钢铁材料中铁素体的三维形态与分析

钢铁材料中铁素体的三维形态与分析

王海波

河北津西钢铁集团股份有限公司

摘要：钢铁材料是到现在为止，可回收利用材料当中最重要的一种材料。钢铁材料当中有一种重要的组成部分就是铁素体，通过研究铁素体的各种形态以及它存活的状态，能够对钢铁材料在进化过程中的力学特性或者物理性能的了解有着重要的科学意义。随着科学技术的不断发展，科学家对铁素体的研究也越来越深入，现阶段已经可以用相应的科学技术的手段去分析铁素体的三维形态了。本文作者主要是根据钢铁材料中的铁素体的三维形态做了研究，进一步的知道了钢铁材料当中铁素体是怎样演变的。

关键词：钢铁材料；铁素体；三角形态；分析

引言：随着科学技术的不断发展，我国关于形态研究的设备也越来越先进，比如光学显微镜或电子显微镜已经成为了研究金属材料中组织形态的重要设备。但是我们都知道显微镜显示出来的形态基本上都是属于二维形态，二维形态在现阶段来讲，不太适合于我们用来做分析，因为它有一定的弊端。钢铁材料是我们现如今为止应用最广的建筑材料之一，钢铁材料当中的铁素体是怎样演变的，一直以来都是我们想要去探讨的重要问题。但是对于铁素体形态演变中最合理的形态展示应该是三维形态。所以现阶段利用双摩面的方法配合着显微镜展现铁素体的三维形态是近几年来常用的方法。本文笔者主要是结合相关的资料以及笔者本身的工作经历，对钢铁材料当中铁素体的三维形态进行了分析。

一、钢铁材料内部组织的分析发展过程

我们都知道在过去的时间里，想要研究某种组织以及它的形态采用的都是显微镜进行研究，其所显示的形态也都是二维形态，而这种二维形态，它具有一定的局限性，有时观察不到物质的全部组织。所以三维形态的展示是我们现阶段主要想攻克的难题。对于三维形态的研究，有两位科学家对此做了大量的研究。著名科学家杜布在研究的过程中把钢铁材料当中的铁素体进行了分类，在此之后美国科学家阿伦森对杜布的方法进行了修整，在修整的过程中，阿伦森将一次魏氏铁素体和二次魏氏铁素体进行了分离和区别，那么一次魏氏铁素体实际上就是从晶界面上直接长出来的铁素体；二次魏氏铁素体就是在其它铁素体上形成的并长在晶界面内的铁素体。这两种铁素体的形态十分相似，唯一不同的就是夹角部分。早期的一些科学家们已经意识到了做三维分析的重要性，所以这些科学家一般都采用定量连续截面法对检测的样品进行抛光等工艺，尽量得到它们的三维效果。那么在这个三维效果的过程当中，著名科学家希拉特首次利用照片拼成动画三维结构，霍博尔特和布朗则通过很多的照片进行拼合展示出了银-铝合金的三维图像。不久之后，科学家们便采用这种方法得到了魏氏铁素体的三维形态。

这几年来，科学家们逐渐对铁-碳-镍钢合金中的铁素体的三维形态进行了探讨，结果发现铁素体的三维形态显示，它的形状为拉长的塔形，而随着科学家的进一步探讨发现，工业纯铁当中铁素体的晶粒的表面积和体积之间的关系。晶体的体积是随着铁素体的增大而下降的，而整个晶体的表面积和体积并不成一定的比例。

二、采用连续截面法构建三维图形

现阶段，随着前沿的技术不断深入，科学家们可以采用连续截面法构建物质的三维效果，通过对物质的连续截面，再根据电脑相关的辅助软件，便可以重建出整个物质的三维图像。但是这里面有一个很重要的问题，就是如何能够对样品进行打磨和腐蚀，因为样品随着打磨、腐蚀和抛光等几项技术之后才能够进行连续截面。下面笔者就对钢铁材料当中连续截面并构建三维图像的步骤做一个简要的介绍。

