1 概述
金屬材料的性能和其組織形態(tài)之間, 存在著密切的相關(guān)性。除去化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)的因素外, 合金在各種加工條件下可獲得不同的組織特征, 對(duì)其在加工和使用過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的理化、力學(xué)性能, 均可能產(chǎn)生明顯的影響。因此, 揭示材料的組織狀態(tài)基本參數(shù), 和工程性能之間的普遍關(guān)系, 并據(jù)此為材料的設(shè)計(jì)和加工提供參照, 是材料科學(xué)研究中重要的應(yīng)用手段之一。
定量金相學(xué), 是伴隨著新型的材料在顯微鏡下顯微組織測(cè)試儀器和設(shè)備的發(fā)展而出現(xiàn)的一門(mén)金相學(xué)分支科學(xué)。它依據(jù)體視學(xué)的基本原理,借助自動(dòng)化設(shè)施獲得二維拋光截面上的各種測(cè)量參數(shù)(點(diǎn)、曲線、曲面等) , 并應(yīng)用拓樸學(xué)、幾何概率、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)、微分和積分幾何學(xué)等數(shù)學(xué)方法, 將測(cè)得的二維參數(shù)與材料的三維顯微組織形貌聯(lián)系起來(lái)。定量金相學(xué)可配合其它研究方法, 靈活應(yīng)用于材料研究中的不同場(chǎng)合。本文介紹2個(gè)定量金相技術(shù)在可鍛鑄鐵研究中的應(yīng)用實(shí)例。
2 在可鍛鑄鐵斷裂韌性研究中的應(yīng)用
2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />
隨著工業(yè)社會(huì)對(duì)材料性能要求的日漸嚴(yán)格, 和對(duì)金屬斷裂過(guò)程的深入認(rèn)識(shí), 人們對(duì)金屬材料力學(xué)性能的關(guān)注, 已不再局限于常規(guī)的力學(xué)性能上, 同時(shí)也更注重它們的抗裂性能。鑄鐵中, 石墨在一定條件下可視為斷裂時(shí)的微裂紋擴(kuò)展源, 其形態(tài)和分布對(duì)材料的斷裂韌性影響顯著。因此, 了解可鍛鑄鐵中石墨的特征參量與斷裂韌性之間的關(guān)系,對(duì)于控制鑄鐵的內(nèi)在質(zhì)量及工藝評(píng)價(jià), 具有重要的意義。由于石墨在鑄鐵中的分布是極不均勻的, 因此, 石墨的特征參量必須在隨機(jī)和具有統(tǒng)計(jì)性的條件下, 才具有代表性,這就要求測(cè)定大量的金相數(shù)據(jù)。如果采用人工的方法來(lái)完成, 則任務(wù)將十分繁重, 且難免產(chǎn)生較大的人為誤差; 但如采用定量金相的自動(dòng)測(cè)量技術(shù), 則將精確高效地達(dá)到測(cè)試目的。
2.2 試樣制備
分別取成分相近的可鍛鑄鐵試樣, 經(jīng)不同退火工藝獲得鐵素體、珠光體和粒狀珠光體基體, 分為9組進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試。其中, 1～4 組為鐵素體基體; 5 , 6 組為粒狀珠光體基體; 7 , 8 組基體為85%片狀珠光體; 第9組基體為98%片狀珠光體。
在壓斷的試樣最鄰近斷裂處, 用線切割機(jī)切取3mm 左右厚的試樣, 鑲嵌、磨削、拋光后, 作為定量金相測(cè)試的試樣。
2.3 石墨特征參量的定義
為了綜合考慮石墨對(duì)斷裂韌性的影響,除了一般地測(cè)定石墨顆粒數(shù)量外, 還必須取一些具有代表性的特征參量同時(shí)測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)選取的特征參量及其意義如下：
(1) 石墨最大平均直徑L (mm)
材料中的裂紋長(zhǎng)度對(duì)斷裂韌性來(lái)說(shuō)是比較敏感的參量。如將石墨視為準(zhǔn)裂紋, 則測(cè)得的石墨最大平均直徑L 數(shù)值越大, 材料的抗裂能力越低;
(2) 石墨平均自由程F (mm)
平均自由程表示石墨間最鄰近距離的平均值。它反映了準(zhǔn)裂紋之間的韌帶寬度的平均值。F 的數(shù)值越小, 材料抵抗斷裂的能力就越差;
(3) 單位面積石墨顆粒數(shù)NA(mm-2)
表示試樣截面上單位面積中的石墨相對(duì)量多少;
(4) 單位面積石墨所占百分比AA( %)
即石墨在測(cè)量視場(chǎng)總面積中所占的面積百分比。它也反映了試樣截面上石墨相對(duì)量的多少;
(5) 形狀因子R (無(wú)量綱數(shù))
