鋼及合金的物理化學(xué)相分析

1、鋼及合金的物理化學(xué)相分析,盧翠芬 教授鋼鐵研究總院分析測試研究所，北京，100081電話：010-62182644 傳真：010-62182584,主要項(xiàng)目,鋼和合金分析的主要內(nèi)容 鋼和合金相分析方法簡介 鋼和合金的析出相類型（微觀組織結(jié)構(gòu)） 鋼和合金物理化學(xué)相分析方法 物理化學(xué)相分析研究對象 物理化學(xué)相分析在金屬材料研究中的作用,鋼和合金分析的主要內(nèi)容,元素分析 結(jié)構(gòu)分析 金屬表面及界面分析 原位統(tǒng)計(jì)

2、分布分析 狀態(tài)分析 力學(xué)性能的測試,元素分析,化學(xué)分析方法 重量法、容量法、分光光度法、電化學(xué)法 儀器分析方法 原子發(fā)射光譜、原子吸收光譜、原子熒光光 譜、原子質(zhì)譜、X-射線熒光光譜、電子探針、 能譜，以及碳、硫、氧、氮、氫等氣體分析,結(jié)構(gòu)分析,電子顯微鏡 掃描電鏡、透射電鏡 電子衍射 X-射線衍射,金屬表面及界面分析,俄歇電子 離子探針 X-射線熒光 輝光放電 輝光光譜、輝光

3、質(zhì)譜 逐層物理化學(xué)相分析,原位統(tǒng)計(jì)分布分析,元素成分分布分析和偏析度分析樣品成分統(tǒng)計(jì)分布分析夾雜物定量分析和分布分析,狀態(tài)分析,析出相與夾雜物的物理化學(xué)相分析 掃描電鏡能譜分析 熱分析 莫斯鮑爾效應(yīng)分析,鋼和合金相分析簡介,決定鋼和合金的性能的因素相分析的內(nèi)容相分析的主要手段物理化學(xué)相分析物理相分析的定義 物理化學(xué)相分析獨(dú)特之處物理化學(xué)相分析的局限性,決定鋼和合金的性能的因素,鋼和合金的性能,鋼和合金的化學(xué)成分,

4、工藝：冶煉、加工、熱處理,組織結(jié)構(gòu),,,,,,相分析的內(nèi)容,相分析主要是對相的形貌、形態(tài)、大小、分布、數(shù)量、結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)、取向）、成分進(jìn)行研究的一個(gè)過程。,相分析的主要手段,物理化學(xué)相分析的定義,利用電化學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)的綜合手段來揭示鋼和合金的微觀組織結(jié)構(gòu)（指析出相）及其各析出相在鋼和合金中所占的含量和粒度分布比的一種分析方法。前蘇聯(lián)稱“物理化學(xué)相分析” 日本稱“元素的狀態(tài)分析”,物理化學(xué)相分析獨(dú)特之處,用化學(xué)和電化學(xué)電解

5、的方法溶解基體相，保留和提取第二相，從而消除基體的干擾。用各析出相的化學(xué)或電化學(xué)性質(zhì)的差別，進(jìn)行相的化學(xué)或電化學(xué)分離，獲取純的目的相。借助X-射線衍射分析方法鑒定各析出相的類型（晶型組成、點(diǎn)陣常數(shù)）。借助X－射線小角散射儀的測定方法，可以分析所提取的析出相（一次顆粒）的粒度大小分布（例如測定析出相0-600nm之間各分段區(qū)間內(nèi)大小顆粒所占的百分?jǐn)?shù)）。,物理化學(xué)相分析的局限性,不能研究相的形態(tài)及分布狀態(tài)（晶界、晶內(nèi)）。方法本身有自

6、身不能克服的困難：難以鑒定和準(zhǔn)確測定粒度極細(xì)的相, <0-50nm X-射線衍射峰寬化，強(qiáng)度下降；對于<10nm的顆粒，X-射線衍射法無法檢認(rèn)；難以鑒定和定量測定微量和不穩(wěn)定的相，粉末中某相<5％時(shí)X-射線較難被檢認(rèn)；難以分別定量測定無法分開的相的組成。例如：γ′和η相、M23C6和M7C3、ε與ε〃、 γ′和γ〃、γ′和β。但在個(gè) 別情況下可以借助X-射線定量分析方法測定化學(xué)性質(zhì)相近，但結(jié)構(gòu)不同的析出相的相對百

