不锈钢类材料金相图谱总结

高肇晖，焦广胜

原创文章，未经允许，禁止私自转载。版权所有，违者必究！

 

摘要：本文介绍了部分不锈钢材料的过热及过烧的判定方法及图谱。从显微组织和晶界上相的析出物两个方面对各不锈钢材料的过热及过烧进行判定，因为不锈钢材料的晶粒分为本质粗晶和本质细晶，所以单纯的从晶粒大小判定过热是不全面的。作者对部分不锈钢材料进行了大量试验和研究，从而得出以晶界析出物和晶粒大小共同判定不锈钢的过热及过烧更加合理准确。

 

关键词：热处理；晶粒；不锈钢；过热；过烧

 

1 前言

不锈钢为航空产品加工中常用的一种材料。按其正火后的显微组织可分为：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢。一直以来，欠缺一类不锈钢材料在生产中金相组织的判定图谱。在金相组织观察中，对该类材料组织是否产生过热、过烧判定不够准确。因此，为了明确是否出现过热或过烧，并配合相应的图谱对比，将解决判断的不易性。本论文归纳了常用的一些不锈钢材料，具体材料如下：

1Cr18Ni9Ti、1Cr11Ni2W2MoV、1Cr12Ni2WMoVNb、1Cr17Ni2、0Cr18Ni9、1Cr13、2Cr13、3Cr13。其中1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9为奥氏体不锈钢；1Cr11Ni2W2MoV、1Cr12Ni2WMoVNb、1Cr13、2Cr13、3Cr13为马氏体不锈钢；1Cr17Ni2为铁素体不锈钢。奥氏体-铁素体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢。因今年我厂没有该种材料库存，所以，此次没有做这两类不锈钢材料的相关图谱，待以后收集到这两种材料在加以补充完善。此次，虽然没有收录我厂所有不锈钢材料，但根据不锈钢的正火后显微组织的分类，可以通过相同种类型判定出不锈钢过热、过烧。

 

1.1 过热、过烧的概念及危害

过热一般认为，金属由于加热温度过高或高温保温时间过长而引起晶粒粗大的现象就是过热，至于晶粒粗大到什么程度算过热，应视具体材料而有所不同。

过热将引起材料的塑性、冲击韧性、疲劳性能、断裂韧性及应力腐蚀能力下降。不锈钢过热之后α相（或δ铁素体）显著增多。导致刚在淬火时硬度降低，回火后冲击韧性下降。在热加工时易产生裂纹。另外ζ铁素体易转变成δ相，使材料出现脆性，晶粒长大粗化。过热可能引起晶间腐蚀。

过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化等。

过烧加热温度比过热更高，但与过热没有严格的温度界限。一般以晶粒边界出现氧化及熔化为特征来判定过烧。性能严重恶化，淬火易形成龟裂。

 

1.2 不锈钢中含有的组织和相

不锈钢中的组织和相有：铁素体、奥氏体、马氏体、ζ铁素体、δ相、碳化物相（K相）。

（1）ζ铁素体，ζ铁素体是在高温区域形成的相，一般称为ζ铁素体或高温铁素体，以区分与低α铁素体。ζ铁素体是体心立方晶格，但晶格常数与α铁素体不同，并表现出较高的脆性。这种相主要是由于加热温度过高，高温中停留过久、化学成分的波动或形成铁素体与奥氏体的元素达到不平衡等原因形成的。

（2）δ相是一种Fe、Cr原子比例相等的Fe-Cr金属间化合物，其分子式近似可用FeCr表示，晶体结构为正方晶系，在室温下有磁性，脆而硬。δ相一般在500℃~900℃温度范围内长时间时效时析出，较高的含铬量的质量分数（25%~76%）及ζ铁素体的存在均会出进δ相的析出。

其危害δ相沿晶界分布，钢的塑性显著下降。分散分布时对韧性危害较小，并有一定的强化作用。δ相增加钢的缺口敏感性，对强度、硬度影响不大，对冲击韧性影响显著。δ相显著地降低钢的塑性、韧性、抗氧化性、耐晶界腐蚀性能，助长热疲劳的产生，δ相形成后使基体贫铬（或钼、钨）因此降低了基体抗腐蚀性，并消弱固溶强化的效果。