可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀分布, 具有相同面積而形狀不同的石墨周長(zhǎng)變化會(huì)很大, 因而定義形狀因子R 來(lái)反映石墨形狀的差別, 即準(zhǔn)裂紋的尖銳程度。R 定義如下:
R =l2/4πS
式中 l —石墨顆粒周長(zhǎng);
S —截面圓面積。
2.4 測(cè)試方法
測(cè)試儀器為Q - 900 自動(dòng)圖像分析儀。放大倍數(shù)取255 倍, 視場(chǎng)面積01857 264 mm2 。每組試樣任取4～6 件測(cè)試,每一試樣測(cè)試30～36 個(gè)視場(chǎng)。
2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析
測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
觀察試樣斷口, 片狀珠光基體的可鍛鑄鐵, 具有準(zhǔn)解理斷口的特征, 其斷裂機(jī)理是介于解理斷裂和塑性斷裂之間的一種過(guò)渡斷裂, 其斷裂韌性以線彈性斷裂韌度參量KIC表征; 鐵素體和粒狀珠光體基體的可鍛鑄鐵具有塑性斷裂特征, 以彈塑性斷裂韌度Ji表征其斷裂韌性。
分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 在化學(xué)成分相同的條件下, 無(wú)論什么基體的可鍛鑄鐵中, 隨著NA的增加, 石墨尺寸L 、石墨平均距離F均減小, 石墨形態(tài)趨于圓整(R 趨于1)。以上變化中,NA的增加和F 減小將使斷裂韌性下降,但L 的減小和圓整的石墨又使斷裂韌性增加。由于相反的因素同時(shí)影響,對(duì)于鐵素體和粒狀基體的可鍛鑄鐵而言, 其斷裂韌性隨NA增加呈下降趨勢(shì); 但對(duì)于鐵素體基體而言, 在NA約為100 左右時(shí), 斷裂韌性值Ji和J0.05達(dá)最大; 而對(duì)于片狀珠光體基體可鍛鑄鐵, F 的影響不再顯著。
實(shí)際應(yīng)用中, 由于斷裂韌性的測(cè)定需耗費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi), 而測(cè)定石墨顆粒數(shù)NA 則相對(duì)容量。同時(shí), 石墨的其它特征參數(shù)F , L , R 等與NA間的變化趨勢(shì)有明確的相關(guān)關(guān)系。因而, 在生產(chǎn)中, 如果石墨形狀無(wú)顯著惡化時(shí), 可以用NA來(lái)估計(jì)斷裂韌性的變化。
3 定量金相技術(shù)在可鍛鑄鐵石墨化退火中的應(yīng)用
3.1 試驗(yàn)?zāi)康?br />
可鍛鑄鐵的石墨化長(zhǎng)期以來(lái)沿用2 個(gè)階段的退火工藝。第工一階段退火溫度高于860 ℃。1982 年以來(lái), 國(guó)內(nèi)外相繼試驗(yàn)成功低于A1 溫度的、低溫石墨化退火工藝并用于生產(chǎn)。由于突破了傳統(tǒng)石墨化理論的溫度下限, 對(duì)低溫石墨化的機(jī)理有必要作出新的認(rèn)識(shí)。用定量金相技術(shù), 對(duì)可鍛鑄鐵白口組織中的共晶滲碳體分布形態(tài)進(jìn)行觀察和分析, 即是此項(xiàng)研究中采用的手段之一。
3.2 試樣制備
用正交試驗(yàn)法考察了不同孕育方法、不同退火工藝對(duì)可鍛鑄鐵低溫石墨化過(guò)程的作用, 發(fā)現(xiàn)在用SiFe , Bi-Al 復(fù)合孕育后的試樣, 可經(jīng)750 ℃～720 ℃一階段石墨化退火后完全石墨化。而僅用Bi-Al 孕育的試樣,在同樣工藝條件下并延長(zhǎng)退火時(shí)間, 雖然其中的共析組織已發(fā)生分解, 且鐵素體顆粒已明顯長(zhǎng)大, 但仍有大量共晶滲碳體殘留下來(lái)。
3.3 特征參數(shù)確定
與前例不同, 共晶滲碳體的形態(tài)與石墨相比復(fù)雜得多, 呈塊狀、枝狀分布, 因而在特征參數(shù)的決定上必須有所變化。此外, 滲碳體與基體組織的反差不像石墨那樣明顯,必須在測(cè)試中加以調(diào)整。根據(jù)試驗(yàn)的目標(biāo)及儀器功能, 選定以下參數(shù)為檢測(cè)指標(biāo):
(1) 共晶滲碳體體積百分比V·V
V·V =(視場(chǎng)中共晶滲碳體面積/ 視場(chǎng)面積)×100 %
(2)碳體/ 珠光體相比表面積S ·V (mm-1)
S·V =4/π(共晶滲碳體周長(zhǎng)/ 視場(chǎng)面積)
(3) 單位體積共晶滲碳體占有的相比表面積
S·V/ V·V
(4)平均弦長(zhǎng)M·C (mm)
M·C =共晶滲碳體面積/ 水平投影
