1、b,1,金相檢驗概述,省鍋檢所 王瑜,b,2,目錄,1 金相簡介 2 金相檢驗在電站鍋爐檢驗中的應用 3 金相組織的評定 4 電站鍋爐常用金屬材料金相組織 5 鋼的顯微組織缺陷,b,3,1 金相簡介,金屬和合金的性能取決與它的成分和組織結構。金屬和合金的組織通常是指它由哪些相所組成以及它們之間的相互配置（包括形狀、數量、大小及分布）。“相”是指體系中成分和性能均勻一致的部分。相與相之間有明顯的分界。金屬和合金的組織與其成分、工藝過程以及所處的狀態有關。金相分析主要就是觀察、鑒別和分析金屬、合金內部的組織結構，研究成分、組織與性能之間的關系。 金相即金相學，就是研究金屬或合金內部結構的科學。不僅

2、如此，它還研究當外界條件或內在因素改變時，對金屬或合金內部結構的影響。所謂外部條件就是指溫度、加工變形、澆注情況等。所謂內在因素主要指金屬或合金的化學成分。 金相組織是反映金屬金相的具體形態，常見的金相組織有：奧氏體、鐵素體、珠光體、馬氏體、貝氏體、索氏體等 。,b,4,b,5,1.1 奧氏體 是碳和合金元素溶解在-Fe中形成的固溶體。光學顯微鏡下呈規則的多邊形。塑性高，屈服極限較低，無磁性。在加熱和冷卻過程中所產生的熱應力可能使奧氏體發生范性形變。在奧氏體中有時還可以觀察到孿晶和劃移線。,奧氏體組織 100 x,奧氏體組織 600 x,b,6,1.2 鐵素體 碳和合金元素溶解在-Fe中形成的

3、固溶體。在室溫時溶碳量約為0.00218%左右，光學顯微鏡下，亞共析鋼中的慢冷鐵素體呈塊狀，晶界比較圓滑，當碳含量接近共析成分時，鐵素體沿晶粒邊界析出。鐵素體硬度低、塑性好。碳和合金元素在-Fe中形成的固溶體稱為鐵素體。,純鐵，退火處理 200 x,b,7,1.3 珠光體 是鐵素體和滲碳體形成的機械混合物。在高溫緩冷條件下，可得粗片層狀組織。隨著奧氏體過冷度增大，片層逐漸變得細密，硬度也逐漸升高。珠光體的硬度較鐵素體高，并有一定的塑性。 片狀珠光體常見于碳素鋼的退火、正火組織中。過共析鋼經球化退火處理得到球狀珠光體（在鐵素體的基體上，分布著顆粒狀的滲碳體）。球狀珠光體使鋼材硬度降低，便于切削加

4、工。,片狀珠光體 500 x,球狀珠光體 500 x,b,8,1.4 貝氏體 是中溫轉變區域的產物。一般來說，它是鐵素體和碳化物的兩相組織，貝氏體的組織形態是多樣的，其中主要是上貝氏體和下貝氏體，在低碳低合金鋼中還有粒狀貝氏體組織，某些鋼中也出現無碳貝氏體。 （1）上貝氏體 典型的上貝氏體外貌象羽毛，一般沿奧氏體晶界形成并生長。它是由鐵素體條和平行于條的長軸而析出的碳化物顆粒所組成。 （2）下貝氏體 是共格鐵素體片，在片內有與長軸方向成60夾角分布的碳化物顆粒。鐵素體片在晶界、晶內均產生。,針狀下貝氏體 500 x,上貝氏體 300 x,b,9,（3）粒狀貝氏體 該組織的形成溫度在中溫轉變區的

