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金相检验概述 省锅检所王瑜 目录 1金相简介2金相检验在电站锅炉检验中的应用3金相组织的评定4电站锅炉常用金属材料金相组织5钢的显微组织缺陷 1金相简介 金属和合金的性能取决与它的成分和组织结构 金属和合金的组织通常是指它由哪些相所组成以及它们之间的相互配置 包括形状 数量 大小及分布 相 是指体系中成分和性能均匀一致的部分 相与相之间有明显的分界 金属和合金的组织与其成分 工艺过程以及所处的状态有关 金相分析主要就是观察 鉴别和分析金属 合金内部的组织结构 研究成分 组织与性能之间的关系 金相即金相学 就是研究金属或合金内部结构的科学 不仅如此 它还研究当外界条件或内在因素改变时 对金属或合金内部结构的影响 所谓外部条件就是指温度 加工变形 浇注情况等 所谓内在因素主要指金属或合金的化学成分 金相组织是反映金属金相的具体形态 常见的金相组织有 奥氏体 铁素体 珠光体 马氏体 贝氏体 索氏体等 1 1奥氏体是碳和合金元素溶解在 Fe中形成的固溶体 光学显微镜下呈规则的多边形 塑性高 屈服极限较低 无磁性 在加热和冷却过程中所产生的热应力可能使奥氏体发生范性形变 在奥氏体中有时还可以观察到孪晶和划移线 奥氏体组织100 x 奥氏体组织600 x 1 2铁素体碳和合金元素溶解在 Fe中形成的固溶体 在室温时溶碳量约为0 00218 左右 光学显微镜下 亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状 晶界比较圆滑 当碳含量接近共析成分时 铁素体沿晶粒边界析出 铁素体硬度低 塑性好 碳和合金元素在 Fe中形成的固溶体称为 铁素体 纯铁 退火处理200 x 1 3珠光体是铁素体和渗碳体形成的机械混合物 在高温缓冷条件下 可得粗片层状组织 随着奥氏体过冷度增大 片层逐渐变得细密 硬度也逐渐升高 珠光体的硬度较铁素体高 并有一定的塑性 片状珠光体常见于碳素钢的退火 正火组织中 过共析钢经球化退火处理得到球状珠光体 在铁素体的基体上 分布着颗粒状的渗碳体 球状珠光体使钢材硬度降低 便于切削加工 片状珠光体500 x 球状珠光体500 x 1 4贝氏体是中温转变区域的产物 一般来说 它是铁素体和碳化物的两相组织 贝氏体的组织形态是多样的 其中主要是上贝氏体和下贝氏体 在低碳低合金钢中还有粒状贝氏体组织 某些钢中也出现无碳贝氏体 1 上贝氏体典型的上贝氏体外貌象羽毛 一般沿奥氏体晶界形成并生长 它是由铁素体条和平行于条的长轴而析出的碳化物颗粒所组成 2 下贝氏体是共格铁素体片 在片内有与长轴方向成60 夹角分布的碳化物颗粒 铁素体片在晶界 晶内均产生 针状下贝氏体500 x 上贝氏体300 x 3 粒状贝氏体该组织的形成温度在中温转变区的较高温度 连续冷却时较之等温处理时更易得到 它是半共格形核 非共格长大 粒状贝氏体的形核可在晶界形成 但大都在晶内形核 晶粒的长大可跨越原来的奥氏体晶界 粒状贝氏体是由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成 岛状组织刚形成时为富碳奥氏体 在随后的冷却过程中 高碳奥氏体的分解或保留 与钢的合金成分和冷却条件等有关 一般认为组织为粒状贝氏体的低合金耐热钢 具有良好的抗蠕变性能 4 无碳贝氏体是由先期从奥氏体晶界析出的铁素体开始向晶内生长的共格条状铁素体 铁素体条内 固溶微量碳 晶间无碳化物析出 无碳贝氏体与低 中碳钢的魏氏组织没有本质上的差异 魏氏组织的特点是 除了在原奥氏体晶界上存在有自由铁素体外 在原来的奥氏体晶粒内部也有成片状的自由铁素体 此片状与奥氏体具有一定的位向关系 且分布在一定的惯习面上 当奥氏体晶粒较粗 冷却又较快时 易产生这种组织 在铸钢及焊接接头的热影响区经常会遇到这种组织 回火贝氏体500 x钢研102 回火贝氏体600 x钢研102 回火贝氏体600 x钢研102 1 5马氏体在Fe C合金中 