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金相检验概述省锅检所省锅检所 王瑜王瑜1目录v1 金相简介v2 金相检验在电站锅炉检验中的应用v3 金相组织的评定v4 电站锅炉常用金属材料金相组织v5 钢的显微组织缺陷2 1 金相简介 金属和合金的性能取决与它的成分和组织结构。金属和合金的组织通常是指它由哪些相所组成以及它们之间的相互配置（包括形状、数量、大小及分布）。“相”是指体系中成分和性能均匀一致的部分。相与相之间有明显的分界。金属和合金的组织与其成分、工艺过程以及所处的状态有关。金相分析主要就是观察、鉴别和分析金属、合金内部的组织结构，研究成分、组织与性能之间的关系。金相即金相学，就是研究金属或合金内部结构的科学。不仅如此，它还研究当外界条件或内在因素改变时，对金属或合金内部结构的影响。所谓外部条件就是指温度、加工变形、浇注情况等。所谓内在因素主要指金属或合金的化学成分。金相组织是反映金属金相的具体形态，常见的金相组织有：奥氏体、铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体、索氏体等。341.1 奥氏体 是碳和合金元素溶解在-Fe中形成的固溶体。光学显微镜下呈规则的多边形。塑性高，屈服极限较低，无磁性。在加热和冷却过程中所产生的热应力可能使奥氏体发生范性形变。在奥氏体中有时还可以观察到孪晶和划移线。奥氏体组织 100 x奥氏体组织 600 x51.2 铁素体 碳和合金元素溶解在-Fe中形成的固溶体。在室温时溶碳量约为0.00218%左右，光学显微镜下，亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。铁素体硬度低、塑性好。碳和合金元素在-Fe中形成的固溶体称为铁素体。纯铁，退火处理 200 x61.3 珠光体 是铁素体和渗碳体形成的机械混合物。在高温缓冷条件下，可得粗片层状组织。随着奥氏体过冷度增大，片层逐渐变得细密，硬度也逐渐升高。珠光体的硬度较铁素体高，并有一定的塑性。片状珠光体常见于碳素钢的退火、正火组织中。过共析钢经球化退火处理得到球状珠光体（在铁素体的基体上，分布着颗粒状的渗碳体）。球状珠光体使钢材硬度降低，便于切削加工。片状珠光体 500 x球状珠光体 500 x7v1.4 贝氏体 是中温转变区域的产物。一般来说，它是铁素体和碳化物的两相组织，贝氏体的组织形态是多样的，其中主要是上贝氏体和下贝氏体，在低碳低合金钢中还有粒状贝氏体组织，某些钢中也出现无碳贝氏体。（1）上贝氏体 典型的上贝氏体外貌象羽毛，一般沿奥氏体晶界形成并生长。它是由铁素体条和平行于条的长轴而析出的碳化物颗粒所组成。（2）下贝氏体 是共格铁素体片，在片内有与长轴方向成60夹角分布的碳化物颗粒。铁素体片在晶界、晶内均产生。针状下贝氏体 500 x上贝氏体 300 x8 （3）粒状贝氏体 该组织的形成温度在中温转变区的较高温度，连续冷却时较之等温处理时更易得到。它是半共格形核、非共格长大。粒状贝氏体的形核可在晶界形成，但大都在晶内形核。晶粒的长大可跨越原来的奥氏体晶界。粒状贝氏体是由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。岛状组织刚形成时为富碳奥氏体。在随后的冷却过程中，高碳奥氏体的分解或保留，与钢的合金成分和冷却条件等有关。一般认为组织为粒状贝氏体的低合金耐热钢，具有良好的抗蠕变性能。（4）无碳贝氏体 是由先期从奥氏体晶界析出的铁素体开始向晶内生长的共格条状铁素体。铁素体条内，固溶微量碳，晶间无碳化物析出。无碳贝氏体与低、中碳钢的魏氏组织没有本质上的差异。魏氏组织的特点是，除了在原奥氏体晶界上存在有自由铁素体外，在原来的奥氏体晶粒内部也有成片状的自由铁素体，此片状与奥氏体具有一定的位向关系，且分布在一定的惯习面上。当奥氏体晶粒较粗，冷却又较快时，易产生这种组织。在铸钢及焊接接头的热影响区经常会遇到这种组织。9回火贝氏体 500 x 钢研102回火贝氏体 600 x 钢研102回火贝氏体 600 x 钢研10210v1.5 马氏体 在Fe-C合金中，是碳或氮间隙固溶于-Fe中的过饱和固溶体。