實驗十 特殊性能鋼的組織觀察與檢驗

1、實驗十 特殊性能鋼的組織觀察與檢驗(驗證性)一、實驗?zāi)康募耙?觀察耐磨鋼、耐熱鋼、不銹鋼的顯微組織特點。2了解耐磨鋼、耐熱鋼、不銹鋼所具有的特殊性能與化學(xué)成分、組織之間的關(guān)系。3了解相關(guān)檢驗方法和標(biāo)準(zhǔn)檢驗技術(shù)。二、實驗原理特殊性能鋼是指加入了大量合金元素，使鋼具有了一些特殊的物理性能和化學(xué)性能的鋼，根據(jù)它們的性能特點，可分為耐磨鋼、不銹鋼、耐熱鋼、磁鋼等（一）耐磨鋼傳統(tǒng)耐磨鋼為ZGMn13俗稱高錳鋼。高錳鋼是在過共析鋼中增加錳的含量（約1114）使Mn/C之比接近10/1，再經(jīng)過水淬后得到室溫單一奧氏體組織的鋼。在承受載荷和嚴(yán)重摩擦作用下，使鋼發(fā)生顯著硬化。載荷越大，硬化程度越高，耐磨性能好

2、。如在靜載荷下使用，它的耐磨性反而不高，因此適合制作承受劇烈沖擊和在嚴(yán)重摩擦條件下工作的零件。1、鑄態(tài)組織 由于機加工困難，一般鑄造成型。鑄態(tài)組織應(yīng)該為：奧氏體基體少量珠光體型共析組織大量分布在晶內(nèi)和晶界上的碳化物。（在高溫時析出的碳化物在晶界呈網(wǎng)狀或者局部呈塊狀；在較低溫度析出的碳化物則在晶內(nèi)呈針狀、片狀分布，或者以明顯或不明顯的滲碳體魏氏組織出現(xiàn)在在奧氏體基體上。）碳化物較脆，一般不能直接使用。2、熱處理后的組織 一般經(jīng)過水韌處理。水韌處理：將ZGMn13鑄件加熱到高溫（10001100）保溫一段時間，使鑄態(tài)組織中的碳化物全部溶入基體奧氏體中，然后迅速淬水快冷使碳化物來不及從過飽和的奧氏體

3、中析出，以獲得均勻的單相奧氏體組織，這種處理稱為水韌處理。正常組織為過飽和的單相奧氏體，晶粒大小不均勻，也有少量均勻分布的粒狀碳化物。水韌處理后的碳化物有：未溶、析出、或過熱碳化物。3、鑄造高錳鋼的常見缺陷 主要是分散分布的串狀或串連成斷續(xù)網(wǎng)狀分布的顯微疏松、氣孔、非金屬夾雜物及沿晶裂紋等。4、鑄造高錳鋼的金相檢驗標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 13925-1992鑄造高錳鋼金相標(biāo)準(zhǔn)進行顯微組織、碳化物、晶粒度和非金屬夾雜物的評級。（二）不銹鋼我們所說的不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液或其他腐蝕介質(zhì)中具有化學(xué)穩(wěn)定性的鋼的總稱，而把其中的耐酸、堿和鹽等侵蝕性強的介質(zhì)腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。廣義的不銹鋼也包括

4、耐熱不銹鋼，即具有較好的抗高溫氧化性能的鋼。不銹鋼中常見的元素有C、Cr、Ni、Mn、Si、N、Nb、Ti、Mo等。（C元素是不銹鋼中主要的元素之一，特別是馬氏體不銹鋼中的重要強化元素，C也強烈的促進奧氏體的形成。但是容易和其他合金元素生成合金碳化物，造成晶界貧鉻，導(dǎo)致不銹鋼的晶界腐蝕敏感性。Cr元素是不銹鋼中最重要的合金元素，能夠溶入鐵素體，擴大鐵素體區(qū)，縮小、封閉奧氏體區(qū)，并提高鋼中鐵素體的電極電位。一般要求鋼中的Cr含量在11.7%以上，才能提高鋼的抗腐蝕能力。我國將不銹鋼中含鉻量定為不小于12%。Ni元素是增大奧氏體穩(wěn)定性及擴大區(qū)，縮小和（+）區(qū)的元素，也是形成奧氏體的元素。Mn元素的

