M‑A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法與流程

2023-06-01 23:41:47 1

M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法技術領域本發明涉及鋼鐵材料中微觀組織分類顯示和定量檢測技術，屬鋼鐵材料領域，特別是一種低合金粒狀貝氏體鋼馬氏體/奧氏體島(M-A島)中馬氏體與殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法。

背景技術：
低合金粒狀貝氏體鋼由於具有較好強韌性、優異抗氫脆性能和適當的抗高溫蠕變性能，被廣泛應用與大型加氫反應器，核電缸體以及某些對材料強度和耐高溫性能有一定要求的部件上。但是，隨著加氫裝置規模的不斷擴大和核電功率的不斷增大，加氫反應器壁厚和核電壓力容器壁厚顯著增加。因此，在實際熱處理過程中由於冷速的限制，容易得到粒狀貝氏體或粒狀組織，這種粒狀貝氏體中的馬氏體/奧氏體島(M-A島)的含量、形貌、尺寸、分布對鋼的力學性能產生重要影響，特別是低溫衝擊性能。因此，準確觀察、分辨粒狀貝氏體或粒狀組織中的M-A島，以及M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體，對於認識材料的顯微組織、優化材料的性能十分重要。採用定量金相分析技術對粒狀貝氏體鋼組織分析的難點在於：對特徵組織的識別和提取，運用傳統的金相腐蝕方法，只能得到顯微組織的灰度圖像，各相之間由於襯度不夠明顯而難以區分。而利用目前的彩色金相腐蝕技術，也很難區分M-A島中的馬氏體和殘餘奧氏體，從而造成在組織分析時部分重要細節被忽略，不利於特徵組織的定量分析。中國專利申請(公開號CN101382494A，公開日2009-3-11，申請人：武漢鋼鐵(集團)公司)，提出一種TRIP鋼中殘餘奧氏體或島狀馬氏體-奧氏體的顯示和定量檢測方法，主要內容通過傳統的彩色金相腐蝕技術，使用LePara試劑(偏重亞硫酸鈉溶液和苦味酸酒精溶液按一定比例混合)對拋光後的組織進行腐蝕，對組織中的多邊形鐵素體、貝氏體鐵素體以及M-A島進行定量金相腐蝕，但使用該腐蝕方法製備的樣品在金相顯微鏡下，M-A島中的馬氏體和殘餘奧氏體都呈白色，很難在金相上進一步對兩者的定量統計。隨著研究手段的不斷發展，雖然目前有一些手段能夠表徵清楚組織中的殘餘奧氏體量(如：利用磁性法測量或XRD測量組織中的殘餘奧氏體量)，但是上述手段不僅試驗過程複雜，且不能對材料組織中的M-A島的量、分布、大小的綜合信息比較直觀的觀察。而在掃描電鏡下使用電子背散射技術(EBSD)可以分辨M-A島中的馬氏體和奧氏體，同時也能觀察局部區域的M-A島分布，但由於M-A島中的馬氏體和基體貝氏體鐵素體結構相同，難以分辨M-A島中的馬氏體和貝氏體鐵素體。更為重要的是，EBSD技術制樣和觀察過程複雜，限制了其廣泛應用。

技術實現要素：
為了克服上述技術的不足，本發明的目的在於提供一種低合金粒狀貝氏體鋼馬氏體/奧氏體島(M-A島)中馬氏體與殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，該方法為能夠明顯區分M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的簡單高效方法，便於在科研和產品研發中對粒狀貝氏體鋼中M-A島微觀組織的鑑別和定量檢測。本發明的技術方案是：一種M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，其步驟如下：(1)按取樣標準截取待檢測的低合金粒狀貝氏體鋼試塊，使用磨製、機械拋光方式製備金相試樣；(2)用電解拋光方法去除金相試樣表面應力層，然後使用2wt％～6wt％的硝酸酒精溶液預腐蝕5～15秒，最後將預腐蝕後的試樣放入無水乙醇中使用超聲波清洗；(3)將超聲波清洗後的金相試樣置於150～300℃無氣氛保護爐子內，保溫2～6小時，出爐後置於乾燥器中，在空氣中冷卻至室溫；(4)在金相顯微鏡下觀察低合金粒狀貝氏體鋼的組織：多邊形鐵素體和貝氏體鐵素體呈藍紫色，馬氏體呈棕色，殘餘奧氏體呈米黃色；(5)利用定量分析軟體對組織中各相進行觀察和定量分析。