1、火电厂金属材料火电厂金属材料 电力行业第电力行业第11期焊接专业技术人员取证班期焊接专业技术人员取证班2013-11第一章第一章 火电机组用钢的特点和钢的分类火电机组用钢的特点和钢的分类 第二章第二章 金属材料基本知识金属材料基本知识 第三章第三章 钢的热处理钢的热处理 第四章第四章 钢的力学性能和微观组织钢的力学性能和微观组织 第五章第五章 电站锅炉用钢的现状及发展趋势电站锅炉用钢的现状及发展趋势 第六章第六章 部件失效案例部件失效案例 第七章第七章 火力发电厂金属技术监督火力发电厂金属技术监督 第一章第一章 火电机组用钢的特点和钢的分类火电机组用钢的特点和钢的分类1 钢铁材料在火电机组中的
2、应用特点1.1 用量大用量大 火电机组基本是由钢铁材料制成的。以锅炉为例，不同蒸发量锅炉的用钢重量见表1.1。表1.1 锅炉蒸发量与用钢重量之间的关系蒸发量(th)1.2 1.2 钢种多钢种多 火电机组用钢钢种很多，它包括碳素钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢、不锈钢、铸钢等。1.3 1.3 规格多规格多 火电机组用钢的规格有板材、管材、棒材、型材、锻件、铸件等。1.4 1.4 要求高要求高 由于火电机组有的部件在高温、高压下运行，有的在高速旋转下工作，有的伴随有腐蚀的环境，其服役条件苛刻，故对电站大多数用钢有相应的标准，钢材的检验项目也较多，如工艺性能、力学性能、无损检测等。 2 2 钢铁材料
3、的分类钢铁材料的分类2.1按化学成分分（1 1） 碳素钢碳素钢 低碳钢（碳含量0.25%） 中碳钢（碳含量0.25%0.60%） 高碳钢（碳含量0.60%）（2 2） 合金钢合金钢 低合金钢（合金元素含量5%） 中合金钢（合金元素含量5%10%） 高合金钢（合金元素含量10%） 2.2 2.2 按按用途分用途分（1 1） 结构钢：结构钢： 碳素结构钢、合金结构钢（2 2）耐热钢：）耐热钢：低合金耐热钢、中合金耐热 钢、耐热不锈钢（3 3） 弹簧钢弹簧钢（4 4） 轴承钢轴承钢（5 5） 耐酸不锈钢耐酸不锈钢（6 6） 工具钢工具钢2.3 2.3 按按金相组织分金相组织分（1 1）铁素体钢）铁素
4、体钢: :一般为钢在退火状态下获得的组织,典型的为铁素体不锈钢（2 2）珠光体钢）珠光体钢: : 钢中合金元素含量较低,在空气中冷却,可得到珠光体（3 3）马氏体钢）马氏体钢: : 钢中合金元素含量较高,在空气中冷却,可得到马氏体（4 4）贝氏体钢）贝氏体钢: : 钢中合金元素含量较低,在空气中冷却,可得到贝氏体（5 5）奥氏体钢）奥氏体钢: :钢中合金元素含量很高,在空气中冷却,奥氏体到室温仍不转变 注：按照国际惯例珠光体钢、贝氏体钢、马氏体耐热钢统称为铁素体耐热钢（引自新型耐热钢焊接 编著杨富等第13页）。2.4 2.4 按按品质分品质分 （1 1）普通钢）普通钢（磷含量0.045%，硫含
5、量0.055%；或磷、硫含量均0.050%） （2 2）优质钢）优质钢（磷、硫含量均0.040%） （3 3）高级优质钢）高级优质钢（磷含量0.035%，硫含量0.030%）高级优质钢A 超级优质钢 C 特级优质钢E2.5 2.5 按按冶炼方法分冶炼方法分 （1 1）平炉钢）平炉钢（酸性平炉钢、碱性平炉钢） （2 2）转炉钢）转炉钢（酸性转炉钢、碱性转炉钢） （3 3）电炉钢）电炉钢（电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢、真空自耗炉钢、电子束炉钢）第二章第二章 金属材料基本知识金属材料基本知识 1 1 晶体学基本知识晶体学基本知识( (简略介绍简略介绍) ) 固态物质可分为晶体和非晶体两
6、类。晶体中原子排列是有序的，即原子按某种特定方式在三维空间内周期性地规则重复排列。金属是一种晶体物质。非晶体内部原子的排列是无序的，更严格的讲，是不存在长程的周期排列（即在微观尺度上可能存在有序的原子团）。1.1 1.1 三种典型的晶体结构三种典型的晶体结构 金属最常见的典型晶体结构是体心立方体心立方、面心立面心立方方和密排六方密排六方结构。1.2 1.2 晶体缺陷晶体缺陷 实际晶体中存在着偏离理想的结构，晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。这些区域的存在并不影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了变化。相对于晶体结构的周期性和方向性而言，晶体缺陷易受外界
