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金相检验 2011.9.19王军,序 言,金相 组织,金相检验基础 金相试样制备技术 金相检验技术 缺陷分析及失效分析,一、金相检验基础 1、金属和合金在固态下叫晶体 2、金属由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固后的固态金属一般都是晶体，这个过程称为结晶。,一、金相检验基础 3、钢中的基本组织 铁素体 （F） 奥氏体 （A） 渗碳体 （Fe3C) 珠光体 （P） 贝氏体 （B） 马氏体 （M） 索氏体 （S） 屈氏体 （T）,一、金相检验基础 4、合金元素在钢中的作用 锰: 强烈提高钢的淬透性 硅：对铁素体有较大的固溶强化作用，常用于脱氧剂 硼；加入微量的硼，能提高淬透性 铬：强烈提高钢的淬透性,一、金相检验基础 5、 Fe-C相图,二、金相试样的制备,取样 常规检验依据相关国家标准进行 表面检验有无脱碳、折叠等 失效分析在失效部位如裂纹附近取样 金相组织不均匀如铸件须从表面到中心同时 取样观察，了解合金的偏析度,二、金相试样的制备,取样 取样部位确定后还要确定金相磨面 横截面 试样由表层到中心金相组织变化 晶粒度评级 表面缺陷的检验，如脱碳、氧化、折叠等 表面处理结果的检验，如表面淬火、渗碳、涂镀等 网状碳化物,二、金相试样的制备,取样 纵截面 非金属夹杂的数量、大小和形状 测定晶粒拉长程度，了解材料冷变形程度 观察钢材中带状组织的情况,二、金相试样的制备,镶样 镶样的目的： 某些丝带片管等尺寸较小或形状不规则 的样品，不易握持时。 需检验边缘时 标准化半自动制样 镶嵌的方法热镶、冷镶和机械夹持,二、金相试样的制备,镶样 热镶：热塑性成型温度在左右，一般不影响试样的金相组织，但对淬火钢不适用，对于有些较软的材料，在加压时易产生塑性变形，不宜热镶；有些较大不规则样品，无法热镶。 热镶优点：质量高、尺寸形状统一、省 时、经济。,二、金相试样的制备,镶样 冷镶：将样品放在模型中，利用化学催化作用镶嵌成型，常用的冷镶料有：牙托粉和牙脱水、环氧树脂等，一般在空气中即可溶化。 为提高质量，也可在冷镶机中真空进行。 冷镶优点：方便灵活、适于各种形状样品。,二、金相试样的制备,镶样 机械夹持：将试样镶入钢圈或钢夹，试样应与钢圈或钢夹紧密接触，而且夹具硬度应接近于试样的硬度,试样,浇铸液,树脂,模子,二、金相试样的制备,磨光 金相试样磨光的目的，是得到一个平整光滑的磨面，为下一道抛光工序打好基础磨面上允许有极细而均匀的磨痕，此磨痕可在以后的抛光中消除磨光分为粗磨与细磨二步,二、金相试样的制备,粗磨：目的是为了将取样所形成的粗糙表面和不规则外形修整成为平整的试样，并磨成适合的外形 工具：金相砂轮机、砂带机、予磨机等。 细磨：目的是消除粗磨留下的较深的磨痕，为试样磨面的抛光工序做好准备。 工具：金相砂纸、金刚石磨盘等。 单向推 用力均 垂直磨,二、金相试样的制备,抛光 抛光是试样制备的最后一道，去处表面的细微磨痕，成为光滑无暇的镜面。 抛光分为：机械抛光、电解抛光、化学抛光 机械抛光：在专用的抛光机上进行抛光，靠极细的抛光粉和磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕。,二、金相试样的制备,浸蚀 目的：经过抛光的样品，在显微镜下观察时，除非金属夹杂物、石墨、裂纹及磨痕等能看到外，只能看到光亮的磨面。要看到组织必须进行腐蚀。浸蚀的目的是显示真实、清晰的组织结构。,二、金相试样的制备,浸蚀方法 化学浸蚀：适用于一般碳钢、合金钢。 