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，使用磨製、機械拋光方式製備金相試樣後，需要使用無水乙醇-高氯酸-蒸餾水溶液對試樣進行電解拋光，以消除制樣過程中應力引起殘餘奧氏體的分解；電解拋光工藝為：電壓40～60V，電流4～6mA，電解溫度-20℃～-30℃；拋光液：5～10wt％的高氯酸酒精溶液、10～15wt％蒸餾水以及75～85wt％的無水乙醇，拋光時間在30s～60s。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，使用2wt％～6wt％的硝酸酒精溶液預腐蝕5～15秒，在金相顯微鏡下能輕微看清組織即可，然後將預腐蝕後的試樣放入無水乙醇中使用超聲波清洗10～20分鐘，去除腐蝕產物。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，將超聲波清洗後的金相試樣置於150～260℃無氣氛保護爐子內保溫2～6小時，使觀察表面在肉眼觀察下泛藍色為宜。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，在金相顯微鏡下觀察，通過顏色襯度來分辨組織中各種相，多邊形鐵素體和貝氏體鐵素體呈藍紫色，馬氏體呈棕色，殘餘奧氏體呈米黃色，通過顏色差別分辨各相併進行定量分析。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，低合金鋼中主合金元素含量不超過5wt.％，材料顯微組織以粒狀貝氏體為主。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，低合金粒狀貝氏體鋼為合金元素含量不超過5wt.％的CrMo系、NiCr系、MnMoNi系、SiMn系、SiMnMo系、CrMnSi系、CrMnMo系或CrNiMo系。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，磨製試樣在金相試樣磨平機上進行粗磨，自動磨樣機上分別用150#、400#、800#、1200#、2000#金相砂紙上精磨，肉眼觀察未看到明顯劃痕，為後續機械拋光做準備。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，機械拋光轉速在250～350r/min，採用拋光研磨膏為W2.5粒度的金剛石拋光膏，拋光後試樣表面光滑無暇的鏡面並在顯微鏡下觀察無細小劃痕。所述的M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，隨保溫時間的延長，試樣表面由灰白-橙-藍紫色變化，當樣品呈藍紫色時即可從恆溫箱中取出置於乾燥器中，在空氣中冷卻至室溫；根據能產生較好的幹涉效應的成膜厚度原理，成膜厚度控制在300～600埃範圍。本發明的基本原理如下：在使用常規方法製備待檢測試樣的金相試樣後，需要首先對試樣進行電解拋光處理，這是因為試樣中M-A島中的殘餘奧氏體有可能在磨製和拋光試樣過程中發生應力/應變導致的分解，從而會對檢測結果的精度產生不利影響。而電解拋光過程可以將受影響的應力層去除掉，同時不產生新的應力。電解拋光後，試樣需要在2～6wt％的硝酸酒精溶液中輕腐蝕，輕腐蝕的主要作用有兩個，一是由於材料中各相的抗腐蝕能力不同，經腐蝕後在材料表面產生高低不平的形貌，從而在金相顯微鏡下呈現不同的形貌；二是輕腐蝕後的組織，在後續的氧化過程中會產生不同的氧化產物，從而在金相顯微鏡下呈現不同的色澤。輕腐蝕後，需要使用超聲波將腐蝕後附在試樣表面的腐蝕產物去除，避免對後續的氧化過程產生不利影響。將輕腐蝕後的試樣放在150～300℃無氣氛保護的爐子中進行氧化的主要目的是：將輕腐蝕後的顯微組織進行氧化著色，因為不同的組織在輕腐蝕過程中產生不同的腐蝕產物，而不同的腐蝕產物經氧化後呈現不同的色澤，從而達到分辨不同組織的目的。氧化的溫度不能過高，以避免造成M-A島中殘餘奧氏體分解，影響測量精度。根據低合金粒狀貝氏體鋼殘餘奧氏體的分解溫度，確定最高氧化溫度為300℃。本發明的優點及有益效果是：1、使用普通的金相腐蝕方法製備的樣品只能看清鐵素體，而馬氏體/奧氏體島在圖片上輪廓並不明顯。採用LePera試劑金相腐蝕技術雖然能夠把鐵素體和M-A島很好的區分開來，但是不能很好的區別M-A島中的細微差別。本發明提出的技術，不僅能夠很好的區別粒狀貝氏體中鐵素體、M-A島，而且能夠很好的把M-A島中的馬氏體和奧氏體單獨區別開來，從而可以有效分別定量分析對材料性能具有關鍵影響的馬氏體和殘餘奧氏體的含量和分布情況。