是碳或氮间隙固溶于 Fe中的过饱和固溶体 基本上可分为两类 低碳马氏体和高碳马氏体 1 低碳马氏体又称板条状马氏体 是以条状铁素体为单元 大致相互平行呈定向排列组成晶区 在一颗奥氏体晶粒内可以有几个马氏体晶区 相邻两个晶区间的位向差较大 每个晶区是由许多个板条状马氏体组成 板条状马氏体形似薄木条 相互平行排列在一个晶面上 它的精细结构是具有大量位错缠结的亚结构 又称位错马氏体 低碳钢及合金钢淬火后得到低碳马氏体组织 提高淬火温度 条状形态越明显 在低碳马氏体中 碳原子偏聚于位错线附近 低碳马氏体 板条马氏体 500 x 低碳马氏体 板条马氏体 800 x 2 高碳马氏体含碳量高的淬火马氏体呈片状 又称针状 透镜状或竹叶状 在高碳马氏体中 马氏体片间不相互平行 在一个奥氏体晶粒内 初生马氏体片较粗大 往往可以横贯整个奥氏体晶粒 在每个奥氏体晶粒内马氏体针具有一定的几何取向 长大时不能穿越奥氏体晶界 它的立体形态宛如一个凸透镜 在奥氏体晶粒形成的第一片马氏体往往比较粗大 横贯整个奥氏体晶粒 并将奥氏体分割为二 以后相继形成的马氏体片就受到限制 尺寸较小 这样 在一个奥氏体晶粒内形成的马氏体大小不均 有些片状马氏体的中间有一道中脊线 片状马氏体之间没有转变的奥氏体 称为残余奥氏体 高碳马氏体 针状马氏体 800 x 高碳马氏体 针状马氏体 500 x 1 6回火组织淬火马氏体组织在回火过程中将发生分解 析出碳化物 随着回火温度的增高 析出的碳化物成为渗碳体 颗粒继续增多 并且聚集长大 1 回火马氏体马氏体在低温 150 200 回火时 其中大部分过饱和的碳以高度弥散的渗碳体和碳化物形式从马氏体内部析出 造成大量的相界面 使马氏体片在金相试样制备时极易受到腐蚀 而在显微镜下呈现黑色 在光学显微镜下碳化物质点不能分辨 这样的马氏体称为回火马氏体 回火马氏体仍具有高硬度 而脆性较小 回火马氏体500 x 回火马氏体600 x 2 回火托氏体马氏体在中温 300 500 回火后得到的组织称为回火托氏体 回火托氏体是铁素体与渗碳体的混合物 其中渗碳体呈细粒状分布 马氏体针方向明显 颜色暗黑 500倍下不能分辨碳化物质点 回火托氏体具有很高的弹性极限 同时有一定的塑性 3 回火索氏体马氏体在高温 500 650 回火后的产物称为回火索氏体 回火索氏体也是铁素体与渗碳体的混合物 其中渗碳体颗粒比回火托氏体中的粗 在金相显微镜下已较清晰 回火索氏体比回火托氏体更加接近平衡状态 具有较高的韧性和强度 适用于制造冲击载荷较大的零件 电子显微金相分析证明 无论是索氏体还是托氏体 都仍然是铁素体和渗碳体层片相间的组织 所以往往又将珠光体 托氏体和索氏体统称为珠光体类组织 回火托氏体500 x 有位向的回火索氏体500 x 1 7莱氏体组织莱氏体是奥氏体和渗碳体的共晶混合物 常温下为珠光体和渗碳体的混合物 由液态结晶出来 形态比较自由 外形呈骨骼状 渗碳体多联结 呈大角网状 钢中多分布在晶界处 加工后破碎成大块丛聚形态 并沿轧制方向分布 渗碳体相在以后的冷却中不再发生变化 但莱氏体中的奥氏体要发生共析反应而转变成珠光体 莱氏体性质硬而脆 它一般存在于含碳量大于2 06 的生铁中 在某些高碳高合金钢的铸造组织中也会出现 2 1标准规范对金相检验部件的要求 锅炉定期检验规则 对于电站锅炉内部检验 1 热负荷较高或水循环流速较低区域水冷壁管必要时进行金相检查 2 对过热器和再热器高温出口段管子的金相进行定点监测 3 使用时间超过10万小时的过热器 再热器集箱和集汽集箱 应进行金相检验 4 运行时间已达10万小时的主蒸汽管和再热蒸汽管 应对弯曲部位等进行金相检验 2金相检验在电站锅炉检验中的应用 DL438 2009 火力发电厂金属技术监督规程 1 主蒸汽管道和再热蒸汽管道的管件 运行5万小时时进行第一次金相检查 以后检查周期为5万小时 2 工作温度大于等于450 的碳钢 钼钢蒸汽管道 当运行10万小时时 应进行石墨化普查 以后的检查周期为5万小时 3 对使用期限达10万小时 工作温度大于450 的主蒸汽管道 