电解浸蚀：适用不锈钢、耐热钢、抗热钢、热 电偶材料、镍基合金、高合金钢以及经受强力塑性变形后的金属等。 特殊方法：着色、阴极真空浸蚀等。浸蚀方法 化学浸蚀：适用于一般碳钢、合金钢。 电解浸蚀：适用不锈钢、耐热钢、抗热钢、热 电偶材料、镍基合金、高合金钢以及经受强力塑性变形后的金属等。 特殊方法：着色、阴极真空浸蚀等。,二、金相试样的制备,浸蚀 化学浸蚀分为： 浸蚀法 滴蚀法 擦蚀法,浸蚀液,试样,试样,浸蚀液,试样,浸蚀液,二、金相试样的制备,浸蚀剂 浸蚀剂是为显示金相组织用的特定的化学试剂。浸蚀剂的种类很多，归纳起来所有金相组织显示的浸蚀剂所用药品有四种： （）有机或无机酸类； （）各种碱类； （）铜盐、镁盐、铁盐及锰盐； （）溶剂如甘油、乙醇、水等。,三、金相检验技术,1、宏观检验 低倍组织检验 硫印试验、酸蚀试验、塔形试验 断口检验 横向断口、纵向断口,三、金相检验技术,2、显微组织检验（微观） 非金属夹杂物检验 晶粒度检验 脱碳、渗碳检验 组织检验,金相分析基础知识,金相基本组织 铁素体碳溶解于-和-中形成的固溶体称为铁素体，用、或表示，由于-是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（时-最大溶碳量仅为.，室温下含碳仅为.），所以其性能与纯铁相似：硬度（-）低，塑性（延伸率-）高。铁素体的显微组织与工业纯铁相似。,金相分析基础知识,金相基本组织 铁素体,金相分析基础知识,金相基本组织 奥氏体碳溶解于-中形成的固溶体称为奥氏体，用或表示具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心，时最多可以溶解.的碳，到时含碳量降到.奥氏体的硬度（-）较低，塑性（延伸率-）高,金相分析基础知识,金相基本组织 奥氏体,金相分析基础知识,金相基本组织 渗碳体Fe3是铁和碳形成的金属化合物，含碳量为.具有复杂的斜方晶体结构，熔点为渗碳体硬度极高（），塑性几乎等于，是硬脆相在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对钢的力学性能影响很大,金相分析基础知识,金相基本组织 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体是呈层片状分布的它的机械性能和渗碳体的片间距大小有关 珠光体,金相分析基础知识,金相基本组织 贝氏体如果将共析钢过冷到-之间并没有产生片间距更细的珠光体，而是产生了另一种新组织称为贝氏体它也是由铁素体和碳化物组成，但碳化物是非层片状分布的这是因为珠光体转变是受碳在奥氏体中的扩散控制，同时铁原子也要发生扩散如果过冷度很大，转变的温度相当的低，使铁原子无法发生扩散，同时碳的扩散也受到影响，显然不可能发生珠光体转变了，就会使转变的规律发生变化，产生贝氏体组织 由于形成的温度不同使贝氏体的形貌有所不同，又将贝氏体分成上贝氏体与下贝氏体,金相分析基础知识,金相基本组织 上贝氏体 上贝氏体在-形成，在光学显微镜下呈羽毛状，它是由平行分布的铁素体片和分布在片间断续而细小的渗碳体片共同组成 下贝氏体 下贝氏体在- 形成，在光学显微镜下呈黑色针状，针的基体是铁素体，内部分布着细小的碳化物,金相分析基础知识,金相基本组织 上贝氏体 下贝氏体,金相分析基础知识,金相基本组织 马氏体当高温的奥氏体获得极大的过冷（对共析钢要过冷到 以下）造成碳无法扩散，碳化物无法从奥氏体中析出，就形成一种非平衡的新组织虽然碳无法从奥氏体中扩散出来，但是奥氏体仍然从原来-结构转变成-结构钢中形成的碳在-中过饱和的固溶体就被称为马氏体 两种典型的组织 板条马氏体、片状马氏体,金相分析基础知识,金相基本组织 板条状马氏体的特征：束状组织，每一束内有条，条与条间以小角度晶界分开，而束与束间有较大的夹角。 