是碳化物吧，35CrMo钢的材料是是亚共析钢，教课书上的铁碳相图说，亚共析钢哪怕是在两相区奥氏体化，也应该是奥氏体和铁素体两相混合组织？怎么会是碳化物和奥氏体两相混合？请指导老师看看这相图，是不是会解释上误解有错误的地方啊。再请老师给我们详细的描述下，我们可以提供认识这些点状的小点结构的铁素体？

有部分学员听了老师的讲解，还有些没有理解透彻还是没有理解到位，再回到实践操作上在显微镜下看图谱和理论相结合解读过程，学员说跟以前又看了起来觉得像铁素体奇怪了？大家说这个圆的亮点“圆点太小了，在五百至一千倍下观察”可是也看不太清楚？

后来培训辅导老师就提出来、要不这样我们采用扫描电镜来进行观看。后来开启了平时都不怎么用也舍得用的扫描电镜，把试样的样块进行了重新整理清理了几下，开始拍摄金相扫描图片：

大家看完又问老师说：工艺上没有怎么产生变化，大家也还是不明白。不过从光学金相显微镜和扫描电镜照片上看，大家还坚持说是还不是碳化物特征。大家看在5千倍的扫描电镜照片地图谱上看，大圆点直径大约是0.5到1微米，大家注意看有明显的凹凸起伏感呢，这样看起来就可不是铁素体特征了哦，不是碳化物是什么啊？

学员们还是有不理解，老师可是在理论上是不可能出现碳化物啊，上面的相图总不会是误解有错吧？学员们这个时候就老师进行讨论相关理论和金相的相关领域知识点。

指导老师耐心的进行解读相图上的情况，这个相图名字叫“铁碳二元相图”，大家是否知道它还有一个另外个名字是叫铁碳平衡图，那上面描述的是铁碳合金在平衡加热和冷却条件下的结晶和组织转变，平衡加热意味着是以无限慢的速度条件来加热的。这个和实际过程的加热条件还是有区别的。你看这本刘云旭先生著的金属热处理原理上是怎么说的？”

讲解老师用笔在图上添了几根线，继续给大家解释说：看右面图这个是45钢的奥氏体等温形成机理图，如果用笔添上去线的方式来加热保温，你看看，是不是会有奥氏体和碳化物的两相区出现？如果在零件完全进入奥氏体单相区之前就停止加热，马上淬火，最终是不是就应该得到马氏体加碳化物的淬火组织了呢？

看到这里学员们还在那冥思苦想，说：要不我们有条件可以大家一起做个试验，进行观察看一下实际过程中、在加热过热度的情况下对奥氏体化的变化是如何影响形成地，我们在这也没有35CrMo的退火料，那天在试验的刚好有段球化过的GCr15的棒料料尾，学员们在实验室把小试验炉开进行做实验，把炉升温升到860℃。

辅导老师把材料拿出来，在砂轮切割机上把圆棒均分成两截，把两截一起丢进了小炉子。炉温到温后，辅导老师看着表等了70分钟，开门用铁钳取出了第一根试棒，把工件进行淬到了事先准备好的油里，然后关门继续又加热了20分钟，再把第二根也淬了。淬完把两截都给了参加培训学员们进行做金相检验实验分析。

金相样品做好了，请大家进行金相观察。

图1：860保温70分钟图片图2:860保温90分钟图片

学员们请把这两张图进行仔仔细细看看，“理论老师和实训老师会同学员一起探讨和对比上述的试验结果，发现90分钟的看起来未溶碳化物数量是要少很多，个头也小呢，几乎看不到了。这样学员们就明白了，如果加热时间

够长，GCr15的未溶碳化物的数量是固定的，图谱相图上由温度决定碳的溶解度，如果加热时间不够的话那碳化物数量会增多，这个就是因为碳分子碳化物的溶解是需要时间的关系所在，碳在奥氏体里的扩散、平衡，成分均匀化也需要对应的时间”。“35CrMo材料热处理的组织变化也是一样道理，原材料做过球化退火，碳分子化合物是转变球状的状态，这个球化相相对比较大，在奥氏体化的时候，如果没有足够的时间进行碳扩散就提前淬火了，自然就会出现这种反常现象。哪怕是亚共析钢，也会出现碳化物和马氏体两相的淬火组织。这种现象在球化处理过的65Mn等成分接近共析点的亚共析钢上会更明显。”

