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扫描电镜与彩色金相应用实例
内蒙第一机械制造厂中心实验室
闫 平 周 卫
摘要：对含硼的合金钢用三钾试剂对硼相进行了彩色显示。使整个富硼区着色后，明显地区分FeB和Fe2B相以及其它合金元素和硼的混合相，用扫描电镜进行分析，确定框架失效的主要原因是钢中硼含量超标，引起热裂造成的。
关键词：稀土；硼；彩色金相；扫描电镜
引 言
近年来，国内外对稀土和硼在钢中的应用日益广泛。加入微量的硼可显著提高钢的淬透性，并可在一定程度上改善钢的力学性能。硼与钢中合金元素作用对晶界自由能影响更大，但在高温长时间保温后，在晶界析出硼的化合物可引起脆性断裂。本文对ZG20CrMoBRe铸钢由于加入超量硼造成的铸件整体开裂，用金相和扫描电镜进行了分析。
1 框架开裂宏观分析
ZG20CrMoBRe铸钢框架，电炉冶炼在水玻璃砂型中浇注成型后，发现框架整体严重开裂，裂纹长短不一，深浅不均，宏观实物见图1。从框架导轨处取样，沿裂纹处打断，断面呈三种不颜色的粗大柱状晶。从断面颜色初步推测框架是在浇注凝固过程中开裂的，断面兰色区为430℃左右开裂，深褐色区为600℃左右开裂，灰色是铸态正常断口。
2 框架成分及力学性能
将试样进行金相观察，其铸态组织中沿奥氏体晶界有灰白色条状析出相，见图2，类似硼相。为此做钢中微量元素分析，其中硼含量超标，因而使钢的力学性能下降，见表1。
图1 宏观实物(OPI)
硼的最佳加入量0.0005～0.005%wt之间，钢中含硼量超过0.007%wt时容易引起热脆。加入微量硼后钢的力学性能有所提高;随着硼含量增加，热处理后硼对抗拉强度影响不明显，而使冲击韧性急剧下降，试验结果已清楚证实了这一点。
3 金相分析
3.1 铸态金相分析
从裂纹处取样观察组织为铸态组织，裂纹附近有严重的脱碳现象，并有灰色氧化物分布在边缘，裂纹沿晶扩展，沿奥氏体晶界析出硼相，用硝酸酒精腐蚀只能显示基体组织，无法确定硼相的组成部分。
图2 灰白色条状析出相 400×(OMI)
图3 铸态金相着色照片 400×
利用彩色金相化学沉积法，用三钾试剂使硼着色，与黑白金相对比确认，桔黄色为Fe2B相，青兰色为FeB相，铸态金相着色照片见图3，基体不着色。
3.2 正火金相组织
为观察硼的扩散现象，将试样正火处理，处理后硼相仍在原奥氏体晶界上呈点状漫散分布，比铸态时的析出完整，正火金相组织见图4。
图4 正火金相组织 400× 图5 试样正火后，三种试剂着色的金相照片
用三种试剂着色后，硼相也呈点状分布在原奥氏体晶界。易扩散的硼元素经热处理后从高硼区向晶内贫硼区扩散再与合金元素Cr、Mo等作用，加重晶三角区偏聚，着色后该处硼相为FeB和Fe2B及合金元素混合硼相呈粉红色，试样正火后，三种试剂着色的金相照片见图5。
4 扫描电镜分析
4.1 铸态断口
扫描电镜观察铸态宏观断口为结晶状，微观显示脆性解理特征，硼的R扫描分布表明硼沿晶界分布，见图6，波谱定量分析，硼的脉冲高度分布值F·M=6.78%。
4.2 正火断口
正火处理后，R扫描分布表明硼向晶内贫硼区扩散，见图7。波谱定量分析硼的脉冲高度分布值F·M=5.10%。
图6 铸态断口硼沿晶界分布照片 图7 正火断口，硼向晶内贫硼区扩散
5 结果分析
由以上结果得出，框架开裂是因硼含量超标，大量硼相沿奥氏体晶界析出，使钢变脆，框架在冷凝时发出严重的脆性断裂。
硼是活性元素，易扩散，在晶界行为复杂。[1]在各道热处理中经溶解、偏聚、析出、再溶解、再偏聚，再析出等变化。从结果看，硼在晶界偏聚和析出在铸态组织中已存在，正火时一方面进行重结晶，另一方面在原奥氏体晶界上继续析出，而正火保温时向贫硼区扩散。由于框架硼含量高，硼相不能完全从晶界扩散，在空冷时晶界出现新的硼相以漫散区析出，使其原铸态不完整的晶界析出相，加重偏聚形成完整的析出相，此时硼相对晶界性能影响很大。
彩色金相化学沿积着色证明，硼相析出以三种形态存在，一是FeB呈青兰色，二是Fe2B呈桔黄色，三是热处理后合金元素与硼形成混合相呈粉红色。
6 结论
6.1 框架严重开裂是因含硼量超标引起的热脆裂。硼虽起着提高钢的性能的作用，但超量适得其反。
6.2 热处理后，富硼区向贫硼区扩散，使硼相在奥氏体晶界析出完整，此时大大破坏晶界延续性。
6.3 利用彩色、黑白金相技术，为框架用钢进行失效分析，区分硼相重要作用，从而使黑白金相无法区分的组织细节而清楚显示，并推广应用。
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