企业培训_不锈钢与耐热钢的金相检验培训课件

不锈钢与耐热钢的金相检验 杨力 一 概述 1 不锈钢的定义 2 不锈钢的分类 按金相组织划分 GB T13304 1991 按合金元素种类划分按制造工艺分类按钢的性能分类3 不锈钢的特点及用途 良好耐腐蚀性 氧化性 优异的力学性能 物理性能 工艺性能化工 能源 机械 轻工等行业得到广泛的应用 2009 5 6 按钢的金相组织分类 按照国家标准GB T13304 1991 钢的分类 以及国际上通用的分类方法将不锈钢划分为5类 铁素体不锈钢马氏体不锈钢奥氏体不锈钢奥氏体 铁素体双相不锈钢沉淀硬化不锈钢等 2009 5 6 按钢中合金元素分类 铬系不锈钢 铬镍系不锈钢 铬镍钼系不锈钢 铬锰镍 氮 系不锈钢等数种 高纯铁素体不锈钢 超低碳奥氏体不锈钢等新钢种 2009 5 6 按钢的性能分类 耐硝酸不锈钢 耐硫酸不锈钢 耐点蚀不锈钢 耐应力腐蚀不锈钢 低温不锈钢 高强度不锈钢 易切削不锈钢等 2009 5 6 按不锈钢的制造工艺 铸造不锈钢和形变不锈钢 对相似牌号的铸造和形变不锈钢 两者在化学成分 工艺性能 金相组织 及使用性能方面也略有区别 2009 5 6 二 金属学基础 不锈钢具有良好耐腐蚀 氧化 性能的根本原因是在铁碳合金中加入了铬 铝 硅等主要合金元素 以及镍 钼 铌 钛 钴等其他元素 不锈钢的耐腐蚀性的基本原因是钝化膜理论 2009 5 6 不锈钢合金元素 不锈钢中常见的合金元素C Cr Ni Mn Si Al N Nb Ti Mo奥氏体形成元素 C Ni Mn N Cu等铁素体形成元素 Cr Si Ti Nb Al Mo等 2009 5 6 2009 5 6 合金元素的作用 提高基体金属的电极电位在室温下获得单相固溶体组织表面形成结构致密 不溶于腐蚀介质 电阻高的保护膜 2009 5 6 2009 5 6 Fe Ni Fe Cr二元合金相图 2009 5 6 2009 5 6 18Cr 8Ni不锈钢中C在 相中极限溶解度与温度的关系 2009 5 6 高温快冷形成的固溶有过饱和碳的奥氏体固溶体 当在400 850 温度下加热时 会析出碳化物沉淀相 生成的沿晶界分布的碳化物是造成奥氏体不锈钢晶界腐蚀的主要原因 2009 5 6 Schaeffler组织图 Schaeffler在研究焊缝金属的组织时总结出了合金元素与焊缝金属组织之间的关系 即所谓的Schaeffler组织图 这一组织图后来被推广到形变不锈钢中 用于不锈钢组织的预测与合金的设计 2009 5 6 Schaeffler组织图 Creq Cr Mo 1 5 Si 0 5 Nb Nieq Ni 30 C 0 5 Mn 2009 5 6 WRC 92组织图 2009 5 6 三 不锈钢中的组织和相 铁素体奥氏体马氏体 铁素体 相碳化物相 K相 2009 5 6 铁素体 相是在高温区域形成的相 一般称为 铁素体或高温铁素体 以区别于低温 铁素体 铁素体是体心立方晶格 但晶格常数与 铁素体不同 并表现出较高的脆性 这种相主要是由于加热温度过高 高温中停留过久 化学成分的波动或形成铁素体与奥氏体的元素达不到平衡等原因形成的 2009 5 6 铁素体 1Crl3钢1100 淬油300 回火组织铸态1Cr18Ni9Ti 2009 5 6 测定 铁素体含量的测定方法 金相法 可根据标准的图片进行比较 