7、分?jǐn)?shù)。,鋼和合金的第二相類型,氧化物（夾雜物）碳化物 氮化物 硫化物 磷化物 硼化物 金屬間化合物,氧化物（夾雜物）,SiO2、Al2O3、MgO、CaO、FeO、MnO、NiO、Cr2O3、TiO2、稀土氧化物和尖晶石類（M,M2O4）等。,碳化物,MC、M2C、M3C、M6C、M23C6、M7C3等。元素形成碳化物能力（穩(wěn)定性）排列如下：Ti＞Zr＞V＞Nb＞W(wǎng)＞Mo＞Cr＞Mn(Fe)＞Co。Ti是最強(qiáng)的碳化物形成元素

8、，Co是最弱的碳化物形成元素。,碳化物—碳原子半徑/金屬原子半徑>0.59時(shí),M3C-正斜方晶系（正交晶系），M-Fe、Cr、Mn、W、Mo、V；C-C、B； M23C6-面心立方晶系，M-Fe、Ni、Co、Mn、Cr(M1小原子半徑)，W、Mo、V、Zr(M2大原子半徑)，Nb、Ta、Ti則不溶；C-C、B； M7C3-三角晶系（六方晶系），主要為Cr7C3, 其Cr可被Fe、Mn、Ni、Mo、V取代一部分。（FeC

9、r）7C3中Fe能占60％以上； M6C-面心立方晶系，M′-小原子半徑Fe、Cr、Mn、Ni、Co、V，M-大原子半徑 Mo、W、Zr、Nb、Ta、Ti。按固溶元素的多少可分為：M3′M3C(η1)、M2′M4C(η2)、M6′M6C(缺碳 M6C相，η)。,碳化物—碳原子半徑/金屬原子半徑＜0.59時(shí),TiC-多分布在晶界上，呈不規(guī)則形狀。13500C以上，固溶處理也不能完全固溶。8000C以上，在晶內(nèi)以彌散狀析出。TiC能溶

10、入大量的Mo、W、V、Nb、Ta、N,但不能溶入Fe、Co、Ni；NbC-在含Nb鋼中經(jīng)常出現(xiàn)NbC相，一般彌散分布在晶內(nèi)，可限制晶粒粗化。合金中的一次NbC相不穩(wěn)定，經(jīng)熱處理后轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6相；VC-在5000C回火時(shí)析出，VC不溶解Fe、Co、Ni,可溶入＞30%Cr以及大量的Mo和W。在13500C時(shí)溶入奧氏體。釩鋼中常形成缺碳式的V4C3（細(xì)?。?氮化物,形成氮化物能力（穩(wěn)定性）排列如下： Nb＞Ti＞V＞Cr＞

11、Mn＞Fe,簡單間隙相結(jié)構(gòu)的氮化物,FeN、Fe2N、Fe4N、CrN、Cr2N、VN、TiN、AlN。,復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氮化物,Z相（NbCrN） 四方晶系； BN，六方晶系；δ－WN，六方晶系；β－Nb2N，六方晶系； Fe2N，正交晶系；ε－Fe3N-Fe2N，六方晶系；,γˊ－Fe4N，立方晶系； Cr2N ，密排六方晶系； (Cr,Fe)2N1-x ，六方晶系； CrMoNx(1<x<2)，六方晶系；

12、 Mn4N，立方晶系； α－Si3N4,β-Si3N4，六方晶系；,β型氮化物(Fe,Ni)8-x(Cr,Mo)12+xN4-y ，立方晶系,硫化物,(MnFe)S，立方晶系。MnS，立方晶系。CaS，立方晶系。Fe1-xS，六方晶系。M2CS，Y相，六方晶系。,磷化物,Fe3P,硼化物,四方晶系：M3B2、Fe2B、(FeCr)2B、Cr2B、Ti2B、δ-MoB、Mo2B、(CrNi)5B4(M5B4)、(CrNi)4B3

13、 正交晶系：FeB、CrB、TiB、Ni3B 六方晶系：CrB2、TiB2、MoB2,金屬間化合物,幾何密排相－稱為GCP相 拓?fù)涿芘畔啵Q為TCP相,常見金屬間化合物,續(xù)表,鋼和合金物理化學(xué)相分析方法,分解基體，提取第二相?；旌舷噙M(jìn)行分離。對提取或分離的相進(jìn)行X－射線衍射相鑒定。相中各元素的測定，計(jì)算各相的量及組成結(jié)構(gòu)。X-射線小角散射法測定析出相的粒度分布。,相的提取方法,置換法 鹵素法 酸溶法 電解法,第二相