7、条件的影响（如温度、载荷、辐照等）而变化，它们的数量及分布对材料的性能起着十分重要的作用。 根据缺陷在空间的几何图象，将晶体缺陷分为三大类：即点缺陷、线缺陷、面缺陷。 1.2.11.2.1点缺陷点缺陷定义：如空位、间隙原子和异类原子等。作用： 任何一种点缺陷点缺陷的存在，都破坏了原有原子间的作用力平衡，产生晶格畸变或应变，对应着晶体内能的升高。 点缺陷点缺陷还可造成金属物理性能和力学性能的变化。最明显的是引起电阻增加。 室温下平衡浓度的点缺陷点缺陷对材料的力学性能影响不大，但在高温下空位的浓度很高，空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因之一。 1.2.2 1.2.2 线缺陷线缺陷定义
8、：亦称为一维缺陷，在两个方向上尺寸很小，主要是位错。位错分类：晶体中的位错基本类型为刃型位错刃型位错和螺型螺型位错位错，实际位错往往是两种类型的复合，称之为混合位错。 位错密度：略 位错理论的应用：略 对晶体变形滑移的解释；略 强化效应，位错密度的增加以及增殖和交互作用又会使金属进一步形变困难，促使强度提高； 裂纹的产生 1.2.3 1.2.3 面缺陷面缺陷 定义：亦称为二维缺陷，在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界、表面等。 晶界特点：原子排列不规则，偏离平衡位置，晶格畸变大，晶界上原子平均能量高于晶内原子平均能量，故有自发向低能状态转化的趋势（晶粒长大、晶界
9、平直化）。 室温下晶界是一个高能区，可阻碍位错运动，故多晶体具有较高的形变抗力和形变硬化率。晶粒越细，强度越高；高温下晶界易于相对滑移，高温蠕变总是先从晶界开始，故对高温下运行的部件，较粗的晶粒有利于提高蠕变强度。 由于晶界上原子平均能量高于晶内原子平均能量，原子排列不规则和溶质原子在偏聚，因之在晶界上易于满足相变的能量起伏、相起伏和浓度起伏，故新相往往在晶界上优先生核。 由于晶界上原子排列不规则又有多的空位，因此，原子沿晶界扩展速度比晶内快得多。 晶界易遭到腐蚀。 晶界要自发的趋向能量最低的状态，这就使晶界向平直化和三叉交角趋向120，使晶界减少；晶界在一定的温度下将发生晶界迁移，晶粒长大的
10、过程就是晶界趋向能量较低的状态。 晶界熔点低。 2 Fe-Fe2 Fe-Fe3 3C C相图相图2.1 2.1 铁与碳的特性铁与碳的特性铁和碳的作用铁和碳的作用 形成一系列的形成一系列的化合物化合物：例如：例如FeFe3 3C C、FeFe2.22.2C C； 碳溶解在碳溶解在FeFe、FeFe和和FeFe中形成间隙中形成间隙固溶体固溶体。2.2 Fe2.2 FeFeFe3 3C C相图分析（图相图分析（图2.12.1）（1 1）同素异构转变）同素异构转变 (注：从一种晶体转变成另一种晶体） （体心立方）（体心立方） （面心立方）（面心立方） FeFe（体心立方）（体心立方）（2 2）共析转变
11、）共析转变 0.770.77C C的钢，在的钢，在727727由一个固相分解为两个固相的转变由一个固相分解为两个固相的转变叫共析转变。叫共析转变。（3 3）共晶转变）共晶转变 由液态转变成固态由液态转变成固态图图2.1 Fe2.1 FeFeFe3 3C C合金平衡状态图合金平衡状态图 2.3 Fe-Fe2.3 Fe-Fe3 3C C相图的应用相图的应用2.3.1 2.3.1 制定热加工工艺制定热加工工艺冶炼、浇注、锻造、热处理等。冶炼、浇注、锻造、热处理等。2.3.2 2.3.2 偏离平衡组织分析偏离平衡组织分析 除了除了钢的退火接近平衡状态下的组织外，其余组钢的退火接近平衡状态下的组织外，其
12、余组织均偏离平衡组织。织均偏离平衡组织。（1 1）偏析）偏析 成分偏析、组织偏析成分偏析、组织偏析 长程偏析（区域偏析）长程偏析（区域偏析）溶质在凝固界面析出，溶质在凝固界面析出，引起先凝固和后凝固的固体之间成分的显著不同，这引起先凝固和后凝固的固体之间成分的显著不同，这种偏析往往在较大的距离出现，故叫长程偏析。例如种偏析往往在较大的距离出现，故叫长程偏析。例如大轴内外壁成分的不同。大轴内外壁成分的不同。 短程偏析短程偏析（显微组织偏析）指树枝晶之间和晶粒之间的显微短距离之内成分的不一致。这是由于凝固时溶质析出浸入液体，在接近推进面形成液体富集溶质层所造成的，树枝晶间偏析是一种短程偏析。树枝主
13、干生成后，由于溶质倾向扩散进入树枝晶分叉之间，而造成树枝晶中心和外围成分的差别。 偏析可通过高温（偏析可通过高温（980980）长时间扩散退火）长时间扩散退火来消除。来消除。 成分偏析会导致组织偏析成分偏析会导致组织偏析 （2 2）伪共析组织）伪共析组织 在共析点附近的合金，从奥氏体迅速过冷到阴线区域，此时从奥氏体来不及析出铁素体时，而得到完全的珠光体共析组织。这种不是共析成分的合金而由于过冷度大而得到完全的共析组织叫伪共析组织。在共析线两端头以外而邻近端头的的合金，平衡冷却是不出现共析组织的，但在快速冷却下组织中将有少量的共析组织，这部分共析组织也叫伪共析组织。 类似的有伪共晶组织（3 3）