还可用图像分析软件进行测定 注意侵蚀时不要显示奥氏体晶界 否则定量结果可能偏高 图表计算法 在化学成分已知时 可以根据Schaeffler组织图 DeLong组织图和WRC 92组织图 查出 铁素体的含量 磁性法 有两种 一是磁称法 二是铁素体指示仪 用已知 铁素体含量的一系列标准样品与待测试样同时进行对比测定 X光法等 2009 5 6 相 相是一种Fe Cr原子比例相等的Fe Cr金属间化合物 其分子式近似可用FeCr表示 晶体结构为正方晶系 在室温下有磁性 硬而脆 68HRC 相一般在500 900 温度范围内长时间时效时析出 较高的含铬量的质量分数 25 76 及 铁素体的存在均会促进 相的析出 2009 5 6 相形成的条件 2009 5 6 1Crl8Ni9Ti锻后缓冷后析后析出 相 用20g铁氰化钾 20g氢氧化钾 100ml水溶液 1 5V 电解 2009 5 6 相的危害 相沿晶界分布 钢的塑性显著下降 分散分布对韧性危害较小 并有一定的强化作用 相增加钢的缺口敏感性 对强度 硬度影响不大 对冲击韧性影响显著 相显著地降低钢的塑性 韧性 抗氧化性 耐晶界腐蚀性能 助长热疲劳的产生 相形成后 使基体贫铬 或钼 钨 因此降低了基体抗蚀性 并削弱了固溶强化的效果 总之 相的危害性较大 应尽力避免该相的出现 2009 5 6 碳化物相 碳化物相是不锈钢中的一个基本组成相 可分为MC M6C M23C6 M7C3几种类型 它与钢中的含碳量与合金元素有关 2009 5 6 MC型碳化物 钢在凝固过程中 碳与亲和力较大的钽 铌 钛 钒结合 形成TaC NbC TiC VC碳化物 该类碳化物分布在晶界上起到强化作用 阻止晶粒长大 抑制 Cr Fe 23C6碳化物的形成 提高不锈钢的抗腐蚀性能 2009 5 6 MC6型碳化物 是一种二元碳化物 具有面心立方结构 一般在含铬量高 并且有钨 钼时 才会形成该类碳化物 以颗粒状析出于晶界 与M23C6型一起 起着强化晶界和提高持久寿命的作用 2009 5 6 M23C6 M7C3碳化物 M23C6 M7C3型碳化物是一种富铬的碳化物 M23C6碳化物具有面心立方结构 M7C3碳化物是三角晶系 这种碳化物大多存在含铬量高的钢中 2009 5 6 以Cr13钢为例 碳化物的形成过程 首先形成的 Cr Fe 3C碳化物中的铬含量的质量分数超过平衡值18 时 开始形成 Cr Fe 7C3碳化物 当 Cr Fe 7C3碳化物中铬饱和时 Cr Fe 23C6碳化物才形成 2009 5 6 四 不锈钢的分类 牌号 特点 铁素体不锈钢马氏体不锈钢奥氏体不锈钢双相不锈钢沉淀硬化不锈钢 2009 5 6 1 铁素体不锈钢 1 1 成分 牌号 特点 成分 含Cr 11 30 尚可含少量的Mo Nb Ti 基本上不含Ni Cr17型和Cr25型常用牌号 06Cr13Al 10Cr17 10Cr17Mo 008Cr27Mo 008Cr30Mo2等特点 强度较高 耐氯化物应力腐蚀 点蚀 缝隙腐蚀等性能优良 但对晶界腐蚀敏感 低温韧性较差 加热不发生相变 有强磁 冷加工成型和焊接工艺较差 具有三种脆性倾向 475 相析出脆 高温脆性 2009 5 6 475 脆性 铁素体不锈钢在400 550 温度范围内长时间加热会显著降低钢的耐蚀性 并出现脆化 即所谓475 脆性 研究表明 这是富铬铁素体内相变的结果 