14、的電解提取方法,原理： 合金試樣作為陽極，在外電場作用下與電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，利用不同相（基體，化合物）穩(wěn)定電位的差別電解提取目的相。 穩(wěn)定電位取決于基體和相與溶液雙方的性質(zhì)，在同一溶液中，不同金屬基體和相具有不同的穩(wěn)定電位，它們可以通過恒電位儀進(jìn)行測定。方法：恒電流電解法恒電位電解法,① 恒電位儀 ② 電解槽 ③ 過濾瓶圖1 恒電位電解裝置,合金基體,,γ′ +ε″+ε+AB2+NbC+G,

15、,合金基體,γ′,ε″+ε+AB2+NbC+G,相的分離方法,化學(xué)分離方法 電化學(xué)分離方法 物理方法（很難定量） 磁選法 比重法,相的X-射線衍射鑒定,電解提取或相分離得到的粉末進(jìn)行X-射線衍射相鑒定，以達(dá)到以下目的：確定析出相的類型及點(diǎn)陣常數(shù)檢驗(yàn)選擇的相提取或分離方法的效果,析出相的粒度分布測定—X-射線小角散射法,方法的特點(diǎn)為：測定對象是經(jīng)電解提取或相分離得到的粉末，消除了基體或共存相的干擾。所用的X-射線的波

16、長僅0.1nm左右，所測顆粒為一次顆粒（原顆粒）。測量信息來自109—1011個(gè)顆粒，測定結(jié)果具有充分的統(tǒng)計(jì)代表性，數(shù)據(jù)的重復(fù)性好。測定范圍：1nm—300（600）nm。,物理化學(xué)相分析研究對象,碳鋼和低合金鋼 高速鋼 磨具鋼耐熱鋼 高強(qiáng)鋼 不銹鋼 高溫合金 銅合金,鈦合金 鎂合金 鋁合金 難熔合金 記憶合金 逐層相分析 堆焊金屬材料,碳鋼和低合金鋼,碳鋼，低合金鋼，珠光體鋼和馬氏體鋼（M3C、M7C

17、3、M23C6、MC等）。微合金化鋼[M3C、VC、TiC、NbC、M(CN)、MN等]。含Cr<5%的鋼（碳化物、氮化物、金屬間化合物）。含石墨碳鋼和合金化鑄鐵（碳化物、氮化物、石墨、氧化物、硫化物）。Fe-Al-Si-C(ε相、Fe3AlCx)。奧氏體高錳鋼（M3C、M7C3,MnS）。低合金錳鋼[V(CN)、VC、α相]。含12％Cr的馬氏體鋼和以碳化物強(qiáng)化的奧氏體鋼。,高速鋼,W9Mo3Cr4V

18、日本SKH9西德M2國產(chǎn)M2、W18高碳加氮，高氮9Cr13Mo3Co3Nb2V粉末冶金高速鋼等 常見的析出相為，M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C、M(CN)、M3C、M2(CN)等。,磨具鋼,P20P37CT調(diào)質(zhì)鋼高Co稀土熱作磨具鋼 常見的析出相為：μ、Laves、MC、M2C、M23C6、M6C、M7C3、Fe3C等。,耐熱鋼,新型Fe-Cr2-Mo0.9鋼Cr

19、-Mo-V鋼鋼新型鉄素體耐熱高強(qiáng)度鋼Cr-Mn-N鋼0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-NbN鋼（有富銅相）Cr-Ni-N-RE鋼G102、G106鋼,常見的析出相為：M2(CN)、M6C、M23C6、M7C3、MN、MC、AB2、M3C等。,高強(qiáng)鋼,C0.2Ni9Cr2Mo1Co鋼Fe-Cr2-Mo1鋼15－5PH鋼（加Cu）,常見的析出相為：Fe3C、CrN、M23C6、M2(CN)、M7C3、M6C等。,不銹鋼,Cr

20、18Ni181Cr18Ni9Ti1Cr12Mo馬氏體00Cr16Ni65Mo1600Cr25Ni35AlTi2RE6900Cr25Ni22Mo2.4雙相（α－Fe,γ）不銹鋼,常見的析出相為，σ、M23C6、Cr2N、M7C3、Ti(CN)、TiN、TiC、Ti2CS、α-MnS、M6C(M12C)等。,高溫合金,鑄造合金變形合金,鎳基合金鐵基合金鐵鎳基合金鈷基合金,銅合金,Cu-Bi-Ag,Cu-Bi-Co合金，