14、魏氏组织）魏氏组织 0.20.6C范围内，若原Fe晶粒较粗大，以一定的冷却速度（相当于空冷或正火）转变，那麼得到的组织将不是平衡状态下的颗粒状铁素体和珠光体，而是沿一定方位分布的针状铁素体+珠光体，这种组织叫魏氏组织。 魏氏组织奥氏体晶粒粗大，铁素体沿晶界分布，珠光体片层加厚。使冲击韧性下降。2.3.3 2.3.3 焊接接头各区域的组织分析焊接接头各区域的组织分析 焊接过程是一个在焊接热源作用下，局部、快焊接过程是一个在焊接热源作用下，局部、快速、不平衡的连续加热和凝固过程。焊接接头是一速、不平衡的连续加热和凝固过程。焊接接头是一个物理、化学、组织、性能不均匀体，并由不同特个物理、化学、组织、
15、性能不均匀体，并由不同特点的区域构成。不同的母材、不同的焊材会得到不点的区域构成。不同的母材、不同的焊材会得到不同的成分、组织和性能。同的成分、组织和性能。 （1 1）低碳钢焊接接头各个区域组织和性能）低碳钢焊接接头各个区域组织和性能 2020钢、钢、20g20g、20G20G：水冷壁管、中温中压管道、：水冷壁管、中温中压管道、汽包、除氧器等汽包、除氧器等 图图2.22.2为低碳钢焊接接头各个区域所处的温度区为低碳钢焊接接头各个区域所处的温度区域、加热时发生的变化和冷却到室温所得到的金相域、加热时发生的变化和冷却到室温所得到的金相组织。组织。 图2.2 低碳钢焊接接头不同区域的温度、组织变化
16、图2.3 钢中的魏氏组织 由图可见：由图可见：低碳钢焊接接头的热影响区低碳钢焊接接头的热影响区可可分为过热区、正火区、部分相变区、再结晶区分为过热区、正火区、部分相变区、再结晶区和蓝脆区。和蓝脆区。 焊缝焊缝铁素体珠光体（少量）。铁素铁素体珠光体（少量）。铁素体沿原奥氏体边界析出，晶粒较粗大，呈柱状体沿原奥氏体边界析出，晶粒较粗大，呈柱状晶，有时有魏氏组织特征。魏氏组织的特征是晶，有时有魏氏组织特征。魏氏组织的特征是铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，或从奥氏体铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，或从奥氏体内部沿一定方向析出，形成长短不同的针状或内部沿一定方向析出，形成长短不同的针状或片条状，有时甚至直接
17、插入珠光体晶粒中（图片条状，有时甚至直接插入珠光体晶粒中（图2.32.3）。）。 同一化学成分的低碳钢，由于冷却速度、同一化学成分的低碳钢，由于冷却速度、过热度以及承受的热过程不同，也会使焊缝的过热度以及承受的热过程不同，也会使焊缝的组织发生明显的变化。组织发生明显的变化。 冷却速度大，焊缝组织中珠光体量多、组冷却速度大，焊缝组织中珠光体量多、组织细小、硬度高；织细小、硬度高； 过热度大，促进魏氏组织的形成；过热度大，促进魏氏组织的形成； 多层焊或热处理后的焊缝，组织为细小的多层焊或热处理后的焊缝，组织为细小的铁素体珠光体（少量），且使焊缝的柱状晶铁素体珠光体（少量），且使焊缝的柱状晶遭到破坏
18、。遭到破坏。 过热区过热区处于处于11001100固相线之间的高温部位。温度远高固相线之间的高温部位。温度远高于相变温度，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后成为粗大的过热组于相变温度，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后成为粗大的过热组织，甚至产生魏氏组织。魏氏组织的塑性、韧性相对于母材降织，甚至产生魏氏组织。魏氏组织的塑性、韧性相对于母材降低约低约25253030。 过热区是焊接接头的最危险区域，其性能最差。过热区是焊接接头的最危险区域，其性能最差。 正火区正火区A Ac3c311001100。加热时铁素体、珠光体全部转变。加热时铁素体、珠光体全部转变成奥氏体。由于加热时间很短，奥氏体来不及长大，冷却后获成奥
19、氏体。由于加热时间很短，奥氏体来不及长大，冷却后获得细小的珠光体组织。得细小的珠光体组织。 焊接热循环对这部分金属的影响相当于热处理中的正火工焊接热循环对这部分金属的影响相当于热处理中的正火工艺，冷却后的组织比母材金属细小，力学性能也高于原金属，艺，冷却后的组织比母材金属细小，力学性能也高于原金属，故正火区是焊接接头组织和性能最佳的部位。故正火区是焊接接头组织和性能最佳的部位。 部分相变区部分相变区（不完全重结晶区）Ac1Ac3之间。加热过程，珠光体转变为奥氏体，铁素体部分溶入奥氏体，随着温度的升高，奥氏体量增多，铁素体量减少；冷却过程奥氏体转变为细小的珠光体和铁素体，未溶铁素体不发生转变。可