基本上可分为两类：低碳马氏体和高碳马氏体。（1）低碳马氏体 又称板条状马氏体，是以条状铁素体为单元，大致相互平行呈定向排列组成晶区。在一颗奥氏体晶粒内可以有几个马氏体晶区，相邻两个晶区间的位向差较大。每个晶区是由许多个板条状马氏体组成，板条状马氏体形似薄木条，相互平行排列在一个晶面上。它的精细结构是具有大量位错缠结的亚结构，又称位错马氏体。低碳钢及合金钢淬火后得到低碳马氏体组织。提高淬火温度，条状形态越明显。在低碳马氏体中，碳原子偏聚于位错线附近。11低碳马氏体(板条马氏体)500 x 低碳马氏体(板条马氏体)800 x 12 （2）高碳马氏体 含碳量高的淬火马氏体呈片状（又称针状、透镜状或竹叶状）。在高碳马氏体中，马氏体片间不相互平行。在一个奥氏体晶粒内，初生马氏体片较粗大，往往可以横贯整个奥氏体晶粒。在每个奥氏体晶粒内马氏体针具有一定的几何取向，长大时不能穿越奥氏体晶界。它的立体形态宛如一个凸透镜。在奥氏体晶粒形成的第一片马氏体往往比较粗大，横贯整个奥氏体晶粒，并将奥氏体分割为二，以后相继形成的马氏体片就受到限制，尺寸较小。这样，在一个奥氏体晶粒内形成的马氏体大小不均。有些片状马氏体的中间有一道中脊线。片状马氏体之间没有转变的奥氏体，称为残余奥氏体。13高碳马氏体(针状马氏体)800 x高碳马氏体(针状马氏体)500 x14v1.6 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，并且聚集长大。（1）回火马氏体 马氏体在低温（150200）回火时，其中大部分过饱和的碳以高度弥散的渗碳体和碳化物形式从马氏体内部析出，造成大量的相界面，使马氏体片在金相试样制备时极易受到腐蚀，而在显微镜下呈现黑色，在光学显微镜下碳化物质点不能分辨。这样的马氏体称为回火马氏体。回火马氏体仍具有高硬度，而脆性较小。回火马氏体 500 x回火马氏体 600 x15 （2）回火托氏体 马氏体在中温（300500）回火后得到的组织称为回火托氏体。回火托氏体是铁素体与渗碳体的混合物，其中渗碳体呈细粒状分布，马氏体针方向明显，颜色暗黑，500倍下不能分辨碳化物质点。回火托氏体具有很高的弹性极限，同时有一定的塑性。（3）回火索氏体 马氏体在高温（500650）回火后的产物称为回火索氏体。回火索氏体也是铁素体与渗碳体的混合物，其中渗碳体颗粒比回火托氏体中的粗，在金相显微镜下已较清晰。回火索氏体比回火托氏体更加接近平衡状态，具有较高的韧性和强度，适用于制造冲击载荷较大的零件。电子显微金相分析证明，无论是索氏体还是托氏体，都仍然是铁素体和渗碳体层片相间的组织，所以往往又将珠光体、托氏体和索氏体统称为珠光体类组织。16回火托氏体 500 x有位向的回火索氏体 500 x17v1.7 莱氏体组织 莱氏体是奥氏体和渗碳体的共晶混合物。常温下为珠光体和渗碳体的混合物。由液态结晶出来，形态比较自由，外形呈骨骼状，渗碳体多联结，呈大角网状，钢中多分布在晶界处，加工后破碎成大块丛聚形态，并沿轧制方向分布。渗碳体相在以后的冷却中不再发生变化，但莱氏体中的奥氏体要发生共析反应而转变成珠光体。莱氏体性质硬而脆，它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。18192.1 标准规范对金相检验部件的要求 锅炉定期检验规则 对于电站锅炉内部检验：1.热负荷较高或水循环流速较低区域水冷壁管必要时进行金相检查；2.对过热器和再热器高温出口段管子的金相进行定点监测；3.使用时间超过10万小时的过热器、再热器集箱和集汽集箱，应进行金相检验。4.运行时间已达10万小时的主蒸汽管和再热蒸汽管，应对弯曲部位等进行金相检验。2 金相检验在电站锅炉检验中的应用20 DL 438-2009火力发电厂金属技术监督规程 1.主蒸汽管道和再热蒸汽管道的管件，运行5万小时时进行第一次金相检查，以后检查周期为5万小时；2.工作温度大于等于450的碳钢、钼钢蒸汽管道，当运行10万小时时，应进行石墨化普查，以后的检查周期为5万小时；3.对使用期限达10万小时，工作温度大于450 的主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道，应在监察段进行金相检查；4.