5、作用同Ni元素相似，但是比Ni元素便宜。Si、Al、Nb、Ti、Mo等元素都是縮小和封閉奧氏體區(qū)的元素。） 不銹鋼的分類：按照金相組織的不同，可分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼；按照合金元素的不同分為鉻系不銹鋼、鉻鎳系不銹鋼、鉻鎳鉬系不銹鋼、鉻錳鎳系不銹鋼等。近年來又開發(fā)出高純鐵素體不銹鋼、超低碳奧氏體不銹鋼等新品種。1、不銹鋼金相試樣的制備與侵蝕（1）不銹鋼金相試樣的制備 一般和高合金鋼基本相同。其中奧氏體型不銹鋼基體較軟，韌性較高和易于加工硬化，制樣難度較大，易產(chǎn)生機械滑移和擾亂層等假象影響組織分析檢驗。試樣制備應(yīng)當(dāng)以不引起組織變化為前

6、提。磨砂紙時盡量使用新砂紙，以減少磨制時間。不銹鋼（耐熱鋼）最理想的拋光方法是電解拋光。常用電解拋光條件為：（60%）高氯酸200 mL+酒精800 mL，電壓3580V，時間1560S；鉻酸600 mL+水830 mL，電壓1.59V，時間15min。（2）不銹鋼金相試樣的侵蝕 不銹鋼具有較高的耐腐蝕性能，顯示其顯微組織的侵蝕劑必須具有強烈的侵蝕性，才能顯示清晰的組織。常用的侵蝕劑有：氯化高鐵5g+鹽酸50 mL+水100 mL；鹽酸10mL+硝酸10 mL+酒精100 mL；苦味酸4g+鹽酸5mL+酒精100 mL。2、各類不銹鋼的熱處理及其金相組織（1）鐵素體不銹鋼 主要牌號有0Cr13

7、Al、1Cr17、1Cr17Mo、00Cr27Mo、00Cr30Mo2等。軋制狀態(tài)的顯微組織為：鐵素體及沿軋制方向分布的碳化物。 退火狀態(tài)的顯微組織為：鐵素體和點粒狀分布其上的碳化物。淬火狀態(tài)的顯微組織為：鐵素體+低碳馬氏體。當(dāng)含鉻量較高時如00Cr27Mo鋼，鋼的顯微組織為鐵素體。當(dāng)含碳量較高、含鉻量處于下限時，如1Cr17鋼淬火后會出現(xiàn)低碳馬氏體。（2）馬氏體不銹鋼 馬氏體不銹鋼在高溫時組織為奧氏體，經(jīng)過淬火后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，故稱為馬氏體不銹鋼。典型牌號有：1Cr13，2Cr13，3Cr13，4Cr13，9Cr18MoV等。退火狀態(tài)的顯微組織為：鐵素體和碳化物，碳化物常沿鐵素體境界呈

8、網(wǎng)狀分布。淬火狀態(tài)的顯微組織為：1Cr13鋼的組織為馬氏體少量鐵素體。2Cr13鋼的組織為針狀馬氏體；3Cr13和4Cr13鋼的組織為馬氏體碳化物少量殘余奧氏體?；鼗馉顟B(tài)的顯微組織為：1Cr13、2Cr13鋼采用600750高溫回火，得到的組織為回火索氏體。3Cr13和4Cr13鋼采用200250低溫回火，得到的組織為回火馬氏體細(xì)顆粒狀碳化物。9Cr18MoV鋼采用低溫回火，獲得組織為回火馬氏體顆粒狀碳化物殘余奧氏體。（3）奧氏體不銹鋼 此類不銹鋼經(jīng)過所有的熱處理后，均得到奧氏體組織，稱為奧氏體不銹鋼。如圖7-8所示。常見不銹鋼有304，306。304不銹鋼也稱為18-8不銹鋼，牌號有0Cr1

