第6章-冶金质量综合分析课件

,河北科技大学,材料学院,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,河北科技大学,材料学院,*,冶金质量综合分析,第五章,冶金质量综合分析第五章,第一节 钢的质量标准及评价指标,一、钢的质量标准体系,技术标准是具有一定权威的组织对重复事物和概念所做的统一规定。它以科学、技术和实验经验的综合成果为基础，经有关方面协商一致，出主管机构批准，以特定形式发布，作为共同遵守的技术准则和依据。对于钢材质量标准，各国都有本国的国家标准、部门或协会标准。如日本的“,JIS”,标准，前苏联的“,TOCT,”标准，美国的“,ASTM”,标准，英国的“,BS”,标准，以及我国的,GB,标准,(,国家标准,),，,YB,标准,(,冶金部颁标准,),等。,第一节 钢的质量标准及评价指标,随着生产、贸易和技术交流的发展，要求在国际上广泛统一标准体系，为此，国际标准化组织在,1987,年发布了,IS09000,系列标准，该系列标准由,IS09000(,质量管理和质量保证标准选用指南,),、,ISO9001(,质量体系一设计、研制、安装和服务的质量保证模式,),、,ISO9002(,质量体系,制造和安装的质量保证模式,),、,ISO9003(,质量体系,最终检验和试验质量保证模式,),和,ISO9004(,质量管理和质量变素指南,),等构成了质量管理和质量保证的国际标准系列，很快得到一些国家的响应。,随着生产、贸易和技术交流的发展，要求在,根据我国标准文献的最新分类方法。冶金类标准包括：,冶金综合、化学分析方法、理化性能试验方法、原料与辅助材料、钢铁产品、有色金属产品、粉末冶金、半导体材料及冶金设备,等九个方面的内容。其中钢材质量标准为冶金类标准的重要组成部分。归纳起来，钢质量标准体系内的标准主要有以下三个方面：,1.,综合基础标准；,2.,钢铁产品标准；,3.,测试方法标准。,根据我国标准文献的最新分类方法。冶金类标准包括：,二、钢的质量指标内容,(,一,),性能质量指标,钢材性能质量指标的主要内容是指对钢材的,力学性能、工艺性能,和,物理化学性能,的要求。,其中最通常的是力学性能，如强度、塑性和韧性、硬度等，有时还要求疲劳等特殊性能。这些性能可以由拉伸试验、冲击试验、硬度试验以及相应的特殊性能试验测定出来。,工艺性能包括：冷弯性能、焊接性能、切削性能、淬透性等,物理化学性能包括：导热、导磁、耐热、耐腐蚀等,二、钢的质量指标内容,(,二,),冶炼质量指标,钢材的性能主要取决于其化学成分及组织结构，因此，在钢的质量标准中都规定了化学成分范围，有时还提出了对组织结构方面的要求。例如晶粒度、夹杂物形态及分布、钢材内部缺陷等。,衡量一炉钢的冶炼质量，首先要看成分是否控制合适，能否控制在最佳范围内,;,其二是纯洁度要高，其衡量指标是钢中气体和非金属夹杂物及有害杂质元素,S,P,Ph,Sn,As,等,),含量要低。其三是铸态组织致密，要求铸锭表面质量好，气孔、疏松、偏析少，成分及组织均,匀。即（,成分准、纯度高、组织好,）,(二)冶炼质量指标,三、钢质量的评定方法,钢的质量控制是一个系统工程，所以钢质量的评定也不是一个简单间题，因为影响钢质量的因素很多。归纳起来主要有成分、组织和性能等方面。钢质量的高低，除通过分析检验评定外，一般还通过加工工艺过程和使用过程来评定。,(,一,),外观质量评定法,外观质量主要是指钢材形状、尺寸和表面状态等，它也称为外观缺陷，即形状缺陷和表面质量缺陷的总称。,三、钢质量的评定方法(一)外观质量评定法,(,二,),内在质量评定法,钢的内在质量主要是指,化学成分、组织结构和力学性能,，它是评定钢质量的主要方法之一。,钢的化学成分是质量的保证基础。一般来说，钢的成分范围波动愈小，则钢的性能愈好，质量愈稳定。所以成分是评定钢质量的重要依据。