对运行时间达到10万小时的高温过热器和高温再热器出口联箱、集汽联箱，应进行金相检验；21 DL 647-2004电站锅炉压力容器检验规程 1.定期对高温过热器和再热器割管做金相分析；2.对于过热器和再热器管子，运行时间达5万小时后，应对与不锈钢连接的异种钢接头进行外观检查，必要时割管做金相检查；3.使用时间超过10万小时的高温过热器、高温再热器出口集箱和集汽集箱，应进行金相检验；4.对运行时间达到10万小时的锅炉范围内导气管，进行金相检验抽查；5.100MW及以上机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道运行时间达到10万小时后，应结合每次大修，进行金相检验；6.100MW及以上机组的低温再热器管道和主给水管道中，运行温度大于等于450的碳钢、钼钢管道、管件和阀壳，运行时间超过10万小时，应进行石墨化检查，检查间隔时间一般为5万小时。22 2.2 金相检验的目的 电厂用金属部件在高温条件下长期使用，部件材料将发生蠕变及其他与时间有关的变化。在整个服役期内都将发生显微组织的不断老化和宏观性能的逐渐劣化，对低合金钢而言，蠕变机理导致的失效主要有以下两个原因：（1）服役期内显微组织的老化导致宏观强度的逐渐降低；（2）以沿晶蠕变孔洞为主要特征的蠕变损伤的发展。通常这两个变化过程是同时发生的，其变化程度和速度取决于原始材料的组织状态和成分，部件使用应力、使用温度和使用时间等条件。在部件状态评估和寿命评估时采用金相学方法，主要是为了得到这两类组织状态变化过程中的特征信息。23 金属材料在长期高温和应力作用下发生组织老化的特征可由碳化物相的一系列变化来表征，检验和分析时必须考虑组织形态改变、相成分改变、碳化物粗化和相结构改变等四个方面：（1）组织形态改变。珠光体中的碳化物相在使用中逐渐变为球状，称之为球化现象，这一现象是碳化物分布形态变化的一个基本特征。形态的变化形式还有贝氏体晶粒位向、再结晶及更复杂的微观位错结构变化等，直接与材料的老化过程相关。（2）相成分改变。碳化物相的成分变化与基体中合金元素的转移现象有关。长期使用中，在同一类碳化物相中，其组成元素Fe、Mn、Cr、Mo、V等逐渐发生着量的变化，这种相成分改变现象是一个重要的材料老化特征。（3）碳化物相粗化。碳化物粒子尺寸在使用过程中将发生变化，即出现粗化现象，其粗化过程直接与材料的老化过程有关。（4）相结构改变。钢中的多种碳化物早使用过程中将发生结构转变，即由简单结构的M2C、M3C相等碳化物类型转变为复杂结构的M23C6、M6C相。碳化物结构的转变也是一个重要的材料老化特征。24 2.3 金相检验的基本流程 现场金相的主要流程如图：金相检验部位金属材料文件查阅记录配置金相浸蚀剂和复型溶剂应用便携式抛磨机进行粗磨（表面制备）对抛磨后金属进行抛光处理金相组织的浸蚀显像观察照相，有必要时进行复型电厂金相（表面复型）分析评级出具检验报告25 3 金相组织的评定定性分析定量分析组织老化分析组织脆化分析温度评定蠕变孔洞损伤评级显微组织老化定量评定温度评定蠕变损伤定量评定263.1 珠光体钢12Cr1MoV球化组织特征球化程度球化程度球化球化级别级别组织特征组织特征未球化（原始态）1聚集形态的珠光体（贝氏体），珠光体（贝氏体）中的碳化物并非全部为片层装，有灰色块状区域存在，珠光体（贝氏体）区域明显轻度球化2聚集形态的珠光体（贝氏体）区域已经开始分散，其组成仍然较为致密，珠光体（贝氏体）保持原有区域形态中度球化3珠光体（贝氏体）区域内的碳化物已显著分散，碳化物已全部成小球状，但仍保持原有的区域形态，晶界碳化物的数量增加完全球化4大部分碳化物已聚集在铁素体晶界上，仅有少量的珠光体（贝氏体）区域的痕迹，晶界碳化物出现链状严重球化5珠光体（贝氏体）区域形态已完全消失，碳化物粒子在铁素体晶界上聚集，粒度明显增大，出现双晶界现象27a 轻度球化；b 中度球化；c 完全球化球化程度示意图abc28200X 1级700X 1级29200X 2级700X 2级30200X 3级700X 3级31200X 4级700X 4级32200X 5级700X 5级333.2 非珠光体钢组织老化特征球化程度球化程度球化球化级别级别组织特征组织特征未老化（原始态）1晶内析出大量细小弥散碳化物粒子，运行初期逐渐增多，晶界比较干净，贝氏体（马氏体）位向完整清晰轻度老化2晶内碳化物粒子数量减少，且开始逐渐粗化，晶界出现单个细小碳化物，贝氏体（马氏体）位向开始分散中度老化3晶内碳化物粒子数量进一步减少，尺寸粗化。