钢铁材料显微组织辨识程序及实例说明，助你识别奥氏体、铁素体等

准确识别钢材的组织是材料科学研究和生产检测中的重要任务，目前许多从事金属材料研究和应用的人员经常苦于不能正确识别钢材的组织，尤其是对特殊工艺和成分得到的组织识别困难，阻碍了工程应用和理论研究。本文通过钢材组织识别流程和各类组织实例，帮助材料工作者识别组织。之所以先讲解奥氏体、铁素体、碳化物和珠光体的组织识别，下一篇文章将整理贝氏体和马氏体的组织识别流程，敬请期待。

1. 微观结构识别程序概述

钢铁材料的微观组织鉴定需要遵循基本的鉴定程序：

确定实验钢的牌号和化学成分。

了解实验钢材的加工历史和物理状态，如铸造、锻造、焊接、热处理等工序。

选择检测设备进行观察，如光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）、激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）等。由于不同的检测设备，成像原理不同，放大倍数不同，所以得到的图像形貌色调或灰度等级也不同。

熟悉钢的相图，了解实验钢的临界点、动力学曲线，如等温转变（时间-温度-转变图，TTT）图、连续冷却转变（连续冷却转变，CCT）图等，作为分析判断的依据。

掌握钢的相变机理，熟悉实验钢在相应工艺条件下的相变过程。

关于材料、相变的知识被详细而系统地存储在“大脑”中，形成“软件”，可以随时从“大脑”中调用出来作为分析工具，即应用“智能软件”进行微观组织识别。

1、确定实验钢的牌号及化学成分

金属材料的组织图像，无论是贝氏体还是马氏体，都是以不同程度的灰度呈现的，除了有不同形貌和层次的灰白线外，还有不同层次的灰白区域。要辨别它们属于哪种组织，首先要以钢的化学成分或具体的钢种作为判断的基础数据，如果成分不明确，就很难准确辨别组织类型。

图1 两种合金的层状组织对比：(a) Cu-11.8%Al合金的共析组织(OM)；(b) T8钢的层状珠光体组织(OM)

图2 各种钢的网状组织（OM）a）20MnSiNb钢的网状铁素体+珠光体组织；b）T7钢的网状铁素体+珠光体组织；c）GCr15钢的网状铁素体组织碳素体+珠光体组织

2.明确钢材加工工艺流程

不同的钢材加工工艺也会产生不同的组织形貌，因此还需要考察和了解实验钢材的加工工艺，如铸造、锻造、焊接、热处理等工艺，了解其工艺参数，以确定在此工艺条件下应获得什么样的组织，为准确识别组织类型提供实验背景或前提条件。

图3 钢中各种带状组织（a）OM；（b）TEM；（c）SEM

图3 钢中各种带状组织 (a)OM：16Mn2VNb热轧空冷后“流线”形貌，其实就是带状组织。白色区域为贫碳区，黑色区域为富碳区。在富含合金元素的区域，珠光体较多，这是由于枝晶偏析引起的；(b)TEM：Fe-Mn-Si-Al合金的孪生组织，是在挤压过程中形成的变形孪生。(c)SEM：是超低碳贝氏体钢经热轧、控制冷却后获得的极其细小的层状贝氏体组织。

3.选择检测设备

根据试验要求，预测试样的组织类型，选择试验设备。如果预测组织较粗大，可以采用光学显微镜或激光扫描共聚焦显微镜观察。有时先进行光学显微镜观察；再进行激光扫描共聚焦显微镜观察。当需要观察更细小的组织结构时，则使用扫描电子显微镜或透射电子显微镜。做检查时最好熟悉各种设备的使用。一般钢的铸件组织比较粗大，可以采用光学显微镜或激光扫描共聚焦显微镜进行检查。如果需要进一步观察钢带中的柱状晶或等轴晶的亚结构，则需要使用扫描电子显微镜或透射电子显微镜。此外，如果需要观察断口形貌，则需要使用扫描电子显微镜。如果还需要观察试样表面的漂浮颗粒，测量凸度及其大小，则需要使用扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。

图4 铸造304不锈钢带横截面的枝晶组织（OM）

图5 透射电子显微镜观察到的堆垛层错结构

4.建立并应用相变知识体系

金属组织是相变的产物，因此需要掌握钢的五大转变规律，了解金属固体相变理论，熟悉不同实验条件下组织转变类型、相变过程及组织形貌变化。掌握钢的临界点、相图、动力学曲线（TTT图、CCT图），在头脑中形成相变知识体系，在分析、判断、鉴别组织时可以随时运用。