21、第二相為： Bi、Cu、CeO2、α-Bi2O3、Ag。Cu-Ni-Al-Ti-Cr-Si-Fe系合金，第二相為：γ′、Ni7Ti2Si3和α－Cr。,鈦合金,鈦合金中主要生成α和β相。 Ti-CrTi-SiTi-Mo合金（Ti5Si3、TiC等）,鎂合金,Mg-AlMg-ZnMg-LiMg-Al-Zn-Mn,常見的析出相為：Mg17Al12、AlFe、Al5Fe2、AlMn、Al8Mn5、Zr3Al、ZnAl、β-

22、Mn、CeO2等。,鋁合金,Al-Cu-Mg系2024鋁合金:有Al2Cu相、Al7Cu2Fe相；Al-Mn-Ni：Al6Mn、Al3Ni、Al60MnNi4相；Al-Mn-Fe：Al6(MnFe)相；Al-Co-Ni：Al3Ni、Al9Co2相。Al-Cr-Zn：Al7(CrZn)、Al7Cr相。,難熔合金,鉬基合金：以碳和鈦?zhàn)澹╖r、Hf、Ti），釩族（V、Nb、Ta）的強(qiáng)碳化物形成元素進(jìn)行化合，析出相為：M2C、

23、MC相。PM-T2C鉬基合金，第二相為： MC、M2C相，ZrO2、La2Zr2O7及2ZrO2·La2O3復(fù)合氧化物夾雜。鎢基合金：W-Mo系，電燈上的鎢絲，第二相為：WO2、W2O5、WO3、W2C、WC、MC、ZrC、NbC、氧化物夾雜等。,難熔合金,鈮基合金 析出相：MC、M2(CN)、β-Nb2C等。Nb-(Zr、Ti、Hf) Nb-(V、Ta) Nb(Cr、Mo、W),難熔合金,鉻基

24、合金Cr-Nb-Mo-W-C系Cr-Mo-Fe-W-C系Cr-Mo-Nb-C系Cr-Mo-Ta-Fe-C系,析出相： MC、Cr2N、 CrN、 Cr23C6、 Cr7C3、(FeCr)2(MoTaTi)、Cr3Nb3C 等。,記憶合金,Cu-Zn-Al記憶合金，析出相：α、β相；SMA-Co記憶合金，析出相：γ、M23C6、Laves、G、σ、Ti(CN)、NbC等相； Fe-31Ni-10Co-3Ti形狀記憶合金，γ

25、′-(Ni(CoFe))3Ti相的析出規(guī)律對合金馬氏體相變組織、力學(xué)行為及形狀記憶效應(yīng)的影響。,逐層的物理化學(xué)相分析,采用電化學(xué)方法（電解拋光、電解浸蝕），通過改變電解條件，尤其是改變電流密度和電解時(shí)間的方法，取下比較均勻的、給定厚度的表層。 對一系列薄層中的第二相進(jìn)行X-射線衍射相鑒定及定量相分析。,例 滲氮鋼的逐層相分析,采用逐層相分析法，可確定馬氏體和奧氏體鋼隨滲氮層深度不同其耐蝕性不同的原因。,鋼的滲氮層： 表面

26、層為耐蝕性較低的區(qū)域； 中間層為耐蝕性較高的區(qū)域； 更深層為耐蝕性低的區(qū)域。,例 高Cr滲氮鋼表面層的相組成,氮化物中的鉻,固溶體中的鉻,氮化物中的氮,固溶體中的氮,不耐蝕區(qū),高Cr滲氮鋼逐層相分析結(jié)果,表面層存在大量以鐵為基的相，其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致該層耐蝕性較低；深度至0.17mm的滲氮層由三相組成：(FeCr)(CN)、CrN、富氮富鎳固溶體,其氮化物總量為30％，有較高的耐蝕性；0.17—0.22mm滲氮層，氮化物

27、顯著減少，固溶體中氮減少，鉻未增加到所需濃度，導(dǎo)致該層耐蝕性低。更深一層固溶體中鉻含量≥15％，其耐蝕性高。,堆焊金屬材料,可在一個(gè)狹窄的表面區(qū)域或?qū)⒛覆南魅ヂ冻龊笇樱M(jìn)行相的離析和溶解及定量分析。母材的表面不用分析的部分可用石蠟或用聚氯乙烯硬質(zhì)601粘合劑密封。,鋼和合金物理化學(xué)相分析在金屬材料研究中的作用,改進(jìn)或確定合金的成分 進(jìn)行合金組織及組織穩(wěn)定性的研究 確定合金的熱處理制度 了解合金元素的作用和合金強(qiáng)化機(jī)理