 

2 试样的热处理工艺及试验方法

2.1 热处理工艺

为了获得不同材料的过热、过烧图谱，针对以上不同材料以及我厂现行的热处理工艺，选取不同的的热处理温度及时间，已达到预期目的。见表1：

 

表1 不锈钢热处理参数表

材料	淬火保温温度 （工艺要求）	标准状态	实际状态	结果
1Cr18Ni9Ti	1050℃~1080℃； 保温50min~60min； 水冷	1010℃~1150℃； 保温50min~60min； 水冷	1080℃×1h；水冷	正常
			1080℃×3h；水冷	过热
			1300℃×1h；水冷	过烧
1Cr11Ni2W2MoV	淬火：1000℃±10℃；保温60min；气冷或油冷。 回火：550℃~590℃，保温120min；气冷或油冷	990℃~1010℃； 保温60min； 空冷或油冷	1000℃×1h；油冷	正常
			1010℃×2h；油冷	过热
			1100℃×3h；油冷	轻微过烧
			1300℃×1h；油冷	过烧
1Cr12Ni2WMoVNb	1140℃~1160℃；保温60min。油冷或空冷； 回火780℃×2h；空冷	1140℃~1160℃； 油冷或空冷	1150℃×1h；空冷； 780℃×2h； 空冷	正常
			1150℃×3.5h；空冷； 780℃×2h；空冷	过热
			1300℃×1h；空冷； 780℃×2h； 空冷	过烧
Cr17Ni2	淬火：1030℃±10℃；保温60min~90min；油冷。 回火：610℃±10℃，保温120min；水冷	950℃~1040℃； 保温60min~90min； 油冷	1020℃；3h；610℃；90min	正常
			1020℃；3h；610℃；90min	过热
			1250℃；1h；610℃；90min	过烧
0Cr18Ni9	1050℃~1080℃；保温60min；水冷或空冷	1050℃~1100℃； 保温60min； 水冷或空冷	1050℃×1h；水冷	正常
			1100℃×3.5h；水冷	过热
			1250℃×1h；水冷	过烧
1Cr13	淬火：1030℃±10℃；保温60min~80min；油冷。 回火：700℃~750℃，保温120min；水冷	1000℃~1050℃； 保温60min~80min； 油冷或空冷	1000℃×1h；油冷；610℃×90min；水冷	正常
			1070℃×3h；油冷；610℃×90min；水冷	过热
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	过烧
2Cr13	淬火：1030℃±10℃；保温60min~80min；油冷。 回火：700℃~750℃，保温120min；水冷	1000℃~1050℃； 保温60min~80min； 油冷或空冷	1000℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	正常
			1070℃×3h；油冷；650℃×90min；水冷	过热
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	过烧
3Cr13	淬火：1030℃±10℃；保温60min~80min；油冷。 回火：700℃~750℃，保温120min；水冷	1000℃~1050℃； 保温60min~80min； 油冷或空冷	1000℃×45min；油冷	正常
			1050℃×2.5h；油冷	过热
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	过烧

 

2.2 试样的制备及腐蚀

2.2.1 试样的制备

试样经镶崁后，采用机械加工方式进行。在试样加工、磨制过程中均应在冷却状态下进行，加工过程禁止采用砂轮打磨试样。

采用120#、400#、800#、1200#金相砂纸依次磨制，每更换一号砂纸应变换磨制方向（与上一次磨制方向相垂直），直至磨制试样完成。

抛光采用金刚石2.5W粒度抛光剂进行，将抛制好的试样用水清洗干净。

 

2.2.2 试样的腐蚀

试样应在常温下，经酸溶液腐蚀足够时间，以能清晰显示组织为准，其腐蚀剂配比如下：

FeCl3( 65﹪)  3g

HCl( 42﹪)   10ml

H2O (蒸馏水)  90ml 

 

2.2.3 试样的观察

将腐蚀好的试样放在100×~400×显微镜下进行观察，将观察到的显微组织与图谱相比照。

 