20、见重结晶过程不完全。 部分相变区金属随着温度的升高晶粒略有长大，晶粒大小不均且相互混杂，成为焊接接头强度最低的部位。 再结晶区再结晶区500500A Ac1c1。对经过冷塑性变形而产生碎晶。对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格歪扭的金属，在该区域加热会产生再结晶过程。再结晶和晶格歪扭的金属，在该区域加热会产生再结晶过程。再结晶结果是晶粒稍有长大，塑性稍有改善。结果是晶粒稍有长大，塑性稍有改善。对无冷塑性变形的金属，则不发生再结晶。对无冷塑性变形的金属，则不发生再结晶。 蓝脆区蓝脆区200200500500。无组织变化。特别在。无组织变化。特别在200200300300的金属部分，的金属部分，强度稍
21、有提高，而塑性急剧下降，金属表面强度稍有提高，而塑性急剧下降，金属表面发生蓝脆现象。发生蓝脆现象。（2 2）合金钢焊接接头各个区域组织和性能）合金钢焊接接头各个区域组织和性能 1 1）淬硬倾向较小的普通低合金钢）淬硬倾向较小的普通低合金钢16Mn 16MnR 16Mng 15MnV 14MnMoV16Mn 16MnR 16Mng 15MnV 14MnMoV： 各区域组织和性能与低碳各区域组织和性能与低碳钢相近。钢相近。 2 2）淬硬倾向较大的合金钢）淬硬倾向较大的合金钢可分为：焊缝、淬火区、不完全淬火区和回火区可分为：焊缝、淬火区、不完全淬火区和回火区 焊缝焊缝贝氏体（上贝氏体或下贝氏体）、贝
22、氏体（上贝氏体或下贝氏体）、索氏体索氏体（珠光（珠光体）、铁素体、少量马氏体（板条马氏体或针状马氏体）。体）、铁素体、少量马氏体（板条马氏体或针状马氏体）。 淬火区淬火区高于高于11001100以上的金属部位。冷却时，高碳当以上的金属部位。冷却时，高碳当量的奥氏体转变为贝氏体少量马氏体。量的奥氏体转变为贝氏体少量马氏体。 不完全淬火区不完全淬火区A Ac1c1A Ac3c3之间。冷却时，部分高碳当量的之间。冷却时，部分高碳当量的奥氏体转变为贝氏体少量马氏体，未转变的铁素体保留下来。奥氏体转变为贝氏体少量马氏体，未转变的铁素体保留下来。室温下是贝氏体少量马氏体和粗大的铁素体。室温下是贝氏体少量马
23、氏体和粗大的铁素体。 回火区回火区A Ac1c1以下温度并紧邻以下温度并紧邻A Ac1c1线。无相变，焊接时相当线。无相变，焊接时相当于回火处理。室温下组织为回火索氏体或回火屈氏体。于回火处理。室温下组织为回火索氏体或回火屈氏体。 易淬硬合金钢焊接接头出现的淬硬组织对焊接性能不利，易淬硬合金钢焊接接头出现的淬硬组织对焊接性能不利，故焊接过程中需采故焊接过程中需采取予热和焊后热处理，消除淬硬组织，改善取予热和焊后热处理，消除淬硬组织，改善接头的力学性能。接头的力学性能。 （3 3）9 91212CrCr钢（钢（F11F11、F12F12、T91T91、P91P91）焊接接头各个区域组织和性能焊接
24、接头各个区域组织和性能 焊缝焊缝马氏体铁素体（极少量）马氏体铁素体（极少量） 过热区过热区粗晶马氏体粗晶马氏体 热影响区热影响区细晶马氏体细晶马氏体 （4 4）不锈钢焊接接头各个区域组织和性能）不锈钢焊接接头各个区域组织和性能 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢焊接接头：焊缝、过热区、焊接接头：焊缝、过热区、相脆化区、敏化区相脆化区、敏化区 铁素体不锈钢铁素体不锈钢焊接接头：焊缝、过热区、焊接接头：焊缝、过热区、相脆化区、相脆化区、474474脆性区脆性区 焊缝焊缝奥氏体少量奥氏体少量铁素体（少于铁素体（少于5 5）；单一铁素体。）；单一铁素体。 过热区过热区1100110015001500。不锈钢在加
25、。不锈钢在加热和冷却过程中不发生相变，故该区域在高温热和冷却过程中不发生相变，故该区域在高温或室温下均为奥氏体或铁素体。该区温度高，或室温下均为奥氏体或铁素体。该区温度高，接近钢熔点，晶粒长大严重，材料的塑性和韧接近钢熔点，晶粒长大严重，材料的塑性和韧性降低。性降低。 相脆化区相脆化区650650850850。在这一。在这一温度范围内若停留时间长，铁素体不锈钢和奥温度范围内若停留时间长，铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢均可能析出氏体不锈钢均可能析出相。结果材料的塑性相。结果材料的塑性和韧性降低严重，抗腐蚀能力也有所下降。和韧性降低严重，抗腐蚀能力也有所下降。 敏化区敏化区450450850850。材