5、較高溫度，連續冷卻時較之等溫處理時更易得到。它是半共格形核、非共格長大。粒狀貝氏體的形核可在晶界形成，但大都在晶內形核。晶粒的長大可跨越原來的奧氏體晶界。 粒狀貝氏體是由鐵素體和它所包圍的小島狀組織所組成。島狀組織剛形成時為富碳奧氏體。在隨后的冷卻過程中，高碳奧氏體的分解或保留，與鋼的合金成分和冷卻條件等有關。 一般認為組織為粒狀貝氏體的低合金耐熱鋼，具有良好的抗蠕變性能。 （4）無碳貝氏體 是由先期從奧氏體晶界析出的鐵素體開始向晶內生長的共格條狀鐵素體。鐵素體條內，固溶微量碳，晶間無碳化物析出。無碳貝氏體與低、中碳鋼的魏氏組織沒有本質上的差異。魏氏組織的特點是，除了在原奧氏體晶界上存在有自由

6、鐵素體外，在原來的奧氏體晶粒內部也有成片狀的自由鐵素體，此片狀與奧氏體具有一定的位向關系，且分布在一定的慣習面上。當奧氏體晶粒較粗，冷卻又較快時，易產生這種組織。在鑄鋼及焊接接頭的熱影響區經常會遇到這種組織。,b,10,回火貝氏體 500 x 鋼研102,回火貝氏體 600 x 鋼研102,回火貝氏體 600 x 鋼研102,b,11,1.5 馬氏體 在Fe-C合金中，是碳或氮間隙固溶于-Fe中的過飽和固溶體。基本上可分為兩類：低碳馬氏體和高碳馬氏體。 （1）低碳馬氏體 又稱板條狀馬氏體，是以條狀鐵素體為單元，大致相互平行呈定向排列組成晶區。在一顆奧氏體晶粒內可以有幾個馬氏體晶區，相鄰兩個晶區

7、間的位向差較大。每個晶區是由許多個板條狀馬氏體組成，板條狀馬氏體形似薄木條，相互平行排列在一個晶面上。它的精細結構是具有大量位錯纏結的亞結構，又稱位錯馬氏體。 低碳鋼及合金鋼淬火后得到低碳馬氏體組織。提高淬火溫度，條狀形態越明顯。在低碳馬氏體中，碳原子偏聚于位錯線附近。,b,12,低碳馬氏體(板條馬氏體) 500 x,低碳馬氏體(板條馬氏體) 800 x,b,13,（2）高碳馬氏體 含碳量高的淬火馬氏體呈片狀（又稱針狀、透鏡狀或竹葉狀）。在高碳馬氏體中，馬氏體片間不相互平行。在一個奧氏體晶粒內，初生馬氏體片較粗大，往往可以橫貫整個奧氏體晶粒。在每個奧氏體晶粒內馬氏體針具有一定的幾何取向，長大時

8、不能穿越奧氏體晶界。它的立體形態宛如一個凸透鏡。 在奧氏體晶粒形成的第一片馬氏體往往比較粗大，橫貫整個奧氏體晶粒，并將奧氏體分割為二，以后相繼形成的馬氏體片就受到限制，尺寸較小。這樣，在一個奧氏體晶粒內形成的馬氏體大小不均。有些片狀馬氏體的中間有一道中脊線。片狀馬氏體之間沒有轉變的奧氏體，稱為殘余奧氏體。,b,14,高碳馬氏體(針狀馬氏體) 800 x,高碳馬氏體(針狀馬氏體) 500 x,b,15,1.6 回火組織 淬火馬氏體組織在回火過程中將發生分解，析出碳化物。隨著回火溫度的增高，析出的碳化物成為滲碳體，顆粒繼續增多，并且聚集長大。 （1）回火馬氏體 馬氏體在低溫（150200）回火時，

9、其中大部分過飽和的碳以高度彌散的滲碳體和碳化物形式從馬氏體內部析出，造成大量的相界面，使馬氏體片在金相試樣制備時極易受到腐蝕，而在顯微鏡下呈現黑色，在光學顯微鏡下碳化物質點不能分辨。這樣的馬氏體稱為回火馬氏體。回火馬氏體仍具有高硬度，而脆性較小。,回火馬氏體 500 x,回火馬氏體 600 x,b,16,（2）回火托氏體 馬氏體在中溫（300500）回火后得到的組織稱為回火托氏體。回火托氏體是鐵素體與滲碳體的混合物，其中滲碳體呈細粒狀分布，馬氏體針方向明顯，顏色暗黑，500倍下不能分辨碳化物質點。回火托氏體具有很高的彈性極限，同時有一定的塑性。 （3）回火索氏體 馬氏體在高溫（500650）回