晶界碳化物粒子增多，沿与应力垂直方向有方向行分布倾向，贝氏体（马氏体）位向明显分散完全老化4晶内碳化物粒子数量减少，尺寸粗化，晶界碳化物沿与应力垂直方向呈链状分布，贝氏体（马氏体）位向已严重分散，出现大于0.5m的孔洞严重老化5贝氏体（马氏体）位向严重分散，晶界变粗出现双晶界现象，晶粒破碎出现再结晶现象，出现链状孔洞34非珠光体钢综合考虑晶内和晶界变化的老化评级示意图353.3 25Cr2Mo1V螺栓钢脆化组织级别球化程度球化程度脆化脆化级别级别组织特征组织特征AKJ/cm2HB无脆化1贝氏体或贝氏体+碳化物58.8277轻微脆化2贝氏体+碳化物，有轻微的网状晶界39.258.8280中等脆化3贝氏体+碳化物，有较细连续的网状或半网状晶界19.639.2320严重脆化4贝氏体+碳化物，有较粗且连续的网状晶界4.919.6320363.4 温度评定碳钢 球化级别分为5级，此时有：E=20.0896-0.0010937LMPLMP=T(15+lg t)15CrMo（1Cr-0.5Mo）钢 球化级别分为5级，此时有：E=28.2944-2.241LMPLMP=12370/T-lg t12Cr1MoV钢 球化级别分为5级，此时有：E=23.92-1.6LMPLMP=14550/T-lg t式中：E球化级别；T部件金属温度，K；t使用时间，h；LMP温度时间相关参数。373.5 蠕变孔洞损伤评级级别级别组织特征及损伤状况组织特征及损伤状况0未经运行的原始样1组织有所变化，但还未出现孔洞2a组织明显老化，有少量孤立的孔洞2b组织老化严重，有很多无方向性的孔洞3a蠕变损伤，有大量方向性的孔洞3b明显的蠕变损伤，孔洞呈链状或晶界分离4严重的蠕变损伤，有微裂纹出现5蠕变损伤非常严重，有宏观裂纹出现383.6 碳钢石墨化金相评级组织特征级别级别石墨含量石墨含量%石墨链长度石墨链长度m组织特征组织特征1260石墨球聚集成链和块状，石墨链长，具有连续性，为非常严重石墨化39a 初期石墨化；b 中度石墨化；c 严重石墨化石墨化程度示意图abc40abca 石墨含量1.15%；b 石墨含量1.33%；c 石墨含量1.66%碳钢石墨化金相评级图（1级，500X）41abca 石墨含量2.56%；b 石墨含量4.41%；c 石墨含量5.63%碳钢石墨化金相评级图（2级，500X）42abca 石墨含量9.74%；b 石墨含量11.7%；c 石墨含量13.89%碳钢石墨化金相评级图（3级，500X）43abca 石墨含量17.03%；b 石墨含量18.18%；c 石墨含量26.32%碳钢石墨化金相评级图（4级，500X）44 3 电站锅炉常用材料金相组织电厂常见金属材料20g15CrMo(1Cr-0.5Mo)12Cr1MoV10CrMo910(2.25Cr-1Mo)P91/T91钢研1024520g450运行10万h，团絮状石墨，500 x450运行110257h，团絮状石墨，1000 x长期高温运行，链状石墨，100 x石墨，其中白色小块为铁素体，1200 x46a，1000Xb，1000Xa.450下运行10万h以上出现的石墨化，珠光体已消失，组织为铁素体和沿晶碳化物；b.450下运行10万h以上，珠光体中的碳已球化，组织为铁素体和沿晶分布碳化物。