3 组织图谱及分析

3.1 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢具有良好的室温及低温韧性、焊接性、耐蚀性及耐热性。其缺点是在500℃~850℃范围内进行长时间加热，会使铬的碳化物从奥氏体中析出，易引起晶间腐蚀。

 

3.1.1 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢

1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，一般热处理采用1050℃~1080℃温度固溶处理。其主要化学成分为：C≤0.12；Si≤1.00；Mn≤2.00；P≤0.035；  S≤0.030；Ni 8.0～11.0；Cr 17.0～19.0。

 

 

图1，图2，图3为单相细小的奥氏体组织，具有良好的冷变形性能，有少量孪晶。组织正常。

 

 

图4，图5，图6中，由于固溶温度及时间的升高和延长，奥氏体晶粒变得粗大。晶界不但越加平直，且出现颇多的孪晶，组织性能下降。为过热组织。

 

 

图7，图8为奥氏体基体上有呈枝晶状分布的铁素体，构成奥氏体-铁素体两相组织。为过烧组织。

 

3.1.2 0Cr18Ni9奥氏体不锈钢

0Cr18Ni9为奥氏体不锈钢，一般热处理采用1050℃~1100℃温度固溶处理，其主要化学成分为：C≤0.07；Ni 8.0～11.0；Cr 17.0～19.0。

 

 

图9，图10为单相细小的奥氏体组织，具有良好的冷变形性能，有少量孪晶。组织正常。

 

 

图11，图12中由于固溶温度及时间的升高和延长，奥氏体晶粒变得粗大。晶界不但越加平直，且出现颇多的孪晶，组织性能下降。为过热组织。

 

 

图13，图14为奥氏体基体上有呈枝晶状分布的铁素体，构成奥氏体-铁素体两相组织。晶界上分布着（CrFe）23C6碳化物。为过烧组织。

 

3.2 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢，由于含碳量低，其显微组织是铁素体，故称为铁素体型不锈钢。它具有良好的耐蚀性和抗氧化性。

1Cr17Ni2为铁素体不锈钢，一般热处理采用1140℃~1160℃；油冷。回火：610℃±10℃，保温120min；水冷。其主要化学成分为：C≤0.11～0.17；Si≤0.80；Mn≤0.80；P≤0.035；  S≤0.030；Ni 1.50～2.50；Cr 16.0～18.0。

 

 

图15，图16组织为回火马氏体和极少量残余奥氏体，基体上分布的白色块状为铁素体。正常组织。

 

 

图17，图18组织中铁素体含量增加，淬火组织粗大，原奥氏体晶界清晰可见。塑性、韧性显著下降。为过热组织。

 

 

图19，图20组织中可发现晶界分布白色多角δ铁素体，铁素体块大量出现，晶界上出现裂纹。为严重过烧组织。

 

3.3 马氏体不锈钢

马氏体型不锈钢，经正火、淬火后的显微组织为马氏体或马氏体+铁素体，所以称为马氏体型不锈钢。它可以通过热处理来强化，淬回火后具有良好的强度、塑性、韧性及耐蚀性等，随着含碳量的增加，会使马氏体型不锈钢的耐蚀性下降，而强度、硬度、耐磨性及切削性显著提高。

 

3.3.1 1Cr13马氏体不锈钢

1Cr13为马氏体不锈钢，一般热处理采用1000℃~1050℃；保温60~90min油冷或空冷。回火：725℃±25℃，保温120min；水冷。其主要化学成分为：C≤0.15；Si≤1.00；Mn≤1.00；  P≤0.035；S≤0.030；Cr 11.5～13.5 。

 

 

图21，图22基体为马氏体及块状分布的铁素体，铁素体在集体上均匀分布，因为含碳量低，组织仍处与奥氏体与铁素体两相状态。组织正常。

 

 

图23，图24中可发现马氏体粗大，出现δ铁素体组织。δ铁素体的出现是过热组织的特征。

 

 

图25，图26中组织为粗大的板条状马氏体，晶界上分布着大量δ铁素体，淬火马氏体本针叶间形成90℃夹角。为过烧组织。

 