2. 奥氏体组织的鉴别

1.奥氏体组织形貌

奥氏体定义：钢中的奥氏体是由C或多种化学元素溶解于γ-Fe中形成的固溶体。实际工业用钢中的奥氏体是指含有一定碳含量的钢。有时一定量的奥氏体是加入某些合金元素而形成的固溶体。奥氏体中常含有少量的杂质元素，如Si、Mn、S、P、O、N、H等。因此，奥氏体是由多种化学元素构成的整体组织。在铁碳相图中，奥氏体相区在临界点A1温度以上，是由珠光体在高温下经逆共析转变而形成的。

奥氏体为面心立方结构，原子密排，是最致密的原子堆垛方式，当其{111}晶面露出试样表面时，比铁素体{011}晶面露出表面时致密，晶面能量低，电极电位高，不易被硝酸酒精溶液腐蚀，在显微镜下呈现不同的灰度，是鉴别组织类型的依据之一。

图6a）50CrVA钢加热到1100℃时的奥氏体组织，是C、Cr、V等元素溶解于γ-Fe中形成的固溶体；（b）奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti室温下的奥氏体组织，是C、Cr、Ni等化学元素溶解于γ-Fe中形成的固溶体。可以看出，奥氏体晶粒内存在较多的孪生。

2. 奥氏体的亚结构

奥氏体组织中存在孪生、层错、位错等亚结构。

退火孪晶是在奥氏体晶粒长大过程中形成的，一个奥氏体晶粒具有一定的取向性，晶粒的各向异性使得相邻晶粒在其长大过程中受到应力，从而形成第二种应力。在晶粒形成过程中或原子迁移过程中，发生（111）晶面的错位，将形成孪晶。退火孪晶也可在奥氏体亚晶界迁移过程中形成。孪晶在长度方向上沿晶界迁移生长，在厚度方向上呈逐级生长。

图7 3041不锈钢中的奥氏体孪晶（TEM）

图8 奥氏体钢中的退火孪晶（OM）：（a）OCrl8Ni9；（b）Inconel-600合金

退火孪晶的形态特征：

① 位于晶界(角部)交叉处的孪生具有孪生线;

② 跨奥氏体晶粒的孪生；

③阶梯式孪生；

④不完全半型双胞胎等。

另外，珠光体（铁素体+渗碳体）逆转共析形成奥氏体时，比容变小，这是一个体积收缩的相变过程，必然会产生应变和应变能。沿<111>晶向生长过程中，收缩引起的应变越来越大，为了调节应变能，系统自组织功能可改变生长方向，沿另一<111>晶向生长，从而形成孪生，其特点是界面平直，即孪生边界，原子相对于某一晶面呈镜像对称排列，观察到镜像对称形貌。

图9 (a)面心立方晶体中的孪生关系；(b)Sm-Co合金的高分辨率晶格像(HRTEM)

奥氏体的层错能较低，因此奥氏体中存在层错亚结构。层错是晶体缺陷，但层错能较低，在一定条件下可以稳定存在。将奥氏体不锈钢试样加热至1100℃，保温30分钟，水冷进行固溶处理。在透射电子显微镜下观察发现，含氮奥氏体晶粒中存在大量层错。

图10 含氮奥氏体不锈钢中的堆垛层错（TEM）

3. 铁素体组织识别

1. 铁素体组织识别

铁素体定义：铁素体是由多种化学元素溶解在α-Fe中形成的固溶体。

铁素体具有体心立方结构，与奥氏体晶格相比，铁素体采用不太致密的原子堆垛方式，在平衡状态下铁素体为等轴多角形晶粒，铁素体软而韧，硬度为30-100HB。在Fe-C合金中为C在α-Fe中的固溶体，在钢中特别是合金钢中为C与各种元素在α-Fe中的固溶体。在光学显微镜下，铁素体为多面体晶粒，晶界为灰黑色，蚀刻后各晶粒的平面与原磨削面呈不同的倾斜角度，在垂直光线下，各晶粒的平面对光的反射和折射不同，从而形成不同灰度的晶粒。

图11 （a）多面体铁素体晶粒；（b）纯铁的等轴铁素体晶粒（OM）

图12 (a)晶粒腐蚀后的平面；(b)硅钢片铁素体组织(OM)

在退火状态下，随着钢中碳含量的增加，铁素体数量相对减少，珠光体数量逐渐增加，低碳钢中铁素体为等轴晶粒，中碳钢中铁素体为等轴晶粒，碳含量增加1.5%时，中碳钢中铁素体碳含量增加1.5%。低碳钢渗碳后缓冷后的组织照片可见表层含碳量较高，为共析钢组分，组织为珠光体，因看不到层片组织而呈黑色。

