不锈钢和耐热钢的金相组织及检验.ppt

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1、不锈钢与耐热钢金相检验,二0一一年十月十五日,不锈钢的金相检验,定义,不锈钢在空气和弱腐蚀介质中抵抗腐蚀的钢 耐酸钢在酸、盐溶液等强腐蚀介质中抵抗腐蚀的钢 由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。统称不锈耐酸钢，简称不锈钢。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。,分类,按金相组织划分(GB/T13304-1991) F、M、A、A-F、PH 按合金元素种类划分 Cr、Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、 Cr-Mn-Ni,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。,合金元素,不锈钢中常

2、见的合金元素：C、Cr、Ni、Mn、Si、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,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。,单合金元素的作用,C :稳定A元素，强化M钢的重要元素，极易与其他合金元素形成合金碳化物，导致不锈钢的晶界腐蚀。 Cr :F形成元素，提高基体金属的电极电位，易与C生成M7C3、M23C6，钝化能力很强，形成Cr2O3 Ni :稳定A元素，提高基体金属的电极电位，减少铁素体的含量 Mn :与Ni作用相似，稳定A元素

3、，减少铁素体的含量，可以代替Ni。,单合金元素的作用,Ti、Nb :F形成元素，强化铁素体，优先于Cr与C结合生成TiC、NbC Al、Si :F形成元素，强化铁素体，和O结合生成致密的Al2O3 、SiO2氧化膜，过量降低钢的塑性。 Mo :F形成元素，强化铁素体，提高耐腐蚀性能,铁素体不锈钢,成分、牌号、特点 成分：含Cr：1130%，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：加热不发生相变不能采用热处理来强化；有强磁；冷加工成型和焊接工艺较差；具

4、有三种脆性倾向：475、相析出脆、高温脆性 热处理及金相组织 退火 ：（Cr17 850 ）、（Cr25 1050 ） 组织：铁素体+ M7C3（或M23C6），长期时效（500800 ）相析出。 400550内长时间加热，耐蚀性下降，出现脆化。加热至600 ，保温一小时后快冷可消除。 900 以上加热，晶粒会涨大，且不能细化，需控制温度。,铁素体不锈钢,1Cr17钢 加热到900后空冷的组织为铁素体沿轧制方向分布碳化物。,铁素体不锈钢,1Cr17钢 淬火后组织为铁素体低碳马氏体,马氏体不锈钢,成分、牌号、特点 成分：含Cr1214%，含C：0.10.4%，Cr13型。 常用牌号：12Cr13

5、、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。 热处理及金相组织 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,马氏体不锈钢,10Cr13淬火温度：1000 1050，组织为马氏体少量铁素体，,马氏体不锈钢,10Cr13，650 回火，组织为回火索氏体铁素体,马氏体不锈钢,20Cr13钢，淬火温度：9801

6、000 ，经1050 油淬后，组织为马氏体少量残余奥氏体，经650 回火后，组织为索氏体,马氏体不锈钢,30Cr13、40Cr13，淬火温度一般为10501100 ，淬火组织为马氏体未溶碳化物，回火后组织为索氏体碳化物,马氏体不锈钢,为30Crl3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,马氏体不锈钢,40 Cr13钢200250低温回火，回火马氏体及细颗粒碳化物。,奥氏体不锈钢,成分、牌号、特点 成分：含Cr：1625%，含Ni：720%，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）、

7、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；切削加工较困难。 热处理及金相组织 固溶处理：10501100， 组织：奥氏体（过热：晶粒长大，铁素体形成）。 敏化：500850，组织：晶界析出 M23C6 晶界贫铬 稳定化： 850900，组织：A+MC（TiC、NbC）抑制晶间腐蚀 消除应力：低温处理：300350，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,奥氏体不锈钢,固溶化处理：加热至10001100 ，使碳化物

8、全部溶于奥氏体中，然后快冷至室温，可得均以奥氏体组织，称为固溶处理。,沉淀硬化不锈钢,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。 常用牌号：0Cr17NI4CuNb、1Cr17Ni7Al 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；成型和焊接性能良好。 热处理工艺有：固溶处理、调整处理、时效处理。 固溶处理：所得组织为奥氏体少量铁素体，铁素体含量控制在515 调整处理：目的是为了获得必要数量的马氏体，从而使钢强化 时效处理：目的是使残余奥氏体变成马氏体，及从马氏体中析出高度弥散分布的金属间化合物。,奥氏

