晶粒度是表示晶粒大小的尺度[1-5],鋼鐵產品晶粒的大小對其性能有很大影響[6-8]。對于鋼鐵的常溫力學性能來說,晶粒越細小,則強度和硬度越高,同時塑性和韌性也越好。因此晶粒度是鋼鐵產品顯微組織分析中一個很重要的檢驗項目,也是評價金屬材料的重要參數。 

一般依據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對鋼鐵產品進行日常晶粒度的檢驗。GB/T 6394—2017提供了3種平均晶粒度測量方法：比較法、面積法和截點法。對于等軸晶單相組織試樣,使用比較法評定晶粒度既方便又實用,對于批量生產的檢驗,其精度已足夠；對于較高精度平均晶粒度的測量,可以使用面積法和截點法。在仲裁檢驗中,以截點法測量結果為準。面積法要選擇合適的放大倍數,使單視場在給定面積網格內的晶粒數不小于50,并且隨機選擇3個以上視場進行測量。因此,為了得到較高的準確度,面積法計數變得冗長,并且增大了計數誤差,截點法比面積法更簡便。截點法是計數已知長度的試驗線段（或網格）與晶粒截線或者晶界截點的個數,通過計算單位長度截線數、截點數或平均截距來確定晶粒度級別。截點法一般使用人工計數截線數或截點數,晶粒細小時計數易出現誤差,從而導致晶粒度測量結果偏差增大[9]。另外,對于含兩相或多相組織試樣的晶粒度測量,只有第二相與基體晶粒的尺寸基本一樣,或第二相顆粒的數量少而且尺寸很小,且第二相主要位于初生晶粒邊界時,才可使用比較法,其他大部分情況下需要使用面積法或截點法,而這兩種方法一般都需要測量基體相顆粒的數量,并且晶粒數、截線數或截點數的計數更容易出錯,常規檢驗時很少使用。 

針對上述問題,利用LAS Core V4.0金相圖像處理軟件自動記錄測量數值并計算的功能,筆者開發了一種利用截距直接測量平均晶粒度的方法,并用截點法對該方法進行了驗證,最終將該方法成功應用于DH590、38MnVS、400E等含雙相或多相組織鋼的晶粒度測量中。 

1.   試驗材料與方法

試驗材料是超低碳(碳元素質量分數小于0.006%)的無間隙原子（IF）鋼連退板,其組織主要是鐵素體。由于超低碳IF鋼碳含量少,S、P等雜質元素含量也很少,合金元素加入量不多,其組織難以用常規的體積分數為2%~4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,而是使用硫酸銅鹽酸溶液腐蝕,可以得到清晰的鐵素體晶粒形貌,超低碳IF鋼的鐵素體晶粒微觀形貌如圖1所示。 

圖  1  超低碳IF鋼的鐵素體晶粒微觀形貌

利用光學顯微鏡采集5個視場的晶粒度圖片,然后利用LAS Core V4.0金相圖像處理軟件打開圖片,采用截距直接測量法在晶粒度圖片上測量晶粒度,并對該方法的關鍵參數進行了詳細研究,此外還利用GB/T 6394—2017標準中的截點法進行了晶粒度測量和驗證。 

2.   試驗結果與分析

2.1   截距直接測量法

截距直接測量法的基本過程為：首先在金相圖像處理軟件里打開晶粒度圖片,如果系統標尺有變化,要對圖片用系統標尺進行“更新校準”,把像素轉換成正確的實際尺寸；然后選用圖片的分析模塊或測量模塊,在分析或測量模塊里選用直線測量,并在直線測量時勾選兩點法測量工具（有些軟件里直接勾選線段）,就可以在圖片上沿晶粒水平方向畫出單個晶粒的截線,軟件會自動記錄所有晶粒的截線長度,并對長度進行統計計算,隨后可以用Excel軟件導出所有測量和計算結果；最后使用導出數據中的平均截線長度計算或者查表得出晶粒度級別。如果金相圖像處理軟件不同,上面描述的基本過程可能會有些差異。圖2和圖3分別為LAS Core V4.0和Leica QWin Plus兩種金相圖像處理軟件的截距直接測量法界面。 

圖  2  LAS Core V4.0金相圖像處理軟件截距直接測量法界面

圖  3  Leica QWin Plus金相圖像處理軟件截距直接測量法界面

進行截距法直接測量時需要注意以下幾個方面：① 測量方向最好選擇水平方向,這樣易于操作和質量控制,對于非等軸晶粒也可以選擇垂直方向和其他方向,在計算某個方向上的平均晶粒截距時,應盡量保證圖片上所有晶粒的測量方向是一致的；② 在一個方向上,對起始測量晶粒到終止測量晶粒中所有基體晶粒進行連續測量（見圖4）,不允許有跳躍,即不允許有不測量某個晶粒的情況發生,避免人為選擇過大或偏小的晶粒進行測量而造成結果不準確；③ 對于雙相或者多相組織試樣,測量方向上基體相外的第二相晶粒無需測量,只須保證基體組織鐵素體晶粒測量的連續性；④ 晶粒測量截線必須平直,不允許轉折、彎曲。 