图13 随碳含量增加铁素体形貌的变化（OM）

含铜钢（Fe-1.5%Cu）中也发现了块状组织。钢加热后空冷并在冰盐水中淬火。金相观察表明，在空冷和冰盐水中淬火过程中形成了等轴铁素体晶粒。图14（a）为空冷获得的等轴铁素体晶粒组织，图14（b）为950℃加热后在冰盐水中冷却获得的等轴铁素体晶粒组织。块状铁素体组织晶粒细小，晶界不规则。

图14 (a) Fe-1.5%Cu合金的等轴铁素体；(b)块状铁素体

2. 铁氧体的亚结构

铁素体晶粒内存在亚晶粒，亚晶界面为位错组成的小角度晶界，如图15所示。低碳钢的铁素体组织中，不仅存在位错线，还存在位错，位错网络如图16所示。位错亚结构为线缺陷，位错线上存在应变，用透射电子显微镜观察时，不能满足衍射条件，呈现为黑线。

图15 汽车用钢铁素体中的亚结构（TEM）：（a）铁素体小角度晶界；（b）铁素体晶粒中的位错线

图16 纯铁氧体中的位错线和位错网络（TEM）

4. 碳化物结构鉴定

钢中的碳化物种类繁多，形状各异，有片状、粒状、柱状、球状、网状、条状、鱼骨状、卵石状、针状、方形、短棒状、点阵状、森林状等。钢中的碳化物有渗碳体（Fe3C）、合金渗碳体[(Fe,M)3C]及各种特殊碳化物，如MC型（VC、TiC、NbC等）、M2C型（Mo2C、W2C等）、M23C6型（Cr23C6等）、M6C型（Fe3W3C等）。

1.片状碳化物

图17 (a)高碳钢的珠光体组织（SEM）；(b)Fe-2.6%Cr-0.96%C合金的珠光体组织（TEM）

图17（a）为高碳钢（0.75%C、0.65%Mn、0.15%Si、0.39%Cr）的片层状珠光体组织，在扫描电子显微镜下可以观察到渗碳体片层的三维形貌。照片为二次电子像，凹陷处为灰黑色，凸起较多的部位为渗碳体，呈灰白色，灰度极小。图17（b）为Fe-2.6%Cr-0.96%C合金的珠光体组织的透射电子显微镜照片，两相的灰度与图（a）正好相反，灰白色为铁素体片，黑线区域为渗碳体片。这是电子束衍射成像的结果。在电子束辐照下，铁素体相满足布拉格衍射条件，呈现亮白色，而渗碳体相不满足布拉格衍射条件，呈现黑色。

2.球状、粒状碳化物

钢在高温不完全退火或回火时，其中的碳化物常常以粒状或球状析出，形成球状珠光体或粒状珠光体组织。

1）H13钢的球化组织

钢在高温不完全退火或回火时，其中的碳化物常常以粒状或球状析出，形成球状珠光体或粒状珠光体组织。

图18为H13钢球化退火组织，碳化物呈球状或颗粒状，基体为铁素体。H13钢球化退火后制成薄膜试样，在透射电子显微镜下观察时，铁素体基体为电子束穿透衍射成像，图像为白色，但碳化物颗粒耐腐蚀且较粗，电子束难以穿透，因此呈现黑色。即使碳化物较薄，能被电子束穿透，由于取向关系不同，因此不满足布拉格衍射条件，呈现黑色。

2）高碳钢组织退化

高碳钢退火后组织呈粒状珠光体，其中分布有不规则的粒状渗碳体，如图19所示，为光学成像照片，可以看出渗碳体与铁素体基体均为亮白色或灰白色。

图19 高碳钢粒状渗碳体（OM）形貌：（a）T10钢退火组织；（b）Fe-1.4%C合金退火组织；（c）Cr2钢退火组织；（d）GCr15钢球化组织

3）非调质低碳钢碳化物形态

含钒（V）非调质钢中的碳化物为VC或V4C3。V4C3为缺少C原子的VC，以细小的颗粒形式不规则地分布在铁素体基体中，有时也呈短棒状。如图20所示图20（a）为0.29%C+0.88%V钢在1000℃正火后的透射电子显微镜照片。从图20（a）可以看出，VC颗粒较小，弥散在铁素体基体中，呈不规则分布。20（b）为透射电子显微镜暗场像，白点为VC颗粒。