28、合理選擇加工工藝參數(shù) 合金材料使用后時(shí)效分析和事故分析 對仿制國外材料具有重要的指導(dǎo)作用,改進(jìn)或確定合金的成分,例1 某不銹鋼中鎳含量的確定例2 GH128合金的碳含量和鐵含量的確定,例1 某不銹鋼中鎳含量的確定,某不銹鋼具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，其金相組織呈現(xiàn)較多的第二相：σ、η`（缺碳M6C）、M23C6、NbC等。850℃受熱后第二相嚴(yán)重析出，此時(shí)合金的沖擊韌性顯著下降。 提高鎳含量能有效的減少σ相生成，

29、但同時(shí)會增大碳在奧氏體中的活度，當(dāng)合金在高溫或中高溫受熱時(shí)更易析出M23C6、NbC相。查明鎳含量對各相量的影響，選擇合適的鎳含量減少不利相（σ相）的量，必須進(jìn)行定量相分析，相分析其結(jié)果如圖所示。,25%Ni,35%Ni,25%Ni,35%Ni,35%Ni,25%Ni,25%Ni,35%Ni,某不銹鋼相分析結(jié)果的討論,鎳含量為35％時(shí)，合金在通常焊接溫度受熱情況下， σ相析出量小于0.05％，即使在850℃受熱15h，也比含25％鎳

30、合金的σ相的量小10倍。此時(shí)M23C6的最大析出量（700 ℃）也有所下降，M6C最大析出量（850℃）并無變化。力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，合金含35％鎳比含25％鎳時(shí)，其沖擊韌性值有很大改善。,例2 GH128合金中碳含量和鐵含量的確定,碳含量的確定 鐵含量的確定,GH128合金中碳含量對析出相的影響,σb（室溫）,δ（室溫）,σb（950℃）,結(jié)果討論（碳含量）,碳含量增加，一次碳化物迅速增多，而二次碳化物顯著減少，使晶界上形成不成鏈狀碳

31、化物。合金固溶處理，其組織為γ固溶體和M6C型一次碳化物，時(shí)效后，碳低的合金為γ固溶體和一次、二次M6C。當(dāng)碳含量≥0.046％時(shí)，合金析出了μ相，并隨著碳量增加而增多。碳含量增加，室溫拉伸強(qiáng)度提高，延伸率下降，高溫強(qiáng)度和高溫持久強(qiáng)度明顯下降。碳含量應(yīng)控制在0.05％以下。,總量,μ相,M6C相,固溶+900℃×100h 固溶,,,,σb（20℃）,δ（20℃）,σb（950℃）,結(jié)果討

32、論（鐵含量）,合金經(jīng)固溶處理后，隨著鐵含量增加，其室溫和高溫拉伸強(qiáng)度基本不變，持久壽命逐漸下降，當(dāng)鐵增至13.86％時(shí)，持久強(qiáng)度又有回升現(xiàn)象。合金經(jīng)900℃×100h時(shí)效后，室溫拉伸強(qiáng)度有所提高，室溫拉伸塑性隨鐵含量的增加而顯著降低。 相分析結(jié)果表明，上述性能的變化主要是μ相的影響。μ相析出量隨鐵含量增加而迅速增多，使基體強(qiáng)化元素貧化，其顆粒也逐漸增大（金相觀察），因此GH128合金的鐵含量應(yīng)盡量低一些。,進(jìn)行合金組織

33、及組織穩(wěn)定性的研究,例1 鐵基固溶強(qiáng)化高溫合金 例2 GH128合金的組織穩(wěn)定性,例1 GH131鐵基固溶強(qiáng)化高溫合金,鐵基固溶強(qiáng)化高溫合金，很難避免時(shí)效傾向，在工作溫度受熱一定時(shí)間，其W、Mo等強(qiáng)化元素易與鐵生成Laves相或μ相。這既造成這些元素在基體中貧化，又可能因TCP相的產(chǎn)生使合金機(jī)械性能惡化。 為此，弄清相的析出規(guī)律及其與性能的關(guān)系，是保證材料可靠使用的重要依據(jù)。,,,≈,≈,≈,固溶,總量,Laves 相,Z

