金相学的作用.doc

金相学讲义一、金相学金属和合金的性能取决于它的成分和组织结构。金相学指利用显微镜来研究金属中相的形貌；其后随着各种相关的学科和技术的发展，“金相学”的覆盖面逐渐扩大，经而成为综合地研究金属和合金成分、组织与性能关系的科学，其研究手段也推广到肉眼、放大镜、光学显微镜、电子显微镜以及X射线衍射等。二、金相学的作用1、 合金钢热处理的研究 钢的热处理原理是以钢在加热和冷却过程中的相变为依据的，金相技术则是相变研究的重要手段。利用金相法研究不同钢种在不同温度下的等温分解过程，并综合成等温转变曲线，从中引出了临界淬火速度的概念，明确了不同合金元素对淬透性的影响。形状记忆合金也是通过金相分析而发现的。人们对Cu-Zn合金作高温金相分析发现，马氏体针随温度的升降，长度会缩短和伸长，此类马氏体称为热弹性马氏体，具有形状记忆效应。在冷却时使它变形，再加热到临界点以上时，又恢复到原有形状。2、 控制机械产品的质量产品生产过程中的每一个环节，比如我们锅炉行业，从原材料验收、焊接工艺评定、加工工艺的控制的质量评定等，都要分别按照不同的标准，通过金相和其他的检验来确定合格与否。 3、 失效分析 机械装备和零件在使用过程中难以避免的，会出现变形、断裂、磨损及腐蚀等形式的失效，分析失效原因，并找出预防及补救措施，就是失效分析。失效分析涉及众多学科和技术，需要广泛收集原始资料并运用多种技术手段进行测试分析。其中对于判别失效最重要和最广泛的手段就是金相分析，而某些失效事故往往只须金相分析就可做出结论。三、金相学的发展概况1、 金相显微镜 金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射光显微镜中观察，故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。 金相显微镜是金相分析的主要仪器。20世纪初使用开始使用倒立式金相显微镜，影响成像质量的主要因素是像差，特别是色差和像域弯曲。早期采用延长摄影距离的办法来改进，所以出现了大型的卧式显微镜，如东德的Neophot系列。60 年代后，金相专用的平场宽视域物镜的研制成功，无需长距离投影已经可以保证摄影质量。目前金相显微镜采用立式投影，结构紧凑。采用高分辨率的摄像头或更高分辨率的数码相机进行金相照片拍摄，既提高了效率，也降低了成本。 光学显微镜的景深与物镜的数值孔径成反比，随着放大倍数的加大，景深迅速下降。尤其是用侵蚀法显示组织，试样上的凹陷深度一般为数微米，超出了油浸物镜的景深。 80年代后期推出“共焦激光扫描显微镜”利用激光束扫描试样，解决了光学显微镜景深浅的问题，分辨率也有所提高。2、 制样技术 金相试样绝大多数需要经过研磨、抛光、合适的组织显示，才能进行观察和分析。如果使用不正确的制样程序，会造成假象，即观察到的图像并不是真正的内部组织状态，而是伪组织。试样在机械研磨、抛光的过程中，表层发生了严重的塑性变形。所以试样制备技术对于金相研究具有重要的意义，也是金相学中最活跃的研究领域。 侵蚀试剂是显示组织的重要手段。至今金属和合金的侵蚀试剂已经有数百种。另外还采用了真空沉积、电解阳极、热染、真空阳极及磁侵等侵蚀技术。其中值得重视的是恒电位控制法，用于电解和抛光不同金属或不同状态的金属的同种金属，对显微组织中的析出相、碳化物进行侵蚀或进行选择性侵蚀。比一般的侵蚀方法更有效、可靠，而且具有良好的重现性。 国外已经研制了系列化的制样设备，并推荐了适用于不同材料的制样规范，致力于压缩制样步骤，提高制样质量和缩短制样时间。3、 分析技术 金相组织的判定是金相分析的核心，它包括定性和定量两方面。在常规的金相检验中，以各种金相检验标准作为判定的依据。我国已经相继发布和修订了包括国标和部标在内的金相标准100余种，内容涉及钢铁、非铁材料冶金产品以及汽车，机械、焊接等各种典型零部件的金相检验标准。 金相组织的评定正在由定性分析向定量分析发展，并已逐步体现在金相检验标准中。