9、8Ni9, 1Cr18Ni9,2Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti等。306不銹鋼的牌號有1Cr18Ni12Mo2Ti等。18-8型不銹鋼的處理工藝有：消除應(yīng)力處理：分為高溫（通常與穩(wěn)定化處理一起進行）和低溫（消除冷加工和焊接內(nèi)應(yīng)力）兩種。固溶處理：固溶處理就是將鋼加熱至高溫，使碳化物得到充分的溶解，然后迅速冷卻，得到單一的奧氏體組織的一種熱處理方式。因此通過將奧氏體不銹鋼加熱到10501100，使鋼中的碳化物、鐵素體被充分溶于奧氏體中，經(jīng)水中冷卻，得到含有飽和碳的單一奧氏體組織。注意:固溶處理溫度過低將不能使碳化物迅速充分的溶于奧氏體中；溫度過高則導(dǎo)致奧氏體晶粒的長大。如鋼鐵金相圖譜圖4

10、-129（1Cr18Ni9Ti鋼固溶處理組織為孿晶奧氏體+少量鐵素體+灰色方塊狀成堆分布的TiN夾雜物，奧氏體鋼中加入Ti的目的是讓碳優(yōu)先與之結(jié)合成TiC，不再與鉻化合成Cr23C6，也就不引起晶界貧鉻區(qū)，以抑制晶間腐蝕作用，但該樣品中鈦和氮結(jié)合，未達到加鈦的目的。侵蝕劑：王水）所示。敏化處理：經(jīng)過固溶處理的奧氏體不銹鋼，再在500850加熱，鉻將從過飽和的固溶體中以碳化物的形式析出，使碳化物周圍地區(qū)形成貧鉻區(qū)，從而造成奧氏體不銹鋼的晶界腐蝕敏感性，這樣的處理叫敏化處理，這種狀態(tài)叫敏化。主要的目的是為了評價奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向，標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 4334-1990和GB/T 4334.1

11、-2000不銹鋼10%草酸侵蝕試驗方法。根據(jù)GB/T 4334.1-2000不銹鋼10%草酸侵蝕試驗方法標(biāo)準(zhǔn)侵蝕結(jié)果按晶界形態(tài)分為15類，凹坑形態(tài)分兩種67類：1類位階梯狀組織，晶界無腐蝕溝，晶粒間成階梯狀；2類為混合組織，晶界有腐蝕溝，但沒有一個晶粒被腐蝕溝包圍；3類為溝狀組織，個別或全部晶粒被腐蝕溝所包圍；4類和五類是針對鑄件或焊接件進行評定。凹坑形態(tài)：6類為淺凹坑多，深凹坑較少的組織；7類為淺凹坑較少，深凹坑較多的組織。穩(wěn)定化處理：將1Cr18Ni9Ti鋼加熱到850900保溫，使得剛中的碳化物Cr23C6充分溶解，不再引起晶界貧鉻，而TiC、NbC則穩(wěn)定存在，從而提高鋼的抗晶界腐蝕能力

12、。（4）雙相不銹鋼 在18-8型不銹鋼基礎(chǔ)上，提高含鉻量或加入其他鐵素體形成元素，當(dāng)不銹鋼中鐵素體含量很高或接近奧氏體含量時，稱為奧氏體-鐵素體不銹鋼。常見牌號有：1Cr21Ni6Mo2Ti、00Cr25Ni5Mn等。這類鋼一般在固溶處理狀態(tài)使用，其組織為：在鐵素體基體上分布有小島狀的奧氏體，鐵素體含量占50%70%。（5）沉淀硬化不銹鋼 主要利用馬氏體轉(zhuǎn)變強化和碳化物、金屬間化合物的沉淀硬化作用來獲得高的強度。從基體組織看有三種類型：馬氏體型、半奧氏體型、奧氏體型。主要牌號有：17-7PH、17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）、PH15-7Mo等?！癙H”英語中“沉淀硬化”的意思。沉淀

