不銹鋼和耐熱鋼的金相組織及檢驗

不銹鋼和耐熱鋼的金相組織及檢驗第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼與耐熱鋼金相檢驗二0一一年十月十五日第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的金相檢驗第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日定義不銹鋼——在空氣和弱腐蝕介質(zhì)中抵抗腐蝕的鋼耐酸鋼——在酸、鹽溶液等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中抵抗腐蝕的鋼由于兩者在化學(xué)成分上的差異，前者不一定耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕，而后者則一般均具有不銹性。統(tǒng)稱不銹耐酸鋼，簡稱不銹鋼。不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素。第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日分類按金相組織劃分(GB/T13304-1991)F、M、A、A-F、PH按合金元素種類劃分Cr、Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、Cr-Mn-Ni第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日特點(diǎn)及用途良好耐腐蝕性、氧化性、優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能、工藝性能化工、能源、機(jī)械、輕工等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日合金元素不銹鋼中常見的合金元素：C、Cr、Ni、Mn、Si、N、Nb、Ti、Mo奧氏體形成元素：C、Ni、Mn、N、Cu等鐵素體形成元素：Cr、Si、Ti、Nb、Al、Mo等第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日合金元素的作用提高基體金屬的電極電位在室溫下獲得單相固溶體組織表面形成結(jié)構(gòu)致密、不溶于腐蝕介質(zhì)、電阻高的保護(hù)膜。第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日單合金元素的作用C:穩(wěn)定A元素，強(qiáng)化M鋼的重要元素，極易與其他合金元素形成合金碳化物，導(dǎo)致不銹鋼的晶界腐蝕。Cr:F形成元素，提高基體金屬的電極電位，易與C生成M7C3、M23C6，鈍化能力很強(qiáng)，形成Cr2O3Ni

:穩(wěn)定A元素，提高基體金屬的電極電位，減少δ鐵素體的含量Mn

:與Ni作用相似，穩(wěn)定A元素，減少δ鐵素體的含量，可以代替Ni。第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日單合金元素的作用Ti、Nb