如YB27-77钢的晶粒度测定法对晶粒度的测定方法规定“一般采用比较法”，GB6394-1986钢的平均晶粒度测定法等效采用美国ASTM E112-81，同时规定了采用比较法、面积法、截点法三种方法。2002年根据ASTM E112-96对GB/T6394重新起草发布。由于测量误差正比于测量次数平方根的倒数，因此要提高测量精度，所需测量次数应以二次方律增长，而手工测量难以满足这一要求。于是出现了图像分析仪。利用计算机来完成成百上千次的重复测量和运算，从而为定量金相的应用创造了条件。 图像分析仪可以测出面积、周长、直径等参数。把这些基本的参数进行不同组合，可完成复杂的图像识别功能。再将处理结果进行转换，获得最终结果。四、宏观组织检验1、概述： 用肉眼或借助于30倍以下的放大镜对金属的组织结构和缺陷进行检查。这是一种较古老的检验方法，也是控制金属材料和产品质量、研究铸造和加工工艺的一种重要而简便的方法，是其它仪器和手段所无法替代的。 目前通常的宏观组织检查的内容有：断口检查、酸蚀试样、塔形试样、元素的接触印痕检查。 焊接接头主要检查焊接缺陷、熔深和焊角尺寸。2、断口检验 在材料被折断的断口上，记录着许多有关材料质量方面的内容，如白点、过烧、过热、夹杂、气孔等。断口检验包括宏观和微观（扫描电镜）两方面。断口检验一般采用纵向断口。 蒸汽锅炉安全技术监察规程第110条也规定了断口检验，但这和上面说的断口检验不同，这里是用压断的断口检验代替射线探伤，确定焊接的裂纹、未熔合、未焊透、内凹、气孔、夹渣等缺陷。检查的内容基本与考规中的压断试验相同。白点：20Cr2Ni4，黑色裂缝为白点白点：34CrMo，锻造后冷却较快，氢不及逸出。夹杂：35#，破坏了基体的连续，降低力学性能过热：50#，铁素体呈等边三角形的魏氏组织过热：35#，铁素体互相垂直的魏氏组织过热：GCr15，呈魏氏组织的碳化物过热：20 #渗碳后淬火，形成粗大马氏体过烧：20MnMo，锻造温度过高，网络状氧化物过烧：45#，锻造过烧，晶界处分布氧化物网络过烧裂纹：60#，锻造镦粗时，出现橘皮状裂纹过烧：断口晶粒极为粗大，并覆有氧化铁皮皮下气泡形成的开裂右图：皮下气泡锻造是形成的表面裂纹中心疏松：2Cr13，轧制后退火，轧制压缩比不够。疏松：球墨铸铁，凝固时中心得不到液体补充。方形液析：38CrMoAl，浇注温度较高所致。使钢材性能表面于内部不一致。方形液析：低碳钢管胚，轧制后，液析区保留在进钢胚表面处。点状液析：45#，热轧，承受交变载荷的部件，使用中极易断裂。方形和点状液析：沸腾钢，热轧划痕：40 Cr，热轧时，轧槽内有毛刺，使通过的材料表面产生划痕折叠：40Cr，轧制时凸出的尖角未能及时去处，被压入主体金属内。缝隙：热轧时形成的表面缺陷，深度可达1mm。大大降低材料的耐疲劳强度。脱碳：60Si2，热轧，氧化气氛中加热时间过长3、酸蚀试验 有热酸蚀、冷酸蚀和电解酸蚀三种，以热酸蚀效果最好。用于显示结晶或加工造成的组织特征细节、化学不均匀性，以及物理不均匀性。4、塔形检验方法 将钢材车削制成不同直径的阶梯试样，用酸蚀或磁力探伤方法检验钢中发纹的情况。 发文是港内夹杂物、气孔、疏松和空隙沿加工方向伸展排列而成的线状缺陷。解决发纹的根本途径是提高钢的纯净度。手段如精炼、重熔等。5、硫印试验 通过预先在硫酸溶液中浸泡过的相纸覆盖在钢样上，得到的印迹来确定钢中硫化物夹杂的分布位置。 原理是H2S析出使感光乳剂的卤化银转变为硫化银而变黑，从而显示出六的分布印迹。6、钢中常见的宏观缺陷及评定原则 （1）一般疏松：在整个试块商城均匀分布的细小暗点或空隙。 评定原则：根据分散在整个截面上的暗点和空隙的数量、大小及分布状态，并考虑枝晶的促膝而定，分为4个级别。 （2）中心疏松：暗点和空隙集中于试块的中心部位。 评定原则：以暗点和空隙的数量、大小及密集程度而定，分为4个级别。 （3）缩孔：在铸锭头部或铸件浇冒口，因最后凝固部位得不到液态金属的补充而形成的空洞。 评定原则：根据裂缝和空洞大小而定，分为3级。