分享：彩色金相在显微组织分析中的应用

摘 要:介绍了彩色金相的显示原理、方法及在其显微组织分析中的应用,对比了双相钢、帘线 钢彩色金相和黑白金相的显微组织颜色、形貌及定量计算结果.结果表明:彩色金相因其具有艳丽 的色彩、强烈的对比度,可以明显辨识出双相钢、帘线钢各相显微组织,双相钢的铁素体组织呈浅黄 色、马氏体和残余奥氏体呈亮白色、贝氏体呈棕黑色,帘线钢的珠光体呈亮白色,索氏体呈蓝、黑、 棕、灰白等色,并能够计算出各相显微组织的面积分数,进而实现定量分析,其分析精度远高于传统 黑白金相的. 

关键词:彩色金相;黑白金相;显微组织;定量分析 

中图分类号:TG１４２．１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３２２Ｇ０４

金相显微组织是指金属或合金的具体形态,直 接反映了金属或合金的微观组织形貌,金相分析是 金属材料研究工作的一种重要手段.传统金相多是 黑白金相,即通过化学试剂侵蚀试样表面,使金属表 面产生凹凸不平,进而出现反光能力的差别,然后通 过不同显微组织“黑白衬度”的不同来显示材料微观 组织的形貌特征,这容易导致那些反光能力相近的 不同显微组织被忽略,也因衬度不足,不利于计算各 相显微组织所占比例,不能满足金相定量化研究的 需求;而彩色金相技术,因其艳丽的色彩,鲜明的衬 度,可大大提高金相鉴别能力,更加能够对显微组织 进行直观反映,清晰可靠,可有力弥补传统黑白金相 在显微组织定量分析中的不足,故彩色金相在冶金 行业中越来越受到重视.

笔者阐述了彩色金相显示原理及其在金相显微 组织分析研究中的应用,并通过与传统黑白金相对 比,进一步说明了彩色金相的优势,为广大研发人员 提供参考. 

１ 彩色金相显示原理及方法 

彩色金相,主要是指用化学或物理的方法,在金 属材料试样抛光面上形成一层特殊性质的薄膜,然 后利用入射光的多重反射和干涉现象显示显微组织,从而根据颜色衬度及显微组织形貌来鉴别各种 合金相[１].彩色金相常用的侵蚀方法有化学染色 法、热染色法、阳极化法、干涉蒸发膜真空沉积法、中 性活化离子溅射法、恒电位法等.以上方法中化学 染色法因其可操作性强、试验方法简单等,在铸铁、 碳钢、合金钢及有色金属中应用较为广泛[２Ｇ３].

化学染色法主要是将试样浸入化学试剂中,使 二者充分接触,试样表面发生化学反应,从而在试样 表面形成一层厚度不一的干涉膜.但因试样中显微 组织的不同及相同组织晶粒取向的不同,故形成的 干涉膜呈现的颜色不同,据此进行试样显微组织不 同相的鉴别. 

针对不同试样,配置成分及含量与试样耐蚀性 相匹配的侵蚀剂,在化学染色法中至关重要.合适 的侵蚀剂有利于通过与试样表面的化学反应,在试 样表面形成干涉膜,否则不利于形膜,或形膜完成但 侵蚀时间不合适,在侵蚀过程中干涉膜又遭到破坏, 不利于后期观察. 

２ 彩色金相在显微组织分析中的应用 

２．１ 彩色金相在双相钢显微组织分析中的应用 

双相钢,具有加工成本低、初始加工硬化高、屈 强比低、强度高、延性好、无室温时效现象等特点,既 能满足车辆对安全性能的要求,又能减轻自重,降低 油耗,在环境问题和能源危机的当前,对节约资源, 减少车辆排放物和可持续发展具有十分重要的意 思,广泛应用于汽车制造领域[４Ｇ５].

双相钢显微组织包括铁素体、贝氏体和马氏体复合相,而各相所占面积分数对材料力学性能有较大影 响,各相显微组织含量的检测对调整生产工艺参数具 有指导意义.传统金相为黑白金相,侵蚀剂一般为 ４％(体积分数,下同)硝酸酒精溶液,获得的双相钢显 微组织中铁素体呈现白色,贝氏体和马氏体及残余奥 氏体皆呈黑色.因贝氏体和马氏体及残余奥氏体在 形态上十分接近,颜色均为黑色,故对二者进行区分 存在较大困难,更不利于进行各相显微组织含量的计 算,而彩色金相技术较好地解决了该问题.

２．１．１ 试验材料及方法 

试 样 化 学 成 分 (质 量 分 数,％)为:０．０７C, ０．０８２Si,１．３Mn,０．０１８P,０．０１S,０．４５Cr.生 产 工 艺 为:粗 轧 开 轧 (温 度 １１５０ ℃)→ 精 轧 终 轧 (温 度 ８１０ ℃)→两段冷却(第一段终冷温度６９０ ℃)→卷 取(温度２５０ ℃).

对试样取平行样,磨、抛 后 一 个 试 样 用 ４％ 硝 酸酒精溶液 作 为 侵 蚀 剂 进 行 侵 蚀,另 一 个 试 样 用 ２％(质量分数,下同)偏重亚硫酸钠试剂作为侵蚀 剂进行侵蚀,直至侵蚀面呈浅蓝色,镜面消失.然 后用蔡司 LSM７００激光共聚焦显微镜观察试样表 面显微组织形貌,用 ProImage软件计量显微组织 中各相含量. 

２．１．２ 试验结果及分析 

双相钢试样用４％硝酸酒精溶液侵蚀后的显微 组织形貌如图１所示,可见其为白色基体上分布着 粒状或岛状的黑色组织.其中白色区域组织为铁素 体,黑色区域可能为贝氏体或残余奥氏体和马氏体, 从形状和颜色上无法将二者区分开来.

