随着国家能源项目和石化设备的大型化、国产化的发展,大型的钢锻件层出不穷。锻件在生产过程中会出现许多显微组织缺陷，如钢中魏氏组织、带状组织、贝氏体和一些欠热组织等。这些缺陷会影响产品的力学性能,使产品的强度和韧性降低，甚至会导致产品最终发生开裂、断裂等。笔者就日常工作中遇到的一些显微组织缺陷进行讨论，并分析了组织缺陷产生的原因及其检验方法，以期减少锻件缺陷组织的产生,提高产品的质量。
1.1 魏氏组织的形成原因
20钢锻件的始锻温度为1150~1200 ℃，终锻温度为800~850 ℃，正火温度为910 ℃。锻件的公称厚度为90 mm。在正火处理后的锻件上取样进行金相检验,结果如图1所示。锻件的组织为魏氏组织+针状铁素体。这种组织有利于提高材料的纵向拉伸性能,但会使材料的塑性和冲击韧性变差。
魏氏体是在高温锻造时形成的，锻造温度过高，奥氏体晶粒长得异常粗大，粗大的奥氏体在较快的冷却速率下会形成一种过热组织,其组织特征为先共析铁素体从奥氏体晶界沿一定的晶面向晶内生长，并呈针片状析出,即在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体针片,这种过热组织称为铁素体魏氏组织。将终锻温度控制在820~840 ℃，可以抑制钢中的奥氏体晶粒异常长大，将冷却速率在控制在10~25 ℃/s，可以避免材料产生魏氏组织。
粗大魏氏组织是钢的一种过热缺陷组织，其片状铁素体粗大，在组织中形成了局部应力集中，导致材料的力学性能下降，尤其是冲击韧性的下降更为明显。但只有因奥氏体粗化、出现粗大魏氏组织并严重切割基体时，才会导致材料的强度和韧性显著降低。
1.2 魏氏组织的评定方法
依据新修订的GB/T 13299—2022《钢的游离渗碳体、珠光体和魏氏组织的评定方法》对魏氏组织的级别进行评定。标准中明确了试样的取样位置，
试样检验面垂直于钢带或钢板等钢材的纵轴。该方法适用于元素质量分数为0.15%~0.50%的钢材，选取试样检验面上最严重的视场进行评级。标准中
根据碳元素含量分为A 系和B系，A 系适用于碳元素质量分数0.15%~0.30%的魏氏组织评级，B系适用于碳元素质量分数为0.31%~0.50%的魏氏组织评级。评级时根据图片中有无魏氏组织、魏氏组织的形貌特征将魏氏组织分为0~5级，标准中表3给出了各级别魏氏组织的具体描述。
1.3 魏氏组织的改善方法
可以采用改变塑性变形程度、降低加热温度、降低冷却速率、改变热处理工艺等方法来消除魏氏组组织。正火处理是消除魏氏组织最经济、有效的方
法，具体方法为：将工件加热至奥氏体转变温度以上30~50℃,保温一段时间后,将工件从炉中取出，在空气中进行喷水、喷雾、吹风冷却等处理。
对20钢正火处理，得到了正常的铁素体+珠光体组织，其中大部分铁素体呈块状，有少量铁素体呈针状,魏氏组织为2级(见图2)。20钢经正火处理后，其魏氏组织级别明显降低，材料的屈服强度为320MPa，抗拉强度为489 MPa，断后伸长率30%，0 ℃条件下的冲击吸收能量为152,143,148 J。
2、低合金钢中的带状组织
2.1 带状组织的形成原因
Q420NE钢锻件的生产工艺为：始锻温度为1150~1200℃，终锻温度为800~850℃，正火温度为900℃，回火温度为620℃。对Q420NE钢进行金相检验，结果如图3所示，可见Q420NE钢中存在典型的带状组织。
带状组织是锻件钢中经常出现的组织缺陷之一，带状组织沿轧制或者锻造方向延伸排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶粒与珠光体交替呈带(见图
3)。带状组织产生原因是钢材在热变形后的冷却过程中发生相变时，铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸，导致铁素体形成条带,铁素体条带之间为珠光体,两者相间成层分布,最终产生了带状组织。
带状组织的存在破坏了钢组织的均匀性，形成各向异性，压力加工时，带状组织边界易发生开裂。
对于后续热处理的零件，带状组织会导致其热变形增大。因此，带状组织会降低钢的横向塑性、冲击韧性和断面收缩率,造成产品的冷弯性能不合格、冲压废品率高、热处理时容易变形等不良后果。产品标准通常会根据用途规定其允许的带状级别。
2.2 带状组织的评定方法
依据GB/T 34474.1—2017《钢中带状组织的评定 第1部分:标准评级图法》对带状组织级别进行评定。该标准中明确了带状组织评定时试样的取
样位置及试样的检验状态，试样检验面应平行于钢材的纵轴。该标准适用于碳元素质量分数≤0.60%的钢材，实际视场直径为0.80mm，选取试样检验面上各视场中最严重视场与评级图谱进行对比评级。带状组织评级图由白、黑两类组织组成，白色是铁素体，黑色是第二类组织。评定钢中带状组织时,根据铁素体条带的数量、宽度，以及铁素体条带贯穿视场的程度、连续性确定带状组织的级别。标准中根据钢材的碳元素含量共分为A~E系，图谱的级别分为0~5级。图3中Q420NE钢中带状组织组织比较明显,铁素体和珠光体交替呈带状，依据GB/T34474.1—2017，Q420NE钢的带状组织为3级。
