长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化.
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第四章 长期在高温条件下金属材料 组织结构与性能的变化
珠光体的球化和碳化物聚集 1、珠光体的球化
定义：当温度较高时，原子的活动力增强，扩
散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变成球状， 再逐渐聚集成大球团的现象。
20号钢珠光体球化金相组织图 （a）未球化（原始态）组织250×；(b) 球化后的组织500×
图 3-3(a) 图 3-3(b) 图 3-3(c) 图 3-3(d)
石墨化评级图
(a) 1级；(b) 2级；(c) 3级；(d) 4级
3、石墨化的影响因素
•温度、时间
•化学成份：铬、钛、钒、铌等防止石墨 化。硅、铝、镍等却起促进石墨化。 •晶粒大小
•冷加工变形程度等存在的应力问题
合金元素在固溶体和碳化物
碳化物面积百分比 （
m
）
0.0384
0.2885
0.5920
0.9176
1.2301
20 号低碳钢珠光体球化级别标准与组织特征 名称 未球化 倾向性 球化 球化级别 第一级
b ( MPa )
519.9
s ( MPa)
347.3
(%)
30.0
HB 150～155
组织特征 珠光体中的碳化物略呈片 状 珠光体中的碳化物开始分 散；珠光体形态明显 珠光体区域中的碳化物开
定义：是指钢中的渗碳体分解成为游离碳， 并以石墨形式析出，在钢中形成石墨夹杂 的一种组织转变。
性能：石墨化现象的发生会使钢材性能恶 化，脆性急剧增大，容易导致钢管发生脆 性爆破事故。
石墨化条件：
高温、应力、温度（450℃~700℃）
反应式：
（石墨）
组织变化过程：
片状渗碳体→球状渗碳体→分解为石墨点
2、固溶体和碳化物中合金元素成分的变化
（1）低合金铬钼钢
(a) 15CrMo钢
(b) 12MoCr钢
管道用钢碳化物中的钼质量分数与运行时间的关系
12MoCr 钢长期在 510℃下运行时碳化物成分的变化 碳化物中合金元素的量占钢中 运行条件 温度（℃） 未运行 510 510 510 时间（h） 未运行 45141 90329 106765 Mn 10.2 23.1 27.9 29.1 合金元素量的百分比（%） Cr 11.3 23.6 18.1 24.0 Mo 2.7 24.2 41.5 55.3 铁素体的显微
影响因素：温度、时间、成分（特别是含 碳量）、应力 发生原因：
合金元素原子溶入铁素体→固溶体→ 产生 晶格畸变→ 晶格不稳定→在高温的作用下 → 合金元素原子从固溶体中转移到结构比 较稳定的碳化物中→ 固溶体的贫化
合金元素的重新分配过程包含两个方面：
•固溶体和碳化物中合金元素含量的变化， 亦即碳化物成分的变化； •碳化物结构类型、数量和分布形式的变 化。
完全 球化 严重 球化
5、材料发生球化后的恢复处理
已发生球化的钢可采用热处理的方法 使之恢复原来的组织。将已发生球化的珠 光体钢加热到完全变成奥氏体组织的温度 （略高于900℃），保温一定时间（约1小 时左右），由于相变与再结晶，在冷却后 可得到原来的金相组织，从而消除了球化 现象
石墨化
1、石墨化的产生及对材料性能影响
第二级
485.6
300.2
百度文库
29.0
146～150
轻度 球化
第三级
456.2
277.6
31.0
121～124
始分散，并开始逐渐向晶 界扩散；珠光体形态尚明 显
中度 球化
珠光体区域中的碳化物已 第四级 416.9 204.1 33.4 110～122 明显分散，并已向晶界聚 集；珠光体尚保留其形态 珠光体形态已消失，球状 第五级 367.9 196.2 35.8 104～107 化碳化物分布在晶界及铁 素体基体上，分散度较大 第六级 359.1 188.4 38.8 99.5～104 晶界及铁素体上的碳化物 已逐渐长大，分散度大
30~60 60
石墨化的级别对应的组织特征
