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比一般的侵蚀方法更有效、可靠,而且具有良好的重现性。
国外已经研制了系列化的制样设备,并推荐了适用于不同材料的制样规范,致力于压缩制样步骤,提高制样质量和缩短制样时间。
3、分析技术
金相组织的判定是金相分析的核心,它包括定性和定量两方面。
在常规的金相检验中,以各种金相检验标准作为判定的依据。
我国已经相继发布和修订了包括国标和部标在内的金相标准100余种,内容涉及钢铁、非铁材料冶金产品以及汽车,机械、焊接等各种典型零部件的金相检验标准。
金相组织的评定正在由定性分析向定量分析发展,并已逐步体现在金相检验标准中。
如YB27-77《钢的晶粒度测定法》对晶粒度的测定方法规定“一般采用比较法”,GB6394-1986《钢的平均晶粒度测定法》等效采用美国ASTME112-81,同时规定了采用比较法、面积法、截点法三种方法。
2002年根据ASTME112-96对GB/T6394重新起草发布。
由于测量误差正比于测量次数平方根的倒数,因此要提高测量精度,所需测量次数应以二次方律增长,而手工测量难以满足这一要求。
于是出现了图像分析仪。
利用计算机来完成成百上千次的重复测量和运算,从而为定量金相的应用创造了条件。
图像分析仪可以测出面积、周长、直径等参数。
把这些基本的参数进行不同组合,可完成复杂的图像识别功能。
再将处理结果进行转换,获得最终结果。
四、宏观组织检验
1、概述:
用肉眼或借助于30倍以下的放大镜对金属的组织结构和缺陷进行检查。
这是一种较古老的检验方法,也是控制金属材料和产品质量、研究铸造和加工工艺的一种重要而简便的方法,是其它仪器和手段所无法替代的。
目前通常的宏观组织检查的内容有:
断口检查、酸蚀试样、塔形试样、元素的接触印痕检查。
焊接接头主要检查焊接缺陷、熔深和焊角尺寸。
2、断口检验
在材料被折断的断口上,记录着许多有关材料质量方面的内容,如白点、过烧、过热、夹杂、气孔等。
断口检验包括宏观和微观(扫描电镜)两方面。
断口检验一般采用纵向断口。
《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第110条也规定了断口检验,但这和上面说的断口检验不同,这里是用压断的断口检验代替射线探伤,确定焊接的裂纹、未熔合、未焊透、内凹、气孔、夹渣等缺陷。
检查的内容基本与考规中的压断试验相同。
白点:
20Cr2Ni4,黑色裂缝为白点
34CrMo,锻造后冷却较快,氢不及逸出。
夹杂:
35#,破坏了基体的连续,降低力学性能
过热:
50#,铁素体呈等边三角形的魏氏组织
35#,铁素体互相垂直的魏氏组织
GCr15,呈魏氏组织的碳化物
20#渗碳后淬火,形成粗大马氏体
过烧:
20MnMo,锻造温度过高,网络状氧化物
45#,锻造过烧,晶界处分布氧化物网络
过烧裂纹:
60#,锻造镦粗时,出现橘皮状裂纹
断口晶粒极为粗大,并覆有氧化铁皮
皮下气泡形成的开裂
右图:
皮下气泡锻造是形成的表面裂纹
中心疏松:
2Cr13,轧制后退火,轧制压缩比不够。
疏松:
球墨铸铁,凝固时中心得不到液体补充。
方形液析:
38CrMoAl,浇注温度较高所致。
使钢材性能表面于内部不一致。
低碳钢管胚,轧制后,液析区保留在进钢胚表面处。
点状液析:
45#,热轧,承受交变载荷的部件,使用中极易断裂。
方形和点状液析:
沸腾钢,热轧
划痕:
40Cr,热轧时,轧槽内有毛刺,使通过的材料表面产生划痕
折叠:
40Cr,轧制时凸出的尖角未能及时去处,被压入主体金属内。
缝隙:
热轧时形成的表面缺陷,深度可达1mm。
大大降低材料的耐疲劳强度。
脱碳:
60Si2,热轧,氧化气氛中加热时间过长
3、酸蚀试验
有热酸蚀、冷酸蚀和电解酸蚀三种,以热酸蚀效果最好。