26、料在这一温度范围内。材料在这一温度范围内停留一定时间后，奥氏体不锈钢中的停留一定时间后，奥氏体不锈钢中的CrCr和和C C在晶界形成在晶界形成碳化鉻（碳化鉻（CrCr2323C C6 6），使奥氏体晶界处贫鉻，失去抗晶间），使奥氏体晶界处贫鉻，失去抗晶间腐蚀的能力。腐蚀的能力。 474474脆性区脆性区400400600600。材料在这一温度。材料在这一温度范围内停留一定时间后，铁素体不锈钢的硬度显著提范围内停留一定时间后，铁素体不锈钢的硬度显著提高，冲击韧性显著下降。高，冲击韧性显著下降。 不锈钢的不锈钢的相脆化区、敏化区、相脆化区、敏化区、474474脆性区是在脆性区是在一定条件下（焊接热
27、循环）一定条件下（焊接热循环）出现的，只要控制好焊接出现的，只要控制好焊接规范则可避免。关键在于控制温度的保持时间，希望规范则可避免。关键在于控制温度的保持时间，希望越短越好。故需要采用小规范、快速冷却等工艺措施，越短越好。故需要采用小规范、快速冷却等工艺措施，焊接中避免工件温度过高。焊接中避免工件温度过高。 3 Fe3 FeC C合金的相和组织合金的相和组织3.13.1相相 相是指合金中成分、结构及性能相同组成部分。一个相与另一个相之间有明确的界面分开，由一个相通过相界面抵达另一个相时，其成分、组织结构和物理、化学性质发生了变化。例如水和油的系统中，水和油分层存在，水是一个相，油是另一个相。
28、两者的物理、化学性质不同，水和油之间有明确的界面分开。 3.2 3.2 组织组织 在显微镜下作金相检验时，在显微镜下作金相检验时，具有共同的特具有共同的特征、相同的组成部分叫征、相同的组成部分叫“组织组织”或组织组成体。或组织组成体。例如：奥氏体、珠光体、铁素体等。一种组织例如：奥氏体、珠光体、铁素体等。一种组织可是单相组成，如奥氏体、铁素体，也可是多可是单相组成，如奥氏体、铁素体，也可是多相组成，如珠光体。相组成，如珠光体。（1 1）铁素体（）铁素体（或或F F） 碳在碳在FeFe中的间隙固溶体中的间隙固溶体。碳溶解在碳溶解在FeFe中，不改变中，不改变FeFe的点阵类型，碳原子处的点阵类型
29、，碳原子处于铁原子点阵间隙之中，成为均匀的单相固溶于铁原子点阵间隙之中，成为均匀的单相固溶体，叫间隙固溶体。其形态可为等轴状、块状、体，叫间隙固溶体。其形态可为等轴状、块状、网状或针状。网状或针状。 （2 2）奥氏体（）奥氏体（或或A A） 碳在碳在FeFe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。碳钢在高温碳钢在高温下存在，奥氏体钢在室温下存在。下存在，奥氏体钢在室温下存在。（3 3）珠光体（）珠光体（P P）、屈氏体、索氏体）、屈氏体、索氏体 奥氏体在奥氏体在723723（726726）发生共析反应的）发生共析反应的产物，产物，由铁素体和滲碳体片层交替构成一个组由铁素体和滲碳体片层交替构成一个组织组
30、成体，织组成体，为两相（为两相（F FC C）混合组织。片层间）混合组织。片层间距与冷却速度有关，冷却速度快，片层间距小距与冷却速度有关，冷却速度快，片层间距小（屈氏体、索氏体）。（屈氏体、索氏体）。 （4 4）滲碳体（）滲碳体（C C或或FeFe3 3C C） 铁和碳的化合物，含碳量为铁和碳的化合物，含碳量为6.676.67，具有复杂结，具有复杂结构的间隙化合物，极硬而脆。构的间隙化合物，极硬而脆。但当它们以细小片状或颗但当它们以细小片状或颗粒状分布在铁素体基体上却起到了强化作用。其显微组粒状分布在铁素体基体上却起到了强化作用。其显微组织形态花样较多，随碳含量的不同、结晶条件的不同和织形态花
31、样较多，随碳含量的不同、结晶条件的不同和热处理条件的不同有大片状、点状、网状、细片状和粒热处理条件的不同有大片状、点状、网状、细片状和粒状。状。 熔点：熔点：12271227 高于高于540540发生分解发生分解 FeFe3 3C 3FeC 3FeC C（石墨）（石墨） 铸铁和铸铁和2020钢石墨化的依据钢石墨化的依据（5 5）石墨）石墨 可在结晶过程中产生，也可由可在结晶过程中产生，也可由Fe Fe 3 3C C在高温下分解在高温下分解而出现。根据成分、铸造和结晶条件的不同，石墨有片而出现。根据成分、铸造和结晶条件的不同，石墨有片状、团絮状和球状。状、团絮状和球状。 （6 6）贝氏体（）贝氏
32、体（B B） 贝氏体介于珠光体和马氏体转变温度之间的转变贝氏体介于珠光体和马氏体转变温度之间的转变 ，其，其组织由过饱和的组织由过饱和的固溶体和碳化物组成，按其形态可分为上固溶体和碳化物组成，按其形态可分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。 B B上上形成于贝氏体转变温度区间上部的组织，是一群形成于贝氏体转变温度区间上部的组织，是一群多半由晶界开始向晶内平行生长的扁平状的多半由晶界开始向晶内平行生长的扁平状的FeFe铁素体，铁素体，并在其间夹着断续的颗粒状或板条状滲碳体的复相组织。光并在其间夹着断续的颗粒状或板条状滲碳体的复相组织。光学显微镜下呈羽毛状。在铁素体上碳
