先共析鐵素體

隨着科學技術的迅猛發展，工業企業國際化進程的加快，理化檢驗的內涵發生了很大變化。檢測項目多元化、檢測內容細緻化、檢測儀器高端化、檢測能力快速化已成為生產全過程控制的必然趨勢。

金相檢驗作為理化檢驗的一種手段，為新產品的研發及零件的失效分析、熱處理工藝的改進提供詳細的數據，一些新興、私立企業，對金相檢驗也越來越重視。因此從事理論與實踐教學的教師和初學者、生產一線的工程技術及金相檢驗人員更需要快速準確辨別先共析鐵素體組織。

亞共析鋼加熱奧氏體化後冷卻到Ar3線時，優先從奧氏體中析出的鐵素體稱為先共析鐵素體。先共析鐵素體的量取決於奧氏體的碳含量和析出温度及冷卻速度，其組織形態與碳含量、加熱温度（晶粒度）、冷卻速度等因素有關，大體上可分為3類，即等軸塊狀、網狀及沿一定晶面析出的針狀鐵素體。

在金相檢驗時，淬火鋼中的先共析鐵素體不容易鑑別。就曾遇到企業檢驗員求助辨別45鋼調質件中白色網狀組織的問題，在實踐教學中因學生誤操作也發生過類似現象。筆者從熱處理工藝入手，詳細探討實際生產中，化學成分、加熱温度、冷卻速度等因素對亞共析鋼先共析鐵素體形態和數量的影響，其結論可為企業、學校及其相關人員起到借鑑作用。

試驗用加熱爐為SX－10－4箱式電阻爐；檢測儀器為AXIO　VertAⅠ研究級光學顯微鏡；用截點測量先共析鐵素體的數量 ^[1]  。

通過20鋼、45鋼、65鋼退火後的顯微組織形態。可以看出退火狀態的亞共析鋼隨着碳質量分數的增加，鐵素體的形態由塊狀不規則多邊形向網狀過渡，鐵素體的數量不斷減少。在實際生產中，這些鐵素體的形態容易辨別。

1　冷卻方式

通過45鋼經830℃×30min加熱保温後分別採用隨爐冷卻、空氣冷卻和油中冷卻的顯微組織形態。當碳的質量分數和加熱温度一定時，隨着冷卻速度的加快，中碳鋼先共析鐵素體的形態由塊狀不規則多邊形過渡到網狀再到細網狀，鐵素體的數量逐漸減少。45鋼水冷有時也會產生細網狀先共析鐵素體，需要仔細辨認。

2　工件尺寸

通過50mm×35mm 的45鋼較大截面工件經830℃×40min加熱保温後水中淬火的顯微組織形態。碳素鋼由於淬透性較小，淬火後大工件整個截面往往只在表層有很薄的淬硬層。由於從表面到心部冷卻速度不同，造成沿截面顯微組織不同，從近表面開始獲得混合組織，心部將沿晶界析出較多白色網狀先共析鐵素體。近表層的顯微組織是由白色細小斷續網狀的先共析鐵素體、深灰色沿晶界分佈的淬火屈氏體、灰色沿晶界向晶內延伸的羽毛狀上貝氏體、灰白色淬火中碳馬氏體和殘餘奧氏體基體組成的混合組織；心部的顯微組織是由白色網狀先共析鐵素體、深色淬火屈氏體、白色大塊淬火中碳馬氏體和殘餘奧氏體基體組成的混合組織。從表層到心部，由於冷卻速度由快變慢，從出現先共析鐵素體的部位起，其形態由細小斷續半網狀過渡到較粗的網狀，鐵素體的數量不斷增加。對於大工件而言，在顯微組織檢驗時，要特別注意整個截面顯微組織的變化。

1　爐內預冷

通過45鋼經830℃×30min加熱保温後淬火前，在爐內分別停留267，449，581s後水淬，然後再經600℃×60min回火的顯微組織形態。中碳鋼在電阻爐中調質時，由於裝爐量過大，爐門開啓時間過長，工件出爐先後順序不同，即在加熱爐中停留時間（相當於在爐內預冷，其冷卻速度大於退火時的冷卻速度，小於正火時的冷卻速度）長短不一，後出爐的工件有可能析出先共析鐵素體，其形態不同於未溶鐵素體的凹邊多角狀。隨着在爐中停留時間的延長，先共析鐵素體的形態由小塊狀向不規則多邊形過渡，鐵素體的數量逐漸增多。爐內預冷267，449，581s後，先共析鐵素體所佔視域面積分別為±5%，±20%，±30%。這種情況在實際生產中比較少見，但也會發生，在顯微組織檢驗時要結合現場的具體操作進行甄別。