用于显示结晶或加工造成的组织特征细节、化学不均匀性,以及物理不均匀性。
4、塔形检验方法
将钢材车削制成不同直径的阶梯试样,用酸蚀或磁力探伤方法检验钢中发纹的情况。
发文是港内夹杂物、气孔、疏松和空隙沿加工方向伸展排列而成的线状缺陷。
解决发纹的根本途径是提高钢的纯净度。
手段如精炼、重熔等。
5、硫印试验
通过预先在硫酸溶液中浸泡过的相纸覆盖在钢样上,得到的印迹来确定钢中硫化物夹杂的分布位置。
原理是H2S析出使感光乳剂的卤化银转变为硫化银而变黑,从而显示出六的分布印迹。
6、钢中常见的宏观缺陷及评定原则
(1)一般疏松:
在整个试块商城均匀分布的细小暗点或空隙。
评定原则:
根据分散在整个截面上的暗点和空隙的数量、大小及分布状态,并考虑枝晶的促膝而定,分为4个级别。
(2)中心疏松:
暗点和空隙集中于试块的中心部位。
以暗点和空隙的数量、大小及密集程度而定,分为4个级别。
(3)缩孔:
在铸锭头部或铸件浇冒口,因最后凝固部位得不到液态金属的补充而形成的空洞。
根据裂缝和空洞大小而定,分为3级。
属于不允许存在缺陷。
(4)偏析:
化学成分不均匀。
方形偏析、点状偏析。
分4级。
(5)气泡:
铸锭在凝固过程中释放气体所造成的。
皮下气泡属不允许存在的缺陷。
内部气泡:
分3级。
(6)翻皮:
在横截面上呈现亮白色弯曲不规则的条带,在其周围常伴有气孔和夹杂物。
浇注过程中,因表面氧化膜卷入钢液,在凝固前未能浮出所致。
属于不允许存在的缺陷。
(7)白点:
钢中的氢和组织应力共同作用下产生的细微裂纹,常见于含有Cr、Ni、Mn
等的合金钢基地和金工具钢中,又是大型碳钢锻件中也有出现。
(8)轴心晶间裂纹和内裂:
一般出现在高合金不锈耐热钢中。
(9)夹杂物:
因冶炼或浇注系统的耐火草料、熔渣或其他脏物进入,也料操作不当、
合金料未熔化,或异金属混入钢中所致。
(10)其他宏观缺陷:
折叠、粗晶、热加工裂缝、分层、流线、脱碳、中心增碳、挤
压裂纹等。
五、铁碳相图及C曲线
金属和合金的组织通常是指它由那些相所组成,以及它们之间的相互配置(包括形状、数量大小和分布)。
“相”之组织中成分和性能均匀一致的部分。
相与相之间有明显的分界。
铁碳合金:
钢和铁是工业中应用最广泛的金属材料。
它主要由铁和碳组成的合金(其中也有少量Si、Mn、S、P)。
通常在分析和研究问题时,总是把钢和铁看作由铁和碳组成的二元合金。
铁碳合金相图是研究钢铁组织和性能的基础。
碳在钢中有三中存在形式:
与铁形成铁基的间隙固溶体;
与铁形成化合物Fe3C;
在一定条件下形成游离态的石墨。
铁碳相图中有4种合金相:
液态;
奥氏体;
铁素体;
渗碳体。
铁碳合金通常按含碳量分为3大类:
工业纯铁、钢、生铁。
铁碳合金中常见的基本形态如下:
铁素体(ferrite):
碳和合金元素溶解在α-Fe中形成的固溶体。
在室温时碳溶解度约为0.006%。
硬度低、塑性好。
碳和合金元素在δ-Fe中形成的固溶体称为δ铁素体。
奥氏体():
碳和合金元素溶解在γ-Fe中形成的固溶体。
塑性高,屈服极限较低,无磁性。
例如20#,Ac1:
735℃;
Ar1:
680℃;
Ac3:
855℃,正火温度890-920℃。
珠光体(pearlite):
铁素体和渗碳体形成的机械混合物。
在高温缓冷条件下,可得到粗片状的层状组织。
随着奥氏体过冷度的增大,片层逐渐变得
细密,硬度也逐渐增高。
珠光体的硬度比铁素提高,并具有一定的塑性。
片状珠光体常见于碳素钢的退火、正火组织中。
这也是我们锅炉行业最常见的组织。
过共析钢经球化退火热处理后得到球状珠光体。
贝氏体(Bainite):
中温转变区域的产物。
一般地说,它是铁素体和碳化物的两相组织。
对大多数钢而言,贝氏体形成的上限温度Bs约550℃。
珠光体:
T10,1000℃炉冷
球状珠光体:
T8,球化退火
上贝:
T8,