33、化物呈颗粒状或棒状分学显微镜下呈羽毛状。在铁素体上碳化物呈颗粒状或棒状分布。上贝氏体强度高，韧性差。布。上贝氏体强度高，韧性差。 B B下下形成于贝氏体转变温度区间下部的组织，是从晶形成于贝氏体转变温度区间下部的组织，是从晶界开始或者在奥氏体晶粒内部沿着若干晶面单独或成堆地长界开始或者在奥氏体晶粒内部沿着若干晶面单独或成堆地长成针状的成针状的FeFe铁素体，并在铁素体，并在FeFe铁素体基体上沉淀着很铁素体基体上沉淀着很多微细的碳化物的复相组织。光学显微镜下很象回火马氏体。多微细的碳化物的复相组织。光学显微镜下很象回火马氏体。下贝氏体强度高，塑性适中，韧性和耐磨性好下贝氏体强度高，塑性适中，韧
34、性和耐磨性好。 （7 7）马氏体（）马氏体（M M） 碳在碳在FeFe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。 低碳马氏体：板条马氏体。特征是每一个基本单元的形低碳马氏体：板条马氏体。特征是每一个基本单元的形状呈窄而细长的板条，他们总是成群的、相互平行的连在一状呈窄而细长的板条，他们总是成群的、相互平行的连在一起，成为一束马氏体，一束之内相邻的板条以小角度晶界分起，成为一束马氏体，一束之内相邻的板条以小角度晶界分开，一个原始奥氏体晶粒内可形成几个束，而束与束之间具开，一个原始奥氏体晶粒内可形成几个束，而束与束之间具有较大的位向差。有较大的位向差。 高碳马氏体：针状马氏体，也叫片状马氏体。显微镜下高
35、碳马氏体：针状马氏体，也叫片状马氏体。显微镜下观察到许多以一定角度互相交接的不同厚度的针叶状。观察到许多以一定角度互相交接的不同厚度的针叶状。 马氏体晶体的长大往往受晶界、第二相或另一片马氏体马氏体晶体的长大往往受晶界、第二相或另一片马氏体的障碍而停止，故马氏体的尺寸大小决定于奥氏体晶粒尺寸、的障碍而停止，故马氏体的尺寸大小决定于奥氏体晶粒尺寸、第二相质点的多少和分布状况、马氏体生成的先后等。加热第二相质点的多少和分布状况、马氏体生成的先后等。加热温度高，奥氏体晶粒粗大，马氏体便愈粗大。粗大的马氏体，温度高，奥氏体晶粒粗大，马氏体便愈粗大。粗大的马氏体，其强度、塑性和韧性均较低。其强度、塑性和
36、韧性均较低。 4 4 金属的缺陷金属的缺陷4 41 1 母材缺陷母材缺陷 (1) (1) 表面缺陷表面缺陷在金属加工、储存或使用期间产生在金属加工、储存或使用期间产生的缺陷，如凹坑、划痕、麻点、折叠、裂纹、磨蚀等。的缺陷，如凹坑、划痕、麻点、折叠、裂纹、磨蚀等。P91P91钢管遭受海水而腐蚀。钢管遭受海水而腐蚀。（2 2）夹层）夹层钢板轧制时，由于钢锭中存在气泡、大钢板轧制时，由于钢锭中存在气泡、大块的非金属夹杂物和未完全切除的残余缩孔而引起的块的非金属夹杂物和未完全切除的残余缩孔而引起的与钢板表面平行或基本平行的钢板分层，亦称离层。与钢板表面平行或基本平行的钢板分层，亦称离层。5050606
37、0年代有些汽包钢板存在严重的夹层。年代有些汽包钢板存在严重的夹层。（3 3）发纹）发纹沿钢坯或钢材的轴向裂开的细长的裂纹。沿钢坯或钢材的轴向裂开的细长的裂纹。通过塔形试样检查可发现，在横断面上是黑色极小的通过塔形试样检查可发现，在横断面上是黑色极小的点子，在纵断面上是发纹。点子，在纵断面上是发纹。（4 4）白点）白点钢材组织内部存在的细小裂纹，钢材组织内部存在的细小裂纹，在平行于钢材压延方向的断口上表面为椭圆形在平行于钢材压延方向的断口上表面为椭圆形银色白斑，亦称鱼眼或鳞片（图银色白斑，亦称鱼眼或鳞片（图2.122.12）。）。（5 5）疏松）疏松由于金属的凝固收缩，在铸件最由于金属的凝固收缩
38、，在铸件最后凝固区域出现的多孔区，在铸件横截面上呈后凝固区域出现的多孔区，在铸件横截面上呈现出密集或分散分布的微细孔隙，孔隙多呈不现出密集或分散分布的微细孔隙，孔隙多呈不规则多边形或圆形（图规则多边形或圆形（图2.132.13）。）。（6 6）偏析）偏析钢中化学成分或杂质分布不均匀钢中化学成分或杂质分布不均匀而聚集在某一区域的现象（照片图而聚集在某一区域的现象（照片图2.142.14）。）。（7 7）夹杂物）夹杂物主要指钢中的非金属夹杂物：主要指钢中的非金属夹杂物：硫化物、氧化物、硅酸盐等（图硫化物、氧化物、硅酸盐等（图2.152.15）。）。（8 8） 脱碳脱碳钢材在高温加热及保温时，因所含