2　空氣預冷

通過45鋼經830℃×30min加熱保温後淬火前分別在空氣中停留15，30，40s後水淬，然後再經600℃×60min回火的顯微組織形態。實際生產中這樣的事例很多，如一些連續作業爐，由於工步設計上的差異，使加熱後淬火前的工件在空氣中停留時間過長，調質後的顯微組織中產生較多的鐵素體。還有一些硬度要求不高、形狀比較複雜、淬火開裂傾向較大的工件，往往採取預冷淬火。在空氣中預冷，其冷卻速度相對較快，如時間把握不準確，停留過長，就有先共析鐵素體析出，其形態由細短條組成的半網狀過渡到塊網狀，鐵素體的數量逐漸增多。空氣中預冷15，30，40s後，先共析鐵素體所佔視域面積分別為±10%，±30%，±40%。

通過45鋼分別在830，860，890℃加熱保温30min後在空氣中冷卻的顯微組織形態。化學成分一定的亞共析鋼，隨着加熱温度的升高，在適當的冷卻速度下，先共析鐵素體的形態由塊網狀過渡到有針狀魏氏組織出現，針狀魏氏組織也隨着加熱温度的升高、晶粒的粗化而增多 ^[2]  。

先共析鐵素體的形態主要受化學成分（碳的質量分數）、冷卻速度和加熱温度等因素影響。當碳的質量分數較低時，主要形成塊狀鐵素體；隨着碳的質量分數增加，鐵素體的數量減少，當鐵素體的數量少於50%時，則呈網狀分佈於珠光體周圍。

當鋼的化學成分一定時，先共析鐵素體的形態與冷卻速度有關。冷卻速度越慢，先共析鐵素體形態趨向於塊狀，且量較多，塊越大；冷卻速度越快，先共析鐵素體形態趨向於塊網狀，且量越少，網越細。淬火前的預冷時間不同，先共析鐵素體的形態不同。

淬火前在爐內停留時間越長，先共析鐵素體析出温度越高，其形態越接近於退火態，即鐵素體的形態呈塊狀；淬火前在空氣中預冷時間越長，其形態越接近於正火態，即鐵素體呈塊網狀分佈。大截面工件淬火時，由於淬透性的影響，從表層到心部，冷卻速度由快變慢，先共析鐵素體的形態由斷續細小半網狀向粗網狀過渡。對於碳含量一定的碳鋼，加熱温度越高，在適當的冷卻速度下，可形成魏氏組織鐵素體 ^[2]  。

碳鋼選擇雙液淬火時，需嚴格控制其在空氣中的預冷時間；對於不需預冷的淬火工件，則應加快出爐時間；對於大截面調質工件，最好選擇淬透性較好的合金鋼。

實際生產中，亞共析鋼淬火組織中如出現白色網狀或塊狀組織，通常應考慮是先共析鐵素體，因為一般情況下淬火加熱温度不會出現太大的偏差，淬火組織中出現未溶鐵素體的幾率較小。所以組織檢驗時首先應從冷卻速度排查，然後考慮化學成分以及加熱温度，就能找到真正的原因。

在顯微組織鑑別時，檢驗人員要養成以下習慣：

第一，目測侵蝕好的試樣表面，如有明暗不一的區域，就要把這些區域逐一觀察，尋找異同點，分析產生原因，提出解決方案；

第二，無論哪種狀態的試樣，儘量多觀察幾個視場，並從最表層看起，依次逐漸向裏仔細觀察顯微組織的變化，豐富知識，積累經驗；

第三，每個單位的熱處理工藝基本是固定的，所以應如實詳細記錄檢驗結果，儘可能收集更多的資料，分門別類整理，總結分析，為以後工藝的改進提供有力的參考依據 ^[3]  。