首先是需要将钢铁样品放在模具当中，将模具放到抛光机上，让抛光机对整个物质进行抛光。抛光的时间、速度以及压力等条件设定好之后，就可以保证每个样品抛光的厚度是一样的。但是厚度一样并不意味着其中的组织是一样的，所以实际上来说对物质每一次抛光的厚度在微观上来讲是不一样的。当对样品抛光之后就需要进行下一个步骤。下一步就是对物质进行腐蚀，腐蚀主要是为了让物质硬度的痕迹和边缘变得清晰一些，因为只有清晰的边缘才能够方便于二维图像的分析。当把样品进行抛光和腐蚀之后，便用显微镜观测一下需要选定的区域，在相应的区域刻下硬度的痕迹。这么做主要是为了能够将痕迹的中心点作为二维图像的定位点，同时方便目标区域的选择。同时通过每个痕迹对角线之间的长度还可以计算出每一层之间的距离，然后通过数字化的照相手段进行练习拍照，随后传入到电脑当中分析。这个过程是一个连续的过程，每一幅图像上面至少有三个痕迹，将这三个痕迹的中心点进行相连。采用相关的软件就可以将二维图像进行不断的堆积，随后通过PS等技术进行相应的处理。就可以将二维的信息变成三维的信息。这里仅仅是把每一张图像里面的信息变成三维信息，随后还需要采用AVS等软件将二维信息变成三维图像。再通过模拟构图软件，将整个图像进行重构，就可以通过电脑显示出样品的各个部位，通过移动鼠标就可以查看并对样品每一个方向的组织进行三维分析。

三、钢铁材料当中铁素体三维形态的分析

铁素体在钢铁材料中的主要作用就是提高组织的韧性，铁素体一般存在于晶界与晶内，它们之间是有相对竞争的。而在晶内的铁素体的组织形态对于钢铁材料当中的组织形态会有很大的影响，所以我们要仔细研究一下晶内的铁素体的形成和形态，通过对晶内铁素体形态的分析来控制钢铁材料中钢铁的韧性以及强度。笔者对钢铁内的铁素体的三维形态进行了实验。将钢铁材料放在1300度的高温下融化10分钟后得到了钢铁内的铁素体。随后对钢铁内的铁素体进行研究和分析，根据分析结果发现晶内的铁素体，它的形态是在不断变化的，它变化的条件就是温度，温度越低，其发展的状态越大。在低温条件下，它的形态将会发展成板状的形态。紧接着笔者又对针状的铁素体的三维形态进行了分析，针状铁素体是在钢的焊接缝隙冷却的过程中的一种常见的组织，那么针状的铁素体主要是用来提高钢铁的强度和韧性。那么有的科学家认为针状铁素体就是晶内铁素体的变形，但是经过实验发现，这两者本质虽然都是铁素体，但是在三维图形中形态不一样的。针状铁素体主要是由于晶内铁素体当中有一些含氧量的杂质物经过温度等外界条件的反应产生的针状铁素体组织，由于这些组织在钢铁内部不断地发生碰撞，所以通过各种碰撞的条件，针状铁素体在晶内铁素体的融合下慢慢地形成了上述所说的魏氏铁素体。

除了这几种常见的铁素体之外还有一种合金钢中的铁素体叫做贝氏体。贝氏体和上述铁素体不一样的地方时它的形态十分奇怪，它的二维图形和三维图像显示均为条状的形态，通过仔细的分析研究发现，这种贝氏体主要是有很多不规则的晶内铁素体的颗粒组合而成的，所以在微观的显示中，这些不规则的形态在空间中会有一定的错乱显示，这种贝氏体每个单元的直径大概是1-2微米，长度也仅有2-3微米，非常细小。

四、结束语

通过上述的分析我们知道了钢铁材料中的铁素体是以不同的形态存在的，在分析这些铁素体中采用了二维分析和三维分析相结合的分析办法，在二维分析途径上，主要是通过显微镜等物理设备对其进行分析，而本文作者主要研究了三维形态的分析，笔者介绍了三维图像的形成方法，通过连续截面等方法分析了铁素体的形态和组织结构，也证明了随着科技的不断发展，三维分析方法已经是分析物质组织结构的重要方法，笔者也希望通过这篇文章能给业界人士带来一定的帮助。

参考文献：

[1]成林.低碳微合金高强度钢中铁素体的形核、三维形态与长大动力学[D].武汉科技大学，2013.

[2]成林.低碳微合金钢中晶界、晶内铁素体的三维形态表征及分析[D].武汉科技大学，2013.

[3]高立娜.晶内铁素体形核与三维形态控制的研究[D].华北理工大学，2017.

[4]吴开明，李自刚.低碳微合金钢中的晶内铁素体及组织控制[J].钢铁研究学报，2012，19（10）：1-5.