“对于薄壁工件进行渗碳工件心部硬度一直太高，我们可以重新热处理采用830度返工淬火，心部硬度可以立即下跌5个HRC的硬度，也是因为830度两相区不充分奥氏体化，有部分碳化物未溶入，相等于调整了奥氏体里的化学成分，造成奥氏体淬透性下降喽？”就是这个道理。你们以后能联想到这个事，也是活学活用的理念、你们是否增涨到知识了呢。

十五种金相组织你们应该知道吗？

1.奥氏体

定义：碳元素与合金元素溶解在γ-Fe中的固溶体内，它仍保持γ-Fe的面心立体方晶格

特征：奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。奥氏体

一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni,Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。下图：奥氏体200X

2.铁素体

定义：碳元素与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体

特征：亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。

3.渗碳体

定义：碳与铁形成的一种化合物

特征：渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。

（1）在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状

（2）过共析钢冷却时沿Acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状

（3）铁碳合金冷却到Ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。

4.珠光体

定义：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物

特征：珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。

（1）在A1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。

（2）在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。（3）在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。

（C）屈氏体8000X T8退火状态500X

5.上贝氏体

定义：过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间

特征：过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差为6~8od铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏体，往晶内长大，不穿晶。

6.下贝氏体

定义：同上，但渗碳体在铁素体针内

特征：过冷奥氏体在350℃~Ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细。

7.粒状贝氏体

定义：大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织

特征：过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或全部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相混合物，称为M-A组织。

8.无碳化物贝氏体

定义：板条状铁素体单相组成的组织，也称为铁素体贝氏体

特征：形成温度在贝氏体转变温度区的最上部。板条铁素体之间为富碳奥氏体，富碳奥氏体在随后的冷却过程中也有类似上面的转变。无碳化物贝氏体一般出现在低碳钢中，在硅、铝含量高的钢中也容易形成。

9.马氏体

定义：碳在a-Fe中的过饱和固溶体

特征：

（1）板条马氏体：尺寸大致相同的细马氏体条定向平行排列，组成马氏体束或马氏体领域；在领域与领域之间位向差大，一颗原始奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的领域。由于板条状马氏体形成的温度较高，在冷却过程中，必然发生自回火现象，在形成的马氏体内部析出碳化物，故它易受侵蚀发暗。

（2）针状马氏体，又称片状马氏体或高碳马氏体，它的基本特征是：在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体片较粗大，往往贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体大小受到限制，因此片状马氏体的大小不一，分布无规则。针状马氏体按一定方位形成。在马氏体针叶中有一中脊面，碳量越高，越明显，且马氏体也越尖，同时在马氏体间伴有白色残留奥氏体。

10.莱氏体

定义：奥氏体与渗碳体的共晶混合物

特征：呈树枝状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。

11.回火马氏体

定义：马氏体分解得到极细的过渡型碳化物与过饱和（含碳较低）的a-相混合组织

特征：它由马氏体在150~250℃时回火形成。这种组织极易受腐蚀，光学显微镜下呈暗黑色针状组织（保持淬火马氏体位向），与下贝氏体很相似，只有在高倍电子显微镜下才能看到极细小的碳化物质点。

12.回火屈氏体

定义：碳化物和a-相的混合物

特征：它由马氏体在350~500℃时中温回火形成。其组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物，针状形态已逐渐消失，但仍隐约可见，碳化物在光学显微镜下不能分辨，仅观察到暗黑的组织，在电镜下才能清晰分辨两相，可看出碳化物颗粒已明显长大。

13.回火索氏体

定义：以铁素体为基体，基体上分布着均匀碳化物颗粒

特征：它由马氏体在500~650℃时高温回火形成。其组织特征是由等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，马氏体片的痕迹已消失，渗碳体的外形已较清晰，但在光镜下也难分辨，在电镜下可看到的渗碳体颗粒较大。