34、 相,NbC,M6C,,,總量,Laves 相,Z 相,M6C,NbC,,≈,固溶,,δ5%,Laves相,≈,固溶,800,600,700,900,400,GH131合金相分析結(jié)果討論,合金中存在四個(gè)相,Laves、Z、M6C、NbC。隨時(shí)效溫度增高Laves相變化顯著，Z、M6C、NbC相均與固溶狀態(tài)試樣差別不大。合金在800℃×200h時(shí)效后，析出相的種類和數(shù)量才穩(wěn)定，200h以前主要相變也只是Laves相的不斷析出

35、。室溫拉伸δ5(％)最低者正是Laves相最多時(shí)，Laves相析出使室溫塑性降低給部件修理帶來困難，但是Laves相對高溫塑性卻有利。預(yù)先時(shí)效對合金在高溫使用是必要的。此外，可以采取重新固溶的方法使Laves相回溶入基體，再次固溶處理可使δ5(％)值從15.3回復(fù)到38.5％，借此可以克服室溫修理加工中材料變形等麻煩。,例2 GH128合金的組織穩(wěn)定性,GH128合金是我國自行研制成功的一種固溶強(qiáng)化鎳基高溫板材合金，為合理的使用該合

36、金，除了進(jìn)行各項(xiàng)性能測試外，還采用物理化學(xué)相分析方法研究了該合金第二相溶解析出規(guī)律及組織穩(wěn)定性。,M6C,TiN,M23C6,≈,≈,,,≈,固溶,M6C 900℃,M6C 700℃,TiN,M23C6,,≈,,固溶,GH128合金相分析結(jié)果討論,GH128合金在固溶狀態(tài)下只有M6C、TiN二相。700℃－800℃時(shí)效過程中沿晶界（金相觀察）析出微量M23C6，800℃以上除TiN

37、外，只有少量的M6C（1.5％）相析出，析出量基本穩(wěn)定，當(dāng)至1100℃時(shí)，M6C相開始溶入基體。TiN基本不變。 GH128合金析出相簡單，析出相的量較少，析出相非常穩(wěn)定，因此該合金在700－1000℃廣泛溫度范圍內(nèi)可長期使用。,確定合金的熱處理制度,例1 GH907合金不同冷卻工藝下析出相的變化規(guī)律 例2電渣熔鑄渦輪盤GH136合金的熱處理制度的制定,例1 GH907合金不同冷卻工藝下析出相的變化規(guī)律,采用物理化學(xué)相分析

38、研究GH907合金在不同冷卻工藝下試樣中的析出相的變化規(guī)律 ，可指導(dǎo)其冷卻工藝的制定。,油冷,空冷,爐冷,水冷,水冷,油冷,空冷,爐冷,ε″+ε,AB2,GH907合金相分析結(jié)果討論,γˊ相以空冷最高，ε″＋ε,AB2相均以水冷最高，MC相基本不變 。采用1040℃與980℃×1h空冷的制度，經(jīng)上述處理之后的GH907合金都具有較好的綜合力學(xué)性能，是因?yàn)槌浞职l(fā)揮了γˊ和ε″＋ε的強(qiáng)化作用，其中ε″＋ε有利持久性能的提高。,

39、例2電渣熔鑄渦輪盤GH136合金的熱處理制度的制定,γ′,η,AB2+M3B2,M3B2中硼,TiC+Ti(CN),鑄態(tài),1200,1100,1000,900,γ′,η,M3B2中硼,AB2+M3B2,TiC+Ti(CN),γ′,η,AB2,TiC,Ⅲ,Ⅰ,Ⅳ,Ⅱ,GH136合金合金相分析結(jié)果討論,隨淬火溫度的升高，鑄態(tài)冷卻過程中析出的γˊ相逐漸溶解，≥950℃全部溶入基體；900－1020℃范圍內(nèi)淬火，析出η相（魏氏體），1050℃

40、η相基本溶入基體。間隙相在不同淬火溫度區(qū)間數(shù)量變化不大，但高于1150℃，有向基體回溶的趨勢，但直到1200℃淬火也不能全部溶入基體中。時(shí)效溫度對γˊ和η相的數(shù)量變化影響較大，750℃時(shí)效時(shí)γˊ最多，而兩種η相（群體η和魏氏體η）總量在900℃時(shí)效達(dá)到最多。間隙相隨時(shí)效溫度不發(fā)生變化。熱處理過程中主要是γˊ和η相發(fā)生變化，γˊ是主要強(qiáng)化相，η群體相導(dǎo)致合金強(qiáng)度和缺口持久性能下降，η魏氏體相導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降但不影響塑性。在我們研究