圖  4  截距直接測量法測量晶粒圖例

2.2   單視場內截距測量數量的確定

用截距直接測量法測量晶粒度時,單視場內須測量一定數量的晶粒,以保證結果的代表性和統計性。如果測量晶粒個數過多,測量時間較長,就會降低工作效率；如果測量晶粒個數過少,就會導致測量結果不準確,因此找到合適的晶粒測量個數十分重要。在同一張圖片上分別選取20,30,50,70,80,100,120,150個晶粒進行截距測量（見圖5）,得出平均截距,并計算其晶粒度級別,結果如圖6所示。由圖6可知：選取20,30,50個晶粒進行測量時,由于測量數量相對較少,晶粒截距變化較大,故此時的晶粒截距不能代表整個測量視場晶粒的平均截距；當晶粒個數大于70個時,晶粒度平均截距逐漸趨于穩定,與查表所得的晶粒度級別相同,均為8.5級。因此,當測量晶粒數大于70時,其晶粒度評定結果可以代表整個測量視場的晶粒度評定結果。 

圖  5  不同晶粒個數的測量過程

圖  6  平均截距和晶粒度級別隨測量晶粒個數的變化曲線

2.3   截距法測量和驗證結果分析

利用截距直接測量法對超低碳IF鋼采集的5個視場的晶粒圖片進行晶粒截距測量,每個圖片選取80個晶粒進行測量。5個視場的測量結果分別為18.59,17.24,17.78,16.49,16.17 μm,最終的平均截距是17.3 μm,根據GB/T 6394—2017中表6,得出所對應的晶粒度級別為8.5級,根據GB/T 6394—2017中式（15）,得出晶粒度級別為8.42級。 

另外,使用GB/T 6394—2017中截點法對超低碳IF鋼進行測量,具體測量過程如下所述。 

（1）在晶粒度圖片上設置5條測量直線（見圖7）,測量直線總長度L為1.679 6 mm。 

圖  7  直線網格測量圖例

（2）對圖片上測量直線經過的晶粒進行截點數計數,分別為20,19.5,21,20.5,22個,圖片內總截點數為103。 

（3）用同樣的計數方法,其他4個圖片內截點數分別為106.5,102,98,104個。計算5個視場單位長度上的平均截點數PL為61.1個/mm。 

（4）平均截距$\stackrel{<span\; style="color:\#000000;">¯</span>}{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}\text{<span style="color:\#000000;">=</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">1</span>}}{{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}}$,為0.016 4 mm。 

根據GB/T 6394—2017中表6,得出所對應的晶粒度級別為8.5級,根據GB/T 6394—2017中式（15）,得出晶粒度級別為8.57級。 

截距直接測量法測得5個視場的平均截距為17.3 μm,查表得到晶粒度為8.5級,公式計算結果為8.42級；用GB/T 6394—2017中的截點法測得5個視場的平均截距為16.4 μm,查表得到晶粒度為8.5級,公式計算結果為8.57級。根據GB/T 6394—2017,截點法的精確度是截點或截線計數的函數,通過有效的計數可達到優于±0.25級的精確度。截點法的測量結果是無偏差的,重現性和再現性小于±0.5級,而將截距直接測量法與標準中的截點法進行比較,查表得到的晶粒度一致,公式計算得到結果相差0.15級。因此,截距直接測量法更加準確可靠,可以作為平均晶粒度測量的一種有效方法。 

3.   綜合分析

比較法、面積法和截點法一般只能用于鋼產品單相組織試樣的晶粒度測量,對于含雙相或多相組織試樣的晶粒度,只有第二相與基體晶粒尺寸基本一樣,或第二相顆粒的數量少而且尺寸很小時,才可使用比較法,其他大部分情況均使用面積法或截點法,并且這兩類晶粒度測量方法操作相對復雜,常規檢驗中很少使用。晶粒度截距直接測量法準確可靠,可以作為平均晶粒度測量的一種有效方法,尤其對于雙相和多相組織試樣的晶粒度測量,該方法優勢明顯。利用截距直接測量法對DH590、38MnVS、400E鋼晶粒度進行測量,結果分別如圖8~10所示。 

圖  8  截距直接測量法測量DH590鋼晶粒度圖例

圖  9  截距直接測量法測量38MnVS鋼晶粒度和珠光體球團平均尺寸圖例

圖  10  截距直接測量法測量400E鋼晶粒度圖例

DH590鋼組織為鐵素體+馬氏體。先研磨、拋光試樣,再用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,在光學顯微鏡下,選取合適的放大倍數（200倍）觀察試樣的顯微組織；用截距直接測量法對鐵素體晶粒進行測量,測得其平均截距為23.8 μm,經查表,得到對應晶粒度級別為7.5級。 

38MnVS鋼組織為鐵素體+珠光體,先研磨、拋光試樣,再用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,在光學顯微鏡下,選取合適的放大倍數（500倍）觀察試樣的顯微組織[見圖9a）]；用截距直接測量法對鐵素體晶粒度進行測量,測得其平均截距為5.6 μm,經查表,得到對應晶粒度級別為12級。對于38MnVS鋼中的珠光體,也可以利用截距直接測量法測量珠光體球團的平均尺寸,結果為14.3 μm[見圖9b）]。 

400E鋼的組織為鐵素體+珠光體+魏氏組織,魏氏組織形狀為針狀,很不規則。先研磨并拋光400E鋼試樣,再用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,在光學顯微鏡下,選取合適的放大倍數（500倍）觀察試樣的顯微組織（見圖10）。用截距直接測量法對鐵素體晶粒進行測量,測得其平均截距為10.1 μm,經查表,得到對應晶粒度級別為10級。 

4.   結論

（1）截距直接測量法對平均晶粒度的測量結果與GB/T 6394—2017中截點法得到的結果基本一致。該方法簡便可行、檢驗效率高、出錯率低。 

（2）截距直接測量法既適用于單相組織平均晶粒度的測量,也適用于雙相或多相組織平均晶粒度的測量。

文章來源——材料與測試網