摘 要:参考美国标准 ASTM E１２６８－２００１(２０１６)制定了一种钢中带状组织的定量评定方法, 从网格测量线的创建、放大倍数及视场数量对测量结果的影响、定量评定方法与国标评级结果的对 应关系等方面进行了分析.结果表明:创建网格测量线时,自动创建比手动创建精度更高;低倍 (５０~２００倍)下采集视场图进行定量评级的精度值均满足要求;采集５个视场基本能满足统计和 计算需求,当相对精度高于３０％时,可增加视场数量以提升测量结果的精确度;在定量评定方法 中,取向性程度和各向异性指数随带状组织级别的增加而增大,而在国标采用的图谱比较法中,没 有明确的取向性程度和各向异性指数与带状组织级别对应.
关键词:带状组织;定量评定;网格测量线;图谱比较法
中图分类号:TG１１５．２１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０５９３Ｇ０５
钢材中的带状组织由元素偏析导致,是一种常见 的显微组织缺陷,其形貌特征为铁素体与珠光体沿轧 制变形方向交替呈条带分布.带状组织使钢的力学 性能产生各向异性,不仅影响钢的强度、韧性等力学 性能,而且会显著影响钢的热加工和焊接性能[１Ｇ２].
国内对钢中带状组织级别的评定传统上采用图 谱比较法,如 GB/T１３２９９－１９９１«钢的显微组织评 定方法»和新颁布的 GB/T３４４７４．１－２０１７«钢中带 状组织的评定 第１部分:标准评级图法»都是依据 铁素体条带的数量、带状贯穿视场的程度、连续性以 及是否出现变形铁素体比照图谱进行评定;GB/T １８２５４－２００２«高碳铬轴承钢»是根据轴承钢碳化物 带状组织中碳化物颗粒尺寸大小及颗粒含量对照图 谱进行评定.国外对钢中带状组织级别的评定方法 与国内的有所不同,德国标准 SEP１５２０－１９９８«图谱法对 钢 材 碳 化 物 结 构 的 金 相 检 验»和 国 际 标 准 ISO５９４９－１９８３ToolSteelsand BearingSteelsＧ Micrographic Method for Assessing the Distribution of Carbides using Reference Photomicrographs都是采用在一定倍数下与图谱 比较进行评定;美国标准 ASTME１２６８－２００１(２００６) Standard Practice for Assessing the Degree of BandingorOrientationof Microstructures 采用了直 线网格、截点及数理统计的计算方法.综上,国内外 对钢中带状组织级别的评定方法[３Ｇ５]包括两种:一是 采用标准图谱比较法;二是运用数理统计的计算方 法.其中,图谱比较法方便快捷,适合生产检验,但 有一定局限性,只适合两相组织(以铁素体和珠光体 为主,也适用于铁素体和第二相贝氏体等)的带状级 别评定,不适合单相组织和多相组织的带状级别评 定.对于众多低合金钢,如级别高于 X８０且组织均 为针状铁素体的管线钢,以及组织中含有铁素体、贝 氏体和 MA 岛(由马氏体和奥氏体组成,形态像岛 屿,简称为 MA 岛)的 TRIP 钢(相变诱发塑性钢) 等,图谱比较法都不适用.此外,图谱比较法给出了 带状级别,对于生产检验具有很大的优势,但由于不 能建立带状组织与性能之间的关系,无法满足科学 研究的需要.而GB/T３４４７４．１－２０１７只 适合碳的 质量分数不大于 ０．６％ 的亚共析钢带状组 织 的 评 定,对高碳钢的带状组织无法评定.随着产品出口 贸易的快速发展,仅用传统的图谱比较法已不能满 足实际需要.通过引进国外的先进标准,不仅可满 足科研和国内产品出口贸易的需要,而且能使国内对 钢的带状组织评定更系统和完善.为此,笔者参考 ASTME１２６８－２００１(２０１６),研究并制定了一种新的 适用于国内的钢中带状组织定量评定方法,并对其在 使用过程中应注意的问题进行了探讨和说明.
１ 定量评定方法概述
钢中带状组织的定量法评定主要包括两方面:
(１)对钢中带状组织进行定性描述的方法和 分类.
(２)应用直线网格的计算方法实现钢中带状组 织的定量评级,列出方法步骤并通过相关数据计算 出取向性程度指数、各向异性指数等参数. 定量评定方法的前半部分是对带状组织的了 解,后半部分是对带状组织的定量计算.