低碳马氏体:
10CrMo910,980℃水冷
下贝:
T8,990℃保温,280℃盐浴等温,水冷
20#,910℃空冷,铁素体和珠光体
贝氏体的形态是多样的,一般有上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳贝氏体。
上贝氏体:
成束的、大致平行的铁素体板条(lath)自奥氏体晶界的一侧或两侧向奥氏体晶粒内部长大,渗碳体(有时还有残余奥氏体)分布与铁素体板条之间。
典型的外貌像羽毛。
下贝氏体:
成一定角度约60度黑色针状,在晶界和晶内均产生。
索氏体:
T10,1060℃保温,450℃盐浴等温
托氏体:
T8,990保温,缓慢淬入盐水。
淬火托氏体+马氏体。
白色基体为高碳马氏体。
粒状贝氏体:
由铁素体和他所包围的小岛状富碳奥氏体区域组织所组成。
一般认为这种组织的低合金耐热钢,具有良好的抗蠕变性能。
马氏体(martensite):
碳固溶于α-Fe中的过饱和固溶体。
基本分为高碳马氏体和低碳马氏体两类。
是钢件强化的主要手段。
低碳钢和低合金钢淬火后得到的马氏体组织,以条状铁素体为单元,大致相互平形成定向排列组成的晶区。
在一个奥氏体晶粒内可以有几个马氏体晶区。
高碳马氏体:
含碳高的淬火马氏体成片状。
马氏体片间不平行,在一个奥氏体晶粒内,初生的马氏体片胶粗大,往往贯穿整个奥氏体晶粒,愈后形成的马氏体片愈小,片间夹角较大,生成时互相撞击,已形成显微裂纹。
回火组织:
淬火马氏体组织在回火过程中将发生分解,析出碳化物。
随着回火温度的增高,析出的碳化物成为渗碳体,颗粒继续增多,并且集聚长大。
低温回火:
(150-450℃)得到回火马氏体组织。
其特征为认然能够看待原马氏体形态,其碳化物极其细小。
获得一定的韧性,同时保持高的硬度。
中温回火:
(250-450℃)得到回火托氏体组织。
马氏体形态逐渐消失,碳化物呈细小颗粒,光学显微镜下认然不易分辨。
高温回火:
(500-700℃)得到回火索氏体组织,其特征为铁素体和细小的粒状碳化物。
莱氏体:
奥氏体和渗碳体的两相混合物,是共晶转变的产物。
硬而脆,一般存在于含碳量大于2.06%的生铁中,在某些高碳高合金钢的铸造组织中也会出现。
六、合金元素的作用和钢的热处理
1合金元素的作用
对淬透性的影响:
除Co、Al外,几乎所有合金元素都使奥氏体分解速度延缓,降低临界冷却速度,并降低Ms点。
其中以Mn、Ni、Mo、Cr等元素增加钢的淬透性最为显著。
合金元素
对淬透性的影响
形成碳化物的倾向
抗回火软化的能力
回火脆性
细化晶粒
强化铁素体
热强性及其他
Mn
强
弱
>
1.5%时增加
促进晶粒长大
与Cr、Ni同时存在时提高热强性,用于制造奥氏体钢
Si
促进石墨化
中等
-
很弱
最强
可用于抗蚀、抗氧化材料及电工钢
Ni
不形成
不影响
提高热强性
Cr
中强
增加不大
提高热强性、抗蚀性
Mo
比Cr强
强,有二次硬化作用
消除
显著提高热强性,并能消除回火脆性
W
减小
提高热强性,比Cr低
V
有强烈二次硬化作用
Ti
无作用
比V强
最强,影响韧性
主要的细化晶元素之一
Al
含量不高时作用不明显
用于氮化钢
B
影响不大
微量可提高高温强度、强化晶界和基体
2、钢的热处理:
常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火、化学热处理等。
在热处理过程中,由于工艺或操作不当,易出现过热、过烧、变形、硬度不足、氧化、脱碳、淬火开裂等缺陷。
七、金相试样的制备和组织的显示
每次金相检验都有其特定的检验目的,合理的取样,才能保证被检验对象具有充分的代表性,正确和高质量的制备试样,才能确保显微组织恰当的显示及观察的真实性。
金相试样的制备过程通常包括:
取样及编号、镶嵌、研磨、抛光、组织显示5道工序。