图20 VC球形颗粒在铁素体基体上（TEM）

3.针状碳化物

针状碳化物很少见，识别程序基于图 21 中的针状二次渗碳体形貌。

图21 高碳钢轨钢魏氏组织(OM)

1）确定钢种：U71Mno。钢锭中心偏析区碳含量达到1.4%（质量分数）。

2）过程：铸锭中心的偏析区凝固并缓慢冷却。

判断：该组织为高碳钢的魏氏组织，渗碳体呈针状析出。

解释：由于选择性结晶，铸锭心部含碳量达1.4%，为过共析组分，在缓冷过程中，沿粗大奥氏体晶界析出先共析渗碳体（二次渗碳体），具有网状特征（亮白色），继续冷却，沿奥氏体晶界，渗碳体沿惯习面生长进入晶粒内，呈针状（立体形状可以是层片状），形成魏氏组织。粗大针状渗碳体的电极电位较高，不易被硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜下呈亮白色。当温度降到临界点A1以下时，剩余奥氏体由共析分解为片状、层片状珠光体组织。该魏德曼组织中的渗碳体形态多样，包括网状渗碳体、针状渗碳体以及层状珠光体中的层状渗碳体。

4. 特殊形貌的碳化物

除了比较典型的片状碳化物、粒状碳化物、网状碳化物、针状碳化物等外，碳化物的形态其实很复杂，由于转变条件不同，可以形成多种形态。22是H13钢中碳化物的形态，有短棒状、木状、针状，其实是珠光体的不同形态，基体是铁素体。黑色区域为碳化物，亮白色区域为铁素体基体。

图22 H13钢的珠光体组织（TEM）：（a）短棒状；（b）森林状；（c）针状

5.莱氏体碳化物和液相沉淀碳化物

铸铁、超高碳钢、中高碳合金模具钢等钢水凝固结晶时，可能形成莱氏体碳化物+奥氏体，其碳化物呈鱼骨状。在冷却过程中，固体可转变为马氏体组织。图23为高铬铸铁的淬火组织，白色鱼骨状物质为碳化物，是由铁液结晶而成的初生碳化物。碳化物呈树枝状生长，在二维金相组织中呈鱼骨状。碳化物夹在针状马氏体和残余奥氏体之间，马氏体片呈灰黑色，已发生自回火。经三氯化铁盐酸水溶液浸蚀后，变为灰黑色，马氏体片间缝隙中有白色残余奥氏体。碳化物和奥氏体不会被蚀刻。

图23 高铬铸铁碳化物+马氏体综合组织（OM）

H13钢是一种中碳中合金钢，其锭材中易形成液态碳化物，在锻造时会破碎，并沿轧制方向分布。钢中枝晶偏析会形成带状组织，也会沿锻造方向分布。图24是H13钢的带状组织和液态碳化物。带状组织和液态碳化物都会降低钢的韧性，在模淬时也容易引起裂纹，所以必须予以消除。去除碳化物和液态碳化物的最佳方法是对锭材或锻件进行退火均匀化处理，即加热到1250-1300℃保温30h。

图24 H13钢的带状组织和液态碳化物（OM）

5. 珠光体组织鉴别

组成珠光体的相有铁素体、渗碳体、合金渗碳体、各种合金碳化物等，珠光体组织有片状、细片状、极细片状、点状、粒状、球状、渗碳体等，还有不规则的珠光体状碳化体、相间析出等多种组织形态。

珠光体定义：珠光体是由过冷奥氏体分解为共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）的完整组织。珠光体由两相组成，但铁素体相对含量较多。基体、渗碳体或碳化物相的形态不同，从而构成不同形态的珠光体。

1. 片层珠光体组织的识别

当共析钢加热到奥氏体相，充分奥氏体化，缓慢冷却后，可获得层状珠光体组织。要识别该组织，必须首先检查其化学成分。

图2571 Crl锯片钢的索氏体组织（SEM）

图25为71Crl锯片钢锻造后的珠光体组织。该钢的主要成分为：w(C)=0.75%、w(Mn)=0.64%、w(Cr)=0.39%，确认该钢为含有少量合金元素的共析钢。锻造后空冷可获得层状珠光体组织，该组织由铁素体+渗碳体组成。

图26 高碳钢中层状珠光体的微观结构：（a）层状珠光体的三维形貌（SEM）；（b）T8钢的索氏体结构（OM）

图26为高碳钢中层状珠光体的显微组织，其主要成分为：w(C)=0.75%、w(Mn)=0.50%、w(Si)=0.15%。(a)为扫描电子显微镜二次电子像中观察到的高碳钢珠光体形貌，灰黑色为铁素体，灰白色为渗碳体。(b)为高碳钢的光学性质，显微镜照片可见基体灰白色区域为铁素体，而渗碳体则为黑色条状，为屈氏体组织，珠光体以铁素体为基础，渗碳体的体积分数相对较小，即渗碳体片层厚度相对较薄，只有在高倍放大下才能知道渗碳体片层的厚度，当物镜的分辨力小于渗碳体片层厚度时，只能看到一条黑线。

