材料金相组织

金属材料学基础4目录51234热处理金属的结晶金相试验金相识别合金相图引言化学成分制造工艺-热处理组织结构引言2013年7月30日，某厂加氢裂化装置空冷入口管线，在充氢气升压过程中，一处弯头开裂，引发着火。φ609.6×36mm。S2205引言热影响区裂纹双相不锈钢（2205）的焊道与腐蚀介质接触侧要先焊。引言2205双相不锈钢接头先焊引言PTA甲苯蒸馏塔焊缝腐蚀形貌材质：2205介质：对苯二甲酸、苯甲酸工作温度：202℃分析原因引言广义讲，金属从一种原子排列状态到另一种原子规则排列状态的转变叫金属的结晶。一.金属的结晶金属从液态过渡到固体晶态的转变称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。金属的结晶就是原子排列状态的改变。结构不同，材料的性能就会存在差异。金属晶格最常见有三种：面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。一.金属的结晶面心立方堆积模型和密排六方堆积模型是致密度最高的，体心立方堆积的致密度一般；致密度高，塑性高。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格纯铁的结晶过程一.金属的结晶冷却曲线中T0为熔点,Tn为开始结晶温度。曲线中abc段为液态金属逐渐冷却,bc段温度低于理论结晶温度,这种现象称为过冷现象。T0与Tn之差叫做过冷度。结晶的条件：一定的过冷度。纯铁凝固结晶时的温度-时间曲线abcS316，TIG焊，焊接接头温度场分布情况模拟纯铁冷却曲线纯铁的结晶过程一.金属的结晶纯铁冷却曲线纯铁凝固后，在不同的温度下，有着不同的晶格结构。这种在固态下由于温度改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变。这种转变与液态金属结晶类似，也包含晶核的形成与长大。从曲线可知，从液相凝固得到的是体心立方晶格的铁，称为δ-Fe。在1394℃时发生同素异构转变为具有面心立方晶格的铁，γ-Fe。当温度降至912℃时，继续转变为具有体心立方晶格的铁，α-Fe。δ铁(δ-Fe)------γ铁(γ-Fe)------α铁(α-Fe)1394℃912℃一.金属的结晶纯金属结晶过程金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。一.金属的结晶晶体长大的形态等轴晶：晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒。固液界面能够在空间各个方向自由迁移。组织性能好，通过退火工艺可以获得。柱状晶：结晶时只能在空间中的一个方向自由迁移，其他两个方向受限制；这种组织的材料的性能有了方向性，避免产生这种组织。晶体在空间中的主要有两种形态。等轴晶柱状晶晶粒度：表示晶粒大小的尺度。标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，粗于1级为晶粒粗大，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性和韧性愈好。晶粒度较大，晶界多，腐蚀敏感性大，所以要求母材杂质含量低。从要求高的持久强度和抗氧化性出发，希望高温合金晶粒度略微粗大一些。(热强性）例：ASMESA213-2007《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管》对347H要求有7级或更粗的晶粒度。一.金属的结晶一.金属的结晶晶粒粗大与细化晶粒晶粒粗大：金属凝固或加热到相变温度以上、或在奥氏体再结晶区变形时，再结晶后停留时间长、冷却速度慢使晶粒集聚长大。粗大奥氏体晶粒造成固态相变后铁素体晶粒粗大。（组织遗传）焊接时大线能量，就可能使焊接接头组织的晶粒粗大。热处理加热温度过高，高温停留时间过长，如固溶处理不当。钢材内部缺陷之一，表现为金属晶粒比正常生产条件下获得的标准规定的晶粒尺寸粗大。钢材由于生产不当，奥氏体或室温组织均能出现粗大晶粒，这种组织使强度、塑性和韧性降低、疲劳性能下降。一.金属的结晶晶粒粗大与细化晶粒过烧组织过热组织过热组织：钢因加热温度超过Ac3线很多或在高温下停留时间很长而形成的以晶粒粗大为特征的金属组织。一.金属的结晶晶粒粗大与细化晶粒细化晶粒（控制形核率+控制温度）在原材料冶炼时，加入一些细化晶粒元素（Nb、Ti)。采用适当的变形程度和变形温度也能达到细化晶粒的目的。（锻轧）采用正火（退火）等热处理工艺，产生相变重结晶的方法来细化晶粒。