材料金相组织

金属材料学基础 1 4 21 2020 目录 热处理 金属的结晶 金相试验 金相识别 合金相图 2 4 21 2020 使用 焊接 工况 引言 化学成分 制造工艺 热处理 组织结构 材料综合性能 3 4 21 2020 引言 2013年7月30日 某厂加氢裂化装置空冷入口管线 在充氢气升压过程中 一处弯头开裂 引发着火 609 6 36mm S2205 4 4 21 2020 引言 热影响区裂纹 5 4 21 2020 双相不锈钢 2205 的焊道与腐蚀介质接触侧要先焊 引言 2205双相不锈钢接头 先焊 6 4 21 2020 引言 PTA甲苯蒸馏塔焊缝腐蚀形貌材质 2205介质 对苯二甲酸 苯甲酸工作温度 202 分析原因 引言 7 4 21 2020 广义讲 金属从一种原子排列状态到另一种原子规则排列状态的转变叫金属的结晶 一 金属的结晶 金属从液态过渡到固体晶态的转变称为一次结晶 而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶 8 4 21 2020 金属的结晶就是原子排列状态的改变 结构不同 材料的性能就会存在差异 金属晶格最常见有三种 面心立方晶格 体心立方晶格 密排六方晶格 一 金属的结晶 面心立方堆积模型和密排六方堆积模型是致密度最高的 体心立方堆积的致密度一般 致密度高 塑性高 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 9 4 21 2020 纯铁的结晶过程 一 金属的结晶 冷却曲线中T0为熔点 Tn为开始结晶温度 曲线中abc段为液态金属逐渐冷却 bc段温度低于理论结晶温度 这种现象称为过冷现象 T0与Tn之差叫做过冷度 结晶的条件 一定的过冷度 纯铁凝固结晶时的温度 时间曲线 a b c 10 4 21 2020 纯铁的结晶过程 一 金属的结晶 纯铁冷却曲线 纯铁凝固后 在不同的温度下 有着不同的晶格结构 这种在固态下由于温度改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变 这种转变与液态金属结晶类似 也包含晶核的形成与长大 从曲线可知 从液相凝固得到的是体心立方晶格的铁 称为 Fe 在1394 时发生同素异构转变为具有面心立方晶格的铁 Fe 当温度降至912 时 继续转变为具有体心立方晶格的铁 Fe 铁 Fe 铁 Fe 铁 Fe 1394 912 11 4 21 2020 一 金属的结晶 纯金属结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程 形核与长大 12 4 21 2020 一 金属的结晶 晶体长大的形态 等轴晶 晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒 固液界面能够在空间各个方向自由迁移 组织性能好 通过退火工艺可以获得 柱状晶 结晶时只能在空间中的一个方向自由迁移 其他两个方向受限制 这种组织的材料的性能有了方向性 避免产生这种组织 晶体在空间中的主要有两种形态 等轴晶 柱状晶 13 4 21 2020 晶粒度 表示晶粒大小的尺度 标准晶粒度共分8级 1 4级为粗晶粒 粗于1级为晶粒粗大 5 8级为细晶粒 8级以上为超细晶粒 同一成分的金属 晶粒愈细 其强度 硬度愈高 而且塑性和韧性愈好 晶粒度较大 晶界多 腐蚀敏感性大 所以要求母材杂质含量低 从要求高的持久强度和抗氧化性出发 希望高温合金晶粒度略微粗大一些 热强性 例 ASMESA213 2007 锅炉 过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管 对347H要求有7级或更粗的晶粒度 一 金属的结晶 14 4 21 2020 一 金属的结晶 晶粒粗大与细化晶粒 晶粒粗大 