,钢的组织状态主要由两方面决定，一是由化学成分和热处理工艺所确定，而是取决于冶炼、锻轧等工艺过程所产生的组织不均匀性和冶金缺陷。,力学性能就是硬度、强度、延伸率、疲劳、耐磨等指标。,(二)内在质量评定法,(,三,),工艺性能评定法,工艺性能是指零件制造过程中各种冷热加工工艺对材料性能的要求。工艺性能包括铸造性能、成型性能、可焊性、切削性以及热处理性能。,(,四,),使用性能评定法,钢材的使用性能决定制件的使用价值和工作寿命，是指为保证钢制件在使用过程中能符合设计要求及能正常工作而具备的性能，它通常是钢材质量评定的重要依据及直观评价方法。包括：强韧性、耐蚀性、耐磨性、电磁性。,(三)工艺性能评定法,第二节 钢质量的检验,检验的目的：,一方面,是为了检验成品钢材的质量是否符合有关标准。,另一方面,是通过观察和鉴定各种缺陷的分布和性质，以便分析研究产生缺陷的原因和各种工艺因素对钢质量的影响，从而为改进工艺质量和各种试验研究提供数据。,第二节 钢质量的检验,一、表面质量检验,表面质量检验包括对表面缺陷和外观形状、尺寸缺陷的检验。钢在挠注、锻轧、加热等过程中，由于处理不当，可能产生各种表面缺陷。最常见的钢材,表面缺陷,有：结疤、划痕、折迭、表面裂纹、氧化铁皮和外观形状、尺寸公差缺陷等。,(1),结疤,结疤是钢材表面呈舌头状、指甲状或鱼鳞状的薄片。钢板上的结疤又叫重皮。有些结疤的一端是翘起的，翘起的结疤又叫翻皮。,(2),划痕,划痕是由于轧制设备的某些零件与所轧工作摩擦而产生的表面缺陷一般里连续状分布或断续状分布。,一、表面质量检验,(3),折迭,折迭通常是指材料在前一道银、轧中所产生的突出尖角或耳子，在随后的锻、轧时压入金属本体面形成的缺陷。,(4),表面裂纹,是指材料表面的开裂，其类型和名称很多，最常见的是裂缝和发纹等。裂缝一般为与加工方向一致的直线，形成,Y,形的尖底开裂；发纹为分散或成簇分布的头发状细裂纹。裂缝和发纹的主要区别是长短、粗细和深浅不同。,(5),氧化铁皮,是钢材在加热、轧制和冷却过程中其表面生成的金同氧化物。,(6),表面形状、尺寸缺陷,王要包括椭圆度、弯曲度、波浪度、瓢曲皮等方面的检验。,(3)折迭 折迭通常是指材料在前一道银、轧中所产生,二、成分分析,成分分析是对提供的试样,(,包括炉中取样相成品钢,),进行指定化学元素的分析。现行成分分析方法有,化学分析,和,仪器分析两大类,，钢的成分分析是质量检验中的一项重要内容。,(,一,),化学分析法,适用于钢材、原材料成分的化学分析的主要方法有重量分析法、容量分析法、吸光光度法、气化法和电量分析法等。各种分析方法有其自身的特点，如果选择得当，可取得事半功倍的效果。例如，对碳、硫等元素分析可采用气化法进行分析，对低含量元素进行分析，采用吸光光度法比采用其他方法可靠性更高。一般对钢材进行化学分析，均需从被测钢料或制件上钻取一定数量的试验样品分析。,二、成分分析,(,二,),仪器分析,所谓仪器分析，是利用物理方法依据试样被测成分的原子、离子或其化合物的物理性质，进行分离测定，并将所得之值与用同样方法对巳知含量的标准物质,(,标准试样,),测得之值进行比较，求其在试样中的含量。仪器分析可按物理信息及其分离测定法的不同进行分类。现适用于钢铁、炉渣及其原材料的常规分析方法有,色谱分析、光电直读光谱、发射光谱及原子吸收光谱分析法,等。此外，近年来用于冶金成分分析的仪器及方法有：红外光谱、色谱、,x,射线荧光光谱、电子探针、离子探针及等离子光谱,(ICP),等分析方法，它们现主要是进行标准、试验研究及成品等分析。这些仪器可与电子计算机结合使用，其分析精度大幅度提高，分析时间大幅度缩短，并能作微区分析。,(二)仪器分析,三、组织检验,钢材的组织和缺陷可以通过组织检验方法来观察识别和评定。钢材的组织检验可分为,宏观组织检验和微观组织检验两种,，后者又称显微组织检验。