2009 5 6 相的析出 铁素体不锈钢在500 900 温度范围内长时间加热 则会因为析出 相而降低钢的塑性和韧性 可以通过金相检验 冲击功降低 腐蚀性能恶化予以评价 2009 5 6 高温脆性 在900 以上加热时 伴随着晶粒粗化而带来脆性 即高温脆性 经深冲 弯曲等冷加工后 容易产生粗糙表面和裂纹 耐晶间腐蚀性严重下降 2009 5 6 1 2热处理及金相组织 退火组织 铁素体 M7C3 或M23C6 过热 M F长期时效 500 900 相析出950 以上加热淬火高温脆性 无法消除 2009 5 6 900 保温并空冷后的显微组织为 铁素体及沿轧制方向分布的碳化物 2009 5 6 2马氏体不锈钢 2 1成分 牌号 特点 成分 含Cr12 14 含C 0 1 0 4 Cr13型 常用牌号 12Cr13 20Cr13 30Cr13 40Cr13等特点 含碳量较高 淬火后得到马氏体组织 有较高的强度 硬度 耐磨性 通过热处理得到所要求的性能 切削加工性能较好 焊接性能差 有回火脆性 2009 5 6 2 2热处理及金相组织 马氏体型不锈钢的热处理 淬火 淬火回火 退火 退火或高温回火 铁素体 M23C6淬火 马氏体 少量 铁素体淬火 高温回火 保留马氏体位向索氏体过热 晶粒粗大 大量 铁素体形成欠热 未溶解碳化物存在淬火 低温回火 回火马氏体 2009 5 6 退火组织 为3Crl3钢原材料退火状态 用氯化高铁盐酸水溶液侵蚀 组织为点状和球状珠光体及沿晶界呈断续分布的二次碳化物 2009 5 6 回火组织 4Cr13钢200 250 低温回火 回火马氏体及细颗粒碳化物 马氏体不锈钢有回火脆性 所以回火时冷却速度和回火温度必须选择适当 2009 5 6 铸造马氏体不锈钢 代表性牌号为ZG06Cr13Ni4Mo 相当于国际上通用的CA 6NM 这种铸钢经正火加一次回火或两次回火处理后 有非常好的强韧性配合 且工艺 焊接 性能优异 广泛使用于水电站过流部件 水泵 压缩机等机械 与普通马氏体不锈钢相比 此钢种降低了碳的含量 加入了适量的钼 因而经调质处理后 其组织为单一的低碳板条状马氏体 2009 5 6 ZG06Cr13Ni4Mo显微组织形貌 2009 5 6 3奥氏体型不锈钢 3 1 成分 牌号 特点 成分 含Cr 16 25 含Ni 75 20 基本成分18 Cr 8 Ni 通常称为18 8型不锈钢 常用牌号 304 18Cr 8Ni 321 18Cr 9Ni Ti 347 18Cr 9Ni Nb 316 18Cr 12Ni 2 5Mo 等特点 不能热处理强化 无磁性 具有优异的的耐腐蚀性 有良好的冷热成型性和焊接性能 晶界腐蚀和应力腐蚀倾向大 切削加工较困难 2009 5 6 不锈钢的常用热处理工艺 消除应力处理固溶处理敏化处理稳定化处理消除 相处理 2009 5 6 3 2 热处理及金相组织 固溶处理 1050 1100 组织 奥氏体过热 晶粒长大 铁素体形成 敏化 500 850 组织 晶界析出M23C6 晶界贫铬稳定化 850 900 组织 A MC TiC NbC 抑制晶间腐蚀消除应力 低温处理 300 350 高温处理800 以上 消除 相 通过820 以上的加热或固溶处理消除 2009 5 6 铸造奥氏体不锈钢 在铸态条件下为奥氏体加铁素体及少量沿晶界分布的碳化物 经固溶处理后为奥氏体加少量铁素体 