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不锈钢与耐热钢的金相检验杨力2009-5-6一、概述1、不锈钢的定义：2、不锈钢的分类：按金相组织划分(GB/T13304-1991)按合金元素种类划分按制造工艺分类按钢的性能分类3、不锈钢的特点及用途：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。2009-5-6按钢的金相组织分类按照国家标准GB/T13304-1991《钢的分类》以及国际上通用的分类方法将不锈钢划分为5类。铁素体不锈钢马氏体不锈钢奥氏体不锈钢奥氏体-铁素体双相不锈钢沉淀硬化不锈钢等2009-5-6按钢中合金元素分类铬系不锈钢、铬镍系不锈钢、铬镍钼系不锈钢、铬锰镍（氮）系不锈钢等数种。高纯铁素体不锈钢、超低碳奥氏体不锈钢等新钢种。2009-5-6按钢的性能分类耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢、易切削不锈钢等。2009-5-6按不锈钢的制造工艺铸造不锈钢和形变不锈钢。对相似牌号的铸造和形变不锈钢，两者在化学成分，工艺性能，金相组织，及使用性能方面也略有区别。2009-5-6二、金属学基础不锈钢具有良好耐腐蚀（氧化）性能的根本原因是在铁碳合金中加入了铬、铝、硅等主要合金元素，以及镍、钼、铌、钛、钴等其他元素。不锈钢的耐腐蚀性的基本原因是钝化膜理论2009-5-6不锈钢合金元素不锈钢中常见的合金元素C、Cr、Ni、Mn、Si、Al、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2009-5-62009-5-6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。元素作用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。CrF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Cr2O3。Ni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。Ti、NbF形成元素，强化铁素体，优先于Cr与C结合生成TiC、NbC，防止晶间腐蚀。易导致少量δ铁素体的出现。Al、SiF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。MoF形成元素，强化铁素体，提高耐腐蚀性能。2009-5-6Fe-Ni、Fe-Cr二元合金相图2009-5-62009-5-618Cr-8Ni不锈钢中C在γ相中极限溶解度与温度的关系2009-5-6高温快冷形成的固溶有过饱和碳的奥氏体固溶体，当在400℃~850℃温度下加热时，会析出碳化物沉淀相。生成的沿晶界分布的碳化物是造成奥氏体不锈钢晶界腐蚀的主要原因。2009-5-6Schaeffler组织图Schaeffler在研究焊缝金属的组织时总结出了合金元素与焊缝金属组织之间的关系，即所谓的Schaeffler组织图，这一组织图后来被推广到形变不锈钢中，用于不锈钢组织的预测与合金的设计。2009-5-6Schaeffler组织图Creq=Cr%+Mo%+1.5×Si%+0.5×Nb%Nieq=Ni%+30×C%+0.5×Mn%2009-5-6WRC-92组织图2009-5-6三、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）2009-5-6δ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。2009-5-6δ铁素体1Crl3钢1100℃淬油300℃回火组织铸态1Cr18Ni9Ti2009-5-6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：在化学成分已知时，可以根据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。2009-5-6σ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。2009-5-6σ相形成的条件2009-5-61Crl8Ni9Ti锻后缓冷后析后析出σ相用20g铁氰化钾、20g氢氧化钾，100ml水溶液，1.5V，电解2009-5-6σ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。2009-5-6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。2009-5-6MC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。2009-5-6MC6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。2009-5-6M23C6、M7C3碳化物M23C6、M7C3型碳化物是一种富铬的碳化物，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。2009-5-6以Cr13钢为例，碳化物的形成过程首先形成的（Cr、Fe）3C碳化物中的铬含量的质量分数超过平衡值18%时，开始形成（Cr、Fe）7C3碳化物，当（Cr、Fe）7C3碳化物中铬饱和时，（Cr、Fe）23C6碳化物才形成。2009-5-6四、不锈钢的分类、牌号、特点铁素体不锈钢马氏体不锈钢奥氏体不锈钢双相不锈钢沉淀硬化不锈钢1、铁素体不锈钢2009-5-61.1、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：强度较高，耐氯化物应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等性能优良，但对晶界腐蚀敏感，低温韧性较差。加热不发生相变；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2009-5-6475℃脆性铁素体不锈钢在400~550℃温度范围内长时间加热会显著降低钢的耐蚀性，并出现脆化，即所谓475℃脆性。研究表明，这是富铬铁素体内相变的结果。2009-5-6σ相的析出铁素体不锈钢在500~900℃温度范围内长时间加热，则会因为析出σ相而降低钢的塑性和韧性。可以通过金相检验、冲击功降低、腐蚀性能恶化予以评价。2009-5-6高温脆性在900℃以上加热时，伴随着晶粒粗化而带来脆性，即高温脆性，经深冲、弯曲等冷加工后，容易产生粗糙表面和裂纹，耐晶间腐蚀性严重下降。2009-5-61.2热处理及金相组织退火组织：铁素体+M7C3（或M23C6）过热：M+F长期时效（500~900℃）σ相析出950℃以上加热淬火高温脆性，无法消除。2009-5-6900℃保温并空冷后的显微组织为铁素体及沿轧制方向分布的碳化物，2马氏体不锈钢2009-5-62.1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。2009-5-62.2热处理及金相组织马氏体型不锈钢的热处理：淬火，淬火回火，退火。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2009-5-6退火组织为3Crl3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。2009-5-6回火组织4Cr13钢200~250℃低温回火，回火马氏体及细颗粒碳化物。马氏体不锈钢有回火脆性，所以回火时冷却速度和回火温度必须选择适当。2009-5-6铸造马氏体不锈钢代表性牌号为ZG06Cr13Ni4Mo，相当于国际上通用的CA-6NM。这种铸钢经正火加一次回火或两次回火处理后，有非常好的强韧性配合，且工艺（焊接）性能优异，广泛使用于水电站过流部件，水泵，压缩机等机械。与普通马氏体不锈钢相比，此钢种降低了碳的含量，加入了适量的钼，因而经调质处理后，其组织为单一的低碳板条状马氏体，2009-5-6ZG06Cr13Ni4Mo显微组织形貌3奥氏体型不锈钢2009-5-63.1、成分、牌号、特点成分：含Cr：16%~25%，含Ni：75~20%，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；晶界腐蚀和应力腐蚀倾向大，切削加工较困难。2009-5-6不锈钢的常用热处理工艺消除应力处理固溶处理敏化处理稳定化处理消除σ相处理2009-5-63.2、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2009-5-6铸造奥氏体不锈钢在铸态条件下为奥氏体加铁素体及少量沿晶界分布的碳化物。经固溶处理后为奥氏体加少量铁素体。我国国家标准中尚未规定铸造奥氏体不锈钢中铁素体含量的测定方法。可以参考美国标准ASTM800中提出的图表法，来测算铁素体的含量。反过来，也可以据此来为控制和调整铸钢件的化学成分2009-5-6ASTM800中图表法图中的横坐标为铁素体的体积含量，纵坐标为合金的铬当量与镍当量的比值，自左到右三条曲线分别代表了1.04Cre/0.96Nie，Cre/Nie，0.96Cre/1.04Nie，对应于中间值以及正负一个标准差时的下限和上限范围。铬当量与镍当量的计算公式分别为：Cre=Cr(%)+1.5Si(%)+1.4Mo(%)+Nb(%)–4.99Nie=Ni(%)+30C(%)+0.5Mn(%)+26(N-0.02%)+2.774奥氏体-铁素体双相钢2009-5-64.1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）当不锈钢