,(,一,),宏观组织检验,宏观组织检验是用肉眼或低倍放大镜及实体显微镜检查纵、横断面及断口，以评定钢材宏观组织和缺陷。常用的方法有低倍,(,酸浸,),试验、断口试验、塔形试验和硫印试验等。,三、组织检验(一)宏观组织检验,（二,),显微组织检验,显微组织检验亦称高倍检验，是用金相显微镜来观察、分析钢的微观组织状态和缺陷的检验方法。检验前，需经过取样、预磨、抛光和腐蚀等过程制成试样，然后在,50,2000,倍的金相显微镜上观察。按一般检验采用,100,500,倍的放大倍数进行评定。显微组织检验项目很多，主要有晶粒度、非金属夹杂物、脱碳层深度和显微组织及缺陷等内容。,（二)显微组织检验,1.,奥氏体晶粒度,奥氏体晶粒大小对钢的性能有显著影响。细小的奥氏体晶粒。由于有较长的晶界，促进了奥氏体向珠光体的转变从而降低了钢的淬透性。奥氏体晶粒大小对钢材冲击韧性影响也很大因此要求优良可焊性的造船钢板、在高温高压下使用的锅炉钢管、经热处理后使用的机械结构钢、需进行大变形拉拔加工的中碳钢构件等，均需对奥氏体晶粒度进行检验。,1.奥氏体晶粒度,2,非金属夹杂物鉴定,夹杂物的评级可按,GB10561-2005-T,钢中非金属夹杂物含量的测定,相应标准的规定进行，该标准分脆性夹杂物分散分布、脆性夹杂物集中分布以及塑性夹杂物集中分布和分散分布四套评级图。有的也采用国际标准评级。,2非金属夹杂物鉴定,弄清夹杂物的本质，可以对冶炼工艺提出改进意见从而改进和控制冶炼过程，改善钢的质量。,例：电渣重熔锭加工成厚,40mm,的板材后，经超声探伤发现音分层问题。在分层处沿厚度方向取样进行金相观察，发现分层为沿轧向的一条粗大夹杂物。其夹层的平均厚度约,0.06mm,；从夹层刮取的粉末进行化学分析，其组成物的质量分数为：,Si0,2,11.0,、,A1,2,0,3,38,6,、,FeO2.4,、,MgO1.5,，但这四种夹杂物组成含量只有,53.5,，显然还有其他成分。当将此粉末进行,X,射线衍射分析时，其结果有,CaF,2,。于是再将粉末进行化学分析，得出,CaF,2,占总量的,44.8,。这时五个组成加起来为,98.3,接近于全量。出此确定此分层的夹杂物来自重熔中的渣相。,弄清夹杂物的本质，可以对冶炼工艺提出改进意见,3.,脱碳层测量,钢加热时，表层碳分比内层降低的现象谓之脱碳，降低了碳量的表面层叫脱碳层。,在大多数的钢材中、尤其是对工具钢、滚珠钢、高速钢及弹簧钢来说，脱碳被视为钢材的一种缺陷。它使工具钢、滚珠钢表面硬度相耐磨性降低，淬火时由干里外层体积变化不同，经常使得工件表面形成裂纹。对高速钢而言，脱碳还降低了钢材的红硬度和回火稳定性；对弹簧钢而言，脱碳则降低了钢材的抗疲劳性能，所以必须控制在标准范围内。,3.脱碳层测量 在大多数的钢材中、尤其是对工具钢、滚,脱碳是金相检验的项目之一，随着钢种以及尺寸的不同，容许脱碳层的深度也有所不同。钢的氧化与脱碳决定于钢的化学成分、加热温度、加热时间及加热炉的气氛等。,国家标准,GB/T224-2008,钢的脱碳层深度测定法,适用于测定原材料及其螺栓成品的脱碳层深度。标准中脱碳层深度测定可分为,金相法、硬度法和化学分析法,三种。,（,1,）、金相法,金相法又称为显微测定法等。钢及制成品存在脱碳情况时，从表面到基体的碳含量是变化的，在光学显微镜下观察试样从表面到心部随着碳含量的变化而产生的组织变化。显微组织法具有适用范围广，操作简便、对设备依赖小，对待检样品形态要求不高等优点。,脱碳是金相检验的项目之一，随着钢种以及尺寸的,全脱碳层的测定,-,全脱碳层是指试样表面脱碳后得到的全铁素体组织，因此，测量时应从表面测至有渗碳体或有珠光体出现的那一点，或测量产生全铁素体组织的渗度为全脱碳层深度。,（,2,）、硬度法,硬度法是利用碳含量与热处理后钢的硬度存在相关性的原理来测量的方法。