:F形成元素，強(qiáng)化鐵素體，優(yōu)先于Cr與C結(jié)合生成TiC、NbCAl、Si

:F形成元素，強(qiáng)化鐵素體，和O結(jié)合生成致密的Al2O3、SiO2氧化膜，過量降低鋼的塑性。Mo

:F形成元素，強(qiáng)化鐵素體，提高耐腐蝕性能第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日鐵素體不銹鋼成分、牌號、特點(diǎn)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型常用牌號：06Cr13Al、10Cr17、10Cr17Mo、008Cr27Mo、008Cr30Mo2等特點(diǎn)：加熱不發(fā)生相變不能采用熱處理來強(qiáng)化；有強(qiáng)磁；冷加工成型和焊接工藝較差；具有三種脆性傾向：475℃、相析出脆、高溫脆性熱處理及金相組織退火：（Cr17≈850℃）、（Cr25≈1050℃）組織：鐵素體+M7C3（或M23C6），長期時效（500～800℃）σ相析出。400～550℃內(nèi)長時間加熱，耐蝕性下降，出現(xiàn)脆化。加熱至600℃，保溫一小時后快冷可消除。900℃以上加熱，晶粒會漲大，且不能細(xì)化，需控制溫度。第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日鐵素體不銹鋼1Cr17鋼加熱到900℃后空冷的組織為鐵素體＋沿軋制方向分布碳化物。第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日鐵素體不銹鋼1Cr17鋼淬火后組織為鐵素體＋低碳馬氏體第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日馬氏體不銹鋼成分、牌號、特點(diǎn)成分：含Cr12～14%，含C：0.1～0.4%，Cr13型。常用牌號：12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13等。特點(diǎn)：含碳量較高，淬火后得到馬氏體組織；有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性；通過熱處理得到所要求的性能；切削加工性能較好。焊接性能差；有回火脆性。熱處理及金相組織退火或高溫回火：鐵素體+M23C6淬火：馬氏體+少量δ鐵素體淬火+高溫回火：保留馬氏體位向索氏體（過熱：晶粒粗大，大量δ鐵素體形成；欠熱：未溶解碳化物存在）。淬火+低溫回火：回火馬氏體第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日馬氏體不銹鋼10Cr13淬火溫度：1000℃～1050℃，組織為馬氏體＋少量δ鐵素體，第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日馬氏體不銹鋼10Cr13，650℃回火，組織為回火索氏體＋鐵素體第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日馬氏體不銹鋼20Cr13鋼，淬火溫度：980～1000℃，經(jīng)1050℃油淬后，組織為馬氏體＋少量殘余奧氏體，經(jīng)650℃回火后，組織為索氏體第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日馬氏體不銹鋼30Cr13、40Cr13，淬火溫度一般為1050℃～1100℃，淬火組織為馬氏體＋未溶碳化物，回火后組織為索氏體＋碳化物第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日馬氏體不銹鋼為30Crl3鋼原材料退火狀態(tài)，用氯化高鐵鹽酸水溶液侵蝕，組織為點(diǎn)狀和球狀珠光體及沿晶界呈斷續(xù)分布的二次碳化物第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日馬氏體不銹鋼40Cr13鋼200～250℃低溫回火，回火馬氏體及細(xì)顆粒碳化物。