在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌，也可使晶粒细化。（破碎）S316，TIG焊，焊接接头温度场分布情况模拟焊接过程是一个快速加热冷却过程，在这一过程中，焊接接头组织将发生变化，包括热影响区的相变、晶粒粗化和焊缝内的凝固结晶过程。从而导致焊接接头的性能与基体有较大差异，成为焊接结构中的薄弱部位。一.金属的结晶SUS316不锈钢焊接接头显微组织模拟结果与实验结果比较焊缝区熔合线热影响区母材晶粒粗大与细化晶粒一.金属的结晶一次结晶（液相-固相）直接影响金属材料组织性能，特别是焊接过程中许多缺陷，包括夹渣、气孔、夹杂物偏析等，也都是在熔化结晶过程中产生的，因而了解金属结晶过程对控制焊接质量具有十分重要的意义。奥氏体不锈钢由于其导热系数率低，散热慢，在加工和焊接时易出现受热部位高温停留时间过长，导致局部晶粒粗大。此类材料焊接应特别注意控制返修次数。二次返修时应将原焊口割除。知识点对成品奥氏体晶粒粗大后能否恢复？成品奥氏体晶粒粗大后能否恢复？•奥氏体材质的设备或管道在使用过程中如果发生晶粒粗大，将会对使用性能产生很大的不利影响，而且奥氏体材质设备和管道的组织转变是不可逆的，因为奥氏体在热处理过程中是没有相变，没有重新形核长大过程，只能重熔或采用机械变形方法即锻造和轧制变形来细化晶粒，所以奥氏体设备和管道成品如果在制作和安装中发生晶粒长大是无法挽回的。若到厂材料经检验发现晶粒粗大，只能做报废处理。知识点金相分析—是运用放大镜和显微镜，根据对金属材料的宏观及微观组织进行观察研究的方法，生产实际中常常称为金相检验。金相是检测试样的内部组织形貌、析出物。二.金相试验金相样品制备的基本方法取样、镶嵌粗磨、细磨抛光、腐蚀观察、分析金相腐蚀：有2种方法，化学腐蚀法和电解腐蚀法。化学腐蚀是将抛光好的样品磨光面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出其试样的组织形貌。纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列不规则，具有较高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，在显微镜下可以看到多边形的晶粒。二.金相试验电解腐蚀：两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。在腐蚀剂中，形成极多微小的局部电池。阳极相被腐蚀而逐渐凹下去；阴极相保持原样。因而在显微镜下可清楚地显示出合金的两相。另一种方法是薄膜染色法。此法是利用腐蚀剂与磨面上各相发生化学反应，形成一层厚薄不均的膜(或反应沉淀物)，在白光的照射下，由于光的干涉使各相呈现不同的色彩，从而达到辨认各相的目的。二.金相试验二.金相试验常用腐蚀剂举例相：成份、结构相同的组织统称为相。体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。无论这种液体是纯物质还是（真）溶液，也总是一个相。若系统中有两种液体，如乙醚与水，即为两相组织。铁素体相奥氏体相固溶体：是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。三.金相的识别相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。三.金相的识别铁碳合金在平衡状态下的五个基体组织：铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的三个基本相；珠光体和莱氏体则为基本相组成的机械混合物；三.金相的识别铁碳合金的基本相碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的体心立方间隙固溶体，用α、δ或F表示,由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（727℃时，α－Fe最大溶碳量仅为0.0218％，室温下含碳仅为0.0008%），其性能与纯铁相似，塑性、韧性很好,硬度低HB80。α铁素体是从高温奥氏体转变产物，根据其形态，分为网状铁素体、块状铁素体、弥散点状及针状铁素体。铁素体Ferrite三.金相的识别铁素体Ferrite多边形晶粒,亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑碳溶解于γ－Fe中形成的具有面心立方晶体结构间隙固溶体，可以溶解较多的碳。用γ或A表示。