金属凝固或加热到相变温度以上 或在奥氏体再结晶区变形时 再结晶后停留时间长 冷却速度慢使晶粒集聚长大 粗大奥氏体晶粒造成固态相变后铁素体晶粒粗大 组织遗传 焊接时大线能量 就可能使焊接接头组织的晶粒粗大 热处理加热温度过高 高温停留时间过长 如固溶处理不当 钢材内部缺陷之一 表现为金属晶粒比正常生产条件下获得的标准规定的晶粒尺寸粗大 钢材由于生产不当 奥氏体或室温组织均能出现粗大晶粒 这种组织使强度 塑性和韧性降低 疲劳性能下降 15 4 21 2020 一 金属的结晶 晶粒粗大与细化晶粒 过烧组织 过热组织 过热组织 钢因加热温度超过Ac3线很多或在高温下停留时间很长而形成的以晶粒粗大为特征的金属组织 16 4 21 2020 一 金属的结晶 晶粒粗大与细化晶粒 细化晶粒 控制形核率 控制温度 在原材料冶炼时 加入一些细化晶粒元素 Nb Ti 采用适当的变形程度和变形温度也能达到细化晶粒的目的 锻轧 采用正火 退火 等热处理工艺 产生相变重结晶的方法来细化晶粒 在结晶过程中 采用机械振动 超声波振动 电磁搅拌 也可使晶粒细化 破碎 17 4 21 2020 焊接过程是一个快速加热冷却过程 在这一过程中 焊接接头组织将发生变化 包括热影响区的相变 晶粒粗化和焊缝内的凝固结晶过程 从而导致焊接接头的性能与基体有较大差异 成为焊接结构中的薄弱部位 一 金属的结晶 晶粒粗大与细化晶粒 18 4 21 2020 一 金属的结晶 一次结晶 液相 固相 直接影响金属材料组织性能 特别是焊接过程中许多缺陷 包括夹渣 气孔 夹杂物偏析等 也都是在熔化结晶过程中产生的 因而了解金属结晶过程对控制焊接质量具有十分重要的意义 19 4 21 2020 奥氏体不锈钢由于其导热系数率低 散热慢 在加工和焊接时易出现受热部位高温停留时间过长 导致局部晶粒粗大 此类材料焊接应特别注意控制返修次数 二次返修时应将原焊口割除 知识点 对成品奥氏体晶粒粗大后能否恢复 20 4 21 2020 成品奥氏体晶粒粗大后能否恢复 奥氏体材质的设备或管道在使用过程中如果发生晶粒粗大 将会对使用性能产生很大的不利影响 而且奥氏体材质设备和管道的组织转变是不可逆的 因为奥氏体在热处理过程中是没有相变 没有重新形核长大过程 只能重熔或采用机械变形方法即锻造和轧制变形来细化晶粒 所以奥氏体设备和管道成品如果在制作和安装中发生晶粒长大是无法挽回的 若到厂材料经检验发现晶粒粗大 只能做报废处理 知识点 21 4 21 2020 金相分析 是运用放大镜和显微镜 根据对金属材料的宏观及微观组织进行观察研究的方法 生产实际中常常称为金相检验 金相是检测试样的内部组织形貌 析出物 二 金相试验 22 4 21 2020 金相腐蚀 有2种方法 化学腐蚀法和电解腐蚀法 化学腐蚀是将抛光好的样品磨光面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间 从而显示出其试样的组织形貌 纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程 由于晶界上原子排列不规则 具有较高自由能 所以晶界易受腐蚀而呈凹沟 使组织显示出来 在显微镜下可以看到多边形的晶粒 二 金相试验 23 4 21 2020 电解腐蚀 两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程 在腐蚀剂中 形成极多微小的局部电池 阳极相被腐蚀而逐渐凹下去 阴极相保持原样 因而在显微镜下可清楚地显示出合金的两相 另一种方法是薄膜染色法 此法是利用腐蚀剂与磨面上各相发生化学反应 形成一层厚薄不均的膜 或反应沉淀物 在白光的照射下 由于光的干涉使各相呈现不同的色彩 从而达到辨认各相的目的 二 金相试验 24 4 21 2020 二 金相试验 常用腐蚀剂举例 25 4 21 2020 相 成份 