高温再热蒸汽管道 应在监察段进行金相检查 4 对运行时间达到10万小时的高温过热器和高温再热器出口联箱 集汽联箱 应进行金相检验 DL647 2004 电站锅炉压力容器检验规程 1 定期对高温过热器和再热器割管做金相分析 2 对于过热器和再热器管子 运行时间达5万小时后 应对与不锈钢连接的异种钢接头进行外观检查 必要时割管做金相检查 3 使用时间超过10万小时的高温过热器 高温再热器出口集箱和集汽集箱 应进行金相检验 4 对运行时间达到10万小时的锅炉范围内导气管 进行金相检验抽查 5 100MW及以上机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道运行时间达到10万小时后 应结合每次大修 进行金相检验 6 100MW及以上机组的低温再热器管道和主给水管道中 运行温度大于等于450 的碳钢 钼钢管道 管件和阀壳 运行时间超过10万小时 应进行石墨化检查 检查间隔时间一般为5万小时 2 2金相检验的目的电厂用金属部件在高温条件下长期使用 部件材料将发生蠕变及其他与时间有关的变化 在整个服役期内都将发生显微组织的不断老化和宏观性能的逐渐劣化 对低合金钢而言 蠕变机理导致的失效主要有以下两个原因 1 服役期内显微组织的老化导致宏观强度的逐渐降低 2 以沿晶蠕变孔洞为主要特征的蠕变损伤的发展 通常这两个变化过程是同时发生的 其变化程度和速度取决于原始材料的组织状态和成分 部件使用应力 使用温度和使用时间等条件 在部件状态评估和寿命评估时采用金相学方法 主要是为了得到这两类组织状态变化过程中的特征信息 金属材料在长期高温和应力作用下发生组织老化的特征可由碳化物相的一系列变化来表征 检验和分析时必须考虑组织形态改变 相成分改变 碳化物粗化和相结构改变等四个方面 1 组织形态改变 珠光体中的碳化物相在使用中逐渐变为球状 称之为球化现象 这一现象是碳化物分布形态变化的一个基本特征 形态的变化形式还有贝氏体晶粒位向 再结晶及更复杂的微观位错结构变化等 直接与材料的老化过程相关 2 相成分改变 碳化物相的成分变化与基体中合金元素的转移现象有关 长期使用中 在同一类碳化物相中 其组成元素Fe Mn Cr Mo V等逐渐发生着量的变化 这种相成分改变现象是一个重要的材料老化特征 3 碳化物相粗化 碳化物粒子尺寸在使用过程中将发生变化 即出现粗化现象 其粗化过程直接与材料的老化过程有关 4 相结构改变 钢中的多种碳化物早使用过程中将发生结构转变 即由简单结构的M2C M3C相等碳化物类型转变为复杂结构的M23C6 M6C相 碳化物结构的转变也是一个重要的材料老化特征 2 3金相检验的基本流程现场金相的主要流程如图 金相检验部位金属材料文件查阅记录 配置金相浸蚀剂和复型溶剂 应用便携式抛磨机进行粗磨 表面制备 对抛磨后金属进行抛光处理 金相组织的浸蚀显像 观察照相 有必要时进行复型 电厂金相 表面复型 分析评级 出具检验报告 3金相组织的评定 定性分析 定量分析 组织老化分析 组织脆化分析 温度评定 蠕变孔洞损伤评级 显微组织老化定量评定 温度评定 蠕变损伤定量评定 3 1珠光体钢12Cr1MoV球化组织特征 a轻度球化 b中度球化 c完全球化球化程度示意图 a b c 200X1级 700X1级 200X2级 700X2级 200X3级 700X3级 200X4级 700X4级 200X5级 700X5级 3 2非珠光体钢组织老化特征 非珠光体钢综合考虑晶内和晶界变化的老化评级示意图 3 325Cr2Mo1V螺栓钢脆化组织级别 3 4温度评定 碳钢球化级别分为5级 此时有 E 20 0896 0 0010937LMPLMP T 15 lgt 15CrMo 1Cr 0 5Mo 钢球化级别分为5级 此时有 E 28 2944 2 241LMPLMP 12370 T lgt 12Cr1MoV钢球化级别分为5级 此时有 E 23 92 1 6LMPLMP 14550 T lgt 式中 E 球化级别 T 部件金属温度 K t 使用时间 h LMP 