10、火后的產物稱為回火索氏體。回火索氏體也是鐵素體與滲碳體的混合物，其中滲碳體顆粒比回火托氏體中的粗，在金相顯微鏡下已較清晰。回火索氏體比回火托氏體更加接近平衡狀態，具有較高的韌性和強度，適用于制造沖擊載荷較大的零件。 電子顯微金相分析證明，無論是索氏體還是托氏體，都仍然是鐵素體和滲碳體層片相間的組織，所以往往又將珠光體、托氏體和索氏體統稱為珠光體類組織。,b,17,回火托氏體 500 x,有位向的回火索氏體 500 x,b,18,1.7 萊氏體組織 萊氏體是奧氏體和滲碳體的共晶混合物。常溫下為珠光體和滲碳體的混合物。 由液態結晶出來，形態比較自由，外形呈骨骼狀，滲碳體多聯結，呈大角網狀，鋼中多分

11、布在晶界處，加工后破碎成大塊叢聚形態，并沿軋制方向分布。 滲碳體相在以后的冷卻中不再發生變化，但萊氏體中的奧氏體要發生共析反應而轉變成珠光體。 萊氏體性質硬而脆，它一般存在于含碳量大于2.06%的生鐵中，在某些高碳高合金鋼的鑄造組織中也會出現。,b,19,b,20,2.1 標準規范對金相檢驗部件的要求 鍋爐定期檢驗規則 對于電站鍋爐內部檢驗： 1. 熱負荷較高或水循環流速較低區域水冷壁管必要時進行金相檢查； 2. 對過熱器和再熱器高溫出口段管子的金相進行定點監測； 3.使用時間超過10萬小時的過熱器、再熱器集箱和集汽集箱，應進行金相檢驗。 4.運行時間已達10萬小時的主蒸汽管和再熱蒸汽管，應對

12、彎曲部位等進行金相檢驗。,2 金相檢驗在電站鍋爐檢驗中的應用,b,21,DL 438-2009火力發電廠金屬技術監督規程 1.主蒸汽管道和再熱蒸汽管道的管件，運行5萬小時時進行第一次金相檢查，以后檢查周期為5萬小時； 2. 工作溫度大于等于450的碳鋼、鉬鋼蒸汽管道，當運行10萬小時時，應進行石墨化普查，以后的檢查周期為5萬小時； 3. 對使用期限達10萬小時，工作溫度大于450 的主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道，應在監察段進行金相檢查； 4. 對運行時間達到10萬小時的高溫過熱器和高溫再熱器出口聯箱、集汽聯箱，應進行金相檢驗；,b,22,DL 647-2004電站鍋爐壓力容器檢驗規程 1.定期

13、對高溫過熱器和再熱器割管做金相分析； 2. 對于過熱器和再熱器管子，運行時間達5萬小時后，應對與不銹鋼連接的異種鋼接頭進行外觀檢查，必要時割管做金相檢查； 3.使用時間超過10萬小時的高溫過熱器、高溫再熱器出口集箱和集汽集箱，應進行金相檢驗 ； 4. 對運行時間達到10萬小時的鍋爐范圍內導氣管，進行金相檢驗抽查； 5. 100MW及以上機組的主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道運行時間達到10萬小時后，應結合每次大修，進行金相檢驗； 6. 100MW及以上機組的低溫再熱器管道和主給水管道中，運行溫度大于等于450的碳鋼、鉬鋼管道、管件和閥殼，運行時間超過10萬小時，應進行石墨化檢查，檢查間隔時間一般為

