鋼中的魏氏組織

王紅俐

（韶關(guān)市技師學(xué)院，廣東 韶關(guān)）

0 前言

鋼中的魏氏組織分兩類(lèi)：鐵素體型魏氏組織和滲碳體型魏氏組織。本文所研究的是亞共析鋼（16Mn）中的魏氏組織，即鐵素體型魏氏組織。

魏氏組織由Widmanstātter最先在Fe-Ni隕石中發(fā)現(xiàn)，是按一定幾何形狀分布的針狀組織。通常所說(shuō)的魏氏組織鋼中先共析的鐵素體或滲碳體不僅沿奧氏體晶界析出，而且在奧氏體晶粒內(nèi)部以一定的位向關(guān)系呈片狀（在顯微鏡下呈針狀態(tài)），而研究較多的是先共析片狀鐵素體即魏氏組織鐵素體。

通常認(rèn)為魏氏組織是一種過(guò)熱組織，降低鋼的機(jī)械性能，因此常用正火方法予以消除。但后來(lái)的研究表明，魏氏組織并不是過(guò)熱的標(biāo)志。姚枚、范瑩隆等證實(shí)了它可分為交叉針狀和平行針狀兩類(lèi)，并發(fā)現(xiàn)形成以交叉針狀鐵素體為主的魏氏組織時(shí)，鋼材的抗冷脆性好。范瑩隆等已研究了亞共析鋼中魏氏組織鐵素體的形貌，探討其形成機(jī)制，以達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的目的。

本文就是在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步證實(shí)了魏氏組織的F形態(tài)可分為交叉和平行兩種形狀，連續(xù)觀察磨光試樣在形成魏氏組織時(shí)的浮凸，并通過(guò)浮凸與組織對(duì)應(yīng)比較獲得魏氏組織形成機(jī)制的有關(guān)組織。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)采用16Mn鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1

表1

為獲得兩類(lèi)魏氏組織，采用兩種不同溫度650℃和560℃鹽浴等溫（鹽浴的配比為31%BaCl2+48%CaCl2+21%NaCl,其熔點(diǎn)為435℃）一定時(shí)間后用10%NaCl鹽水淬的方法，其奧氏體化為用管式高溫爐加熱到1100℃保溫10分鐘，試樣加工成10*15*2mm。腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 通過(guò)鹽浴等溫試驗(yàn)獲得的組織

650℃等溫15s試樣中，沿奧氏體晶界出現(xiàn)白色的塊狀鐵素體，而在晶粒內(nèi)部有少部分的雜亂分布針狀鐵素體，其組織為塊狀F+交叉針狀F+其它產(chǎn)物。我們可把此塊狀F看成也為交叉針狀F，它們的分布是隨機(jī)的；

560℃等溫15s試樣中，可看到沿奧氏體晶界向晶粒內(nèi)部伸長(zhǎng)的平行針狀鐵素體，在晶粒內(nèi)部亦有平行塊狀鐵素體的析出。

2．2 用高溫金相法獲得的組織，可更加清晰地分辨出兩類(lèi)魏氏組織

650℃等溫試樣中，奧氏體晶界上分布著雜亂的塊狀F（交叉針狀F）在某些地方可以看到少數(shù)的呈針狀的F，其組織為交叉針狀F。

在連續(xù)冷卻獲得的組織中，很明顯地可看出其為平行針狀F，這些F束與束之間成一定的角度，在同一束內(nèi)針與針、束與束之間有一些細(xì)小組織。

2．3 連續(xù)冷卻的試樣

控制冷卻速度，連續(xù)冷卻可以在試樣的表面看到明顯的浮凸，在拋光腐蝕后對(duì)比觀察其顯微組織，可以看出對(duì)應(yīng)的三角形，在相當(dāng)于表面浮凸的地方存在著魏氏組織的α鐵，它們平行針狀排列，而在沿晶粒間界相當(dāng)于鐵素體的地主，表面則是平坦的，沒(méi)有浮凸，進(jìn)一步比較還可發(fā)現(xiàn)，兩者不能象馬氏體那樣十分嚴(yán)格地對(duì)立。另外，在試驗(yàn)連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，魏氏組織的浮凸的形成是十分迅速的，而且在瞬間形成之后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有什么改變。

2．4 650℃等溫的試樣表面沒(méi)有浮凸現(xiàn)象，其顯微組織為交叉針狀鐵素體

3 討論

由以上試驗(yàn)結(jié)果我們知道，魏氏組織有交叉針狀和平行針狀兩類(lèi)，它們的形態(tài)及形成時(shí)的變化不相同，因此可以推測(cè)它們可能是按不同的機(jī)制形成的。

戚正風(fēng)等人認(rèn)為：先共析鐵素體的析出也是一個(gè)形核、長(zhǎng)大過(guò)程，先共析鐵素體的核大都是在奧氏體晶界上形成，晶核與一側(cè)的奧氏體晶粒（γ1）存在K-S關(guān)系，兩者之間為共格界面，但與另一側(cè)的奧氏體晶粒（γ2）無(wú)位向關(guān)系，兩者之間為非共格界面。晶核形成后，當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低時(shí)，鐵原子作長(zhǎng)距離擴(kuò)散變得困難，使非共格界面不易遷移，而共格界面先鋒則成為主要的。因此，鐵素體晶粒將通過(guò)共格界面向與其有位向關(guān)系的奧氏體晶粒γ1長(zhǎng)大，為減少?gòu)椥阅埽F素體將呈條片狀向奧氏體某一晶面{111}向晶粒伸長(zhǎng)，此片狀鐵素體常呈現(xiàn)出彼此平行或互成60°、90°。圖1奧氏體;有時(shí)可能由于析出開(kāi)始時(shí)溫度較高，最先析出的鐵素體沿奧氏體晶界成網(wǎng)狀，隨后溫度降低，再由網(wǎng)狀鐵素體的一側(cè)以片狀向晶粒內(nèi)長(zhǎng)大。圖1b。