结构相同的组织统称为相 体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相 无论这种液体是纯物质还是 真 溶液 也总是一个相 若系统中有两种液体 如乙醚与水 即为两相组织 铁素体相奥氏体相固溶体 是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相 三 金相的识别 26 4 21 2020 相变 物质从一种相转变为另一种相的过程 三 金相的识别 27 4 21 2020 铁碳合金在平衡状态下的五个基体组织 铁素体 奥氏体和渗碳体是铁碳合金的三个基本相 珠光体和莱氏体则为基本相组成的机械混合物 三 金相的识别 28 4 21 2020 铁碳合金的基本相 碳溶解于 Fe和 Fe中形成的体心立方间隙固溶体 用 或F表示 由于 Fe是高温相 因此也称为高温铁素体 铁素体的含碳量非常低 727 时 Fe最大溶碳量仅为0 0218 室温下含碳仅为0 0008 其性能与纯铁相似 塑性 韧性很好 硬度低HB80 铁素体是从高温奥氏体转变产物 根据其形态 分为网状铁素体 块状铁素体 弥散点状及针状铁素体 铁素体Ferrite 三 金相的识别 29 4 21 2020 铁素体Ferrite 多边形晶粒 亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状 晶界比较圆滑 30 4 21 2020 碳溶解于 Fe中形成的具有面心立方晶体结构间隙固溶体 可以溶解较多的碳 用 或A表示 1148 时最多可以溶解2 11 的碳 到727 时含碳量降到0 77 奥氏体塑性很好 强度和硬度也比铁素体高 钢铁热加工都在 区 钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后钢的组织和性能 奥氏体晶粒越小 则其转变的产物的晶粒也较细小 奥氏体没有磁性 碳钢在室温下无奥氏体 奥氏体 奥氏体晶胞示意图 三 金相的识别 31 4 21 2020 奥氏体Austenite 晶界比较直 呈规则多边形 32 4 21 2020 铁碳合金的基本相 渗碳体是铁和碳形成的金属化合物 含碳量为6 69 熔点为1227 具有复杂的斜方晶体结构 硬度极高HB800 塑性几乎等于0 是硬脆相 在钢中 渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中 对钢的力学性能影响很大 在一定条件下 如高温长期停留或缓慢冷却 渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳 渗碳体Fe3C 渗碳体的晶胞示意图 三 金相的识别 33 4 21 2020 铁碳合金的基本相 渗碳体Fe3C 三 金相的识别 一次渗碳体 从液体相中析出 二次渗碳体 从奥氏体中析出 和三次渗碳体 从铁素体中析出 一次渗碳体 二次渗碳体 三次渗碳体 34 4 21 2020 过共析钢的显微组织 二次渗碳体 珠光体 二次渗碳体在降温时因含碳量变化从奥氏体中沿晶界析出 一般都是呈网状 损害材料的强度 塑形和韧性 由于对性能的影响不利 常可通过的球化退火工艺来打断二次渗碳体网 以改善性能 35 4 21 2020 珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间 强度较高 硬度适中 塑性和韧性较好 其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状物 也称片状珠光体 用符号P表示 在珠光体中铁素体占88 渗碳体占12 c 0 77 三 金相的识别 珠光体 36 4 21 2020 珠光体 一个奥氏体晶粒内存在多个珠光体团 37 4 21 2020 莱氏体是碳的质量分数Wc 4 3 的铁碳合金冷却到1148 