温度时间相关参数 3 5蠕变孔洞损伤评级 3 6碳钢石墨化金相评级组织特征 a初期石墨化 b中度石墨化 c严重石墨化石墨化程度示意图 a b c a b c a石墨含量1 15 b石墨含量1 33 c石墨含量1 66 碳钢石墨化金相评级图 1级 500X a b c a石墨含量2 56 b石墨含量4 41 c石墨含量5 63 碳钢石墨化金相评级图 2级 500X a b c a石墨含量9 74 b石墨含量11 7 c石墨含量13 89 碳钢石墨化金相评级图 3级 500X a b c a石墨含量17 03 b石墨含量18 18 c石墨含量26 32 碳钢石墨化金相评级图 4级 500X 3电站锅炉常用材料金相组织 电厂常见金属材料 20g 15CrMo 1Cr 0 5Mo 12Cr1MoV 10CrMo910 2 25Cr 1Mo P91 T91 钢研102 20g 450 运行10万h 团絮状石墨 500 x 450 运行110257h 团絮状石墨 1000 x 长期高温运行 链状石墨 100 x 石墨 其中白色小块为铁素体 1200 x a 1000X b 1000X a 450 下运行10万h以上出现的石墨化 珠光体已消失 组织为铁素体和沿晶碳化物 b 450 下运行10万h以上 珠光体中的碳已球化 组织为铁素体和沿晶分布碳化物 15CrMo a b c a 500X b 1000X c 4000X 1 5电子金相照片 1级 未球化 a b c a 500X b 1000X c 4000X 1 5电子金相照片 2级 倾向性球化 a b c a 500X b 1000X c 4000X 1 5电子金相照片 3级 轻度球化 a b c a 500X b 1000X c 4000X 1 5电子金相照片 4级 中度球化 a b c a 500X b 1000X c 4000X 1 5电子金相照片 5级 完全球化 a 1050X 510 运行34870h 组织为铁素体 珠光体 铁素体晶界上析出少量碳化物 晶内出现少量细小弥散的碳化物颗粒和极少量细针状碳化钼 Mo2C 颗粒 b 1050X 510 运行47930h 组织为铁素体 珠光体 珠光体内碳化物已球化 铁素体晶内已有析出聚集的碳化物颗粒 晶界上富集更多的碳化物颗粒 c 1050X 510 运行100900h 珠光体中碳化物已完全球化 碳化物大量析出聚集 铁素体晶内沉淀了大量的碳化物颗粒 细小弥散的碳化物相开始聚集长大 细针状的Mo2C逐渐变成短棒状和球状 a b c 12Cr1MoV a 18285h b 27777h 高温过热器管 540 下运行 400X c 44171h d 47783h e 54057h f 84180h g 101794h h 130000h a 540 0h 700 x b 540 5409h 1000 x c 540 14150h 1000 x d 540 36652h 1000 x e 540 72242h 1000 x f 540 85672h 1000 x 10CrMo910 a 原始状态 回火贝氏体 b 27157h后 回火贝氏体 铁素体块 少量微细碳化物 主蒸汽管道 540 下运行 250X 主蒸汽管道 540 下运行 500X a 原始状态 铁素体 回火贝氏体 少量碳化物 b 29822h后 碳化物球化 弥散的碳化物沿晶界和晶内分布 c 5万h后 碳化物球化 聚集长大 钢研102 12Cr2MoWVB a 原始状态 320X 回火贝氏体 少量碳化物 高温过热器管 570 下运行 b 5万h后 200X 回火贝氏体 大量碳化物沿晶内及晶界分布 c 5万h后 700X 回火贝氏体 大量碳化物沿晶内及晶界分布 P91 T91老化评级 a 700X2级 b 700X3级 c 700X4级 d 700X5级 5钢的显微组织缺陷 常见显微组织缺陷 表面层脱碳 网状碳化物 带状组织 过热和过烧组织 5 1表面层脱碳 钢在生产或使用过程中 由于加热保温或周围环境的作用 使表层中的碳全部或部分丧失的现