石墨化级别及其组织特征 级 别 1 2 3 4 特 征 石墨球小，间距大，无石墨链 石墨球较大，比较分散，石墨链短 石墨球呈链状，石墨链较长，或石墨聚集呈块状， 石墨块较大，具有连续性 石墨呈聚集链状或块状，石墨链长，具有连续性 严重石墨化 名 称 轻度石墨化 明显石墨化 显著石墨化 图号
之间的重新分配
1、合金元素的重新分配过程
定义：合金元素随时间由一种组织组成物 向另一种组织组成物转移的现象 分配特点：固溶体中合金元素的含量逐渐 减少，碳化物中合金元素含量逐渐增多， 即合金元素由固溶体向碳化物转移，使固 溶体中合金元素贫化。
性能变化：钢的固溶强化作用显著降低， 同时沉淀强化的作用也减弱，因此材料的 强度、蠕变极限和持久强度下降
是以球化的组织状态和相应的机械性 能来表示。
20 号低碳钢各球化级别相应的碳化物分析数据 球化级别 碳化物平均尺寸 （m ） 1级 1.0391 2级 1.0923 3级 1.2432 4级 1.7906 5级 2.7916
碳化物最大尺寸 （
m
）
1.9968
3.3823
3.8785
5.6848
7.6470
2、球化对金属材料性能的影响 （1）对室温机械性能的影响 珠光体球化会使材料的室温强度降低
（2）对高温机械性能的影响
珠光体球化会使材料的的蠕变极限和 持久强度明显下降
3、影响珠光体球化的因素
•温度的影响
•化学成分的影响 •应力作用的影响 •晶粒度的影响 •冷加工变形程度
4、珠光体球化的级别
球化级别的划分的依据：
(%)
>50 15~50 6~20 <10
a k ( J / cm )
>80 50~100 20~50 <30
石墨化级别及其机械性能 2 弯曲角
o o o
石墨化面积(%)
m ( 石墨链长
<20 20~30
)
o 90
50 ~100
o
20 ~70 <30
o
<3 3~7 7~15 12~30
→长大成球→逐渐发展为球状、团絮状和 链状
2、石墨化的级别
钢材石墨化按石墨化面积、石墨链的 长度、组织特征及其机械性能，通常将 石墨化分为4级： 1级—轻度石墨化 2级—明显石墨化 3级—显著石墨化 4级—严重石墨化
石墨化的级别对应的机械性能
级别 1 2 3 4
(%)
>24 10~30 6~20 <10
Hu20 硬度
（载荷 20g） 160 140 146 143
珠光体的球化和碳化物聚集 1、珠光体的球化
定义：当温度较高时，原子的活动力增强，扩
散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变成球状， 再逐渐聚集成大球团的现象。
20号钢珠光体球化金相组织图 （a）未球化（原始态）组织250×；(b) 球化后的组织500×
图 3-3(a) 图 3-3(b) 图 3-3(c) 图 3-3(d)
石墨化评级图
(a) 1级；(b) 2级；(c) 3级；(d) 4级
3、石墨化的影响因素
•温度、时间
•化学成份：铬、钛、钒、铌等防止石墨 化。硅、铝、镍等却起促进石墨化。 •晶粒大小
•冷加工变形程度等存在的应力问题
合金元素在固溶体和碳化物
碳化物面积百分比 （
m
）
0.0384
0.2885
0.5920
0.9176
1.2301
20 号低碳钢珠光体球化级别标准与组织特征 名称 未球化 倾向性 球化 球化级别 第一级
b ( MPa )
519.9
s ( MPa)
347.3
(%)
30.0
HB 150～155
组织特征 珠光体中的碳化物略呈片 状 珠光体中的碳化物开始分 散；珠光体形态明显 珠光体区域中的碳化物开
定义：是指钢中的渗碳体分解成为游离碳， 并以石墨形式析出，在钢中形成石墨夹杂 的一种组织转变。
性能：石墨化现象的发生会使钢材性能恶 化，脆性急剧增大，容易导致钢管发生脆 性爆破事故。
石墨化条件：
高温、应力、温度（450℃~700℃）
反应式：
（石墨）
组织变化过程：
片状渗碳体→球状渗碳体→分解为石墨点
2、固溶体和碳化物中合金元素成分的变化
（1）低合金铬钼钢
(a) 15CrMo钢
(b) 12MoCr钢
管道用钢碳化物中的钼质量分数与运行时间的关系