我国国家标准中尚未规定铸造奥氏体不锈钢中铁素体含量的测定方法 可以参考美国标准ASTM800中提出的图表法 来测算铁素体的含量 反过来 也可以据此来为控制和调整铸钢件的化学成分 2009 5 6 ASTM800中图表法 图中的横坐标为铁素体的体积含量 纵坐标为合金的铬当量与镍当量的比值 自左到右三条曲线分别代表了1 04Cre 0 96Nie Cre Nie 0 96Cre 1 04Nie 对应于中间值以及正负一个标准差时的下限和上限范围 铬当量与镍当量的计算公式分别为 Cre Cr 1 5Si 1 4Mo Nb 4 99Nie Ni 30C 0 5Mn 26 N 0 02 2 77 2009 5 6 4奥氏体 铁素体双相钢 4 1成分 牌号 特点 成分 在铬镍系不锈钢基础上增加铁素体形成元素 Cr Mo 减少奥氏体形成元素 Ni Mn 当不锈钢中 铁素体含量很高而接近奥氏体含量时 称为奥氏体 铁素体双相不锈钢 2009 5 6 双相不锈钢的特点 双相组织有磁性比奥氏体钢强度高 耐腐蚀性好 热加工成型好 焊接性能好 仍具有铁素体钢的某些脆性 2009 5 6 双相不锈钢的特点 双相不锈钢的晶间腐蚀倾向比奥氏体小 这是由于此类钢在敏化温度范围 500 900 加热 Cr23C6未在奥氏体晶界析出 而先在 铁素体内析出 晶界不致于造成严重的贫铬现象 双相不锈钢的抗应力腐蚀能力也高于奥氏体 由于两相都有足够的的合金化 在许多介质中能达到钝化状态 故有较好的耐蚀性能 2009 5 6 双相不锈钢比铁素体不锈钢韧性好 比奥氏体钢的强度高 但塑性及冷变形性较奥氏体钢差 轧制后其组织沿轧制方向呈带状分布 使力学性能有较大的各向异性 2009 5 6 形变双相不锈钢 典型钢种有022Cr22Ni5Mo3N 022Cr25Ni7Mo4N等 国家标准中其金相检验的方法有GB T6401 1986铁素体奥氏体型双相不锈钢中 相面积含量金相测定法 但对材料中 脆性相的析出的检验尚没有规定 可以参考ASTMA923标准来进行 2009 5 6 铸造双相不锈钢 典型钢种有CD 4MCuN等 这类钢一般在固溶处理状态使用 其金相组织是 在 铁素体基体上分布有小岛状的奥氏体 铁素体的体积分数约占50 65 2009 5 6 铁氰化钾 氢氧化钾水溶液侵蚀 组织为白色的奥氏体和灰黑色 实为棕色 的铁素体 铁素体的体积分数约占50 2009 5 6 5 沉淀硬化不锈钢 5 1牌号 特点 通过热处理的手段使钢中的碳化物沉淀析出 从而达到提高强度目的 沉淀硬化不锈钢处理工艺 固溶处理 调整处理 时效处理常用牌号 05Cr17Ni4CuNb 07Cr17Ni7Al特点 固溶后为马氏体或半奥氏体组织 最终沉淀析出马氏体组织 有很高的强度 耐均匀腐蚀能力优于马氏体型钢 加工成型和焊接性能良好 用途 航空工业 2009 5 6 17 4PH 05Crl7Ni4Cu4Nb 锻造后经1050 1h固溶 1050 1h淬火 510 1h时效组织为回火马氏体和小块状铁素体 以及弥散状析出物 组织均匀 2009 5 6 四 组织与相的鉴别方法 A与F A有孪晶组织 F呈带状或枝晶分布赤血盐氢氧化钾溶液 F玫瑰色 A光亮色热染法 500 F亮黄色 A浅兰色氢氧化钾水溶液 电解 F灰色 A白色 2009 5 6 碳化物与 相 碱性高锰酸钾 浅侵蚀碳化物为浅棕色 