实验十-特殊性能钢的组织观察与检验.doc

实验十 特殊性能钢的组织观察与检验(验证性)
一、实验目的及要求
1．观察耐磨钢、耐热钢、不锈钢的显微组织特点。
2．了解耐磨钢、耐热钢、不锈钢所具有的特殊性能与化学成分、组织之间的关系。
3．了解相关检验方法和标准检验技术。
二、实验原理
特殊性能钢是指加入了大量合金元素，使钢具有了一些特殊的物理性能和化学性能的钢，根据它们的性能特点，可分为耐磨钢、不锈钢、耐热钢、磁钢等
（一）耐磨钢
传统耐磨钢为ZGMn13俗称高锰钢。高锰钢是在过共析钢中增加锰的含量（约11％～14％）使Mn/C之比接近10/1，再经过水淬后得到室温单一奥氏体组织的钢。
在承受载荷和严重摩擦作用下，使钢发生显著硬化。载荷越大，硬化程度越高，耐磨性能好。如在静载荷下使用，它的耐磨性反而不高，因此适合制作承受剧烈冲击和在严重摩擦条件下工作的零件。
1、铸态组织
由于机加工困难，一般铸造成型。铸态组织应该为：奥氏体基体＋少量珠光体型共析组织＋大量分布在晶内和晶界上的碳化物。（在高温时析出的碳化物在晶界呈网状或者局部呈块状；在较低温度析出的碳化物则在晶内呈针状、片状分布，或者以明显或不明显的渗碳体魏氏组织出现在在奥氏体基体上。）碳化物较脆，一般不能直接使用。
2、热处理后的组织
一般经过水韧处理。水韧处理：将ZGMn13铸件加热到高温（1000～1100℃）保温一段时间，使铸态组织中的碳化物全部溶入基体奥氏体中，然后迅速淬水快冷使碳化物来不及从过饱和的奥氏体中析出，以获得均匀的单相奥氏体组织，这种处理称为水韧处理。正常组织为过饱和的单相奥氏体，晶粒大小不均匀，也有少量均匀分布的粒状碳化物。水韧处理后的碳化物有：未溶、析出、或过热碳化物。
3、铸造高锰钢的常见缺陷
主要是分散分布的串状或串连成断续网状分布的显微疏松、气孔、非金属夹杂物及沿晶裂纹等。
4、铸造高锰钢的金相检验标准
按照GB/T 13925-1992《铸造高锰钢金相》标准进行显微组织、碳化物、晶粒度和非金属夹杂物的评级。
（二）不锈钢
我们所说的不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液或其他腐蚀介质中具有化学稳定性的钢的总称，而把其中的耐酸、碱和盐等侵蚀性强的介质腐蚀的钢称为耐酸钢。广义的不锈钢也包括耐热不锈钢，即具有较好的抗高温氧化性能的钢。
不锈钢中常见的元素有C、Cr、Ni、Mn、Si、N、Nb、Ti、Mo等。（C元素是不锈钢中主要的元素之一，特别是马氏体不锈钢中的重要强化元素，C也强烈的促进奥氏体的形成。但是容易和其他合金元素生成合金碳化物，造成晶界贫铬，导致不锈钢的晶界腐蚀敏感性。Cr元素是不锈钢中最重要的合金元素，能够溶入铁素体，扩大铁素体区，缩小、封闭奥氏体区，并提高钢中铁素体的电极电位。一般要求钢中的Cr含量在11.7%以上，才能提高钢的抗腐蚀能力。我国将不锈钢中含铬量定为不小于12%。Ni元素是增大奥氏体稳定性及扩大γ区，缩小α和（α+γ）区的元素，也是形成奥氏体的元素。Mn元素的作用同Ni元素相似，但是比Ni元素便宜。Si、Al、Nb、Ti、Mo等元素都是缩小和封闭奥氏体区的元素。）
不锈钢的分类：按照金相组织的不同，可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢；按照合金元素的不同分为铬系不锈钢、铬镍系不锈钢、铬镍钼系不锈钢、铬锰镍系不锈钢等。近年来又开发出高纯铁素体不锈钢、超低碳奥氏体不锈钢等新品种。
1、不锈钢金相试样的制备与侵蚀
（1）不锈钢金相试样的制备
一般和高合金钢基本相同。其中奥氏体型不锈钢基体较软，韧性较高和易于加工硬化，制样难度较大，易产生机械滑移和扰乱层等假象影响组织分析检验。试样制备应当以不引起组织变化为前提。磨砂纸时尽量使用新砂纸，以减少磨制时间。不锈钢（耐热钢）最理想的抛光方法是电解抛光。常用电解抛光条件为：①（60%）高氯酸200 mL+酒精800 mL，电压35～80V，时间15～60S；②铬酸600 mL+水830 mL，电压1.5～9V，时间1～5min。
（2）不锈钢金相试样的侵蚀
不锈钢具有较高的耐腐蚀性能，显示其显微组织的侵蚀剂必须具有强烈的侵蚀性，才能显示清晰的组织。常用的侵蚀剂有：①氯化高铁5g+盐酸50 mL+水100 mL②盐酸10mL+硝酸10 mL+酒精100 mL；③苦味酸4g+盐酸5mL+酒精100 mL。
2、各类不锈钢的热处理及其金相组织
（1）铁素体不锈钢
主要牌号有0Cr13Al、1Cr17、1Cr17Mo、00Cr27Mo、00Cr30Mo2等。