4715CrMo(a)(b)(c)(a)500X；(b)1000X；(c)(4000X)1.5电子金相照片（1级，未球化）48(a)(b)(c)(a)500X；(b)1000X；(c)(4000X)1.5电子金相照片（2级，倾向性球化）49(a)(b)(c)(a)500X；(b)1000X；(c)(4000X)1.5电子金相照片（3级，轻度球化）50(a)(b)(c)(a)500X；(b)1000X；(c)(4000X)1.5电子金相照片（4级，中度球化）51(a)(b)(c)(a)500X；(b)1000X；(c)(4000X)1.5电子金相照片（5级，完全球化）52 (a)1050X，510,运行34870h，组织为铁素体+珠光体，铁素体晶界上析出少量碳化物，晶内出现少量细小弥散的碳化物颗粒和极少量细针状碳化钼(Mo2C)颗粒;(b)1050X，510,运行47930h，组织为铁素体+珠光体，珠光体内碳化物已球化，铁素体晶内已有析出聚集的碳化物颗粒，晶界上富集更多的碳化物颗粒；(c)1050X，510,运行100900h，珠光体中碳化物已完全球化，碳化物大量析出聚集，铁素体晶内沉淀了大量的碳化物颗粒，细小弥散的碳化物相开始聚集长大，细针状的Mo2C逐渐变成短棒状和球状。(a)(b)(c)5312Cr1MoV(a)18285h(b)27777h高温过热器管，540 下运行，400X 54(c)44171h(d)47783h(e)54057h(f)84180h(g)101794h(h)130000h55(a)540/0h/700 x(b)540/5409h/1000 x(c)540/14150h/1000 x(d)540/36652h/1000 x(e)540/72242h/1000 x(f)540/85672h/1000 x5610CrMo910(a)原始状态，回火贝氏体(b)27157h后，回火贝氏体+铁素体块+少量微细碳化物主蒸汽管道，540 下运行，250X 57主蒸汽管道，540 下运行，500X(a)原始状态，铁素体+回火贝氏体+少量碳化物(b)29822h后，碳化物球化，弥散的碳化物沿晶界和晶内分布(c)5万h后，碳化物球化，聚集长大58钢研102（12Cr2MoWVB）(a)原始状态，320X，回火贝氏体+少量碳化物高温过热器管，570 下运行(b)5万h后，200X，回火贝氏体，大量碳化物沿晶内及晶界分布(c)5万h后，700X，回火贝氏体，大量碳化物沿晶内及晶界分布59P91/T91老化评级(a)700X 2级(b)700X 3级(c)700X 4级(d)700X 5级60 5 钢的显微组织缺陷常常见见显显微微组组织织缺缺陷陷表面层脱碳网状碳化物带状组织过热和过烧组织615.1 表面层脱碳 钢在生产或使用过程中，由于加热保温或周围环境的作用，使表层中的碳全部或部分丧失的现象称为脱碳。钢材表面脱碳将大大降低表面硬度、耐磨性和疲劳强度。500X，脱碳层为白色部分，基体为铁素体（白色）和珠光体（黑色）625.2 网状碳化物 w（C）0.77%的碳素钢，合金工具钢、铬轴承钢的钢材在热加工后的冷却过程中，碳化物沿晶界析出成网状，即为网状碳化物。网状碳化物的存在，削弱了金属间的结合力，使钢的力学性能显著降低，尤其是冲击韧度下降，脆性增加。500X，网状碳化物为白色635.3 带状组织 经热加工后的低碳结构钢显微组织中，铁素体和珠光体沿加工变形方向呈层状平行交替的条带状组织，通称为带状组织。带状组织使钢的力学性能各向异性，并降低塑性和韧性、硬度不均匀，易产生变形。100X，基体为铁素体（白色）和珠光体（黑色）645.4 钢的过热和过烧 钢加热到过热温度以上冷却往往产生过热现象。通常过热温度主要取决与钢材的化学成分，大多数钢的过热温度在12501350 之间。过热钢的显著特点是具有较低的塑性和冲击韧性。反应在微观组织上，将产生魏氏体或粗大的贝氏体组织等。常用正火弥补。100X，晶粒粗大的过热魏氏组织65 当钢加热到比过热更高的温度（一般高几十到一百度左右），时间又长时，不仅钢的晶粒长大，而且奥氏体晶界发生晶界弱化的变化，晶粒之间边界开始熔化，氧进入晶粒间隙，使金属发生氧化并促其熔化，导致晶粒间结合力的破坏而使钢失去其本身的强度和塑性，这就是钢的过烧。过烧时除了基体有明显的魏氏组织外还有黑色氧化物沿晶粒边界分布，过烧的钢无法挽救，只有报废。50X，过烧后沿晶开裂和晶界脱碳274X，过烧晶界融化66莱氏体，过烧组织300X，1Cr13，过烧，组织粗大，沿晶过烧裂纹67回火索氏体，调质处理，40Cr,500X68铁素体+珠光体，正火，20和40697071不当之处敬请批评指正谢谢大家！72