片层状马氏体的特征：细针状或竹叶状，片与片之间以一定的夹角相交。一个重要的规律是：奥氏体的晶粒越粗大，马氏体的片也越粗大。,金相分析基础知识,金相基本组织 马氏体,金相分析基础知识,钢的分类 根据含碳量和室温组织，可将其分为三类：亚共析钢、共析钢、过共析钢。 亚共析钢 含碳量在.-.之间的铁碳合金； 共析钢 含碳量为.的铁碳合金； 过共析钢 含碳量在.-.之间的铁碳合金； 过共析钢含碳量一般不超过.-.,金相分析基础知识,铸铁的分类 含碳量在.-.之间，室温下碳几乎全部以渗碳体形式存在，故硬度高，但脆性大，工业上应用很少。 根据渗碳体存在形式的不同，铸铁可分为白口铸铁和灰口铸铁两类。 白口铸铁：碳大部分以渗碳体Fe3形式存在，因其断口呈白色而称白口铸铁，白口铸铁硬而脆，很少用做零件。 灰口铸铁：碳大部分以石墨形式存在，因其断口呈灰色，而称灰口铸铁。,金相分析基础知识,铸铁的分类,铁碳相图,金相分析基础知识,铁碳相图 主要单相区： 固溶体区- 奥氏体区（）- 铁素体区（）-以左 主要两相区： + - +- + Fe3- + Fe3- 主要三相区： 共晶线-水平线（+ + Fe3） 共析线-水平线（+ Fe3）,金相分析基础知识,铁碳相图 Fe- Fe3相图中三条重要的固态转变线： .线： 中开始析出或全部溶入的转变线，常称此温度为温度； .线：碳在中的溶解度线，常称此温度为温度。低于此温度时， 中将析出Fe3，称为二次渗碳体Fe311 ，以区别于从液体中经线结晶出的一次渗碳体Fe31； .线：碳在中的溶解度线。从也将析出Fe3，称为三次渗碳体Fe31；,金相分析基础知识 曲线 共析钢过冷奥氏体在线以下不同温度会发生三种不同的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。,奥氏体,珠光体,上贝氏体,下贝氏体,马氏体,含碳.的奥氏体等温转变图,珠光体,金相检验方法,钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法 /- 本标准规定了检验钢的低倍组织及缺陷的热、冷酸浸蚀法和电腐蚀法。 本标准适用于钢的低倍组织及缺陷检验。仲裁检验时，若技术条件无特殊规定，以热酸浸法为准。,金相检验方法,低倍缺陷类型： 一般疏松 中心疏松 锭型偏析 斑点状偏析 中心偏析 皮下气泡 残余缩孔 翻皮 白点 轴心晶间裂纹 异金属夹杂物,金相检验方法,低倍缺陷类型 取样可用剪锯、切割等方法。试样加工时必须除去由取样造成的变形和热影响区以及裂缝等加工缺陷。 加工后试面的表面粗糙度应不大于.，冷酸浸蚀法不大于.，试面不得有油污和加工伤痕，必要时应预先清除。,低倍缺陷类型：,一般疏松 中心疏松 锭型偏析,低倍缺陷类型：,斑点状偏析 皮下气泡 残余缩孔,低倍缺陷类型：,残余缩孔和夹砂 翻皮 折叠,低倍缺陷类型：,白点 白点（裂纹）穿过晶粒，呈锯齿状 白点引发淬火开裂,低倍缺陷类型：,轴心晶间裂纹 异金属夹杂物,金相检验方法,钢中非金属夹杂物标准评级图显微检验法 /-/： 夹杂物分类： 根据夹杂物的形态和分布,标准图谱分A.B.C.D和DS五大类：,金相检验方法,夹杂物分类： A类(硫化物类)：具有高的延展性,有较宽范围形态比(长度/宽度)的单个灰色夹杂物,一般端部呈圆角； B类(氧化铝类)：大多数没有变形,带角的,形态比小(一般3）,黑 色或带兰色的颗粒,沿轧制方向排成一行（至少有3个颗粒）； C类(硅酸盐类)：具有高的延展性, 有较宽范围形态比(一般3)的单个呈黑色或深灰色夹杂物,一般端部呈锐角； D类(球状氧化物类)：不变形,带角或圆形的, 形态比小(一般3） , 黑色或带兰色的无规则分布的颗粒； DS类(单颗粒球状类)：圆形或近似圆形,直径13um的单颗粒夹杂物。