轧制状态的显微组织为：铁素体及沿轧制方向分布的碳化物。
退火状态的显微组织为：铁素体和点粒状分布其上的碳化物。
淬火状态的显微组织为：δ铁素体+低碳马氏体。当含铬量较高时如00Cr27Mo钢，钢的显微组织为铁素体。当含碳量较高、含铬量处于下限时，如1Cr17钢淬火后会出现低碳马氏体。
（2）马氏体不锈钢
马氏体不锈钢在高温时组织为奥氏体，经过淬火后，奥氏体转变为马氏体，故称为马氏体不锈钢。典型牌号有：1Cr13，2Cr13，3Cr13，4Cr13，9Cr18MoV等。
退火状态的显微组织为：铁素体和碳化物，碳化物常沿铁素体境界呈网状分布。
淬火状态的显微组织为：1Cr13钢的组织为马氏体＋少量δ铁素体。2Cr13钢的组织为针状马氏体；3Cr13和4Cr13钢的组织为马氏体＋碳化物＋少量残余奥氏体。
回火状态的显微组织为：1Cr13、2Cr13钢采用600～750℃高温回火，得到的组织为回火索氏体。3Cr13和4Cr13钢采用200～250℃低温回火，得到的组织为回火马氏体＋细颗粒状碳化物。9Cr18MoV钢采用低温回火，获得组织为回火马氏体＋颗粒状碳化物＋残余奥氏体。
（3）奥氏体不锈钢
此类不锈钢经过所有的热处理后，均得到奥氏体组织，称为奥氏体不锈钢。如图7-8所示。常见不锈钢有304，306。304不锈钢也称为18-8不锈钢，牌号有0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9,2Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti等。306不锈钢的牌号有1Cr18Ni12Mo2Ti等。
18-8型不锈钢的处理工艺有：
①消除应力处理：分为高温（通常与稳定化处理一起进行）和低温（消除冷加工和焊接内应力）两种。
②固溶处理：固溶处理就是将钢加热至高温，使碳化物得到充分的溶解，然后迅速冷却，得到单一的奥氏体组织的一种热处理方式。因此通过将奥氏体不锈钢加热到1050～1100℃，使钢中的碳化物、δ铁素体被充分溶于奥氏体中，经水中冷却，得到含有饱和碳的单一奥氏体组织。注意:固溶处理温度过低将不能使碳化物迅速充分的溶于奥氏体中；温度过高则导致奥氏体晶粒的长大。如《钢铁金相图谱》图4-129（1Cr18Ni9Ti钢固溶处理组织为孪晶奥氏体+少量铁素体+灰色方块状成堆分布的TiN夹杂物，奥氏体钢中加入Ti的目的是让碳优先与之结合成TiC，不再与铬化合成Cr23C6，也就不引起晶界贫铬区，以抑制晶间腐蚀作用，但该样品中钛和氮结合，未达到加钛的目的。侵蚀剂：王水）所示。
③敏化处理：经过固溶处理的奥氏体不锈钢，再在500～850℃加热，铬将从过饱和的固溶体中以碳化物的形式析出，使碳化物周围地区形成贫铬区，从而造成奥氏体不锈钢的晶界腐蚀敏感性，这样的处理叫敏化处理，这种状态叫敏化。主要的目的是为了评价奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向，标准参照GB/T 4334-1990和GB/T 4334.1-2000《不锈钢10%草酸侵蚀试验方法》。根据GB/T 4334.1-2000《不锈钢10%草酸侵蚀试验方法》标准侵蚀结果按晶界形态分为1～5类，凹坑形态分两种6～7类：1类位阶梯状组织，晶界无腐蚀沟，晶粒间成阶梯状；2类为混合组织，晶界有腐蚀沟，但没有一个晶粒被腐蚀沟包围；3类为沟状组织，个别或全部晶粒被腐蚀沟所包围；4类和五类是针对铸件或焊接件进行评定。凹坑形态：6类为浅凹坑多，深凹坑较少的组织；7类为浅凹坑较少，深凹坑较多的组织。
④稳定化处理：将1Cr18Ni9Ti钢加热到850～900℃保温，使得刚中的碳化物Cr23C6充分溶解，不再引起晶界贫铬，而TiC、NbC则稳定存在，从而提高钢的抗晶界腐蚀能力。
（4）双相不锈钢
在18-8型不锈钢基础上，提高含铬量或加入其他铁素体形成元素，当不锈钢中δ铁素体含量很高或接近奥氏体含量时，称为奥氏体-铁素体不锈钢。常见牌号有：1Cr21Ni6Mo2Ti、00Cr25Ni5Mn等。这类钢一般在固溶处理状态使用，其组织为：在δ铁素体基体上分布有小岛状的奥氏体，δ铁素体含量占50%～70%。
（5）沉淀硬化不锈钢
主要利用马氏体转变强化和碳化物、金属间化合物的沉淀硬化作用来获得高的强度。从基体组织看有三种类型：马氏体型、半奥氏体型、奥氏体型。主要牌号有：17-7PH、17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）、PH15-7Mo等。“PH”英语中“沉淀硬化”的意思。