其理论依据是淬火钢的基体组织马氏体的硬度随碳含量的增加而增高，不同脱碳程度区域其硬度值不同。硬度法所测试的物理量为硬度值，主要测试手段为硬度计。硬度法测脱碳层分为显微硬度法和洛氏硬度法。,全脱碳层的测定-全脱碳层是指试样表面脱碳后得到的全铁素体,显微硬度法,显微硬度法用,300g,负荷显微维氏硬度计，测量在横截面中径线上，第,2,点的维氏硬度值应等于或大于第,1,点硬度值减去,30,个维氏硬度单位，若低于,30,个维氏硬度单位,则计算为脱碳层深度。,洛氏硬度法,用洛氏硬度计测定时，直接在试样的表面上测定。洛氏硬度法根据,GB/T230.1,测定洛氏硬度值,HRC,，只用于判定产品是否合格。,显微硬度法,（,3,）、碳含量测定法,碳含量测定法是通过测定样品不同层深处的碳含量来测定脱碳层深度的一种方法，是一种直接测量的方法。,化学分析法,用化学分析法测定逐层剥取的金属屑的含碳量，以确定脱碳层深度。逐层剥取每一层的深度为,0.1mm,厚。在实践操作中将从不同层深处所测定的碳含量绘制成碳含量,-,深度曲线，从曲线上判定其不同深度处的脱碳情况。,（3）、碳含量测定法,光谱分析法,将平面试样逐层磨削,每层间隔,0.1mm,，在每一层上进行碳的光谱测定。只适用于具有合适尺寸的平面试样。光谱分析的方法测定逐层碳含量，直到和心部基体含碳量相同的位置，此位置到表面的垂直距离即为总脱碳层深度。,总之，脱碳层深度测定方法具有多样性，企业检测中心最好在选取好测定方法的基础上结合实际情况编制专用的测试规程，以最大程度地贴近实际测试需要。,光谱分析法,4.,其他缺陷组织的检验,钢中的缺陷组织除上述以外还有网状碳化物、碳化物液析、碳化物带状、碳化物球化不良、带状组织、魏氏体组织、游离渗碳体等。国家都制定了相应标准进行评价。,4.其他缺陷组织的检验,四、钢的性能试验,（一）钢的力学性能,指在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。,拉伸试验,硬度试验,冲击试验,疲劳试验,四、钢的性能试验（一）钢的力学性能指在外力（载荷）作用时表,（二）钢的物理性能,在钢及合金的研制、加工及使用过程中，往往还需要了解其物理性能。以供一设计构件、制定加工工艺使用口此外，材料的某些物理性能可以很敏感地反映其内部组织结构的变化，所以物理性能的测试也是深人研究材料的重要方法。特别对一些以物理性能为主要使用性能的特殊钢及合金，如电工钢、磁钢等测定物理性能就更为一重要。物理性能主要有,;,密度、相对密度、弹性模量、膨胀系数及电、热、磁等有关性能。,（二）钢的物理性能 在钢及合金的研制、加工及使用过,第三节 钢的质量分析方法,随着科学技术的进步与发展，对钢材品种和质量都提出了更高的要求。这是因为许多在特殊场合下使用的钢件需要有相应的性能保证，且所有的钢制零件也都希望经久耐用。根据实际需要，采用先进设备、工艺及努力提高技术水平，严格冶金操作，提高冶金质量以及不断研制新的钢种和合金，以保证其使用要求是金属材料专业工作者面临的一个重要任务。要做好这方面的工作，需要有冶金和冶金质量分析与控制方面的知识作为基础。所以质量分析与控制的重要性是不言而喻的。,第三节 钢的质量分析方法 随着科学技术的进步与,一、质量分析方法,(,一,),质量分析技术及仪器,上节己对钢的质量检验分析常规方法及仪器作了介绍，其中包括,:,金相分析、断口分析、力学性能测试及成分分析等。除此之外，质量分析研究还要用到一些大型精密仪器和新技术。大致有,:,1,物理化学相分析,它是运用电化学一化学分析法，分离提取钢中的第二相，然后将其混合粉末，根据各相的化学性质进行分离，最后测定其元素，得出钢中各相的数量及组成。,一、质量分析方法 1 物理化学相分析,2.,现代物理测试技术,现代化的检测装置大量地采用先进电子技术，通过传感元件。