属于不允许存在缺陷。 （4）偏析：化学成分不均匀。方形偏析、点状偏析。分4级。 （5）气泡：铸锭在凝固过程中释放气体所造成的。皮下气泡属不允许存在的缺陷。 内部气泡：分3级。 （6）翻皮：在横截面上呈现亮白色弯曲不规则的条带，在其周围常伴有气孔和夹杂物。 浇注过程中，因表面氧化膜卷入钢液，在凝固前未能浮出所致。 属于不允许存在的缺陷。 （7）白点：钢中的氢和组织应力共同作用下产生的细微裂纹，常见于含有Cr、Ni、Mn 等的合金钢基地和金工具钢中，又是大型碳钢锻件中也有出现。 属于不允许存在的缺陷。 （8）轴心晶间裂纹和内裂：一般出现在高合金不锈耐热钢中。 （9）夹杂物：因冶炼或浇注系统的耐火草料、熔渣或其他脏物进入，也料操作不当、 合金料未熔化，或异金属混入钢中所致。 属于不允许存在的缺陷。 （10）其他宏观缺陷：折叠、粗晶、热加工裂缝、分层、流线、脱碳、中心增碳、挤 压裂纹等。五、铁碳相图及C曲线金属和合金的性能取决于它的成分和组织结构。金属和合金的组织通常是指它由那些相所组成，以及它们之间的相互配置（包括形状、数量大小和分布）。 “相”之组织中成分和性能均匀一致的部分。相与相之间有明显的分界。 铁碳合金：钢和铁是工业中应用最广泛的金属材料。它主要由铁和碳组成的合金（其中也有少量Si、Mn、S、P）。通常在分析和研究问题时，总是把钢和铁看作由铁和碳组成的二元合金。 铁碳合金相图是研究钢铁组织和性能的基础。 碳在钢中有三中存在形式：与铁形成铁基的间隙固溶体；与铁形成化合物Fe3C；在一定条件下形成游离态的石墨。 铁碳相图中有4种合金相：液态；奥氏体；铁素体；渗碳体。 铁碳合金通常按含碳量分为3大类：工业纯铁、钢、生铁。铁碳合金中常见的基本形态如下：铁素体(ferrite)：碳和合金元素溶解在-Fe中形成的固溶体。在室温时碳溶解度约为0.006%。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。奥氏体()：碳和合金元素溶解在-Fe中形成的固溶体。塑性高，屈服极限较低，无磁性。例如20#，Ac1：735；Ar1：680；Ac3：855，正火温度890-920。珠光体(pearlite)：铁素体和渗碳体形成的机械混合物。在高温缓冷条件下，可得到粗片状的层状组织。随着奥氏体过冷度的增大，片层逐渐变得细密，硬度也逐渐增高。珠光体的硬度比铁素提高，并具有一定的塑性。片状珠光体常见于碳素钢的退火、正火组织中。这也是我们锅炉行业最常见的组织。过共析钢经球化退火热处理后得到球状珠光体。贝氏体(Bainite) ：中温转变区域的产物。一般地说，它是铁素体和碳化物的两相组织。对大多数钢而言，贝氏体形成的上限温度Bs约550。珠光体：T10，1000炉冷球状珠光体：T8，球化退火上贝：T8， 低碳马氏体：10CrMo910，980水冷下贝：T8，990保温，280盐浴等温，水冷20#，910空冷，铁素体和珠光体贝氏体的形态是多样的，一般有上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳贝氏体。上贝氏体：成束的、大致平行的铁素体板条（lath）自奥氏体晶界的一侧或两侧向奥氏体晶粒内部长大，渗碳体（有时还有残余奥氏体）分布与铁素体板条之间。典型的外貌像羽毛。下贝氏体：成一定角度约60度黑色针状，在晶界和晶内均产生。索氏体：T10，1060保温，450盐浴等温托氏体：T8，990保温，缓慢淬入盐水。淬火托氏体+马氏体。白色基体为高碳马氏体。粒状贝氏体：由铁素体和他所包围的小岛状富碳奥氏体区域组织所组成。一般认为这种组织的低合金耐热钢，具有良好的抗蠕变性能。马氏体(martensite)：碳固溶于-Fe中的过饱和固溶体。基本分为高碳马氏体和低碳马氏体两类。是钢件强化的主要手段。低碳马氏体：低碳钢和低合金钢淬火后得到的马氏体组织，以条状铁素体为单元，大致相互平形成定向排列组成的晶区。在一个奥氏体晶粒内可以有几个马氏体晶区。