2、本發明適用範圍廣泛，低合金粒狀貝氏體鋼可以為合金元素含量不超過5wt.％的CrMo系、NiCr系、MnMoNi系、SiMn系、SiMnMo系、CrMnSi系、CrMnMo系或CrNiMo系等低合金貝氏體鋼，常用的合金牌號可以為但並不局限於2.25Cr1Mo-0.25V、G18CrMo2-6、SA508-3、15CrMoVA、18Cr2Ni4WA、12CrNi3、35SiMnMo、15SiMnVTi或25SiMoVB等。3、本發明應用簡單、實驗重複性好、分析數據可靠，相對於使用現代的先進技術設備，不僅具很好的經濟性以及避免樣品製備的繁瑣，無論在科研還是產品開發時還是具有很好的經濟和社會效益。附圖說明圖1為實施例1材料(2.25Cr-1Mo-0.25V鋼經正火+空冷處理)經普通腐蝕後的金相圖。圖2為實施例1材料(2.25Cr-1Mo-0.25V鋼經正火+空冷處理)採用Lepara試劑腐蝕後的金相圖。圖3為實施例1材料(2.25Cr-1Mo-0.25V鋼經正火+空冷處理)採用本發明方法氧化腐蝕後的金相圖。圖4為實施例1金相試樣熱腐蝕保溫前後利用XRD測殘餘奧氏體含量的譜線圖。圖5為實施例2材料(G18CrMo2-6鋼經正火+砂冷處理)經普通腐蝕後的金相圖。圖6為實施例2材料(G18CrMo2-6鋼經正火+砂冷處理)經LePera試劑腐蝕後的金相圖。圖7為實施例2材料(G18CrMo2-6鋼經正火+砂冷處理)使用本發明的腐蝕方法後的金相圖。圖8為實施例3材料(SA508-3鋼經正火+空冷處理)經普通腐蝕後的金相圖。圖9為實施例3材料(SA508-3鋼經正火+空冷處理)經LePera試劑腐蝕後的金相圖。圖10為實施例3材料(SA508-3鋼經正火+空冷處理)使用本發明的腐蝕方法後的金相圖。具體實施方式在具體實施方式中，本發明低合金粒狀貝氏體鋼中馬氏體/奧氏體島中的馬氏體和殘餘奧氏體的分類顯示和定量檢測方法，其步驟如下：(1)按取樣標準將待測低合金粒狀貝氏體鋼鋼樣截取後，製備成一定大小的金相試樣；(2)所述金相試樣經磨製、機械拋光以及電解拋光後，先用2～6wt％的硝酸酒精溶液輕浸蝕，浸蝕時間為5～15秒，再利用超聲波對樣品進行清洗。(3)將超聲波清洗後的金相試樣置於150～300℃無氣氛保護的爐子內，保溫2～6小時，出爐後置於乾燥器中，在空氣中冷卻至室溫；(4)在金相顯微鏡下觀察低合金粒狀貝氏體鋼的組織：多邊形鐵素體和貝氏體鐵素體呈藍紫色，馬氏體呈棕色，殘餘奧氏體呈米黃色；(5)對組織中各相進行定量分析。為了很好的體現出本發明方法的可靠、簡單、經濟並能獲得金相組織的全面信息。在後續具體的實施方案中，本發明列舉的其它兩種對比實驗方法，用來說明本發明具有其它兩種表徵金相組織方法的優越性，但採用的兩種對比實驗方法並不意味著受本發明保護限制。為了證實本發明具有較廣的應用範圍，以及考慮到實際操作的可行性，本發明選擇在三種典型的低合金粒狀貝氏體鋼作為實施案例，分別為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼、G18CrMo2-6鋼以及SA508-3鋼。實施例11、試樣製備(a)本實施例採用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼正火態製備金相試樣，樣品一般為10×10×10mm或8×8×8mm的正方體或的圓柱體。對於樣品尺寸沒有具體要求，但選擇該樣品應具有代表性。(b)磨製試樣在金相試樣磨平機上進行粗磨，自動磨樣機上分別用150#、400#、800#、1200#、2000#金相砂紙上精磨，肉眼觀察未看到明顯劃痕，為後續機械拋光做準備。(c)機械拋光。拋光轉速在250～350r/min為宜，採用拋光研磨膏為W2.5(1.5μm～2.5μm)粒度的金剛石拋光膏，拋光後試樣表面光滑無暇的鏡面並在顯微鏡下觀察無細小劃痕。(d)電解拋光。為了實驗的可靠性，防止在磨樣過程由於應力引起殘餘奧氏體分解，本發明所有研磨好的樣品都增加一道電解拋光工序。電解拋光工藝為：電壓50V，電流5mA，電解溫度-20℃～-30℃；拋光液：8wt％的高氯酸酒精溶液、12wt％蒸餾水以及80wt％的無水乙醇，拋光時間在30s～60s為宜。