几乎能把一切物理量转变成电信号，然后用电子技术把它放大、传输，进行处理、显示、记录，并将信号反馈于控制系统。新型电子仪器都带有微机处理，使检测分析装置智能化。现代物理检测分析技术按其工作原理分为光谱术、显微术、衍射术三大类,:,也可按成分、结构和形貌等分析内容来分类。,光谱分析技术,它主要包括电子探针、,X,射线荧光光谱、原子发射光谱、电子能谱、核磁共振谱等。主要用于测定材料的元素成分、杂质含量及鉴定某一特定价态或化学形态等。,2.现代物理测试技术,显微分析技术,包括透射电子显微术、扫描电子显微术、以及偏振光、相衬显微术、高温金相术等。主要用于研究材料表面元素或夹杂物的分布状况、存在形貌或恻定晶格缺陷与表面位错，以及提供金属材料的组织及结构信息，确定各相的数量、大小及分布和比例等。,衍射分析技术,包括,X,射线衍射、中子衍射及电子衍射。主要用于测定晶体结构和相分析以及结构缺陷等。,显微分析技术 衍射分析技,3.,无损检测技术,它简称为,NDT(Nondestructive Testing,的缩写,),，主要功能是无损探伤、材质检查、检查几何度量和现场监控，现已发展成为钢质量检测的一门常规技术，不但能检测钢材锻、铸件等的缺陷，并能对缺陷进行定性定量分析。,3.无损检测技术,(,二,),分析方法的选择,质量分析过程通常可以采用下述分析手段、方法及程序进行分析。,1.,实物外观检查,首先对被分析对象即实物的基本情况进行调查和外观检查，选取代表性的部位进行实物拍照，并记录重要特征或截取试样。,2.,无损探伤,通常采用上述常规无损检测方法来检测试样近表面及内在缺陷的位置、大小及分布等情况，以作为取样依据，并配合分析工作顺利进行。,(二)分析方法的选择,3.,宏观分析,以低倍酸洗断口及硫印等方法显示钢材缺陷及锻件流线分布等。宏观检验内容有,（,1,）,表面及表层缺陷，包括,:,裂纹、过烧迹象、折迭、斑疤、发裂及机械损伤等。,（,2,）内在缺陷包括,:,裂纹、白点、缩管、气泡、疏松、偏析及流线分布等。,（,3,）铸造合金结晶取向、枝晶及宏观晶粒分布。,4.,断口分析,采用的手段一般用肉眼、低倍放大、光学显微镜、扫描电子显微镜进行观察，从肉眼出发，确定位置、方向关系、以判定断口的性质和产生的原因，然后依次提高放大倍数进行检验，从各种微观断口形貌找出断裂机理。,3.宏观分析,5.,显微分析,对存在缺陷严重部位或断口处所取试徉,(,并在基体取样作比较,),进行光学、电子显微镜及电子探针、,X,射线衍射仪等分析仪器观察、分析材料的质量，主要分析下列内容,:,(1),缺陷区或断口边缘形状与裂纹的形态、分布取向及夹杂物、脱碳的存在与否。,(2),表层缺陷,包括,:,过烧、氧化、腐蚀、脱碳等缺陷的高倍形貌及程度。,(3),内在缺陷,包括,:,非金属夹杂物分布、晶粒大小、显微缺陷及析出相是否正常。,5.显微分析,6.,成分分析,采用化学方法、光谱分析等手段，鉴定零件用材成分是否符合要求，必要时做微量有害元索分析及微区电子探针分析、以配合相分析工作。,7.,力学性能试验,采用相应的力学性能试验设备对试样进行材料静载荷、动载荷或交变载荷等各项力学性能指标试验，以鉴定有关力学性能指标。,根据钢材的质量问题及冶金缺陷的特点进行质量分析时，通常采用以上基本方法和分析手段，由于分析对象的难易程度差别不同，有时只采用部分程序和分析手段。,6.成分分析,二、质量分析的一般步骤,钢的冶金质量分析是一项复杂而又细致的工作，不过，无论怎样复杂，总可以从,冶金学,(,包括原料、冶炼过程、浇铸过程,),、,金属学,包括化学成分、金属的加工工艺、热处理工艺,),、,使用条件和环境,（受力、腐蚀、疲劳）等诸方面来考虑，并借助于测试设备、仪器的帮助，通过数据处理和综合分析讨论，得出正确的结论。,一般步骤为：,1.,问题的提出,2.,实验和分析方法,3.,实验结果和分析讨论,4.,结论及控制方法,二、质量分析的一般步骤,