高碳马氏体：含碳高的淬火马氏体成片状。马氏体片间不平行，在一个奥氏体晶粒内，初生的马氏体片胶粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，愈后形成的马氏体片愈小，片间夹角较大，生成时互相撞击，已形成显微裂纹。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，并且集聚长大。低温回火：（150-450）得到回火马氏体组织。其特征为认然能够看待原马氏体形态，其碳化物极其细小。获得一定的韧性，同时保持高的硬度。中温回火：（250-450）得到回火托氏体组织。马氏体形态逐渐消失，碳化物呈细小颗粒，光学显微镜下认然不易分辨。高温回火：（500-700）得到回火索氏体组织，其特征为铁素体和细小的粒状碳化物。莱氏体：奥氏体和渗碳体的两相混合物，是共晶转变的产物。硬而脆，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。六、合金元素的作用和钢的热处理1 合金元素的作用 对淬透性的影响：除Co、Al外，几乎所有合金元素都使奥氏体分解速度延缓，降低临界冷却速度，并降低Ms点。其中以Mn、Ni、Mo、Cr等元素增加钢的淬透性最为显著。合金元素对淬透性的影响形成碳化物的倾向抗回火软化的能力回火脆性细化晶粒强化铁素体热强性及其他Mn强弱弱1.5%时增加促进晶粒长大强与Cr、Ni同时存在时提高热强性，用于制造奥氏体钢Si弱促进石墨化中等-很弱最强可用于抗蚀、抗氧化材料及电工钢Ni中等不形成弱不影响弱中等提高热强性Cr强中强中等增加不大弱弱提高热强性、抗蚀性Mo强比Cr强强，有二次硬化作用消除中等弱显著提高热强性，并能消除回火脆性W中等比Cr强强，有二次硬化作用减小中等弱提高热强性，比Cr低V强强有强烈二次硬化作用减小强弱提高热强性Ti无作用比V强无作用-最强最强，影响韧性主要的细化晶元素之一Al很弱不形成-强含量不高时作用不明显用于氮化钢B强-影响不大弱-微量可提高高温强度、强化晶界和基体2、钢的热处理：常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火、化学热处理等。在热处理过程中，由于工艺或操作不当，易出现过热、过烧、变形、硬度不足、氧化、脱碳、淬火开裂等缺陷。七、金相试样的制备和组织的显示 每次金相检验都有其特定的检验目的，合理的取样，才能保证被检验对象具有充分的代表性，正确和高质量的制备试样，才能确保显微组织恰当的显示及观察的真实性。 金相试样的制备过程通常包括：取样及编号、镶嵌、研磨、抛光、组织显示5道工序。由于检验的目的和对象不同，试样制备的具体方法和工序也不可能完全相同。 金相组织的显示，显示方法有光学法、化学侵蚀法、电解侵蚀法、热蚀法、恒电位选择侵蚀法、干涉层法等。对于锅炉行业一般常用的是低碳钢、低合金钢退火或正火状态，一般用2-4%的硝酸酒精溶液腐蚀就可以显示组织。八、钢铁材料的组织鉴别及评定 最好先知道金属材料的牌号和热处理状态，可以提高判断的准确性。结合前面介绍的各种相的特征，进行组织的鉴别。 评定则根据所检验的对象，采用相应的标准。例如游离渗碳体和带状组织评定，按照GB/T13299-1991钢的显微组织评定方法。非金属夹杂物的评定按照GB/T10561-1989钢中非金属夹杂物显微评定方法。 锅炉原材料检验中的组织鉴别主要是低碳钢、低合金钢，组织一般是铁素体和珠光体，有时出现游离渗碳体、贝氏体等组织。例如15CrMo如果热轧后冷速过大，会产生贝氏体组织，将降低材料的塑性和韧性，这是应该防止的。原材料中的魏氏组织、带状组织、脱碳层、晶粒度等均按有关标准进行评定。 调质钢、高强度钢、弹簧钢、模具钢、双相钢、铸钢、轴承钢、工具钢、不锈钢、高温合金等都有相应的评定标准，就不作介绍了。九、焊接件的金相检验焊接接头由焊缝、热影响区、母材三部分组成。