双相钢试样用２％偏重亚硫酸钠试剂侵蚀后的 显微组织形貌如图２所示,可见铁素体呈浅黄色,马 氏体和残余奥氏体呈亮白色,贝氏体呈棕黑色,从颜 色上即能够区分出各 相.经 用 ProＧImage软 件 测 定,２个视场各相含量见表１.经统计,试验双相钢 铁素体含量为８９．５％,马氏体和残余奥氏体含量为 ３．７％,贝氏体含量为６．８％.

２．２ 彩色金相在帘线钢显微组织鉴别中的应用 

帘线钢因其具有较高的抗拉强度、延伸率、断面 收缩率等力学性能,被广泛应用于建筑、桥梁及汽车 行业中.因其显微组织中索氏体与珠光体含量及分 布均对材料力学性能有较大影响,故成为衡量材料 力学性能好坏的一个重要指标[６Ｇ７].力学性能较好 的钢样显微组织中,索氏体团面积相对较大,珠光体 团面积则相对较小,且片层间距较小,呈细片状珠光体,分布弥散.一般来说,帘线钢抗拉强度随着索氏 体含量的增加而增加,准确测定帘线钢中索氏体和 珠光体含量(一般在５００倍下)具有重要作用.

２．２．１ 试验材料及方法 

选取７２A 帘线钢进行试验,其化学成分(质量 分 数,％)为:０．７２C,０．５３Mn,０．２５７Si,０．００３６S, ０．００７５P和 少 量 的 铜、铝、钛、铬 等. 取 两 个 ?６．５mm圆柱状试样,磨、抛后一个试样用４％硝酸 酒精溶液作为侵蚀剂进行侵蚀,另一个试样用２％ 偏重亚硫酸钠试剂作为侵蚀剂进行侵蚀,直至侵蚀 面呈浅蓝色,镜面消失.然后用蔡司 LSM７００激光 共聚焦 显 微 镜 观 察 其 表 面 显 微 组 织 形 貌,用 Pro Image软件计量组织中各相显微组织的含量. 

２．２．２ 试验结果及分析 

帘线钢试样用４％硝酸酒精溶液侵蚀后的显微组 织形貌如图３所示,可见组织呈现黑、白、灰３种颜色,较细片层珠光体不能被很好地区分辨别.因在黑白金 相中,部分索氏体呈亮白色,珠光体颜色也呈亮白 色,二者在颜色上十分接近,软件不能将二者区别开 来,故不能准确计算两相含量.另外,部分片层间距 较细的珠光体颜色较深,在黑白金相中不易被识别.

双相钢试样用２％偏重亚硫酸钠试剂侵蚀后的 显微组织形貌如图４所示,可见彩色金相下珠光体 呈亮白色,索氏体呈蓝、黑、棕、灰白等色,二者对比 度明显,且珠光体组织一目了然,即使较细片层珠光 体,因其鲜明的对比度,也很容易识别.

用 ProImage软件分别计量帘线钢试样４处视 场在黑白金相和彩色金相下的索氏体和珠光体含 量,结果见表２.由表２可知 ,黑白金相下统计的索 氏体含量与彩色金相下统计的偏差较大.因为黑白 金相颜色单一,组织对比度低,部分索氏体和珠光体 都呈白色,统计软件不能将二者区分.另外,在黑白 金相下,一些片层较细的珠光体不易辨别,也加大了 统计结果的不准确性.而彩色金相,颜色鲜艳,对比 度强,珠光体和索氏体界限分明,有利于软件对各相 的区分和精确计量.

另外,若想得到更加精确的索氏体和珠光体含 量,可以用制图软件(如Photoshop、美图秀秀等)将彩 色金相中全部珠光体用更加鲜明的色彩标记出来,再 用ProImage软件计量珠光体和索氏体的含量. 

３ 结论 

彩色金相色彩艳丽,颜色衬度高,可有效弥补传 统黑白金相的不足.彩色金相可用于双相钢马氏体 和贝氏体等组织的鉴别,马氏体及残余奥氏体为白 色,贝 氏 体 为 棕 黑 色,通 过 彩 色 金 相 技 术 和 Pro Image软件可以实现双相钢铁素体、马氏体和贝氏 体含量的计算,进而实现定量分析.彩色金相下,相 比传统黑白金相,７２A 帘线钢索氏体和珠光体的对 比度更强,有效提高二者含量计算精度.

参考文献: 

[１] 夏建元,曾大新,张红霞,等．金属材料彩色金相图谱 [M]．北京:机械工业出版社,２０１２．

[２] 王蕾．彩色金相在鉴别显微组织中的应用[J]．理化检 验(物理分册),１９９９,３５(１１):５０３Ｇ５０４． 

[３] 蔡晓文,陈兴元,周强,等．TRIP 钢彩色金相组织定 量分析方法[J]．金属热处理,２０１４,３９(１２):１３９Ｇ１４０． 

[４] 王新东,李建新,吝章国,等．河钢集团汽车板产品研 发与技术创新[J]．钢铁,２０１７,５２(８):７２Ｇ７３． 

[５] 孔政,孔宁,张杰,等．双相钢的力学性能和对成形性 极限的影响[J]．机械工程学报,２０１７,５３(１２):１４０． 

[６] 冯文博,刘文玖．８２B高碳钢盘条拉伸翠断的原因分 析[J]．物理测试,２０１５,３３(６):４９Ｇ５０． 

[７] 赵捷,包 俊 成,株 树 行,等．大 规 格 高 碳 钢 盘 条 SWRH８２B中的内部缺陷及形成原因[J]．金属热处 理,２０１１,３６(４):５０Ｇ５１．

文章来源——材料与测试网