圖1 先共析片狀鐵素體形成示意圖

魏氏組織在形成時(shí)還將在磨光的表面上產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象。眾所周知，馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)也形成浮凸，現(xiàn)已公認(rèn)：馬氏體轉(zhuǎn)變是通過(guò)奧氏體的均勻切變進(jìn)行的。奧氏體中已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的部分發(fā)生了宏觀切變而使點(diǎn)陣發(fā)生改組，且?guī)?dòng)靠近晶界的還未轉(zhuǎn)變的奧氏體也隨之而來(lái)發(fā)生了彈塑性應(yīng)變，故在磨光表面出現(xiàn)部分突起、部分凹陷的浮凸現(xiàn)象魏氏組織形成時(shí)出現(xiàn)浮凸，因此，柯梭認(rèn)為魏氏組織鐵素體是通過(guò)類(lèi)似馬氏體相變的切變機(jī)制形成的。在長(zhǎng)大時(shí)，它與奧氏體之間以后者的切變而維持兩相的共格。近期的研究表明，魏氏組織所引起的浮凸現(xiàn)象與馬氏體相變引起的不同：前者為 “∧”形，后者為 “N”形。Hehemann認(rèn)為通過(guò)切變機(jī)制可以造成V型浮凸，之所以不形成N型浮凸可能是由于某種特殊原因?qū)е虏粚?duì)稱(chēng)長(zhǎng)大，即切變時(shí)只是一側(cè)界面移動(dòng)，而另一側(cè)辦面保持不動(dòng)。Aaronson首先提出，魏氏鐵素體是通過(guò)臺(tái)階機(jī)制長(zhǎng)大的，具有半共格或共格界面時(shí)茂片狀新相的寬面上存在的位錯(cuò)難以在垂直寬面方向上運(yùn)動(dòng)，就只能利用臺(tái)階邊的擴(kuò)散長(zhǎng)大，使相界面在垂直方向推移，如圖2：其中小箭頭表示臺(tái)階邊（非共格晶面）的伸長(zhǎng)，大箭頭表示寬面方向總的增厚，這增厚是臺(tái)階邊總伸長(zhǎng)的結(jié)果。

圖2 臺(tái)階長(zhǎng)大機(jī)制示意圖

我們研究了16Mn鋼中魏氏組織的形貌，證實(shí)鋼中的魏氏組織確實(shí)具有兩種形態(tài)：交叉針和平行排列針，交叉針比平行針組織具有較好的機(jī)械性能。我們的研究認(rèn)為：在650℃以為轉(zhuǎn)變的為塊狀鐵素體（F1），650-600℃之間轉(zhuǎn)變的為交叉針狀鐵素體 （F2），600℃以下轉(zhuǎn)變的為平行針狀鐵素體（F3）。

綜上所述：（1）交叉針狀鐵素體具有高密度的位錯(cuò)，層錯(cuò)能高，臺(tái)階機(jī)制形成后，使鐵素體針獨(dú)立存在，真正的交叉形式分布，整個(gè)組織無(wú)方向性，因此細(xì)化晶粒，組織均勻性提高，增加裂紋擴(kuò)展阻力，因此，當(dāng)形成以交叉針狀鐵素體為主的組織時(shí)，鋼的低溫韌性最佳，強(qiáng)韌性也提高；（2）平行針狀鐵素體初始階段按切變機(jī)制形成，因此各鐵素體針的空間位向關(guān)系基本相同，裂紋通過(guò)平行針晶界的擴(kuò)展沒(méi)有太大的阻力，“有效”的晶粒尺寸并未細(xì)化，鋼材低溫脆性沒(méi)有得到改善，有時(shí)反而由于針的平行排列，可把其看作長(zhǎng)方體，晶粒粗大而使性能惡化。

4 結(jié)論

1）鋼中魏氏確實(shí)可分為交叉針狀與平行針狀兩類(lèi)，它們有不同的形貌。

2）交叉針隨機(jī)分布，形成時(shí)無(wú)浮凸現(xiàn)象，其形成機(jī)制為臺(tái)階或小平面方式生長(zhǎng)。

3）平等針?lè)植加幸欢ㄒ?guī)律，有明顯的浮凸現(xiàn)象與顯微組織對(duì)應(yīng)，但對(duì)應(yīng)不是十分嚴(yán)格。形成時(shí)，大針是按切變機(jī)制形成的，隨后形成的大針之間的小針是按臺(tái)階、擴(kuò)散型機(jī)制形成的，因此，平等針狀鐵素體的形成是切變+臺(tái)階兩種機(jī)制都存在，初始階段為切變機(jī)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文的全部研究工作是在范瑩隆老師的精心指導(dǎo)下完成的，在工作中得到金材實(shí)驗(yàn)室石英、陳春桃及其他老師的幫助和大力支持，李?lèi)?ài)民、王立新、劉文、黃紅格等同志也給予了很多幫助，在此，特表示最誠(chéng)摯的謝意。

［1］戚正風(fēng)．金屬熱處理原理[M]．機(jī)械出版社，1989．

［2］柯梭，等[J]．金屬學(xué)報(bào)．

［3］徐祖耀．相變?cè)韀M]．科學(xué)出版社，1988．

［4］姚忠凱，等編譯．鋼的組織轉(zhuǎn)變譯文集[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，1985．

［5］姚枚、范瑩，?。饘倏茖W(xué)與工藝[J]．