9、体不锈钢,基本成分为Cr：1417，Ni7及少量钼、铝、铜等。 固溶处理后组织为奥氏体少量铁素体。,奥氏体-铁素体不锈钢,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） 常用牌号：0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi 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。 热处理及金相组织 固溶处理（9501000） 铁素体+奥氏体 长期时效（ 500800 ） 相析出,奥氏体-铁素体不锈钢,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)

10、的铁素体，铁素体的体积分数约占50。,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）,不锈钢中的组织和相,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。,不锈钢中的组织和相,1Crl3钢1100淬油 300回火组织,铸态1Cr18Ni9Ti,不锈钢中的组织和相,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

11、不要显示奥氏体晶界，否则定量结果可能偏高； 图表计算法：已知化学成分，可根据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。,不锈钢中的组织和相,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500900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。,不锈钢中的组织和相,用20

12、g铁氰化钾、20g氢氧化钾，100ml水溶液，1.5V，电解,1Crl8Ni9Ti锻后缓冷后,不锈钢中的组织和相,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。,不锈钢中的组织和相,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

13、元素有关。,不锈钢中的组织和相,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。 M6C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。 M23C6、M7C3型碳化物：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。,组织与相的鉴别方法,

14、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 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（500700）加热 碳化物白色、 相橙色,不锈钢金相检验项目及方法,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、

15、气泡、裂纹、夹杂、翻皮及白点。,不锈钢金相检验项目及方法,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、ASTM E45 -2005 奥氏体晶粒度：GB/T6394-2002金属平均晶粒度测定方法ASTM E112 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 GB 4234-2003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。,不锈钢的腐蚀,点腐蚀： 不锈钢因表面生成钝化膜而具有耐蚀性的金属和合金，一旦由于某种原因表面膜被局部

16、破坏而露出新鲜表面后，这部分金属就会迅速溶解而发生局部腐蚀，这种在金属表面产生小孔的腐蚀形态称为点蚀。点蚀是不锈钢常见破坏性和隐患最大的腐蚀形态之一。 点腐蚀机理： 中性溶液中的离子（如Cl）作用于表面钝化膜，表面膜受破，因而发生点蚀。点蚀的扩展按下列反应进行： 阳极反应 ：MMe 阴极反应：O22H2O4e 4OH 随着反应的进行，蚀孔内的M（金属离子）增加，为保持电中性Cl从外部移入，并生成盐。该盐水解后生成HCl，pH下降，在此情况下点蚀可以持续进行下去。,不锈钢的腐蚀,点腐蚀的发生条件： 保护膜(钝化膜)的局部溶解或破坏，往往发生在表面有缺陷或夹杂的地方，或钝化膜薄弱的部位，而且需要有

17、活性阴离子的存在，如氯离子是常见的发生点腐蚀的阴离子。氯离子容易被吸附，挤走氧原子，和钝化膜中的阳离子反应生成可溶性的氯化物，破坏钝化膜，形成小坑，即点腐蚀诱导阶段，形成一个闭塞电路。含氯离子的水溶液是产生点腐蚀的主要原因。 点腐蚀的特征： 金属构件表面有肉眼可见的腐蚀麻坑，用金相法检验观察点腐蚀坑的剖面，其形状基本有呈蝶形、椭圆形和楔形三种。用扫描电镜能谱仪能检测到点腐蚀内有氧和氯。,不锈钢的腐蚀,缝隙腐蚀： 在金属和金属或金属和非金属表面狭窄的缝隙间，由于溶液移动受阻，腐蚀性阴离子停留在窄缝内，易发生在法兰连接处，铆钉、螺栓、垫片等部位。沉淀的腐蚀产物与金属基体之间，氧化皮和金属基体之间也

18、易发生缝隙腐蚀。 缝隙腐蚀机理： 类似于点腐蚀（闭塞电池的腐蚀机理），所不同的是点腐蚀需有一个闭塞电池形成的腐蚀诱导过程，而缝隙腐蚀的闭塞电池基本上是现成的，缝隙腐蚀经常是构件结构上的原因所造成的。 预防缝隙腐蚀措施-除结构上进行考虑尽量避免狭窄缝隙外，点腐蚀预防措施对缝隙腐蚀也很有效。,不锈钢的腐蚀,晶间腐蚀： 沿金属材料的晶粒界面发生腐蚀，使材料沿晶界分离，失去强度，危害很大。偏聚在晶界上的杂质或合金元素的富集与贫化是造成晶间腐蚀的主要原因，因为它们提供了晶界或晶界附近电化学腐蚀的阴极或阳极，构成了反应电池。 晶间腐蚀机理： 晶间腐蚀的理论为贫铬理论，普通的188不锈钢一般含碳量0.060