14、5萬小時。,b,23,2.2 金相檢驗的目的 電廠用金屬部件在高溫條件下長期使用，部件材料將發生蠕變及其他與時間有關的變化。在整個服役期內都將發生顯微組織的不斷老化和宏觀性能的逐漸劣化，對低合金鋼而言，蠕變機理導致的失效主要有以下兩個原因： （1）服役期內顯微組織的老化導致宏觀強度的逐漸降低； （2）以沿晶蠕變孔洞為主要特征的蠕變損傷的發展。 通常這兩個變化過程是同時發生的，其變化程度和速度取決于原始材料的組織狀態和成分，部件使用應力、使用溫度和使用時間等條件。在部件狀態評估和壽命評估時采用金相學方法，主要是為了得到這兩類組織狀態變化過程中的特征信息。,b,24,金屬材料在長期高溫和應力作用下

15、發生組織老化的特征可由碳化物相的一系列變化來表征，檢驗和分析時必須考慮組織形態改變、相成分改變、碳化物粗化和相結構改變等四個方面： （1）組織形態改變。珠光體中的碳化物相在使用中逐漸變為球狀，稱之為球化現象，這一現象是碳化物分布形態變化的一個基本特征。形態的變化形式還有貝氏體晶粒位向、再結晶及更復雜的微觀位錯結構變化等，直接與材料的老化過程相關。 （2）相成分改變。碳化物相的成分變化與基體中合金元素的轉移現象有關。長期使用中，在同一類碳化物相中，其組成元素Fe、Mn、Cr、Mo、V等逐漸發生著量的變化，這種相成分改變現象是一個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過程中

16、將發生變化，即出現粗化現象，其粗化過程直接與材料的老化過程有關。 （4）相結構改變。鋼中的多種碳化物早使用過程中將發生結構轉變，即由簡單結構的M2C、 M3C相等碳化物類型轉變為復雜結構的M23C6、 M6C相。碳化物結構的轉變也是一個重要的材料老化特征。,b,25,2.3 金相檢驗的基本流程 現場金相的主要流程如圖：,金相檢驗部位金屬材料文件查閱記錄,配置金相浸蝕劑和復型溶劑,應用便攜式拋磨機進行粗磨（表面制備）,對拋磨后金屬進行拋光處理,金相組織的 浸蝕顯像,觀察照相，有必要時進行復型,電廠金相（表面復型）分析評級,出具檢驗報告,b,26,3 金相組織的評定,定性分析,定量分析,組織老化分

17、析,組織脆化分析,溫度評定,蠕變孔洞損傷評級,顯微組織老化定量評定,溫度評定,蠕變損傷定量評定,b,27,3.1 珠光體鋼12Cr1MoV球化組織特征,b,28,a 輕度球化；b 中度球化； c 完全球化 球化程度示意圖,a,b,c,b,29,200X 1級,700X 1級,b,30,200X 2級,700X 2級,b,31,200X 3級,700X 3級,b,32,200X 4級,700X 4級,b,33,200X 5級,700X 5級,b,34,3.2 非珠光體鋼組織老化特征,b,35,非珠光體鋼綜合考慮晶內和晶界變化的老化評級示意圖,b,36,3.3 25Cr2Mo1V螺栓鋼脆化組織級別

18、,b,37,3.4 溫度評定,碳鋼 球化級別分為5級，此時有： E=20.0896-0.0010937LMP LMP=T(15+lg t),15CrMo（1Cr-0.5Mo）鋼 球化級別分為5級，此時有： E=28.2944-2.241LMP LMP=12370/T-lg t,12Cr1MoV鋼 球化級別分為5級，此時有： E=23.92-1.6LMP LMP=14550/T-lg t,式中： E球化級別； T部件金屬溫度，K； t使用時間，h； LMP溫度時間相關參數。,b,38,3.5 蠕變孔洞損傷評級,b,39,3.6 碳鋼石墨化金相評級組織特征,b,40,a 初期石墨化；b 中度石墨化

19、； c 嚴重石墨化 石墨化程度示意圖,a,b,c,b,41,a,b,c,a 石墨含量1.15%；b 石墨含量1.33%； c 石墨含量1.66% 碳鋼石墨化金相評級圖（1級，500X）,b,42,a,b,c,a 石墨含量2.56%；b 石墨含量4.41%； c 石墨含量5.63% 碳鋼石墨化金相評級圖（2級，500X）,b,43,a,b,c,a 石墨含量9.74%；b 石墨含量11.7%； c 石墨含量13.89% 碳鋼石墨化金相評級圖（3級，500X）,b,44,a,b,c,a 石墨含量17.03%；b 石墨含量18.18%； c 石墨含量26.32% 碳鋼石墨化金相評級圖（4級，500X）