1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.77%。奥氏体塑性很好，强度和硬度也比铁素体高。钢铁热加工都在γ区。钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后钢的组织和性能。奥氏体晶粒越小，则其转变的产物的晶粒也较细小。奥氏体没有磁性。碳钢在室温下无奥氏体。奥氏体奥氏体晶胞示意图三.金相的识别奥氏体Austenite晶界比较直，呈规则多边形铁碳合金的基本相渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，含碳量为6.69%，熔点为1227℃。具有复杂的斜方晶体结构。硬度极高HB800，塑性几乎等于0，是硬脆相。在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对钢的力学性能影响很大。在一定条件下（如高温长期停留或缓慢冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳。渗碳体Fe3C渗碳体的晶胞示意图三.金相的识别铁碳合金的基本相渗碳体Fe3C三.金相的识别一次渗碳体（从液体相中析出）、二次渗碳体（从奥氏体中析出）和三次渗碳体（从铁素体中析出）。一次渗碳体二次渗碳体三次渗碳体过共析钢的显微组织二次渗碳体珠光体二次渗碳体在降温时因含碳量变化从奥氏体中沿晶界析出，一般都是呈网状，损害材料的强度、塑形和韧性。由于对性能的影响不利，常可通过的球化退火工艺来打断二次渗碳体网，以改善性能。珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状物，也称片状珠光体。用符号P表示。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,c=0.77%。三.金相的识别珠光体珠光体一个奥氏体晶粒内存在多个珠光体团。莱氏体是碳的质量分数Wc=4.3%的铁碳合金冷却到1148℃时共晶转变的产物。存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号“Ld”表示，组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号“Ldˊ”表示，组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体的显微组织硬度高，塑性差。三.金相的识别莱氏体三.金相的识别莱氏体显微组织渗碳体珠光体铁碳合金的基本相三.金相的识别珠光体-过冷组织由于过冷度的影响，根据片状珠光体片间距不同，可以分成珠光体P、索氏体S、屈氏体T三种。如果将共析钢过冷到550℃~230℃之间并没有产生片间距更细的珠光体，而是产生了另一种新组织称为贝氏体。它也是由铁素体加碳化物组成，但碳化物是非层片状分布的。由于形成的温度不同使贝氏体的形貌有所不同，又将贝氏体分成上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、条状贝氏体。三.金相的识别贝氏体上贝氏体在500℃~350℃形成，铁素体条比较粗大，呈羽毛状，渗碳体断断续续分布在铁素体条之间。强度硬度低，而且比较脆，韧性差。下贝氏体在350℃~230℃形成，从图可见在光学显微镜呈黑色针状，针的基体是铁素体，内部分布着细小的碳化物。优良的强韧性，硬度和耐磨性很高，是一种理想的淬火组织，具有很高的实用价值。上贝氏体贝氏体三.金相的识别下贝氏体三.金相的识别马氏体当高温的奥氏体获得极大的过冷造成碳无法扩散，碳化物无法从奥氏体中析出，就形成一种非平衡的新组织。钢中形成的这种碳在α—Fe中过饱和的固溶体就被称为马氏体。两种典型的组织：板条马氏体（低碳）与片状马氏体（高碳）。一般当Wc0.3%时，钢在马氏体形态几乎全为板条马氏体;当Wc1.0%时，则几乎全为片状马氏体；当Wc=0.3%-1.0%时，为板条马氏体和片状马氏体的混合物。板条状马氏体板条状马氏体光学显微镜下的特征是：束状组织。强度、韧性高。四.金相的识别马氏体片层状马氏体片层状马氏体光学显微镜下的特征是：细针状或竹叶状。特点硬而脆。三.金相的识别马氏体不锈钢：强度高，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13、3Cr13等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如汽轮机叶片、水压机阀、手术刀（