时共晶转变的产物 存在于1148 727 之间的莱氏体称为高温莱氏体 用符号 Ld 表示 组织由奥氏体和渗碳体组成 存在于727 以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体 用符号 Ld 表示 组织由渗碳体和珠光体组成 低温莱氏体的显微组织硬度高 塑性差 三 金相的识别 莱氏体 38 4 21 2020 三 金相的识别 莱氏体显微组织 渗碳体 珠光体 39 4 21 2020 铁碳合金的基本相 三 金相的识别 珠光体 过冷组织 由于过冷度的影响 根据片状珠光体片间距不同 可以分成珠光体P 索氏体S 屈氏体T三种 40 4 21 2020 如果将共析钢过冷到550 230 之间并没有产生片间距更细的珠光体 而是产生了另一种新组织称为贝氏体 它也是由铁素体加碳化物组成 但碳化物是非层片状分布的 由于形成的温度不同使贝氏体的形貌有所不同 又将贝氏体分成上贝氏体 下贝氏体 粒状贝氏体 条状贝氏体 三 金相的识别 贝氏体 41 4 21 2020 上贝氏体在500 350 形成 铁素体条比较粗大 呈羽毛状 渗碳体断断续续分布在铁素体条之间 强度硬度低 而且比较脆 韧性差 下贝氏体在350 230 形成 从图可见在光学显微镜呈黑色针状 针的基体是铁素体 内部分布着细小的碳化物 优良的强韧性 硬度和耐磨性很高 是一种理想的淬火组织 具有很高的实用价值 上贝氏体 贝氏体 三 金相的识别 下贝氏体 42 4 21 2020 三 金相的识别 马氏体 当高温的奥氏体获得极大的过冷造成碳无法扩散 碳化物无法从奥氏体中析出 就形成一种非平衡的新组织 钢中形成的这种碳在 Fe中过饱和的固溶体就被称为马氏体 两种典型的组织 板条马氏体 低碳 与片状马氏体 高碳 一般当Wc1 0 时 则几乎全为片状马氏体 当Wc 0 3 1 0 时 为板条马氏体和片状马氏体的混合物 43 4 21 2020 板条状马氏体 板条状马氏体光学显微镜下的特征是 束状组织 强度 韧性高 四 金相的识别 马氏体 片层状马氏体 片层状马氏体光学显微镜下的特征是 细针状或竹叶状 特点硬而脆 44 4 21 2020 三 金相的识别 马氏体不锈钢 强度高 但塑性和可焊性较差 马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13 3Cr13等 因含碳较高 故具有较高的强度 硬度和耐磨性 但耐蚀性稍差 用于力学性能要求较高 耐蚀性能要求一般的一些零件上 如汽轮机叶片 水压机阀 手术刀 应力小 等 这类钢是在淬火 回火处理后使用的 锻造 冲压后需退火 对于中 高碳钢 Cr Mo耐热钢焊接时 要特别注意因冷却速度过快 以致在拘束应力 淬硬组织 和氢的共同作用 使接头开裂产生冷裂纹 焊接时选用低氢性焊材 控制道间温度 多层多道焊 避免应力集中 焊后消氢 消应力热处理 45 4 21 2020 为什么管线坡口宜采用机械加工 为什么管线坡口宜采用机械加工 若采用气割后应将硬化层磨去 由于气割温度较高 气割后钢材迅速冷却 在坡口位置易产生淬硬组织 在焊接后易产生冷裂纹 尤其是高强钢 Cr Mo耐热钢P5 P9 知识点 46 4 21 2020 铬钼钢焊口焊接过程中能否中断 铬钼钢由于碳当量较高 在焊接熔池冷却过程中易形成淬硬组织 导致焊缝及热影响区产生冷裂纹 因此铁素体耐热合金钢应进行焊前预热 焊后保温消氢和焊后热处理 在焊接作业过程中整条焊缝焊接不应中断 若中断 应立即进行保温消氢 再次焊接前应检查焊缝是否产生裂纹 并经重新预热后才能进行焊接作业 并且焊接过程中应控制道间温度不低于预热温度 与不锈钢焊接管理存在较大的区别 知识点 47 4 21 2020 铬钼钢的回火脆化现象 A铬钼钢回火脆化 铬钼钢P5 P9等为淬火处理得到贝氏体或马氏体组织 并再次加热经过退火或正火 回火消除淬火产生的高内应力 