20、,b,45,3 電站鍋爐常用材料金相組織,電廠常見金屬材料,20g,15CrMo (1Cr-0.5Mo),12Cr1MoV,10CrMo910(2.25Cr-1Mo),P91/T91,鋼研102,b,46,20g,450運行10萬h，團絮狀石墨，500 x,450運行110257h，團絮狀石墨，1000 x,長期高溫運行，鏈狀石墨，100 x,石墨，其中白色小塊為鐵素體，1200 x,b,47,a，1000X,b，1000X,a .450下運行10萬h以上出現的石墨化，珠光體已消失，組織為鐵素體和沿晶碳化物； b . 450下運行10萬h以上，珠光體中的碳已球化，組織為鐵素體和沿晶分布碳化物。

21、,b,48,15CrMo,(a),(b),(c),(a) 500X；(b) 1000X； (c) (4000X) 1.5電子金相照片 （1級，未球化）,b,49,(a),(b),(c),(a) 500X；(b) 1000X； (c) (4000X) 1.5電子金相照片 （2級，傾向性球化）,b,50,(a),(b),(c),(a) 500X；(b) 1000X； (c) (4000X) 1.5電子金相照片 （3級，輕度球化）,b,51,(a),(b),(c),(a) 500X；(b) 1000X； (c) (4000X) 1.5電子金相照片 （4級，中度球化）,b,52,(a),(b),(c)

22、,(a) 500X；(b) 1000X； (c) (4000X) 1.5電子金相照片 （5級，完全球化）,b,53,(a)1050X，510,運行34870h，組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶界上析出少量碳化物，晶內出現少量細小彌散的碳化物顆粒和極少量細針狀碳化鉬(Mo2C)顆粒; (b)1050X，510,運行47930h，組織為鐵素體+珠光體，珠光體內碳化物已球化，鐵素體晶內已有析出聚集的碳化物顆粒，晶界上富集更多的碳化物顆粒； (c)1050X，510,運行100900h，珠光體中碳化物已完全球化，碳化物大量析出聚集，鐵素體晶內沉淀了大量的碳化物顆粒，細小彌散的碳化物相開始聚集長大，細針狀

23、的Mo2C逐漸變成短棒狀和球狀。,(a),(b),(c),b,54,12Cr1MoV,(a) 18285h,(b) 27777h,高溫過熱器管，540 下運行，400X,b,55,(c) 44171h,(d) 47783h,(e) 54057h,(f) 84180h,(g) 101794h,(h) 130000h,b,56,(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 x,b,57,10CrMo

24、910,(a) 原始狀態，回火貝氏體,(b) 27157h后，回火貝氏體+鐵素體塊+少量微細碳化物,主蒸汽管道，540 下運行，250X,b,58,主蒸汽管道，540 下運行，500X,(a) 原始狀態，鐵素體+回火貝氏體+少量碳化物,(b) 29822h后，碳化物球化，彌散的碳化物沿晶界和晶內分布,(c) 5萬h后，碳化物球化，聚集長大,b,59,鋼研102（12Cr2MoWVB）,(a) 原始狀態，320X，回火貝氏體+少量碳化物,高溫過熱器管，570 下運行,(b) 5萬h后，200X，回火貝氏體，大量碳化物沿晶內及晶界分布,(c) 5萬h后，700X，回火貝氏體，大量碳化物沿晶內及晶界分布,b,60,P91/T91老化評級,(a) 700X 2級,(b) 700X 3級,(c) 700X 4級,(d) 700X 5級,b,61,5 鋼的顯微組織缺陷,常見顯微組織缺陷,表面層脫碳,網狀碳化物,帶狀組織,過熱和過燒組織,b,62,5.1 表面層脫碳,鋼在生產或使用過程中，由于加熱保溫或周圍環境的作用，使表層中的