第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日奧氏體不銹鋼成分、牌號、特點(diǎn)成分：含Cr：16～25%，含Ni：7～20%，基本成分18%Cr，8%Ni，通常稱為18-8型不銹鋼。常用牌號：304（18Cr-8Ni）、321（18Cr-9Ni-Ti）、347（18Cr-9Ni-Nb）316（18Cr-12Ni-2.5Mo）等特點(diǎn)：不能熱處理強(qiáng)化；無磁性，具有優(yōu)異的的耐腐蝕性；有良好的冷熱成型性和焊接性能；切削加工較困難。熱處理及金相組織固溶處理：1050～1100℃，組織：奧氏體（過熱：晶粒長大，δ鐵素體形成）。敏化：500～850℃，組織：晶界析出M23C6晶界貧鉻穩(wěn)定化：850～900℃，組織：A+MC（TiC、NbC）抑制晶間腐蝕消除應(yīng)力：低溫處理：300~350℃，高溫處理800℃以上；消除σ相：通過820℃以上的加熱或固溶處理消除

第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日奧氏體不銹鋼固溶化處理：加熱至1000℃～1100℃，使碳化物全部溶于奧氏體中，然后快冷至室溫，可得均以奧氏體組織，稱為固溶處理。第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日沉淀硬化不銹鋼牌號、特點(diǎn)通過熱處理的手段使鋼中的碳化物沉淀析出，從而達(dá)到提高強(qiáng)度目的。常用牌號：0Cr17NI4CuNb、1Cr17Ni7Al特點(diǎn)：固溶后為馬氏體或半奧氏體組織，最終沉淀析出馬氏體組織；有很高的強(qiáng)度；耐均勻腐蝕能力優(yōu)于馬氏體型鋼；成型和焊接性能良好。熱處理工藝有：固溶處理、調(diào)整處理、時效處理。固溶處理：所得組織為奧氏體＋少量δ鐵素體，δ鐵素體含量控制在5～15％調(diào)整處理：目的是為了獲得必要數(shù)量的馬氏體，從而使鋼強(qiáng)化時效處理：目的是使殘余奧氏體變成馬氏體，及從馬氏體中析出高度彌散分布的金屬間化合物。第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日奧氏體不銹鋼基本成分為Cr：14～17％，Ni≤7％及少量鉬、鋁、銅等。固溶處理后組織為奧氏體＋少量鐵素體。第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日奧氏體-鐵素體不銹鋼成分、牌號、特點(diǎn)成分：在鉻鎳系不銹鋼基礎(chǔ)上增加鐵素體形成元素（Cr、Mo）減少奧氏體形成元素（Ni、Mn）常用牌號：0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi特點(diǎn)：雙相組織；有磁性；比奧氏體鋼強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，熱加工成型好，焊接性能好，仍具有鐵素體鋼的某些脆性。熱處理及金相組織固溶處理（950～1000℃）δ鐵素體+奧氏體長期時效（500～800℃）σ相析出第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日奧氏體-鐵素體不銹鋼鐵氰化鉀、氫氧化鉀水溶液侵蝕，組織為白色的奧氏體和灰黑色(實為棕色)的鐵素體，鐵素體的體積分?jǐn)?shù)約占50％。第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相鐵素體奧氏體馬氏體δ鐵素體σ相碳化物相（K相）第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相δ鐵素體