沉淀硬化不锈钢的处理工艺有固溶处理、调整处理、时效处理三个过程。
①固溶处理获得的组织为奥氏体+少量δ铁素体，铁素体为条状。
②调整处理：目的是获得必要数量的马氏体，使钢强化。
③时效处理
3、不锈钢金相检验标准
不锈钢的低倍组织及缺陷的试验方法可以根据GB/T 226-1991《钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法》。
不锈钢的非金属夹杂物的评级按照GB/T 10561-1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》。
奥氏体钢的晶粒度检验按照YB/T 5148-1993《金属平均晶粒度测定方法》中孪晶晶粒度评级图进行评级。
（三）耐热钢
耐热钢的使用温度范围为400～650℃，温度较高。
主要应用于动力机械、石油、化工、航空工业等领域，如用于制造锅炉、汽轮机、燃气轮机、航空发动机等。
耐热钢是通过向钢中加入铬、镍、钼、硅、铌、钨、钒、钛等合金元素来提高其热强性和抗氧化性能，以满足使用要求，可以分为铁素体耐热钢、珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢。
耐热钢的金相检验内容包括一般的原始态金相组织检验和高温长期使用后的显微组织的变化。这类钢在长期高温条件下运行会发生一些组织变化：
①石墨化，即钢中的渗碳体会发生Fe3C→石墨+F的变化。破坏了基体连续性，使冲击韧性显著下降，造成极大破坏。碳钢、钼钢长期高温运行易出现石墨化。耐热钢种的Al、Si促使石墨化，Cr、Ti、V、Nb等元素减轻、阻止石墨化倾向。
②珠光体球化、碳化物聚集。长期高温运行使珠光体由片层状→球状→小球变大球，使钢的强度、硬度降低，也降低钢的蠕变强度。
③合金元素的再分。长期高温运行使固溶体内的合金元素转变成碳化物，降低了固溶强化效果，使固溶体软化，降低钢的强度和蠕变强度。
1、耐热钢的金相检验
（1）金相试样的制备 制备方法同不锈钢金相试样的制备。
（2）铁素体耐热钢 主要牌号有：1Cr13Al、1Cr17、2Cr25N等。这类钢冷却后得到的组织为铁素体组织。
（3）珠光体铁素体耐热钢 属于低合金钢，工作温度为：350～670℃。典型牌号有：15CrMo、1Cr5Mo、12Cr1MoV、17CrMo1V、12Cr2MoWVB等。典型热处理工艺为：正火+高温回火，热处理后组织为铁素体+珠光体或贝氏体。
（4）马氏体耐热钢 这类钢是从含铬量12%的不锈钢基础上发展起来的。为提高其耐高温性能常添加W、Mo等元素，为防止其与碳形成碳化物富集，添加 V、Nb等强碳化物形成元素。常见牌号有：1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WMoV、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。典型热处理为淬火（得到马氏体组织）+高温回火（得到回火索氏体）。
(5)奥氏体耐热钢 常温组织为奥氏体，耐热温度为600℃。常见牌号有：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti、、5Cr21Mn8Ni4N、2Cr25Ni20等。典型热处理为固溶处理+时效处理。
三、实验仪器及材料
1．实验仪器 XJG-01型立式金相显微镜， XJG-02立式型金相显微镜，XJG-05型卧式金相显微镜，4XC型金相显微镜
2．试验材料 ZGMn13，1Cr17，1Cr13，2Cr13，3Cr13，4Cr13，9Cr18MoV，0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni12Mo2Ti，1Cr21Ni6Mo2Ti、00Cr25Ni5Mn，17-4PH，15CrMo，4Cr10Si2Mo，5Cr21Mn8Ni4N
四、实验内容及步骤
1．观察特殊性能钢的各种状态的显微组织。
2．根据每个试样的实验内容画出组织图，在图中注明各组织组成物。
3．根据相应检验标准评定级别，标明放大倍数。
五、思考题
1．什么是不锈钢，按照组织不同分为哪几种？
2．马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢的组织特点是什么？18-8钢属于何种？
3．什么是耐热钢？耐热钢有哪几种？

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