2、樣品的預腐蝕試樣用濃度為4wt％的硝酸酒精溶液預腐蝕時間8～15s，立即用無水乙醇清洗並用熱吹風機吹乾，預腐蝕不要太深，否則加熱氧化後組織太暗，預腐蝕後的試樣到金相顯微鏡下觀察能夠比較清晰看清組織為宜。3、恆溫箱加熱氧化腐蝕用石英培養皿將預腐蝕好的樣品置於無氣氛保護的恆溫箱，把恆溫箱溫度控制在180～240℃左右，保溫時間根據氧化後試樣表面的顏色變化情況來決定。隨保溫時間的延長，試樣表面一般由灰白-橙-藍紫色變化，當樣品呈藍紫色時即可從恆溫箱中取出置於乾燥器中，在空氣中冷卻至室溫。根據能產生較好的幹涉效應的成膜厚度原理，成膜厚度一般控制在300～600埃範圍，本實施例在該條件下保溫時間為2～4小時腐蝕效果最佳。4、顯微組織的觀察和圖像採集(a)由於本發明實施例中粒狀貝氏體組織中M-A島都比較細小，為了更好的定量分析M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體，金相顯微鏡採用雷射共聚焦(顯示效果與普通顯微鏡一致)觀察，觀察時候使用20×、50×、100×、200×物鏡鏡頭；(b)接通電源，選擇白色光源，調節適宜的孔徑和視場光闌，隨機選擇5～10個不同視場，每個視場分別拍一張1000、2000放大倍數的清晰金相圖片，典型金相圖片如圖3所示。為了對比顯示本發明的特點，同樣的試樣在使用普通腐蝕方法和LePera試劑腐蝕後的金相圖分別如圖1和圖2所示。5、金相圖片組織相鑑定以及定量分析利用AnalySIS定量分析軟體對組織中各相進行定量分析；提取物相特徵：粒狀貝氏體基體或多邊形鐵素體顯示藍紫色、馬氏體呈棕色、殘餘奧氏體為米黃色，對圖像進行定量分析，測得M-A島平均截距為2.4μm，其中M-A島中馬氏體含量為7.5wt％、殘餘奧氏體含量為4.8wt％(由於各相的密度差較少，近似的認為體積分數與質量分數相等，便於與XRD測量值對比)，M-A島的密度0.12個/μm2。採用本發明腐蝕的金相統計結果與採用LePera試劑腐蝕金相統計、XRD測殘餘奧氏體量對比如表1所示，測試的結果與其他測試方法吻合的很好。表1使用不同測試方法對實施例1的2.25Cr-1Mo-0.25V粒狀貝氏體鋼M-A島中馬氏體和殘餘奧氏體的統計對比。用XRD測量氧化腐蝕前、後的組織中殘餘奧氏體量基本不變，測量數據如表1和圖4所示，說明在260℃以下低合金粒狀貝氏體鋼的熱穩定性較好，氧化處理不會造成材料中的殘餘奧氏體的分解。實施例2本實施例使用材料為G18CrMo2-6鋼，試樣經正火+砂冷處理後，顯微組織主要由粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體構成。本實施例的制樣過程同實施例1的方法一樣，但由於本實施例材料耐腐蝕性較差，在預腐蝕時採用2wt％硝酸酒精溶液腐蝕時間5～10s，同時恆溫氧化溫度調整為160～180℃、保溫時間為4～6小時。圖5為本實施例材料經普通腐蝕後的金相圖，圖6為本實施例材料經LePera試劑腐蝕後的金相圖，圖7為本實施例材料使用本發明的腐蝕方法後的金相圖。從上述三圖中可以看出，普通腐蝕只能部分分辨本實施例材料的顯微結構特徵，無法分辨M-A；LePera腐蝕劑腐蝕後能將本實施例材料中的M-A島分別出，但無法分別出M-A島中的馬氏體和殘餘奧氏體；本發明能將M-A島中的馬氏體和奧氏體呈不同色彩顯示出來，可實現對上述兩種組織的定量分析和統計。實施例3本實施例使用材料為SA508-3鋼，試樣經正火+空冷處理後，顯微組織主要由粒狀貝氏體構成。本實施例的制樣過程同實施例1方法一樣，預腐蝕時採用5wt％硝酸酒精溶液腐蝕時間5～8s，恆溫氧化成膜溫度調整為240～280℃，保溫時間為2～4小時。圖8為本實施例材料經普通腐蝕後的金相圖，圖9為本實施例材料經LePera試劑腐蝕後的金相圖，圖10為本實施例材料使用本發明的腐蝕方法後的金相圖。從上述三圖中可以看出，普通腐蝕只能部分分辨本實施例材料的顯微結構特徵，無法分辨M-A；LePera腐蝕劑腐蝕後能將本實施例材料中的M-A島分別出，但無法分別出M-A島中的馬氏體和殘餘奧氏體；本發明能將M-A島中的馬氏體和奧氏體呈不同色彩顯示出來，可實現對上述兩種組織的定量分析和統計。實施例結果表明，本發明鋼鐵材料中微觀組織分類顯示和定量測量的方法，儘量採用較簡單的手段對微觀組織特徵進行儘可能全面的表徵，僅通過常用金相腐蝕技術結合低溫氧化顯色技術，為該類鋼中的微觀組織的識別及定量檢測提供了保證，還促進了產品研發開發，取得了顯著的經濟效益與社會效益。