焊缝组织：焊接时，由于热源的作用，焊接熔池在极短的时间内，在高温下发生一系列的冶金反映。焊接熔池的结晶有着一定的特殊性：熔池小，周围被冷金属包围，所以熔池冷却速度很大；熔池中液体金属处于很高的温度；焊接时，熔池随热源的移动而移动，由于焊条的摆动和电弧的吹力，使熔池发生强烈的搅拌作用。因此焊缝的凝固组织具有连续长大和柱状晶的基本特征。熔化的液态金属冷却时，在熔合线附近的半熔化态的母材温度较低，起着熔化的模壁作用。它和焊缝金属具有相近的化学成分，相同的晶格类型，成为焊缝金属凝固时的结晶表面。在一定过冷度下，直接从熔池壁母材金属的晶粒上进行长大，因此焊缝金属的晶粒和熔合线附近的母材晶粒是相联的。 焊缝的二次结晶组织对低碳钢而言，为铁素体和珠光体。随着含碳量的增加，组织中的珠光体量也增加；当焊缝含合金元素较多或冷却速度较大时，焊缝中会出现贝氏体和马氏体；焊缝经过多层焊接后，后面的焊层对前面的焊层再加热，相当于正火处理，可获得细小的等轴晶粒，从而改善焊缝的机械性能。 焊缝中如果存在较多的夹杂，会降低接头的强度、塑性和抗蚀性，增加脆性和热裂倾向。20 #电焊，焊缝，铁素体+珠光体，树枝状结晶15CrMo，焊缝，索氏体+粒状贝氏体+网状铁素体20#熔合区，左侧焊缝，右侧影响区，魏氏组织熔合区：索氏体+粒状贝氏体+网状铁素体过热段，粗大魏氏组织14901100。热影响区：索氏体+粒状贝氏体+铁素体热影响区正火区，铁素体+珠光体1100Ac320#，不完全正火区Ac3Ac1。 焊接热影响区的组织：邻近焊缝金属的原材料，在焊接过程中被加热到低于熔点的各种温度，然后又冷却到室温。焊接时受热的这部分原材料称为热影响区。 不易淬火钢的热影响区组织：半熔化区、过热区、（相变重结晶区）正火区、（不完全重结晶区）不完全正火区易淬火钢：淬火区、不完全淬火区、回火区。 焊接接头的缺陷：1、裂缝：热裂缝，从焊缝金属结晶开始到Ar3温度，即高温下产生。由于焊缝中低熔点的共晶及夹杂熔化，在拉应力的作用下，造成热影响区的热裂缝。多位沿晶开裂，有纵向或横向裂纹。冷裂纹，在Ar3以下温度冷却过程中或冷却后。通常在马氏体转变温度范围以下（200-300）。由于氢的析出、淬硬组织和内应力的存在。多发生在热影响区，特别是焊道下熔合线附近。冷裂纹常具有延迟性质，所以又称为“延迟裂纹”。金相检验表明，冷裂纹的微观特征多位穿晶开裂。 2、过烧和淬硬组织：气焊时由于焊接工艺不当，会出现过烧组织，造成晶粒粗大，沿晶氧化，使接头强度低、塑性差，严重影响焊接接头质量 焊接接头淬硬组织会降低焊接接头的塑性和冲击韧性，促使裂缝的形成。3、其他缺陷：气孔、夹杂、未焊透、未熔合、内凹等12CrMo，电焊，层间未焊透根部严重内凹压断试样：未焊透，气孔碳钢，电焊，大气孔蜂窝状大气孔12CrMo，大口径电焊，根部未焊透，裂缝加渣十、运行金相 高温下长期运行过程中，原在室温下稳定的金相组织，也会产生很大的变化。与温度一样，时间对组织变化也产生影响，在高温下段时间内产生的扩散过程，在较低温度下而在较长时间内也能够产生。 组织变化会引起性能变化，例如，时效会引起常温冲击韧性下降，珠光体组织中碳化物的球化会引起钢材强度的降低等等。20#过热器管，450，10 万小时。团絮状石墨，铁素体+弥散分布碳化物。20#主蒸汽管，450，10 万小时。团絮状石墨，铁素体+沿晶分布碳化物。珠光体形态已消失。20#主蒸汽管，450，10 万小时。铁素体+沿晶分布碳化物。珠光体形态已消失。12Cr1MoV，540，13 万小时。铁素体+粒状碳化物。1、石墨化 Fe3C 3Fe + C (石墨) 碳钢和Cr、Mo钢在高温长时间作用下，渗碳体分解并析出石墨状自由碳的现象叫石墨化。石墨化现象的发生会使钢材性能恶化，甚至导致设备损坏。 石墨化过程与温度、时间、应力以及冶炼中的加铝量等有关系。石墨化一般要经过几万小时的运行之后才会出现，碳钢要大于450，Cr、Mo钢要485。 一般在刚才发生石墨化之前，总是先发生珠光体中碳化物的球化过程，但即使碳化物全部