由于检验的目的和对象不同,试样制备的具体方法和工序也不可能完全相同。
金相组织的显示,显示方法有光学法、化学侵蚀法、电解侵蚀法、热蚀法、恒电位选择侵蚀法、干涉层法等。
对于锅炉行业一般常用的是低碳钢、低合金钢退火或正火状态,一般用2-4%的硝酸酒精溶液腐蚀就可以显示组织。
八、钢铁材料的组织鉴别及评定
最好先知道金属材料的牌号和热处理状态,可以提高判断的准确性。
结合前面介绍的各种相的特征,进行组织的鉴别。
评定则根据所检验的对象,采用相应的标准。
例如游离渗碳体和带状组织评定,按照GB/T13299-1991《钢的显微组织评定方法》。
非金属夹杂物的评定按照GB/T10561-1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》。
锅炉原材料检验中的组织鉴别主要是低碳钢、低合金钢,组织一般是铁素体和珠光体,有时出现游离渗碳体、贝氏体等组织。
例如15CrMo如果热轧后冷速过大,会产生贝氏体组织,将降低材料的塑性和韧性,这是应该防止的。
原材料中的魏氏组织、带状组织、脱碳层、晶粒度等均按有关标准进行评定。
调质钢、高强度钢、弹簧钢、模具钢、双相钢、铸钢、轴承钢、工具钢、不锈钢、高温合金等都有相应的评定标准,就不作介绍了。
九、焊接件的金相检验
焊接接头由焊缝、热影响区、母材三部分组成。
焊缝组织:
焊接时,由于热源的作用,焊接熔池在极短的时间内,在高温下发生一系列的冶金反映。
焊接熔池的结晶有着一定的特殊性:
熔池小,周围被冷金属包围,所以熔池冷却速度很大;
熔池中液体金属处于很高的温度;
焊接时,熔池随热源的移动而移动,由于焊条的摆动和电弧的吹力,使熔池发生强烈的搅拌作用。
因此焊缝的凝固组织具有连续长大和柱状晶的基本特征。
熔化的液态金属冷却时,在熔合线附近的半熔化态的母材温度较低,起着熔化的模壁作用。
它和焊缝金属具有相近的化学成分,相同的晶格类型,成为焊缝金属凝固时的结晶表面。
在一定过冷度下,直接从熔池
壁母材金属的晶粒上进行长大,因此焊缝金属的晶粒和熔合线附近的母材晶粒是相联的。
焊缝的二次结晶组织对低碳钢而言,为铁素体和珠光体。
随着含碳量的增加,组织中的珠光体量也增加;
当焊缝含合金元素较多或冷却速度较大时,焊缝中会出现贝氏体和马氏体;
焊缝经过多层焊接后,后面的焊层对前面的焊层再加热,相当于正火处理,可获得细小的等轴晶粒,从而改善焊缝的机械性能。
焊缝中如果存在较多的夹杂,会降低接头的强度、塑性和抗蚀性,增加脆性和热裂倾向。
20#电焊,焊缝,铁素体+珠光体,树枝状结晶
15CrMo,焊缝,索氏体+粒状贝氏体+网状铁素体
20#熔合区,左侧焊缝,右侧影响区,魏氏组织
熔合区:
索氏体+粒状贝氏体+网状铁素体
过热段,粗大魏氏组织1490~1100℃。
热影响区:
索氏体+粒状贝氏体+铁素体
热影响区正火区,铁素体+珠光体1100℃~Ac3
20#,不完全正火区Ac3~Ac1。
焊接热影响区的组织:
邻近焊缝金属的原材料,在焊接过程中被加热到低于熔点的各种温度,然后又冷却到室温。
焊接时受热的这部分原材料称为热影响区。
不易淬火钢的热影响区组织:
半熔化区、过热区、(相变重结晶区)正火区、(不完全重结晶区)不完全正火区
易淬火钢:
淬火区、不完全淬火区、回火区。
焊接接头的缺陷:
1、裂缝:
热裂缝,从焊缝金属结晶开始到Ar3温度,即高温下产生。
由于焊缝中低熔点的共晶及夹杂熔化,在拉应力的作用下,造成热影响区的热裂缝。
多位沿晶开裂,有纵向或横向裂纹。
冷裂纹,在Ar3以下温度冷却过程中或冷却后。
通常在马氏体转变温度范围以下(200-300℃)。
由于氢的析出、淬硬组织和内应力的存在。
多发生在热影响区,特别是焊道下熔合线附近。
冷裂纹常具有延迟性质,所以又称为“延迟裂纹”。
金相检验表明,冷裂纹的微观特征多位穿晶开裂。
2、过烧和淬硬组织:
气焊时由于焊接工艺不当,会出现过烧组织,造成晶粒粗大,沿晶氧化,使接头强度低、塑性差,严重影响焊接接头质量
焊接接头淬硬组织会降低焊接接头的塑性和冲击韧性,促使裂缝的形成。
3、其他缺陷:
气孔、夹杂、未焊透、未熔合、内凹等
12CrMo,电焊,层间未焊透
根部严重内凹
压断试样:
未焊透,气孔
碳钢,电焊,大气孔
蜂窝状大气孔
12CrMo,大口径电焊,根部未焊透,裂缝加渣
十、运行金相
高温下长期运行过程中,原在室温下稳定的金相组织,也会产生很大的变化。
与温度一样,时间对组织变化也产生影响,在高温下段时间内产生的扩散过程,在较低温度下而在较长时间内也能够产生。
组织变化会引起性能变化,例如,时效会引起常温冲击韧性下降,珠光体组织中碳化物的球化会引起钢材强度的降低等等。
20#过热器管,450℃,10万小时。
团絮状石墨,铁素体+弥散分布碳化物。
20#主蒸汽管,450℃,10万小时。
团絮状石墨,铁素体+沿晶分布碳化物。
珠光体形态已消失。
铁素体+沿晶分布碳化物。
12Cr1MoV,540℃,13万小时。
铁素体+粒状碳化物。
1、石墨化
Fe3C→3Fe+C(石墨)
碳钢和Cr、Mo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叫石墨化。
石墨化现象的发生会使钢材性能恶化,甚至导致设备损坏。
石墨化过程与温度、时间、应力以及冶炼中的加铝量等有关系。
石墨化一般要经过几万小时的运行之后才会出现,碳钢要大于450℃,Cr、Mo钢要485℃。
一般在刚才发生石墨化之前,总是先发生珠光体中碳化物的球化过程,但即使碳化物全部球化和集聚长大,也并不一定发生石墨化。
Al、Si是促进石墨化元素。
钢中加入Cr、Ti、V、Nb等碳化物形成元素,可以阻止钢的石墨化
25Cr2Mo1V,高温螺栓,回火贝氏体+回火索氏体,明显网状晶界。
倾向。
2、珠光体球化和碳化物聚集
钢中珠光体的球化及碳化物的聚集,是低合金热强钢在使用过程中常出现的一种组织变化形式。
对珠光体钢来讲,钢中的珠光体最初呈层片状,用于片状珠光体的表面积大,具有较大的表面能,这种具有较大能量的状态要自行趋向于较小能量的状态,因此珠光体组织中片状碳化物自行趋向于球状。
此外,随着时间的增加和其他条件的变化,小的球体还要聚集成大的球体。
在这两种过程进行的同时,碳化物在港中的分布也发生变化,因为晶界上的扩散速度较大,所以碳化物尽量在晶界上析出。
碳化物的球化会使低合金热强钢的高温及常温机械性能变化,强度和硬度降低,加速钢材的蠕变过程。
3、热脆性:
在蠕变条件下长期工作的热强钢部件,工作范围400-550℃,使室温冲击韧性下降的现象称之为热脆性。
比较明显的是用于温度540℃的高温螺栓25Cr2Mo1V,在长期使用后冲击韧性降低,脆性敏感性增大,甚至断裂。
其金相组织常常可以发现有明显的晶界。
十一、锅炉的失效案例
20#过热器管,运行3个月,积垢严重,长时间过热而破裂。
破口粗糙,管经胀粗较小,脆性断裂
破口边缘:
铁素体和沿晶聚集的碳化物颗粒,晶界已经产生蠕变裂纹。
20#过热器管,炉膛火焰偏斜,过热管长时间过热而爆裂。
铁素体和沿晶分布的碳化物颗粒。
碳化物明显球化。
15CrMo过热器,长期超温运行。
破口大,边缘粗糙,外壁有较多纵向裂纹。
铁素体+分布于晶内、晶界的碳化物。
晶界存在蠕变裂纹。
20#高压锅炉II级减温器,因错用20#碳钢,运行6174小时后发生蠕变损坏。
呈脆性断裂。
铁素体+球状碳化物。
珠光体完全球化。
晶界有大量蠕变裂纹。
20#省煤器管,给水含氧量高,使管内产生点状腐蚀,在交变热应力作用下,产生腐蚀热疲劳裂纹
铁素体+珠光体。
裂纹尖端圆钝,裂纹被充满灰色腐蚀产物。
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