δ相是在高溫區(qū)域形成的相，一般稱為δ鐵素體或高溫鐵素體。以區(qū)別于低溫α鐵素體。δ鐵素體是體心立方晶格，但晶格常數(shù)與α鐵素體不同，并表現(xiàn)出較高的脆性。這種相主要是由于加熱溫度過高、高溫中停留過久、化學(xué)成分的波動或形成鐵素體與奧氏體的元素達(dá)不到平衡等原因形成的。第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相1Crl3鋼1100℃淬油300℃回火組織鑄態(tài)1Cr18Ni9Ti第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相測定δ鐵素體含量的測定方法金相法：可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的圖片進(jìn)行比較，還可用圖像分析軟件進(jìn)行測定，注意侵蝕時不要顯示奧氏體晶界，否則定量結(jié)果可能偏高；圖表計算法：已知化學(xué)成分，可根據(jù)Schaeffler組織圖、DeLong組織圖和WRC-92組織圖，查出δ鐵素體的含量；磁性法：有兩種，一是磁稱法，二是鐵素體指示儀，用已知δ鐵素體含量的一系列標(biāo)準(zhǔn)樣品與待測試樣同時進(jìn)行對比測定。X光法等。第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相σ相σ相是一種Fe、Cr原子比例相等的Fe-Cr金屬間化合物，其分子式近似可用FeCr表示，晶體結(jié)構(gòu)為正方晶系，在室溫下有磁性，硬而脆（68HRC）σ相一般在500℃~900℃溫度范圍內(nèi)長時間時效時析出，較高的含鉻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（25%~76%）及δ鐵素體的存在均會促進(jìn)σ相的析出。第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相用20g鐵氰化鉀、20g氫氧化鉀，100ml水溶液，1.5V，電解1Crl8Ni9Ti鍛后緩冷后第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相σ相的危害σ相沿晶界分布，鋼的塑性顯著下降，分散分布對韌性危害較小，并有一定的強(qiáng)化作用。σ相增加鋼的缺口敏感性，對強(qiáng)度、硬度影響不大，對沖擊韌性影響顯著。σ相顯著地降低鋼的塑性、韌性、抗氧化性、耐晶界腐蝕性能，助長熱疲勞的產(chǎn)生。σ相形成后，使基體貧鉻（或鉬、鎢）因此降低了基體抗蝕性，并削弱了固溶強(qiáng)化的效果。總之σ相的危害性較大，應(yīng)盡力避免該相的出現(xiàn)。第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相碳化物相碳化物相是不銹鋼中的一個基本組成相，可分為MC、M6C、M23C6、M7C3幾種類型，它與鋼中的含碳量與合金元素有關(guān)。第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼中的組織和相MC型碳化物：鋼在凝固過程中，碳與親和力較大的鉭、鈮、鈦、釩結(jié)合，形成TaC、NbC、TiC、VC碳化物。該類碳化物分布在晶界上起到強(qiáng)化作用，阻止晶粒長大，抑制（Cr、Fe）23C6碳化物的形成，提高不銹鋼的抗腐蝕性能。M6C型碳化物：是一種二元碳化物，具有面心立方結(jié)構(gòu)，一般在含鉻量高，并且有鎢、鉬時，才會形成該類碳化物，以顆粒狀析出于晶界，與M23C6型一起，起著強(qiáng)化晶界和提高持久壽命的作用。M23C6、M7C3型碳化物：一種富鉻的碳化物，M23C6碳化物具有面心立方結(jié)構(gòu)，M7C3碳化物是三角晶系。這種碳化物大多存在含鉻量高的鋼中。第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日組織與相的鑒別方法A與F：A有孿晶組織，F(xiàn)呈帶狀或枝晶分布赤血鹽氫氧化鉀溶液。F玫瑰色、A光亮色熱染法（500℃）F亮黃色、A淺蘭色氫氧化鉀水溶液（電解）F灰色、A白色碳化物與σ相堿性高錳酸鉀：淺侵蝕碳化物為淺棕色、σ相橘紅色；深侵蝕碳化物為綠色、σ相棕橙色高錳酸鉀、氫氧化鈉水溶液（電解）：σ相橘紅色草酸電解：熱染法（500～700℃）加熱碳化物白色、σ相橙色第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼金相檢驗項目及方法低倍檢驗：試驗方法：GB/T226-1991鋼的低倍組織及缺陷酸蝕試驗方法組織評定：參照GB/T1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》。GB/T1220-2007《不銹鋼棒》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不得有肉眼可見得縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮及白點(diǎn)。第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼金相檢驗項目及方法高倍檢驗：非金屬夾雜物：GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》、ASTME45-2005奧氏體晶粒度：GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》ASTME112鐵素體含量：GB/T13305-1991《奧氏體不銹鋼中α相面積含量金相檢驗法》、GB/T6401-1986《鐵素體奧氏體雙相不銹鋼中α-相面積含量金相測定法》GB4234-2003《外科植入物用不銹鋼》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鐵素體含量、夾雜物級別、晶粒度級別。第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的腐蝕點(diǎn)腐蝕：不銹鋼因表面生成鈍化膜而具有耐蝕性的金屬和合金，一旦由于某種原因表面膜被局部破壞而露出新鮮表面后，這部分金屬就會迅速溶解而發(fā)生局部腐蝕，這種在金屬表面產(chǎn)生小孔的腐蝕形態(tài)稱為點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕是不銹鋼常見破壞性和隱患最大的腐蝕形態(tài)之一。點(diǎn)腐蝕機(jī)理：中性溶液中的離子（如Cl－）作用于表面鈍化膜，表面膜受破，因而發(fā)生點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕的擴(kuò)展按下列反應(yīng)進(jìn)行：陽極反應(yīng)：M→M＋＋e－陰極反應(yīng)：O2＋2H2O＋4e－