41、GH136合金中凡是熱處理后出現(xiàn)η相之后，室溫強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、高溫持久壽命、低循環(huán)疲勞性能都降低。從斷口觀察可以看到裂紋都是沿η相發(fā)展的。因此在制定熱處理制度時(shí)，淬火溫度應(yīng)高于η相溶解的溫度，時(shí)效和使用溫度應(yīng)低于η相的析出溫度。在1050℃×4h油淬，700℃或稍高一些溫度時(shí)效32h時(shí)，沒有η相的析出，這就可作為GH136合金的熱處理制度。,了解合金元素的作用和合金強(qiáng)化機(jī)理,例1 研究鈮對GH151合金的強(qiáng)化作用

42、例2 某些元素的含量對GH907合金中析出相的影響,例1 研究鈮對GH151合金的強(qiáng)化作用,CH151合金中加入Nb，可顯著提高合金的高溫持久強(qiáng)度。相分析指出，合金在熱處理狀態(tài)下的組織，由γ、γ′、MC、M6C、M23C6等相組成。鈮是通過γˊ還是NbC或通過固溶體來強(qiáng)化的呢？這就需要研究Nb在各相中如何分布。這是一般化學(xué)元素分析結(jié)果不能解決的問題，必須用物理化學(xué)相分析方法將各相定量提取并一一分離，定量測定各相中各組成元素的量，由

43、此計(jì)算出合金元素在各相之間的分布。,950℃ 20kg/mm2,GH151合金合金相分析結(jié)果討論,Nb主要分布在γˊ和NbC中，而固溶體中只有很少一點(diǎn)(0-0.2％)。因此可以確定Nb不是通過強(qiáng)化基體來提高高溫強(qiáng)度的。Nb含量0-2.13％，在碳極低時(shí)，合金中NbC很少(<0.15％)，而γˊ中Nb隨合金中Nb量增加而明顯增加，γˊ相量增多，γˊ相中Nb的濃度增加（0-2.84％），合金持久性能也隨γˊ相中Nb的濃度增加到

44、2.5％而達(dá)到最高值。再提高γˊ相中Nb的濃度，持久壽命反而下降。合金中碳增加0.05-0.17％，NbC中Nb的含量由0.25-1.39％，而合金850℃時(shí)持久性能保持在相近的水平，不隨NbC數(shù)量變化而變化。結(jié)論：Nb主要是通過γˊ相來強(qiáng)化合金；Nb在γˊ相中的濃度為2.5％時(shí)該合金的持久強(qiáng)度最高。,例2 某些元素的含量對GH907合金中析出相的影響,為了探討GH907合金在相同熱處理制度（980℃×1h空冷＋775

45、℃×12h到→620℃ ×8h空冷）下，不同Si、Al、Nb、Ti含量對析出相的影響作用而進(jìn)行物理化學(xué)相分析 。,,,γ′,,ε″+ε,AB2,G,,γ′,,,ε″+ε,AB2,γ′,ε″+ε,AB2,γ′,ε″+ε,AB2,GH907合金合金相分析結(jié)果討論,相分析結(jié)果表明：在相同的熱處理?xiàng)l件下，不同Si、Al、Nb、Ti含量對析出相地影響是非常大的，我們在制定該合金成分范圍時(shí)應(yīng)該注意充分發(fā)揮有利于γˊ的形成和增加

46、的合金元素范圍，現(xiàn)大致已確定無鉻低膨脹高溫合金GH907的主要成分為（％）：C0.02、Si0.17、Ni38、Co14、Nb4.7、Ti1.5、Al<0.2、鐵余量。,合理選擇加工工藝參數(shù),一般正常的熱加工方法所選擇的熱加工溫度應(yīng)高于一次相的溶解（強(qiáng)化相溶解）低于晶界過燒和共晶熔化的溫度，即在合金塑性最好溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行熱加工，因此這種正常熱加工方法的加熱溫度要求高些，時(shí)間也要長些，還有嚴(yán)格控制不能過高。 通過物理化學(xué)

47、相分析，可以確定某析出相的析出溫度范圍以及析出峰的溫度，從而制定正確的溫加工工藝。,例 GH169合金加工工藝參數(shù)的制定,GH169合金主要依靠γ″和γˊ強(qiáng)化，γ″相是一種亞穩(wěn)定相，容易過時(shí)效，當(dāng)時(shí)效溫度超過700℃以上就要轉(zhuǎn)化為δ－Ni3Nb（正交晶系），此相呈薄片狀，使合金強(qiáng)度降低。如果利用特殊的加工方法在δ－Ni3Nb相大量析出的溫度下進(jìn)行變形加工，破碎δ相，可得到很細(xì)的晶粒，使有害相變?yōu)橛欣?，從而提高合金的某些性能?