得到的稳定组织 铁素体基体 铬钼钢在使用中若长时间在343 577 服役 相当于将铬钼钢再次长时间回火 导致铬钼钢韧性下降 脆性增加 尤其是含铬2 3 的铬钼钢 原因是 a 钢中的元素在长时间高温下产生了偏析 C P Sn Sb Si Mn等元素在晶界偏析降低晶界结合力 使晶界脆性增强 知识点 48 4 21 2020 铬钼钢的回火脆化现象 B 如P9 淬火 正火回火得到的稳定板条状马氏体组织在长时间高温下产生组织转变 板条状高韧性 高强度马氏体中的固溶C析出在局部形成高浓度碳的片状马氏体 片状马氏体强度更高但是脆性增强 使钢材局部脆性增加 以上两个原因造成了铬钼钢的高温回火脆性 在铬钼钢管道停工 开工时易造成脆性开裂 一般焊缝部位比较常见 这种回火脆化可以经过热处理消除 是可逆的 知识点 49 4 21 2020 知识点 脆化裂纹 50 4 21 2020 纯净钢 钢材在冶炼过程中不可避免的会存在一些夹杂物 主要是非金属夹渣物 夹渣物的存在会在钢材轧制过程中沿轧制方向形成分层和破坏组织的连续性 在临氢管道和含有湿H2S环境系统中应使用抗HIC和抗H2S的纯净钢 即对非金属夹渣物及硫 磷含量要求较严格 若使用非纯净钢 管道中或腐蚀产生的氢原子由于分子较小 会向金属材料中渗透 在夹杂物和分层等组织不连续部位将聚集氢原子 再形成氢分子 在外应力的作用下造成开裂 尤其是在未做好热处理的焊缝部位 知识点 51 4 21 2020 四 合金相图 Fe Fe3C相图是研究各种温度下的铁碳合金成分 组织 性能之间的关系 铁碳合金平衡图是表示在极其缓慢的加热或冷却条件下 组织随温度和成分变化的图形 掌握它就能对碳钢和铸铁的内部组织及其变化规律有一个完整的概念 52 4 21 2020 四 合金相图 20 0 17 0 23 C 亚共析钢 组织转变 727 0 77共析反应 1495 0 17包晶反应 室温组织 先共析铁素体 1538 合金冷却时 从1点起自L中结晶出 至2点时 L成分变为0 53 C 变为0 09 C 发生包晶反应生成A0 17 反应结束后尚有多余的L 2 点以下 自L中不断结晶出A 至3点合金全部转变为A 在3 4点间A冷却不变 从4点起 冷却时由A中析出F F在A晶界处优先生核并长大 而A和F的成分分别沿GS和GP线变化 至5时 A的成分变为0 77 C F的成分变为0 0218 C 此时A发生共析反应 转变为P组织 最终室温组织为P F 例 完全A化 53 4 21 2020 铁碳合金的成分 组织 性能关系 四 合金相图 在室温下 碳含量不同时 不仅F和Fe3C的相对重量变化 而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化 随碳含量增大 组织按下列顺序变化 F纯铁 F P亚共析钢 P共析钢 P Fe3CII过共析钢 P Fe3CII Ld 亚白口铸铁 Ld 白口铸铁 Ld Fe3CI过白口铸铁 Fe3CII 铁碳合金基本组织的力学性能 54 4 21 2020 铁碳合金的成分 组织 性能关系 四 合金相图 硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数 随碳含量的增加 由于硬度高的Fe3C增多 硬度低的F减少 合金的硬度呈直线关系增大 由全部为F的硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB 强度是一个对组织形态很敏感的性能 随碳含量的增加 亚共析钢中P增多而F减少 P的强度大小与细密程度有关 铁碳合金中Fe3C是极脆的相 没有塑性 合金的塑性变形全部由F提供 所以随碳含量的增大 F量不断减少时 合金的塑性连续下降 到合金成为白口铸铁时 塑性就降到近于零值了 55 4 21 2020 铁碳合金的成分 组织 性能关系 四 合金相图 亚共析钢的硬度 