39、钢材在高温加热及保温时，因所含的的FeFe3 3C C 或石墨与介质中的或石墨与介质中的O O2 2、COCO2 2、H H2 2O O、H H2 2等化合而等化合而使含碳量降低的现象。使含碳量降低的现象。（9 9） 过热过热由于加热温度过高，致使金属或合由于加热温度过高，致使金属或合金的晶粒过分长大，从而导致金属的力学性能显著金的晶粒过分长大，从而导致金属的力学性能显著下降的现象。下降的现象。（1010）过烧）过烧金属或合金的加热温度接近状态图金属或合金的加热温度接近状态图的相线温度时，晶界发生氧化或部分熔化的现象，的相线温度时，晶界发生氧化或部分熔化的现象，通常首先发生在晶界。通常首先发生
40、在晶界。（1111）内氧化）内氧化工件加热时，介质中的氧沿工件工件加热时，介质中的氧沿工件表层的晶界向内扩散，发生晶界合金元素氧化的过表层的晶界向内扩散，发生晶界合金元素氧化的过程。程。4.2焊接缺陷 焊接过程中在焊接接头中产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象。（1）未焊透。焊接时接头根部未完全熔透的现象。对于对接焊缝也指焊缝深度未达到设计要求的现象。（2）未熔合。焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分。（3）夹渣。焊后残留在焊缝中的焊渣。（4）夹杂物。由于焊接冶金反应产生的，焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂质（如氧化物、硫化物等）。 （5）气孔。焊接时，熔池中的气泡在凝固
41、时未能逸出而残留下来所形成的空穴。气孔可分为密集气孔、条状气孔和针状气孔等。（6）咬边。由于焊接参数选择不当，或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。（7）焊瘤。焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。（8）烧穿。焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷。（9）下塌。单面熔化焊时，由于焊接工艺不当，造成焊缝金属过量透过背面，而使焊缝正面塌陷，背面凸起的现象。 （10）焊接裂纹。在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。（11）热裂纹。焊接过程中，焊缝
42、和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。包括结晶裂纹、多边化裂纹和液化裂纹等。（12）结晶裂纹。在焊缝金属结晶后期，由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联结，在稍高于固相线的温度区间产生的沿奥氏体晶界开裂的裂纹。（13）多边化裂纹。在固相线以下再结晶温度区间，由晶格缺陷发生移动和聚集而形成的二次边界处于低塑性状态，在焊接应力作用下产生的沿奥氏体晶界开裂的裂纹。（14）液化裂纹。在焊接热循环峰值温度作用下，在焊接热影响区和多层焊的层间发生重熔，在固相线以下稍低温度和焊接应力作用下产生的沿晶裂纹。（15）弧坑裂纹。引弧或息弧时在弧坑中产生的热裂纹。（16）冷裂纹。焊接接头冷却到
43、较低温度下（对于钢来说在MS温度以下）时产生的焊接裂纹。包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹及低塑性脆化裂纹等。（17）延迟裂纹。焊接接头冷却到室温后，在淬硬组织、氢和拘束应力作用下，并经一定时间（几小时、几天、甚至十几天）后才能出现的焊接冷裂纹。 （1818）淬硬脆化裂纹。淬硬脆化裂纹。主要由淬硬组织和焊接应力作用下产生的裂纹。（1919）低塑性脆化裂纹。低塑性脆化裂纹。在较低温度下（约400以下），由于被焊材料的塑性储备不足而产生的裂纹。（2020）焊根裂纹。焊根裂纹。沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹。（2121）焊趾裂纹。焊趾裂纹。沿应力集中的焊趾处所形成的焊接冷裂纹。（2222）焊道下裂纹
44、。焊道下裂纹。在靠近堆焊焊道的热影响区内所形成的焊接冷裂纹。 （2323）再热裂纹。再热裂纹。厚钢板焊接结构，于600700进行消除应力热处理时，在热影响区的粗晶区产生的沿晶裂纹。（2424）消除应力裂缝。消除应力裂缝。焊件在一定温度范围内再次加热时，由于高温及残余应力共同作用而产生的晶间裂纹。（2525）层状撕裂。层状撕裂。焊接时，在焊接构件的热影响区附近，沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹。 5 5 合金元素在钢中的存在状态和作用合金元素在钢中的存在状态和作用5.15.1合金元素在钢中的存在状态合金元素在钢中的存在状态 合金元素加入钢中之后的存在形式和分布合金元素加入钢中之后的存在形式和分