→4OH－

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，蝕孔內(nèi)的M＋（金屬離子）增加，為保持電中性Cl－從外部移入，并生成鹽。該鹽水解后生成HCl，pH下降，在此情況下點(diǎn)蝕可以持續(xù)進(jìn)行下去。第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的腐蝕點(diǎn)腐蝕的發(fā)生條件：保護(hù)膜(鈍化膜)的局部溶解或破壞，往往發(fā)生在表面有缺陷或夾雜的地方，或鈍化膜薄弱的部位，而且需要有活性陰離子的存在，如氯離子是常見的發(fā)生點(diǎn)腐蝕的陰離子。氯離子容易被吸附，擠走氧原子，和鈍化膜中的陽離子反應(yīng)生成可溶性的氯化物，破壞鈍化膜，形成小坑，即點(diǎn)腐蝕誘導(dǎo)階段，形成一個閉塞電路。含氯離子的水溶液是產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕的主要原因。點(diǎn)腐蝕的特征：金屬構(gòu)件表面有肉眼可見的腐蝕麻坑，用金相法檢驗觀察點(diǎn)腐蝕坑的剖面，其形狀基本有呈蝶形、橢圓形和楔形三種。用掃描電鏡能譜儀能檢測到點(diǎn)腐蝕內(nèi)有氧和氯。第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的腐蝕縫隙腐蝕：在金屬和金屬或金屬和非金屬表面狹窄的縫隙間，由于溶液移動受阻，腐蝕性陰離子停留在窄縫內(nèi)，易發(fā)生在法蘭連接處，鉚釘、螺栓、墊片等部位。沉淀的腐蝕產(chǎn)物與金屬基體之間，氧化皮和金屬基體之間也易發(fā)生縫隙腐蝕?？p隙腐蝕機(jī)理：類似于點(diǎn)腐蝕（閉塞電池的腐蝕機(jī)理），所不同的是點(diǎn)腐蝕需有一個閉塞電池形成的腐蝕誘導(dǎo)過程，而縫隙腐蝕的閉塞電池基本上是現(xiàn)成的，縫隙腐蝕經(jīng)常是構(gòu)件結(jié)構(gòu)上的原因所造成的。預(yù)防縫隙腐蝕措施----除結(jié)構(gòu)上進(jìn)行考慮盡量避免狹窄縫隙外，點(diǎn)腐蝕預(yù)防措施對縫隙腐蝕也很有效。第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的腐蝕晶間腐蝕：沿金屬材料的晶粒界面發(fā)生腐蝕，使材料沿晶界分離，失去強(qiáng)度，危害很大。偏聚在晶界上的雜質(zhì)或合金元素的富集與貧化是造成晶間腐蝕的主要原因，因為它們提供了晶界或晶界附近電化學(xué)腐蝕的陰極或陽極，構(gòu)成了反應(yīng)電池。晶間腐蝕機(jī)理：晶間腐蝕的理論為貧鉻理論，普通的18－8不銹鋼一般含碳量0.06～0.08％，因此有足夠的碳與鉻生成碳化物沉淀，這樣鉻就從固溶體中分離了，結(jié)果使與晶界鄰近的金屬鉻含量降低。晶界的碳化鉻是不腐蝕的，鄰近晶界的貧鉻區(qū)由于對許多腐蝕環(huán)境的耐蝕性較差，因此就腐蝕了。如果制成晶界剖面，腐蝕區(qū)好像一條深而窄的溝。第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的腐蝕晶間腐蝕的特征：其表面尺寸幾乎不變，有時表面仍保持金屬光澤，但強(qiáng)度和韌性下降，稍加沖擊，表面會出現(xiàn)裂紋。金相剖面分析，拋光態(tài)下可觀察到沿晶裂紋，有晶粒脫落，腐蝕沿晶界均勻向內(nèi)發(fā)展。斷口微觀形貌為具有冰糖塊狀的沿晶斷口。晶間腐蝕預(yù)防措施：采用固溶處理后水淬快冷；適當(dāng)加入碳化物穩(wěn)定元素，如：Ti、Nb；采用超低碳不銹鋼，如304L、316L等。第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的腐蝕應(yīng)力腐蝕：金屬材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用下發(fā)生的破裂，應(yīng)力腐蝕開裂是在環(huán)境、材料、應(yīng)力這三個因素同時起作用時發(fā)生。應(yīng)力腐蝕形貌特征：材料表面腐蝕程度較輕，無全面腐蝕的特征，但裂紋較深，裂紋的走向基本與主應(yīng)力方向垂直。用金相顯微鏡觀察，裂紋特征為分叉呈落葉的樹枝狀，裂紋有沿晶、穿晶及混合型。一般情況下,奧氏體不銹鋼和為穿晶斷裂。斷口宏觀形貌有腐蝕色，有時能觀察到放射狀條紋。斷口微觀形貌穿晶型為河流花樣，沿晶型有冰糖塊特征。用能譜儀能檢測到腐蝕介質(zhì)元素。通常情況下，應(yīng)力腐蝕是多源的。第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日不銹鋼的腐蝕應(yīng)力腐蝕晶間腐蝕第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日耐熱鋼的金相檢驗第四十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日耐熱鋼定義：向鋼中加入合金元素提高其熱強(qiáng)性和抗氧化性能。使用溫度：400～650℃分類：按金相組織：鐵素體耐熱鋼、珠光體-鐵素體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼按鋼的特性：抗氧化鋼：高溫下550～1200℃，具有較好的抗氧化性能及抗高溫腐蝕性能，并有一定的高溫強(qiáng)度；熱強(qiáng)鋼：在高溫下450～900℃既能承受相當(dāng)?shù)母郊討?yīng)力又具有優(yōu)異的抗氧化及抗高溫腐蝕性能，還要承受周期性的可變應(yīng)力。按用途：航空渦輪發(fā)動機(jī)用耐熱鋼、航天火箭發(fā)動機(jī)用耐熱鋼、核反應(yīng)堆用耐熱鋼、燃?xì)廨啓C(jī)用耐熱鋼、內(nèi)燃機(jī)用耐熱鋼、鍋爐和汽輪機(jī)用耐熱鋼、石化裝置用耐熱鋼、工業(yè)爐用耐熱鋼等。第四十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日耐熱鋼金相檢驗內(nèi)容耐熱鋼的工作溫度較高，在使用過程中會發(fā)生鋼內(nèi)部的顯微組織的變化，如碳化物的析出、聚集和球