强度和塑性可根据成分或组织作如下的估算 硬度 80 F 180 P HB 或硬度 80 F 800 Fe3C HB 强度 b 230 F 770 P MPa 延伸率 50 F 20 P 56 4 21 2020 四 合金相图 合金元素对奥氏体和铁素体存在范围的影响几乎所有的合金元素 除Pb外 都可溶入铁中 形成合金铁素体或合金奥氏体 按其对 Fe或 Fe的作用 可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类 封闭或缩小奥氏体区形成铁素体的元素如 Cr Si Ti Nb Mo V AL等例 铁素体不锈钢 400系 含铬量在15 30 06Cr13 GB24511 封闭或缩小铁素体区形成奥氏体的元素如 Ni Mn Co C N Cu等例 奥氏体不锈钢Cr约18 Ni8 10 57 4 21 2020 Fe Ni合金相图 扩大奥氏体相区 58 4 21 2020 Fe M合金相图 缩小奥氏体相区 FenCrm金属间化合物硬脆相 59 4 21 2020 钢在冷却时的组织转变 即可在某一恒定温度下进行 又可在连续冷却过程中进行 冷却条件的不同奥氏体发生组织转变的温度也不同 由于过冷奥氏体转变是一种非平衡相变 因此不能完全依据Fe Fe3C合金相图来分析判断 为了掌握奥氏体在过冷状态下发生转变的行为 人们通过实验手段建立了过冷奥氏体转变曲线 在A1以下存在且不稳定的 将要发生转变的奥氏体就是过冷奥氏体 四 合金相图 60 4 21 2020 共析钢等温转变曲线TTT 共析钢连续转变曲线CTT 四 合金相图 61 4 21 2020 2205双相不锈钢是在其组织中铁素体相与奥氏体相各占一半 它的抗点蚀 缝隙腐蚀 应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢 双相不锈钢2205铁素体含量的最佳值是45 过低的铁素体含量将导致材料抗应力腐蚀开裂能力下降 过高的铁素体含量 75 也会有损于耐蚀性和降低冲击韧性 铁素体不锈钢固有475 脆化和 相脆化问题 对材料 包括焊材 采购时严格控制相比例 化学成分 对于2205钢的焊接最主要的问题是如何保证焊接接头铁素体和奥氏体相组织的比例 进而保证接头的耐蚀性和力学性能 四 合金相图 应用 62 4 21 2020 四 合金相图 应用 1350 63 4 21 2020 不同冷却速度对双相钢组织转变影响 T12 8 从1200 到850 冷却时间 图中黑色为铁素体 白色为奥氏体 细小颗粒为析出相 随着1200 到800 冷却时间的增加 奥氏体由原来树枝状或羽毛状的逐渐转变成带状 两相的比例也有较大的差异 奥氏体相明显增加 a b 四 合金相图 应用 奥氏体 铁素体 奥氏体 铁素体 64 4 21 2020 因为在焊接热循环作用下 焊缝处于快冷非平衡态 冷却后总是保留更多的铁素体 从而增大了腐蚀倾向 因此 通过多层多道焊 使后续焊道对前层焊道的热处理作用 焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体 成为以奥氏体占优势的两相组织 从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善 四 合金相图 应用 2205不锈钢接头 先焊 65 4 21 2020 几种常用材质的组织形态 20 钢 低碳钢410不锈钢 06Cr13 304不锈钢 06Cr19Ni10 321不锈钢 06Cr18Ni11Ti 347不锈钢 06Cr18Ni11Nb 2205双相不锈钢 022Cr23Ni5Mo3N 讨论 66 4 21 2020 20 钢管材执行标准GB 9948石油裂化用无缝钢管 碳含量为0 17 0 23 wt 交货状态为正火 热处理温度为880 940 为铁素体加珠光体组织 常用材料的组织形态 67 