12MoCr 钢长期在 510℃下运行时碳化物成分的变化 碳化物中合金元素的量占钢中 运行条件 温度（℃） 未运行 510 510 510 时间（h） 未运行 45141 90329 106765 Mn 10.2 23.1 27.9 29.1 合金元素量的百分比（%） Cr 11.3 23.6 18.1 24.0 Mo 2.7 24.2 41.5 55.3 铁素体的显微
影响因素：温度、时间、成分（特别是含 碳量）、应力 发生原因：
合金元素原子溶入铁素体→固溶体→ 产生 晶格畸变→ 晶格不稳定→在高温的作用下 → 合金元素原子从固溶体中转移到结构比 较稳定的碳化物中→ 固溶体的贫化
合金元素的重新分配过程包含两个方面：
•固溶体和碳化物中合金元素含量的变化， 亦即碳化物成分的变化； •碳化物结构类型、数量和分布形式的变 化。
完全 球化 严重 球化
5、材料发生球化后的恢复处理
已发生球化的钢可采用热处理的方法 使之恢复原来的组织。将已发生球化的珠 光体钢加热到完全变成奥氏体组织的温度 （略高于900℃），保温一定时间（约1小 时左右），由于相变与再结晶，在冷却后 可得到原来的金相组织，从而消除了球化 现象
石墨化
1、石墨化的产生及对材料性能影响
第二级
485.6
300.2
百度文库
29.0
146～150
轻度 球化
第三级
456.2
277.6
31.0
121～124
始分散，并开始逐渐向晶 界扩散；珠光体形态尚明 显
中度 球化
珠光体区域中的碳化物已 第四级 416.9 204.1 33.4 110～122 明显分散，并已向晶界聚 集；珠光体尚保留其形态 珠光体形态已消失，球状 第五级 367.9 196.2 35.8 104～107 化碳化物分布在晶界及铁 素体基体上，分散度较大 第六级 359.1 188.4 38.8 99.5～104 晶界及铁素体上的碳化物 已逐渐长大，分散度大
30~60 60
石墨化的级别对应的组织特征
石墨化级别及其组织特征 级 别 1 2 3 4 特 征 石墨球小，间距大，无石墨链 石墨球较大，比较分散，石墨链短 石墨球呈链状，石墨链较长，或石墨聚集呈块状， 石墨块较大，具有连续性 石墨呈聚集链状或块状，石墨链长，具有连续性 严重石墨化 名 称 轻度石墨化 明显石墨化 显著石墨化 图号
之间的重新分配
1、合金元素的重新分配过程
定义：合金元素随时间由一种组织组成物 向另一种组织组成物转移的现象 分配特点：固溶体中合金元素的含量逐渐 减少，碳化物中合金元素含量逐渐增多， 即合金元素由固溶体向碳化物转移，使固 溶体中合金元素贫化。
性能变化：钢的固溶强化作用显著降低， 同时沉淀强化的作用也减弱，因此材料的 强度、蠕变极限和持久强度下降
是以球化的组织状态和相应的机械性 能来表示。
20 号低碳钢各球化级别相应的碳化物分析数据 球化级别 碳化物平均尺寸 （m ） 1级 1.0391 2级 1.0923 3级 1.2432 4级 1.7906 5级 2.7916
碳化物最大尺寸 （
m
）
1.9968
3.3823
3.8785
5.6848
7.6470
2、球化对金属材料性能的影响 （1）对室温机械性能的影响 珠光体球化会使材料的室温强度降低
（2）对高温机械性能的影响
珠光体球化会使材料的的蠕变极限和 持久强度明显下降
3、影响珠光体球化的因素
•温度的影响
•化学成分的影响 •应力作用的影响 •晶粒度的影响 •冷加工变形程度
4、珠光体球化的级别
球化级别的划分的依据：
(%)
>50 15~50 6~20 <10
a k ( J / cm )
>80 50~100 20~50 <30
石墨化级别及其机械性能 2 弯曲角
o o o
石墨化面积(%)
m ( 石墨链长
<20 20~30
)
o 90
50 ~100
o
20 ~70 <30
o
<3 3~7 7~15 12~30
→长大成球→逐渐发展为球状、团絮状和 链状
2、石墨化的级别
钢材石墨化按石墨化面积、石墨链的 长度、组织特征及其机械性能，通常将 石墨化分为4级： 1级—轻度石墨化 2级—明显石墨化 3级—显著石墨化 4级—严重石墨化
石墨化的级别对应的机械性能
级别 1 2 3 4
(%)
>24 10~30 6~20 <10
Hu20 硬度
（载荷 20g） 160 140 146 143