3.3.2 2Cr13马氏体不锈钢

2Cr13为马氏体不锈钢，一般热处理采用1000℃~1050℃；保温60~90min油冷或空冷。回火：725℃±25℃，保温120min；水冷。其主要化学成分为：C≤0.16～0.25；Si≤1.00； Mn≤1.00；P≤0.035；S≤0.030；Ni≤0.60；Cr 12.0～14.0。

 

 

图27，图28中组织为淬火针叶状马氏体和极少量的残余奥氏体。为正常组织。

 

 

图29，图30基体上为淬火板条状马氏体极少量残余奥氏体。得到粗大的淬火马氏体组织，淬火马氏体本针叶间形成90℃夹角，晶界出现δ铁素体，降低了钢的冲击韧性。为过热组织。

 

 

图31，图32为过烧组织。组织中保持原马氏体向的晶粒粗大，还有大量分布在晶界上的δ铁素体，并出现局部的晶界氧化、显微裂纹。

 

3.3.3 3Cr13马氏体不锈钢

3Cr13为马氏体不锈钢，一般热处理采用1000℃~1050℃；保温60~90min油冷或空冷。回火：725℃±25℃，保温120min；水冷。其主要化学成分为：C≤0.26～0.35；  Si≤1.00；  Mn≤1.00；  P≤0.035；  S≤0.030；Ni≤0.60  Cr 12.0～14.0。

 

 

图33，图34中组织为淬火针叶状马氏体和极少量的残余奥氏体。为正常组织。

 

 

图35，图36基体上为淬火板条状马氏体极少量残余奥氏体。得到粗大的淬火马氏体组织，淬火马氏体本针叶间形成90℃夹角，晶界出现δ铁素体，降低了钢的冲击韧性。为过热组织。

 

 

图37，图38为过烧组织。组织中保持原马氏体向的晶粒粗大，还有大量分布在晶界上的δ铁素体，并出现局部的晶界氧化、显微裂纹。

 

3.3.4 1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢

1Cr11Ni2W2MoV为马氏体不锈钢，一般热处理采用淬火：1000℃±10℃，保温60min；水冷或油冷。回火：550℃~590℃，保温120min；水冷或油冷。其主要化学成分为，C：0.10～0.16；Si≤0.6；Mn≤0.6；P≤0.03；S≤0.025；Ni1.5~1.8；Cr 10.5～12.0。

 

 

图39，图40中组织为：淬火针叶状马氏体极少量的残余奥氏体。为正常组织 。

 

 

图41，图42基体上为淬火板条状马氏体极少量残余奥氏体。得到粗大的淬火马氏体组织，淬火马氏体本针叶间形成90℃夹角，晶界出现δ铁素体，降低了钢的冲击韧性。为过热组织。

 

 

图43，图44中的组织保持了原马氏体向的晶粒粗大，少量分布在晶界上的δ铁素体。奥氏体晶粒急剧长大。轻微过烧组织。

 

 

图45，图46中组织为魏氏组织，保持了原马氏体向的晶粒粗大，还有大量分布在晶界上的δ铁素体。奥氏体晶粒急剧长大。过烧组织。

 

3.3.5 1Cr12Ni2WMoVNb马氏体不锈钢

1Cr12Ni2WMoVNb为马氏体不锈钢，一般热处理采用淬火：1140℃~1160℃；油冷或空冷。回火：780℃×2h空冷。其主要化学成分为，C：0.11～0.17；Si≤0.60；Mn≤0.60；P≤0.03；S≤0.025；Ni1.8~2.2；Cr 11.0～12.0。

 

 

图47，图48中的组织为淬火针叶状马氏体极少量的残余奥氏体。为正常组织。

 

 

图49，图50基体上为淬火板条状马氏体极少量残余奥氏体。得到粗大的淬火马氏体组织，淬火马氏体本针叶间形成90℃夹角，晶界出现δ铁素体，降低了钢的冲击韧性。为过热组织。

 

 

图51，图52为过烧组织。组织中保持原马氏体向的晶粒粗大，还有大量分布在晶界上的δ铁素体，并出现局部的晶界氧化、显微裂纹。

 

简介

MTT（美信检测）是一家从事材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务的第三方实验室，网址：www.mttlab.com，联系电话：400-850-4050。