该定量评定方法的具体操作过程如下[６Ｇ７]:按照GB/T１３２９８－２０１５«金属显微组织检验方法»,将待 检试样打磨、抛光,并用体积分数为４％的硝酸酒精 溶液进行浸蚀,然后吹干.采集５个试样的视场图, 对图中带状组织进行定性描述、分类并选择合适的 测量对象.对于两相或多相组织,如果其中只有一 相呈带状分布,则该带状组织相是测量对象,如果两 相或多相均呈带状分布,为提高计算速度,通常选择 含量少的相进行测量.分别在视场图上设置网格测 量线,并统计带状组织的特征截线和截点数量,记录 数据并计算得出带状组织的标准偏差、精度百分数、 取向性程度指数、各项异性指数等,最终生成报告. 该方法中涉及到的参数包括截点和截线的平均值 (N??L⊥ ,N??L∥ ,P??L⊥ ,P??L∥ )、结果的标准偏差(s)、９５％ 置信区间(９５％CI)、相对精度(％RA)以及带状组织 取向性程度(Ω)和各向异性指数(AI).其中,N??L⊥ 是 N 个视场垂直形变方向的特征截线数平均值, N??L∥ 是 N 个视场平行形变方向的特征截线数平均 值,P??L⊥ 是 N 个视场垂直形变方向的特征截点数平 均值,P??L∥ 是 N 个视场平行形变方向的特征截点数 平均值.
在上述参数中,相对精度可用来衡量计算结果 的准确性,如果相对精度低于３０％则结果可行,如 果相对精度高于３０％则需要增加视场图的数量降 低精度百分数,从而得到准确结果.Ω 表示带状组 织的取向,且０≤Ω≤１,当Ω＝０时,钢中基本无带状 组织;当Ω 增大到几乎接近１时,带状级别较高,带 状取 向 也 更 明 显.AI值 没 有 范 围,当 AI值 超 出 ０~１的界限时,随着带状级别的升高,AI值会从０ 逐渐增大.
２ 定量评定方法相关问题的探讨
２．１ 网格测量线的创建
在 ASTM E１２６８－２００１(２０１６)中,采用光学显 微镜作为钢中带状组织的评定设备,通过电压互感 器(TV)扫描线形成实时图像.用半自动扫描图像 分析仪进行测量并形成检验电子表格,检验网格叠 加到数位板上的投影图像上,用指针计数.当光学 显微镜系统配有金相分析软件时,可以实时采集照 片,并生成网格检验测量线进行带状组织的定量计 算.当无金相分析软件处理图片时,可使用 word 或其他绘图软件进行网格线的绘制.需要注意的 是,统计截点数量时应根据图片标尺按比例转化得 出 word测量线的长度,并在 word中测量或打印后采用网格法测量来计数.
在使用金相分析软件时,网格测量线的创建有 手动和自动两种方式.手动创建网格测量线是在软 件平台用手拖动鼠标在带状组织图片上绘制测量 线,线段长度可用软件测出.线段要平行于变形方 向,每条线段的位置不能有人为的主观偏差.为避 免该偏差带来的测量误差,每条线段长度及其间隔 应相等[８].自动创建网格测量线不需手工绘制,只 需在软件中设置网格的行数和列数等参数就会在图 片上生成测量网格.运用 LeicaQWin,Sisc_Ias８, AnalySIS等软件都可以自动生成测量网格.
以 Q２３５钢纵向试样为例来分析手动和自动创 建网格测量线的区别.在纵向试样上随机采取５个 带状组织的视场图,在同一张视场图上分别通过手 动和自动创建网格测量线并进行定量计算,然后对 比两者的计算结果.其中,在手动创建网格测量线 时,对每个视场图都沿横向绘制７条测量线段,再沿 纵向绘制９条测量线段,线段长度和间距相等,线段 总长度分别为５１７８μm 和５０６０μm;自动创建网 格测量线时,在每个视场沿横向生成７条测量线段,再沿纵向生成９条测量线段,线段长度和间距相等, 线段总长度分别为５１８０μm 和５００１μm.统计截 点数量后,由表１中计算得到的％RA 值可知,和手 动创建网格测量线相比,自动创建网格测量线的数 据更小,精度更高.因此,如果实验室条件允许,在 定量计算时应尽量使用软件自动创建网格测量线, 避免因人为因素导致较大误差.
此外,在手动或自动创建网格测量线时,绘制的 测量线段垂直或平行方向偏差均不应超过５°,单个 视场内测量线段总长度乘以放大倍数后应不小于 ５００mm.且测量线段应覆盖整个视场,如图１a)所 示.应避免测量线段只分布在视场局部基体相或少 数有限的带状组织上,如图１b)所示,否则会导致测 量结果产生较大偏差.