13、硬化不銹鋼的處理工藝有固溶處理、調(diào)整處理、時效處理三個過程。固溶處理獲得的組織為奧氏體+少量鐵素體，鐵素體為條狀。調(diào)整處理：目的是獲得必要數(shù)量的馬氏體，使鋼強化。時效處理3、不銹鋼金相檢驗標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼的低倍組織及缺陷的試驗方法可以根據(jù)GB/T 226-1991鋼的低倍組織及缺陷酸蝕試驗法。不銹鋼的非金屬夾雜物的評級按照GB/T 10561-1989鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法。奧氏體鋼的晶粒度檢驗按照YB/T 5148-1993金屬平均晶粒度測定方法中孿晶晶粒度評級圖進行評級。（三）耐熱鋼耐熱鋼的使用溫度范圍為400650，溫度較高。主要應(yīng)用于動力機械、石油、化工、航空工業(yè)等領(lǐng)域，如用于制造鍋爐

14、、汽輪機、燃?xì)廨啓C、航空發(fā)動機等。耐熱鋼是通過向鋼中加入鉻、鎳、鉬、硅、鈮、鎢、釩、鈦等合金元素來提高其熱強性和抗氧化性能，以滿足使用要求，可以分為鐵素體耐熱鋼、珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。耐熱鋼的金相檢驗內(nèi)容包括一般的原始態(tài)金相組織檢驗和高溫長期使用后的顯微組織的變化。這類鋼在長期高溫條件下運行會發(fā)生一些組織變化：石墨化，即鋼中的滲碳體會發(fā)生Fe3C石墨+F的變化。破壞了基體連續(xù)性，使沖擊韌性顯著下降，造成極大破壞。碳鋼、鉬鋼長期高溫運行易出現(xiàn)石墨化。耐熱鋼種的Al、Si促使石墨化，Cr、Ti、V、Nb等元素減輕、阻止石墨化傾向。珠光體球化、碳化物聚集。長期高溫運行使珠光體由片

15、層狀球狀小球變大球，使鋼的強度、硬度降低，也降低鋼的蠕變強度。合金元素的再分。長期高溫運行使固溶體內(nèi)的合金元素轉(zhuǎn)變成碳化物，降低了固溶強化效果，使固溶體軟化，降低鋼的強度和蠕變強度。1、耐熱鋼的金相檢驗 （1）金相試樣的制備 制備方法同不銹鋼金相試樣的制備。（2）鐵素體耐熱鋼 主要牌號有：1Cr13Al、1Cr17、2Cr25N等。這類鋼冷卻后得到的組織為鐵素體組織。（3）珠光體鐵素體耐熱鋼 屬于低合金鋼，工作溫度為：350670。典型牌號有：15CrMo、1Cr5Mo、12Cr1MoV、17CrMo1V、12Cr2MoWVB等。典型熱處理工藝為：正火+高溫回火，熱處理后組織為鐵素體+珠光體或

16、貝氏體。（4）馬氏體耐熱鋼 這類鋼是從含鉻量12%的不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。為提高其耐高溫性能常添加W、Mo等元素，為防止其與碳形成碳化物富集，添加 V、Nb等強碳化物形成元素。常見牌號有：1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WMoV、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。典型熱處理為淬火（得到馬氏體組織）+高溫回火（得到回火索氏體）。(5)奧氏體耐熱鋼 常溫組織為奧氏體，耐熱溫度為600。常見牌號有：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti、5Cr21Mn8Ni4N、2Cr25Ni20等。典型熱處理為固溶處理+時效處理。三、實驗儀器及材料1實驗儀器 XJG-01型立式金相顯微鏡， XJG-02立式型金相顯微鏡，XJG-05型臥式金相顯微鏡，4XC型金相顯微鏡2試驗材料 ZGMn13，1Cr17，1Cr13，2Cr13，3Cr13，4Cr13，9Cr18MoV，0Cr18Ni9, 1C