4 21 2020 常用材料的组织形态 68 4 21 2020 410不锈钢 06Cr13 板材执行标准ASTMSA 240 碳含量小于0 08wt 铬含量11 5 13 5 wt 镍含量0 75 wt 交货状态为固溶处理 出炉后快速冷却 铁素体不锈钢 常用材料的组织形态 69 4 21 2020 常用材料的组织形态 304不锈钢 06Cr19Ni10 管道执行标准ASTMA 312 碳含量0 08wt 铬含量18 20 wt 镍含量8 11 wt 交货状态为固溶处理 出炉后快速冷却 奥氏体不锈钢 70 4 21 2020 常用材料组织形态 321不锈钢 06Cr18Ni11Ti 管道执行标准ASTMA 312 碳含量0 06wt 铬含量17 19 wt 镍含量9 12 wt 钛含量不低于5倍碳含量且不高于0 7 wt 交货状态为固溶处理和稳定化热处理 奥氏体不锈钢 71 4 21 2020 常用材料的组织形态 2205双相不锈钢 022Cr23Ni5Mo3N 管线执行标准ASTMSA790 碳含量0 03 wt 铬含量22 23 wt 镍含量4 5 6 5 wt 钼含量3 0 3 5 wt 氮含量0 14 0 20 w 交货状态为固溶处理 铁素体和奥氏体双相不锈钢 72 4 21 2020 常用材料性能对比 410不锈钢与304不锈钢对比 410铁素体不锈钢与304奥氏体不锈钢相比 具有铁素体组织 由于铬镍含量低的原因 耐还原酸腐蚀能力差 耐晶间腐蚀能力差 但由于属铁素体组织 耐氯离子应力腐蚀能力高于304 而且具有导热系数大 热膨胀系数低的优点 73 4 21 2020 常用材料性能对比 410不锈钢与304不锈钢对比 由于上述两种材料的本身特性 加上410不锈钢价格也低于304 410不锈钢一般在塔内件及塔内壁使用较广泛 尤其在存在氯离子应力腐蚀开裂的工况下 其耐氯离子应力腐蚀开裂的能力优于奥氏体不锈钢 如常压塔顶 74 4 21 2020 常用材料性能对比 为什么铁素体耐氯离子应力腐蚀优于奥氏体 铁素体奥氏体 75 4 21 2020 常用材料性能对比 铁素体 呈体心立方晶格 在显微镜下为明亮的多边晶粒 但晶界曲折 奥氏体 呈面心立方晶格 在显微镜下为多边晶粒 但晶界较平直 76 4 21 2020 常用材料性能对比 由于铁素体晶界曲折 不容易发生晶界滑移 因此铁素体对氯离子应力腐蚀开裂有天生的抵抗性 而奥氏体由于晶界平直 在应力腐蚀的作用下易产生晶界滑移 导致产生沿晶裂纹 甚至断裂 由于氯离子直径较小 容易穿透氧化铬保护膜 因此奥氏体不锈钢对氯离子应力腐蚀开裂较敏感 尤其是随着使用温度的增加 77 4 21 2020 为什么双相不锈钢的耐腐蚀能力更好 以奥氏体不锈钢316L 022Cr17Ni12Mo2 与双相不锈钢2205 022Cr23Ni5Mo3N 对比为例 由于铬含量增加 增强了抗氧化性 钼含量增加增强了抗点蚀能力 增加了N元素提高了奥氏体稳定性 降低冷作硬化趋势 降低了Ni含量 增加了铁素体组织 使其具有奥氏体和铁素体的双相组织优点 常用材料性能对比 78 4 21 2020 双相钢应力腐蚀裂纹晶相照片相比例和相分布是影响双相不锈钢耐应力腐蚀主要因素 常用材料性能对比 79 4 21 2020 双相不锈钢耐应力腐蚀开裂的解释 1 双相不锈钢强度比奥氏体更高 约2倍 因此在应力腐蚀环境中所承受的断裂应力也提高 2 铁素体相的存在对裂纹扩展起阻碍作用 在低应力作用下铁素体晶界难以发生滑移 奥氏体裂纹的扩展被阻止 而在高应力作用下 裂纹容易穿透铁素体相 失去阻碍作用 因此应控制加工及安装过程的外加应力 3 铁素体相比奥氏体相电位较负 对奥氏体相起到电化学牺牲阳极保护作用 常用材料性能对比 80 4 21 2020 常用材料性能对比 应力腐蚀裂纹 81 4 21 2020 热处理定义钢的热处理是指采用适当方式对金属材料或工件进行加热 