图27 (a)层状珠光体；(b)腐蚀后的样品表面

图27(a)为片层状珠光体，图27(b)为腐蚀后试样表面的凹凸形貌(箭头所示)，可以看出渗碳体片状较为凸起。

图28 高碳钢的层状珠光体组织：（a）轨道钢的珠光体+先共析渗碳体组织（OM）；（b）T8钢的层状珠光体表面浮雕（STM）；c）高碳钢Fe-2.6%Cr-0.96%C的层状珠光体组织（TEM）：（d）T8钢的层状珠光体+先共析铁素体表面浮雕（SEM）

如图28所示，同一珠光体组织，用光学显微镜、扫描隧道显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜观察时，其图像形貌有所不同。

2. 珠光体状组织的识别

当过冷程度较大时，过冷奥氏体在珠光体转变c曲线鼻尖温度以下可能转变为珠光体状组织，碳化物形状不规则，不呈平直连续的片状出现，不易识别。

图 29 为 X45CrNiMo4 钢（德国钢种）的珠光体状结构的照片。

可以看出在灰白色的铁素体基体上分布着形状不规则的碳化物，有的呈片状，有的呈粒状，图（b）为该钢的薄膜试样透射电镜照片，可以看出亮白色（灰度接近0%）为铁素体基体，碳化物呈黑色或灰黑色（灰度不一，有时在90%以上）不规则片状。

P92钢的珠光体状组织

P92钢在奥氏体化后，在珠光体鼻尖温度下发生等温转变，产物形貌特殊，以前未见报道，是P92钢固态相变过程研究中的新发现。

图30：P92钢的铁素体+珠光体+碳化物的综合组织（SEM）

识别过程如下：

1）钢种：P92（美国）、1OCr9MoW2VNb（我国）。

2）钢的主要化学成分（质量分数）：w（C）=0.08%-0.12%、w（Cr）= 8.0%-9.5%、w（Mo）=0.3%-0.6%、w（W）= 1.5%-2.0%、w（V）=0.18%-0.25%、w（Nb）=0.06%-0.1%。

3）临界点与C曲线：临界点温度较高，A=826T，铁素体—珠光体转变C曲线鼻尖温度在730℃左右，共析分解温度较高（660～820℃）。

P92钢的TTT图

4）热处理工艺：奥氏体化温度1050℃，745℃等温10h

以上证实了铁素体+珠光体+碳化物的一体化组织。

灰黑色区域为先共析铁素体(图中标记为F)，亮白色颗粒为碳化物，在灰黑色基体上，有呈短棒状或颗粒状的灰白色相，此区域为珠光体，也是类似珠光体的结构(图34a中标记为P，a)所示的珠光体为长柱状，碳化物尺寸比较长；b)是这些长柱状碳化物的横截面形貌。

3. 粒状珠光体组织的鉴别

在一定的奥氏体化和冷却条件下，过冷奥氏体转变为珠光体时，也能形成粒状珠光体。粒状珠光体由铁素体基体和粒状碳化物组成，碳化物呈颗粒状弥散分布。粒状珠光体在力学性能和工艺性能上具有一定的优势。图35是Fe-1.4%C合金和GrCr15钢的粒状珠光体组织。

图35 (a) Fe-1.4%C合金的粒状珠光体组织；(b) GrCr15钢的粒状珠光体组织(OM)

图36 4CR5MOV1SI钢的球体化退火结构：（a）TEM；

图36显示了在870°C下加热的4CR5MOV1SI（H13）钢的电子显微镜照片，在750°C下进行等温冷却，所示的（a）较慢的冷却（a）是粒料的透射量（is scrient carbient carbient and scriide scrient）。电子显微镜。

还有另外两种获得颗粒状珠光的方法：一种是在低温下退火层状珠光，以逐渐使层状碳化物逐渐变化；

如果原始结构是层状的珠光，将其加热到临界点A1，并且温度在很长一段时间内保持较低，温度很高，原子具有分散的能力，层状珍珠层具有较高的表面能量，将其转化为粒状珍珠和斑点如图37所示，由Eutectoid胶结片和铁氧体板组成。

图37水泥片的球体化示意图