相橘红色 深侵蚀碳化物为绿色 相棕橙色高锰酸钾 氢氧化钠水溶液 电解 相橘红色草酸电解 热染法 500 700 加热碳化物白色 相橙色 2009 5 6 475 脆性 草酸电解液铁素体呈微蓝绿色 无脆性 铁素体呈浅棕色 脆性 2009 5 6 五 试样的制备 试样的制备试样的侵蚀 2009 5 6 不锈钢金相检验项目和方法 1 低倍检验 试验方法 GB T226 1991钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验方法组织评定 参照GB T1979 2001 结构钢低倍组织缺陷评级图 GB T1220 2007 不锈钢棒 标准中规定不得有肉眼可见得缩孔 气泡 裂纹 夹杂 翻皮及白点 2009 5 6 不锈钢金相检验项目和方法 2 高倍检验 非金属夹杂物 GB T10561 2005 钢中非金属夹杂物显微评定方法 ASTME45 2005 奥氏体晶粒度 GB T6394 2002 金属平均晶粒度测定方法 ASTME112铁素体含量 GB T13305 1991 奥氏体不锈钢中 相面积含量金相检验法 GB T6401 1986 铁素体奥氏体双相不锈钢中 相面积含量金相测定法 GB4234 2003 外科植入物用不锈钢 标准中规定铁素体含量 夹杂物级别 晶粒度级别 2009 5 6 耐热钢的金相检验 概述 1 定义 向钢中加入合金元素提高其热强性和抗氧化性能 2 使用温度 400 650 3 分类 2009 5 6 按金相组织分类 铁素体耐热钢珠光体 铁素体耐热钢马氏体耐热钢奥氏体耐热钢 2009 5 6 按钢的特性分类 抗氧化钢 高温下550 1200 具有较好的抗氧化性能及抗高温腐蚀性能 并有一定的高温强度 热强钢 在高温下450 900 既能承受相当的附加应力又具有优异的抗氧化及抗高温腐蚀性能 还要承受周期性的可变应力 2009 5 6 按钢的用途分类 航空涡轮发动机用耐热钢 航天火箭发动机用耐热钢 核反应堆用耐热钢 燃气轮机用耐热钢 内燃机用耐热钢 锅炉和汽轮机用耐热钢 石化装置用耐热钢 工业炉用耐热钢等 2009 5 6 金相检验内容 耐热钢的工作温度较高 在使用过程中会发生钢内部的显微组织的变化 如碳化物的析出 聚集和球化和新相的析出 金相组织 原始态 的检验 经高温长期使用后钢的显微组织 服役后 的变化 以便为判断零件是否失效提供依据 2009 5 6 铁素体耐热钢 1 合金元素 Cr 12 28 少量的Si Al Ti 2 典型牌号 0C6r13Al 10Cr17 16Cr25N3 用途 燃烧室 喷嘴等4 组织 铁素体 2009 5 6 珠光体 铁素体耐热钢 1 合金元素 合金元素含量不超过5 7 属低合金钢2 典型牌号 15CrMo 12Cr1MoV 17CrMo1V等3 用途 工作温度350 670 锅炉管 汽包和气轮机的紧固件 主轴 叶轮等4 组织 正火 高温回火 铁素体 珠光体或贝氏体 2009 5 6 马氏体耐热钢 1 合金元素 Cr 12 加入W Mo V Si 2 典型牌号 12Cr13 14Cr11MoV 15Cr12NiWMoV 40Cr10Si2Mo等3 用途 工作温度475 540 气轮机的叶片 螺栓 内燃机的进 排汽阀等4 组织 淬火 高温回火 回火索氏体 2009 5 6 奥氏体耐热钢 1 合金