,金相检验方法,夹杂物宽度 单位：,金相检验方法,夹杂物级别最小值,金相检验方法,夹杂物判定： A类(硫化物)：2.5级/细、2.0级/粗 B类(氧化铝)：2.0级/细、1.5级/粗 C类(硅酸盐)：2.0级/细、1.5级/粗 D类(球状氧化物)：1.5级/细、1.5级/粗,金相检验方法,钢的脱碳层深度测定法 /- 检测方法： 金相法 硬度法（显微维氏硬度、洛氏硬度测量法） 测定碳含量法（化学、光谱分析法）,金相检验方法,脱碳：钢表层上碳的损失。包括： 部分脱碳：即钢的表层含碳量水平低于基本金属，但大于碳在铁素体中的最大溶解度。 完全脱碳：即钢的表层碳含量水平低于碳在铁素体中最大溶解度。（完全脱碳层只有铁素体组织存在） 有效脱碳层深度：从产品表面到达到规定的碳含量或硬度水平的点的距离，规定的碳含量或硬度水平以不因脱碳而影响使用性能为准。（如：产品标准中规定的碳含量最小值） 总脱碳层深度：从产品表面到碳含量等于基体碳含量的那一点的距离，等于部分脱碳和完全脱碳之和。,金相检验方法,部分脱碳,全脱碳,金相检验方法,金属平均晶粒度测定方法 /- 晶粒度 晶粒大小的量度。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别数来表示不同方法评定或测定的晶粒大小,而使用晶粒度级别数表示的晶粒度与测量方法和计量单位无关。 检测方法： 比较法 面积法 截点法,金相检验方法,1、比较法：通过与标准系列评级图对比来评定平均晶粒度。 2、面积法：通过计算给定面积网格内的晶粒数N来测定晶粒度。 3、接点法：通过计数给定长度的测量线段(或网格)与晶粒边界相交截点数P来测定晶粒度。,金相检验方法,晶粒度评定图,金相检验方法,晶粒度评定图,金相检验方法,晶粒度评定图,金相检验方法,球化组织评级 试样的制取： 1、切取试样应避开剪切、加热影响的区域,不能使用有改变晶粒度结构的方法切取试样。 2、试样尺寸为:10mm-12mm。 3、试样可依需要经切割、研磨、抛光与浸蚀后，分别使用适当倍率的放大镜和光学显微镜观察之。,金相检验方法,低碳结构钢及低碳合金结构钢球化体分级,金相检验方法,中碳合金结构钢球化体分级,四、缺陷分析与失效分析,金属材料中常见的缺陷：宏观缺陷、微观缺陷 按加工工艺产生的缺陷：铸造缺陷、锻造缺陷、热处理缺陷、焊接缺陷,四、缺陷分析与失效分析,铸造缺陷常见的有：气泡、疏松、缩孔、夹杂、偏析、铸造裂纹和金相组织缺陷等 锻造缺陷常见的有：过热、过烧、锻造裂纹、脱碳和增碳、锻造折叠、组织缺陷等,四、缺陷分析与失效分析,热处理缺陷常见的有：淬火裂纹、淬火形变、淬火软点、回火脆性、氧化脱碳、后处理缺陷（磨削裂纹）等,四、缺陷分析与失效分析,失效形式通常有：变形失效、断裂失效、腐蚀失效、磨损失效,四、缺陷分析与失效分析,失效分析思路： 1、以整体原则为思路的分析法 2、以设备制造全过程为系统的思路 3、根据失效类型和失效模式分析的思路 4、对残骸分析的思路 5、失效树分析法,失效分析思路： 1、失效件的调查 2、肇事件或首先失效件的确定 3、失效件的收集与保管 4、失效件背景资料的搜集 5、失效分析方案与实施细节 6、试验与分析 7、失效分析报告的编写,再 见,