19、.08，因此有足够的碳与铬生成碳化物沉淀，这样铬就从固溶体中分离了，结果使与晶界邻近的金属铬含量降低。晶界的碳化铬是不腐蚀的，邻近晶界的贫铬区由于对许多腐蚀环境的耐蚀性较差，因此就腐蚀了。如果制成晶界剖面，腐蚀区好像一条深而窄的沟。,不锈钢的腐蚀,晶间腐蚀的特征： 其表面尺寸几乎不变，有时表面仍保持金属光泽，但强度和韧性下降，稍加冲击，表面会出现裂纹。金相剖面分析，抛光态下可观察到沿晶裂纹，有晶粒脱落，腐蚀沿晶界均匀向内发展。断口微观形貌为具有冰糖块状的沿晶断口。 晶间腐蚀预防措施： 采用固溶处理后水淬快冷； 适当加入碳化物稳定元素，如：Ti、Nb； 采用超低碳不锈钢，如304L、316L等。

20、,不锈钢的腐蚀,应力腐蚀： 金属材料在应力和腐蚀介质协同作用下发生的破裂，应力腐蚀开裂是在环境、材料、应力这三个因素同时起作用时发生。 应力腐蚀形貌特征： 材料表面腐蚀程度较轻，无全面腐蚀的特征，但裂纹较深，裂纹的走向基本与主应力方向垂直。 用金相显微镜观察，裂纹特征为分叉呈落叶的树枝状，裂纹有沿晶、穿晶及混合型。一般情况下,奥氏体不锈钢和为穿晶断裂。 断口宏观形貌有腐蚀色，有时能观察到放射状条纹。断口微观形貌穿晶型为河流花样，沿晶型有冰糖块特征。用能谱仪能检测到腐蚀介质元素。 通常情况下，应力腐蚀是多源的。,不锈钢的腐蚀,应力腐蚀,晶间腐蚀,耐热钢的金相检验,耐热钢,定义：向钢中加入合金元素

21、提高其热强性和抗氧化性能。 使用温度：400650 分类： 按金相组织：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 按钢的特性： 抗氧化钢：高温下5501200，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450900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。 按用途：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。,耐热钢金相检验内容,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

22、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。,耐热钢,铁素体耐热钢 合金元素： Cr：1228%，少量的Si、Al、Ti。 典型牌号：0C6r13Al、10Cr17、16Cr25N 用途：燃烧室、喷嘴等 组织：铁素体 珠光体-铁素体耐热钢 合金元素：合金元素含量不超过57%，属低合金钢 典型牌号：15CrMo、12Cr1MoV、17CrMo1V等 用途：工作温度350670，锅炉管、汽包和气轮机的紧固件、主轴、叶轮等 组织：正火+高温回火，铁素体+珠光体或贝氏体,耐热钢,马氏体耐热钢

23、 合金元素：Cr：12%，加入W、Mo、V、Si。 典型牌号：12Cr13、14Cr11MoV、15Cr12NiWMoV、40Cr10Si2Mo等 用途：工作温度475540，气轮机的叶片、螺栓、内燃机的进、排汽阀等 组织：淬火+高温回火，回火索氏体 奥氏体耐热钢 合金元素：含有较多扩大和稳定奥氏体的元素，由18-8型钢演变。 典型牌号：022Cr19Ni10、07Cr18Ni11Ti、45Cr14Ni14W2Mo、20Cr25Ni20等 用途：工作温度600以上，强度要求不高的耐热受力件，高温炉中部件、汽阀等 组织：固溶，奥氏体+M23C6,耐热钢金相检验,1、原始组织的检验： 内燃机部件金相检验在行业标准中有特殊规定（NJ354-1985、NJ309-1983） 高压锅炉用无缝钢管的GB5310-1995 2、运行金相检验： 珠光体球化 石墨化：碳钢和钼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。 轻度石墨化的管材可以通过热处理（加热到AC3以上保温）使组织恢复,谢谢,