不锈钢和耐热钢的金相组织及检验(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Cr2O3Ni:稳定A元素，提高基体金属的电极电位，减少δ铁素体的含量Mn:与Ni作用相似，稳定A元素，减少δ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、NbCAl、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：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（500～800℃）σ相析出。400～550℃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Cr12～14%，含C：0.1～0.4%，Cr13型。常用牌号：12Cr13、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δ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δ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δ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：980～1000℃，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1050℃～1100℃，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40Cr13钢200～250℃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：16～25%，含Ni：7～20%，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）、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：1050～1100℃，组织：奥氏体（过热：晶粒长大，δ铁素体形成）。敏化：500～850℃，组织：晶界析出M23C6晶界贫铬稳定化：850～900℃，组织：A+MC（TiC、NbC）抑制晶间腐蚀消除应力：低温处理：300~350℃，高温处理800℃以上；消除σ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1000℃～1100℃，使碳化物全部溶于奥氏体中，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δ铁素体，δ铁素体含量控制在5～15％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。奥氏体不锈钢基本成分为Cr：14～17％，Ni≤7％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（950～1000℃）δ铁素体+奥氏体长期时效（500～800℃）σ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)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δ铁素体σ相碳化物相（K相）不锈钢中的组织和相δ铁素体δ相是在高温区域形成的相，一般称为δ铁素体或高温铁素体。以区别于低温α铁素体。δ铁素体是体心立方晶格，但晶格常数与α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δ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δ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δ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σ相σ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）σ相一般在500℃~900℃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δ铁素体的存在均会促进σ相的析出。不锈钢中的组织和相用20g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σ相的危害σ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。σ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。σ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。σ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σ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σ相碱性高锰酸钾：浅侵蚀碳化物为浅棕色、σ相橘红色；深侵蚀碳化物为绿色、σ相棕橙色高锰酸钾、氢氧化钠水溶液（电解）：σ相橘红色草酸电解：热染法（500～700℃）加热碳化物白色、σ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、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》、ASTME45-2005奥氏体晶粒度：GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》ASTME112铁素体含量：GB/T13305-1991《奥氏体不锈钢中α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α-相面积含量金相测定法》GB4234-2003《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：M→M＋＋e－阴极反应：O2＋2H2O＋4e－→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