保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺 工业上常用的热处理工艺有 退火 正火 淬火 回火以及表面化学处理 通常为 四火一化 五 热处理 82 4 21 2020 五 热处理 83 4 21 2020 四把火 的定义退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却 一般为随炉冷却 以获得接近平衡状态组织的热处理工艺 正火 钢材或钢件加热到Ac3 对于亚共析钢 或Accm 对于过共析钢 以上30 50 保温适当时间后 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺 淬火 将钢加热到相变温度以上 亚共析钢为Ac3以上30 50 共析钢和过共析钢为Ac1以上30 50 保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺 回火 钢件淬火后 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能 将其加热到Ac1以下某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 五 热处理 84 4 21 2020 四把火 特点比较 五 热处理 85 4 21 2020 四把火 特点比较 五 热处理 86 4 21 2020 应用举例 为使低碳钢便于切削加工 应采用 C 热处理 A 完全退火B 球化退火C 正火D 回火正火与退火相比 主要区别是由于正火冷却速度快 所以获得的组织 A 比退火高些 A 较细 强度 硬度B 较粗 强度 硬度C 较细 塑性 硬度D 较粗 塑性 硬度 五 热处理 87 4 21 2020 应用举例 过共析钢因过热而析出网状渗碳体组织时 可用下列 C 工艺消除 A 完全退火B 等温退火C 球化退火D 正火 五 热处理 网状渗碳体 88 4 21 2020 冲子 锉刀 五 热处理 89 4 21 2020 碳在奥氏体不锈钢中的溶解度与温度有很大影响 奥氏体不锈钢在经450 850 的温度范围内时 钢中过饱和碳就会向晶界扩散并析出 与晶界处铬形成Cr23C6 导致晶界贫铬 当铬含量降至耐腐蚀性界限之下 此时在腐蚀介质的作用下产生晶间腐蚀 严重时能变成粉末 所以有晶间腐蚀倾向的奥氏体不锈钢应进行固溶热处理或稳定化处理 固溶热处理与稳定化处理 五 热处理 90 4 21 2020 固溶热处理 将奥氏体不锈钢加热到1100 左右 使碳化物相全部或基本溶解 碳固溶于奥氏体中 然后快速冷却至室温 使碳达到过饱和状态 固溶热处理中的快速冷却似乎象普通钢的淬火 但此时的 淬火 与普通钢的淬火是不同的 前者是软化处理 后者是淬硬 稳定化处理 为避免碳与铬形成高铬碳化物 在奥氏体钢中加入稳定化元素 如Ti和Nb 在加热到875 以上温度时 能形成稳定的碳化物 由于Ti和Nb能优先与碳结合 形成TiC或NbC 大大降低了奥氏体中固溶碳的浓度 含量 从而起到了牺Ti和Nb保Cr的目的 固溶热处理与稳定化处理 五 热处理 91 4 21 2020 目标一致 方式不同 固定住碳 避免与Cr结合 锻造之后需要固溶处理 焊接之后需要稳定化处理 固溶处理降温时必须急冷 水冷 稳定化对温度和冷却速度控制严格 对象不同 稳定化处理必须是加钛或铌的奥氏体不锈钢 例347 321 五 热处理 固溶热处理与稳定化处理 92 4 21 2020 五 热处理 固溶热处理与稳定化处理 一般347不锈钢焊接后要求进行 B 处理 可提高材料抗晶间腐蚀能力 A 回火B 稳定化C 固溶D 淬火 正火 93 4 21 2020 五 热处理 固溶热处理与稳定化处理 刀状腐蚀 经焊接后 与焊缝相邻的高温狭窄区域内TiC NbC 就会分解 钢中碳便会溶于奥氏体基体