48、 這里就需要利用物理化學(xué)相分析的方法，首先找出δ－Ni3Nb相的析出溫度范圍以及析出峰的溫度來制定正確的溫加工工藝。,δ-Ni3Nb,γ″,0.1 1 10 100,GH169合金合金相分析結(jié)果討論,通過相分析結(jié)果確定δ－Ni3Nb相的析出峰溫度為900℃，溶解溫度為1050℃，因此可以根據(jù)δ－Ni3Nb相的析出規(guī)律確定合理的溫加工溫度，以得到細(xì)化的晶粒。,

49、900℃,,,溫度,最低再結(jié)晶溫度,δ相溶解溫度,沉淀片狀,溫加工,再結(jié)晶,時(shí)效,Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ,,合金材料使用后時(shí)效分析和事故分析,例 熱電廠的耐熱鋼主蒸汽管,例1 熱電廠的耐熱鋼主蒸汽管,熱電廠的耐熱鋼主蒸汽管及其它高溫合金部件，在高溫高壓下長期運(yùn)行，其熱強(qiáng)性能逐漸下降，甚至發(fā)生爆管或斷裂的嚴(yán)重事故。 經(jīng)物理化學(xué)相分析證明：耐熱鋼性能下降與鋼中合金元素在不

50、同類型碳化合物中的含量變化有關(guān)。準(zhǔn)確可靠地測定合金元素在不同類型碳化物相中的含量已成為搞好熱電廠高溫金屬材料監(jiān)督工作的重要測試手段。,碳化物中Cr,碳化物中Mo,0 45154 107675 150000 原始段 二次切割段 四次切割段 五次切割段,固溶體中Cr,固溶體中Mo,M3C,M2C+M6C,M7C3+M23C6,0 45

51、154 107675 150000 原始段 二次切割段 四次切割段 五次切割段,耐熱鋼主蒸汽管相分析結(jié)果討論,鋼中合金元素在固溶體和碳化物相之間發(fā)生了顯著再分配，即固溶體中合金元素Cr、Mo貧化，碳化物中Cr、Mo相應(yīng)的富集，Mo向碳化物轉(zhuǎn)移速度最快。當(dāng)運(yùn)行10萬多h后，轉(zhuǎn)移速度減緩下來。主蒸汽管原始段中M3C相占碳化物總量的90.2％，但該相不穩(wěn)定，隨長期運(yùn)行（15萬

52、h，失效）M3C相占碳化物總量的百分?jǐn)?shù)降至79.6％。M2C+M6C，其趨勢（占碳化物相總量）是增加的（8.5％—17.2％）。M7C3+M23C6，其趨勢（占碳化物相總量）雖然是增加的（1.2％—6.4％），但比起M3C、M2C＋M6C相，其變化不是那么顯著。從上述分析表明：鋼在運(yùn)行中相的含量和相的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致鋼的持久強(qiáng)度和蠕變極限逐漸降低。10.7萬h，510℃時(shí)，持久強(qiáng)度由原始23.5㎏/㎜2 降至12

53、.4㎏/㎜2 ，15萬h后降至10.5㎏/㎜2 。10.7萬h，510℃時(shí)，蠕變極限強(qiáng)度由原始10.0㎏/㎜2 降至7.5㎏/㎜2 ，15萬h后降至7.28㎏/㎜2 。為了安保，考慮到強(qiáng)度下降，我們需要更換新的鋼管。,對仿制國外材料具有重要的指導(dǎo)作用,例 GH648合金的研制 GH648合金是仿制蘇聯(lián)ЭП648鎳基合金的一種時(shí)效沉淀強(qiáng)化型變形高溫合金。,GH648合金的相的分析結(jié)果,平均粒度 D=123.8（

54、nm）仿制的GH648合金,平均粒度 D=62.9（nm） ЭП648合金實(shí)物,圖 GH648（ЭП648）合金中γ′相的粒度分布,平均粒度 D=183.6 （nm）仿制的GH648合金,平均粒度 D=185.1 （nm） ЭП648合金實(shí)物,圖 GH648（ЭП648）合金中α-Cr相的粒度分布,GH648合金的相的分析結(jié)果討論,相分析結(jié)果表明：仿制的GH648合金與ЭП648合金實(shí)物相比在γˊ相的含量低一點(diǎn)外，其γˊ相的粒度