纖維狀組織

纖維狀組織指鋼凝固時所產生的枝晶偏析所顯示的“初生晶粒”隨鋼坯外形改變而延伸。隨著外形變數的加大，“初生晶粒”從最初的柱狀或等軸型逐漸形成條帶狀或紡錘型，被延長的枝晶乾和枝晶間就夠成了型變鋼中的“纖維”。

基本介紹

• 中文名：纖維狀組織
• 外文名：fiber structure
• 粗化原因：二維奧斯瓦爾德熟化等
• 變化：外形變數的加大
• 枝晶：型變鋼中的纖維
• 延伸：隨鋼坯外形改變

纖維狀組織產生原因

由於元素偏析，包括樹枝狀偏析和帶狀偏析所導致的纖維狀組織是本鋼種經常出現的缺陷，也是鍛模早期失效的重要原因。下圖是5CrNiMo鋼中的偏析帶，圖片上下兩側是正常淬火組織．中部是屈氏體（黑色）和馬氏體（灰白色針狀）的混合組織。硬度印痕標誌出屈氏體黑區硬度低於灰白色馬氏體區。元素偏析帶導致淬火附加組織應力，常常使模具淬火開裂。

5CrNiMo鋼中的偏析帶

樹枝狀偏析

枝晶偏析指固溶體晶粒內部化學成分的不均勻現象。在快冷條件下，液態合金按樹枝狀方式結晶時，由於原子在固相中擴散均勻的過程進行的很慢，致使先析出枝晶與後析出的枝晶間隙處的部分。因為擴散均勻的過程跟不上結晶過程的發展，最後獲得化學成分不均勻的枝晶。先形成枝晶的含有較合金平均成分為多的高熔點組元，而隨後在枝晶間隙處部分含有較合金為多的低熔點組元。

枝晶偏析程度由合金的冷卻速度偏析元素的擴散能力等因素決定。枝晶偏析使合金的力學性能降低，可通過擴散退火消除。由於冷卻速度較快，使液相中的原子來得及擴散而固相中的原子來不及擴散。以至於固溶體先結晶中心和後結晶部分成分不同，成為晶內偏析。而金屬的結晶多以枝晶方式長大，所以這種偏析多呈樹枝狀，先結晶的枝軸與後結晶的枝間成分不同，又稱為枝晶偏析。固相線與液相線的水平距離和垂直距離越大，枝晶偏析越嚴重。鑄鐵的成分越靠近共晶點，偏析越小，反之越大

帶狀偏析

在鑄坯中有時會見到一種垂直於等溫面推移方向的偏析帶，被稱為帶狀偏析。在鑄坯中經常觀察到兩種形式的帶狀偏析。其一是合金單向凝固，固液界以平面向前推進式所產生的帶狀偏析；另一種是合金以枝晶方式生長時所觀察到的帶狀偏析。

帶狀偏析是由於雜質擴散以及為雜質所匯集的金屬從枝晶圈向鋼錠上部和內部移動的結果。在沸騰鋼中，這種移動非常強烈，因此帶狀偏析在沸騰鋼中發展到最大程度。在鎮靜鋼中這種移動進行緩慢，當綱水快速結晶時，帶狀偏析發展程度較小。

纖維狀組織的粗化

纖維狀組織的粗化較多地表現為以下兩種方式：

一是二維奧斯瓦爾德熟化，即細纖維附近溶質原子向粗纖維附近擴散，細纖維不斷減小，粗纖維不斷變粗；

二是瑞利（Reyleigh）失穩，它原指一根粗細均勻的圓柱形液體將破碎成一連串球形液滴。對於纖維狀組織，局部區段上直徑的某些微小漲落可以在保持纖維體積不變的條件下使界面面積減小，從而導致纖維斷裂。

如下圖纖維直徑為d，長度為l的單根纖維的失穩情況。對於無限成一列球形沉澱的不同機制長的纖維，由於瑞利失穩纖維最終將變成一列圓球，球的直徑和間距A取決於界面能和擴散係數（圖中a）。如果纖維很短，l/d<7.2，那么它將逐步收縮為一個圓球（圖中b）。對於l/d>7.2的有限長纖維，失穩演變的最快途徑將是依次在桿的端部形成一個一個圓球，並與纖維脫開（圖中c）。如果纖維中存在晶界，或者在包圍纖維的基體中存在與纖維相交的一組平行晶界，那么由於晶界擴散的幫助，纖維傾向於沿這些界面逐步斷開，並逐段縮聚成球，類似片狀珠光體的球化（圖中d）。

纖維狀沉澱失穩變 成一列球形沉澱的不同機制

冷塑性變形對金屬組織的影響

金屬發生冷塑性變形時，隨著外形的改變，其內部晶粒的形狀也發生了變化，如下圖所示：

冷塑性變形時晶粒形狀變化示意圖

當變形程度很大時，晶粒會沿變形方向伸長，形成細條狀，這種呈纖維狀的組織稱為冷加工纖維組織。形成纖維組織後，金屬的性能會具有明顯的方向性，其縱向（沿纖維方向）的力學性能高於橫向（垂直於纖維方向）的力學性能。同時，由於各個晶粒的變形不均勻，因此金屬在冷塑性變形後其內部組織存在著殘餘應力。冷塑性變形除了使晶粒的形狀發生變化外，還會使晶粒內部的亞晶粒細化、亞晶界數量增多、位錯密度增大。由於塑性變形時晶格畸變加劇以及位錯間的相互干擾，會阻止位錯的運動，因此增大了金屬的塑性變形抗力，使金屬的力學性能發生改變。