45、布有以下有以下4 4种方式：种方式： 与铁与铁形成固溶体；金属间化合物；氧化物、形成固溶体；金属间化合物；氧化物、硫化物等；游离状态硫化物等；游离状态。 （1 1）固溶体）固溶体 一个组元在固态时溶解到另一组元中形成单一均匀相称一个组元在固态时溶解到另一组元中形成单一均匀相称为固溶体。为固溶体。( (组元组元-组成合金的独立的最基本的物质组成合金的独立的最基本的物质) ) 间隙固溶体间隙固溶体原子半径很小的非金属元素（原子半径很小的非金属元素（C C、N N、B B）溶入过渡族金属中，由于溶质和溶剂原子半径之差大于溶入过渡族金属中，由于溶质和溶剂原子半径之差大于1515，此时溶质原子进入溶剂点
46、阵的间隙之中，这样的固溶体叫间此时溶质原子进入溶剂点阵的间隙之中，这样的固溶体叫间隙固溶体。隙固溶体。 置换固溶体置换固溶体溶质溶解到溶剂中，溶质原子置换溶剂点溶质溶解到溶剂中，溶质原子置换溶剂点阵中的溶剂原子，这种固溶体叫置换固溶体。置换固溶体可阵中的溶剂原子，这种固溶体叫置换固溶体。置换固溶体可形成完全互溶固溶体或连续固溶体，例如形成完全互溶固溶体或连续固溶体，例如Fe-CrFe-Cr、Cu-NiCu-Ni、W-W-MoMo系。大多数合金系形成的置换固溶体，溶质在溶剂中的溶系。大多数合金系形成的置换固溶体，溶质在溶剂中的溶解度是有限的。解度是有限的。 （2 2）金属间化合物）金属间化合物
47、金属间化合物合金组元形成介于固溶体和化合物之间的相，叫金属间化合物或中间相。 碳化物、氮化物和硼化物 合金元素在钢中与碳结合形成碳化物，此外有氮化物和硼化物。C、N、B、H与过渡族元素形成的金属化合物具有一个共同的特点：即原子半径较小，进入晶体点阵的间隙，这样的金属间化合物称为间隙化合物或间隙相。间隙化合物与间隙固溶体不同点在于间隙化合物的点阵与溶剂不同，而间隙固溶体的点阵保持溶剂的点阵类型。 间隙相的点阵结构，如以间隙相的点阵结构，如以M M表示金属元素，表示金属元素，C C表示表示非金属元素，那麽，间隙相的不同组成，具有不同的非金属元素，那麽，间隙相的不同组成，具有不同的点阵结构。例如，点
48、阵结构。例如，M M3 3C C、M M2323C C6 6、MCMC、M M2 2C C 间隙相的间隙相的组元组元可被代替，成为复合间隙相。例如，可被代替，成为复合间隙相。例如，M M3 3C C型有型有FeFe3 3C C、（、（FeFe、MnMn）3 3C C、FeFe3 3（C C、B B）等。）等。（注：组元是组成合金最基本的、独立的物质）（注：组元是组成合金最基本的、独立的物质） 合金元素与碳形成碳化物的强弱程度见下所示合金元素与碳形成碳化物的强弱程度见下所示Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe 高高 碳化物稳定度碳化物
49、稳定度 低低 Laves Laves相相在含在含TiTi、NbNb、TaTa、W W和和MoMo的钢中（例如的钢中（例如P91P91），会出现一种叫），会出现一种叫LavesLaves相的金属间化合物。它相的金属间化合物。它是当二元合金两组元的原子直径比为是当二元合金两组元的原子直径比为1.21.2：1 1形成的，形成的，组成为组成为ABAB2 2。例如：。例如：MoFeMoFe2 2 NbFe NbFe2 2 低于低于600600在晶在晶界析出，使钢的脆性增加。界析出，使钢的脆性增加。相相高高CrCr钢中的钢中的FeCrFeCr、FeMoFeMo、FeTiFeTi化合物叫化合物叫相相（例如不
50、锈钢中），向钢中加入（例如不锈钢中），向钢中加入MnMn、SiSi、MoMo等元素等元素促使促使相形成。相形成。相在基体上的形状和分布对钢的相在基体上的形状和分布对钢的性能有很大的影响，一般认为性能有很大的影响，一般认为相使不锈钢的变脆，相使不锈钢的变脆，是有害相。是有害相。 NiAl NiAl、NiNi3 3AlAl、NiNi3 3TiTi、NiNi3 3NbNbNiNi基合金中的强基合金中的强化相化相（3 3）形成氧化物、硫化物等）形成氧化物、硫化物等 例如：例如：MnSMnS、FeSFeS、AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、FeOFeO 不同的氧化物还会相互结合起来形成复合