此處水平投影的意義指: 在水平方向上落在被測(cè)相內(nèi)的掃描線總長(zhǎng)。期望通過(guò)M·C 來(lái)反映共晶滲碳體的平均厚度。
(5)各向異性因子A·F (無(wú)量綱數(shù))
A·F =水平投影/ 垂直投影
垂直投影的定義與水平投影相仿。測(cè)定A·F 的意義是: 如果被測(cè)相具有明顯的方向性, 則可以通過(guò)A·F 的差異表示出來(lái)。
(6)最密集度C·A (mm)
C·A1 =( 測(cè)量視場(chǎng)面積- 被測(cè)相面積) / 垂直投影
C·A2 =( 測(cè)量視場(chǎng)面積- 被測(cè)相面積) / 水平投影
測(cè)量它們的意義在于: 對(duì)共晶滲碳體之間的平均距離有所反映。
3.4 測(cè)試方法
測(cè)試儀器為劍橋Q - 900 自動(dòng)圖像分析儀。測(cè)試試樣為從澆鑄成Φ16 ×125 圓棒上切下的小圓柱, 按金相試樣制備方法磨制。A , B 2 種試樣各制取35 個(gè), 從中任取25個(gè)測(cè)試。為減少儀器和操作誤差, 2 組試樣交替測(cè)試。對(duì)每一試樣隨機(jī)取50 個(gè)視場(chǎng),視場(chǎng)面積為0.202 846 mm2。測(cè)定A , B 2 組第工一個(gè)試樣50 個(gè)視場(chǎng)數(shù)據(jù)后, 根據(jù)下式估算測(cè)量精度:
δ% =k·σ( x)/ (nx)-2
測(cè)算結(jié)果表明, 在置信度為95 %時(shí),各項(xiàng)被測(cè)參數(shù)的相對(duì)誤差均小于10 %。據(jù)此, 可認(rèn)為所得數(shù)據(jù)是可信的。而后用上述方法檢測(cè)了全部50 個(gè)試樣共2500個(gè)視場(chǎng),對(duì)每一試樣的50 個(gè)視場(chǎng), 取其平均值為該試樣的樣本數(shù)據(jù)。
3.5 測(cè)試結(jié)果及分析
被測(cè)各參數(shù)的均值和方差見(jiàn)表2。
由所測(cè)得的統(tǒng)計(jì)數(shù)值可看出, 2 組數(shù)據(jù)中的各向異性因子A·Y 之值在1.3 上下波動(dòng), 接近測(cè)量視場(chǎng)的長(zhǎng)寬比, 且其方差值與均值比較很小, 這是因?yàn)闄z測(cè)結(jié)果為上千個(gè)視場(chǎng)的平均值, 而試樣中的共晶滲碳體并無(wú)大面積地在某一方向擇優(yōu)生長(zhǎng)的情況, 故A·Y 不表現(xiàn)異常, 對(duì)此參數(shù)不進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)其余6 個(gè)參數(shù), 根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理, 分別進(jìn)行F 檢驗(yàn)和t 檢驗(yàn), 結(jié)果表明, 在98 %置信度水平下, 從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上觀察, 2 組試樣的S ·V , C·R1 , C·R2 等3組數(shù)值無(wú)明顯差別; B 組V·V 明顯大于A 組, 而S·V/ V·V 則是B組明顯小于A 組。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明, 經(jīng)復(fù)合孕育后, A 組試樣中共晶滲碳體的總量明顯減少, 平均厚度變薄, 滲碳體表面積和其間的平均距離無(wú)明顯變化, 而單位體積滲碳體所占有的比表面積明顯增加。這些變化的結(jié)果均有利于石墨核心的形成和碳原子的擴(kuò)散, 促進(jìn)了滲碳體的快速分解。另外, 用透射電子顯微鏡和電子探針對(duì)2 種試樣進(jìn)行了觀察。在A 組試樣中, 可發(fā)現(xiàn)Si元素的分布出現(xiàn)明顯的波動(dòng), 其組織中的錯(cuò)位密度大大增加, 珠光體形態(tài)也發(fā)生了變化。這些試驗(yàn)的結(jié)果均為揭示可鍛鑄鐵低溫石墨化的機(jī)理提供了有力的支持。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上2 個(gè)例子, 使我們認(rèn)識(shí)到: 定量金相技術(shù)在金屬材料的研究和加工過(guò)程中, 是一種強(qiáng)有力的工具。根據(jù)不同的研究目的, 靈活運(yùn)用這一工具, 可精確高效地完成采用傳統(tǒng)金相技術(shù)難以完成的研究任務(wù)。
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