还可以依据GB∕T 34474.2—2018 《钢中带状组织的评定 第2部分:定量法》对带状组织级别进行评定，该方法采用了数理统计的方法,提供了带状组
织取向度等参数，是一种比较科学的统计方法，适用于除铁素体外的其他带状组织，使用范围较广。该标准评定时需要随机截取5个以上视场，然后对带状组织特征对象的数点和截点进行计算，再带入相关公式进行定量计算,最后得到钢材的带状组织级别。该方法避免了人为的不确定因素，但需要大量的分析计算，导致其使用率不高。
2.3 带状组织的改善方法
以亚共析钢为例，带状组织形成的原因有：在锻造温度低于铁素体转变温度时，铁素体从奥氏体中析出，在两相组织共存的情况下继续进行锻造变形
时，进而形成了铁素体和奥氏体的带状组织，而奥氏体在后续冷却时转变为珠光体，因此，在室温环境下,沿着锻件主要加工方向形成了铁素体和珠光体
的带状组织；锻造时，钢材中的杂质或者偏析元素沿着主要加工方向分布,铸锭中的粗大枝晶沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成了碳及合金元素的贫化带,贫化带彼此交替、堆叠,在缓慢冷却的条件下，先在碳及合金元素贫化带处析出先共析铁素体，将多余的碳元素排入两侧的富化带,最终形成以铁素体为主的条带，然后碳及合金元素富化带形成以珠光体为主的条带，最终形成了铁素体和珠光体的带状组织。
因此，需要提高锻造的温度，并延长保温时间，锻造时,要多次、多方向、大变形量地进行镦粗和拔长，最大限度地打碎铸锭中的枝晶和偏析，特别是大型锻件，一定要对其进行风冷和水雾冷却,加快正火时的冷却速率。
3、低合金钢中的贝氏体
3.1 贝氏体的形成原因
18CrNiMo6钢正火后的显微组织形貌如图4所示，可见18CrNiMo6 钢的组织为贝氏体。35CrMo钢调质后的显微组织形貌如图5所示，可见35CrMo钢的组织为贝氏体。
在金属热处理过程，贝氏体在珠光体转变和马氏体转变的温度范围之间形成。超过该温度范围形成的转变产物称为上贝氏体，低于该温度范围形成转变产物称为下贝氏体。一般在低碳合金钢锻造正火中出现的是上贝氏体或者粒状贝氏体。图4中18CrNiMo6钢的组织为上贝氏体+粒状贝氏体，上贝氏体会降低锻件的低温冲击性能。在淬火时，冷却速率过慢也会产生贝氏体，图5中35CrMo钢为淬火冷却不足而形成的贝氏体，在后续的调质中贝氏体被保留下来。
3.2 贝氏体的改善方法
对于合金含量较高的低合金钢,在正火时缓慢进行冷却,使其完全生成铁素体和珠光体,避免产生贝氏体。
对于需要淬火的中碳合金钢,在淬火时要快速冷却,尽量使其完全生成马氏体,为后续调质组织做好准备。
对于正火形成的贝氏体，可以采用重新正火的方式将其去除。对于淬火形成的贝氏体，需要对钢材重新进行淬火处理，并使用冷却性能更好的介质或加快冷却介质的循环，以去除钢材中的贝氏体。
4、低合金钢中的欠热组织
4.1 欠热组织的形成原因
Q355NE钢的显微组织如图6 所示，可见Q355NE钢存在欠热组织。欠热组织通常表现为：珠光体为呈典型的片层状,而是呈针状或杆状。
在金属热处理过程中,工件和热处理炉温的不均匀会使材料出现欠热组织,欠热组织会降低钢材的硬度和强度。欠热珠光体的形成原因为:正火的温度较低，没有使组织完全奥氏体化，但碳元素在调质升温中已经发生扩散,使珠光体中的渗碳体片层逐渐消失,转变为颗粒状、棒状的渗碳体，最终形成了正火欠热组织。
4.2 欠热组织的评定方法
依据GB/T 13299—2022《钢的游离渗碳体、珠光体和魏氏组织的评定方法》对珠光体级别进行评定。标准规定了试样的取样位置，且试样检验面应平行于钢材的纵轴。该标准适用于碳元素质量分数为0.10%~0.30%的钢材。 该标准中根据碳元素含量分为A~C系，A 系适用于对碳元素质量分数为
0.10%~0.20%的冷轧钢中粒状珠光体进行评定，B系适用于对碳元素质量分数为0.10%~0.20%的热轧钢中细粒状珠光体进行评定，C系适用于对碳元素质量分数为0.21%~0.30%的热轧钢中珠光体进行评定。根据图片中粒状或块状珠光体的尺寸、带状分布程度及贯穿视场的连续性等对珠光体进行评定，主要分为0~5级。
4.3 欠热组织的改善方法
将钢材的正火温度调高至920℃，对钢材重新进行正火处理,可以生成正常的铁素体+珠光体组织，且钢材的低温性能良好。
5、结论
综合上述分析，锻件钢的各种缺陷组织会影响其力学性能。采用重新正火的方法可以去除钢材中的魏氏组织；多次、多方向地对钢材进行大变形量镦
粗和拔长，以及加快钢材正火时的冷却速率等可以去除钢材中的带状组织；将钢材热处理后进行缓慢冷却，可以避免产生贝氏体;提高钢材的正火温度，可以去除钢材中的欠热组织。
