分享：超超临界锅炉用钢奥氏体晶界显示方法

摘 要:从腐蚀原理出发,对超超临界锅炉用 P９１/P９２钢奥氏体晶界显示方法进行了探索研究. 结果表明:采用过饱和苦味酸Ｇ十二烷基苯磺酸钠Ｇ双氧水溶液热化学浸蚀与１０％(体积分数)硫酸 溶液电解浸蚀相结合的浸蚀方法,可清晰显示 P９１/P９２钢的原奥氏体晶界;P９１/P９２钢的马氏体 晶粒度与实际奥氏体晶粒度评级结果一般相差２~４级;对于 P９１/P９２钢应检测其实际奥氏体晶 粒度. 

关键词:P９１/P９２钢;奥氏体晶粒度;马氏体晶粒度;晶界;浸蚀 

中图分类号:TG１４２．１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０８９１Ｇ０３

P９１/P９２新型铁素体耐热钢由于其优良的高温 性能,广泛应用于超临界、超超临界锅炉集箱、蒸汽 管道中.在对 P９１/P９２钢原材料的日常金相检验 过程中经常会发现,其实际奥氏体晶粒度较粗大,特 别是进口 P９２钢,冲击吸收能量也较低.由于实际 奥氏体晶粒度直接影响钢的性能,粗大的奥氏体晶 粒往往会导致材料冷却后获得粗大组织,从而使材 料具有较低的塑性和韧性.就冲击韧度而言,普通 碳钢和低合金钢的奥氏体晶粒度每细化一级,冲击 韧度能提高１９．６~３９．２J??cm－２,同时冷脆转化温度 可降 低 １０ ℃ 以 上[１].在 GB５３１０－２００８ 中,对 P９１/P９２钢的晶粒度有明 确 规 定:晶 粒 度 ≥４ 级. 因此,加强对进口 P９１/P９２钢实际奥氏体晶粒度的 检查,对判断材料质量、检验其制造工艺的正确性具 有十分重要的意义.

目前,行业内对于 P９１/P９２钢的实际晶粒度是 检测原奥氏体晶粒度还是马氏体晶粒度还存在分 歧,且在奥氏体晶粒内往往会有几个不同位向分布 的马氏体束[２Ｇ３],若以马氏体束大小评定晶粒度级 别,其评定的级别会比实际奥氏体晶粒度级别高许 多.目前,将板条马氏体束界完整清晰地显示出来 还较困难,对其区域大小只是通过板条马氏体束的方向性来粗略确定,人为因素和测量误差较大.由 于不能清晰地显示板条马氏体束界,因而对马氏体 晶粒度的评级不能采用截点法和面积法进行精确度 较高的定量评定,在一些质量问题的交涉上,特别是 对国外公司,目前的评级方法和结果缺乏说服力和 认同性,因为晶粒度的仲裁方法为截点法.

实际晶粒度是指在某一具体加热规范下实际形 成的奥氏体晶粒的大小,并非指奥氏体分解产物的 大小,如铁素体、珠光体的大小.对于铁素体钢晶粒 度的检测,标准规定可以测量铁素体晶粒度或奥氏 体晶粒度,即对于原奥氏体晶界由于组织转变在室 温组织中已不存在的组织类型,其晶粒度的检测可 通过评 定 铁 素 体 晶 粒 度 或 通 过 标 准 规 范 性 附 录 (GB/T６３９４－２０１７附录C、ASTM E１１２－１３附录 A３)推荐的热处理方法进行奥氏体晶粒的评级(特 指评定钢材的本质晶粒度).对于由马氏体或贝氏 体转变形成的组织类型,如 P９１钢和 P９２钢,笔者 认为应通过进行奥氏体实际晶粒度的检测来控制材 料质量.为此,笔者介绍一种能够清晰 显 示 P９１/ P９２钢原奥氏体晶界的方法、原理及操作过程. 

１ 奥氏体晶界显示现状 

目前常用的显示完全淬硬为马氏体组织钢的原 奥氏体晶界的方法,是采用含有苦味酸试剂的溶液 作为浸蚀剂的化学浸蚀法,此方法对于合金元素含 量较低 的 碳 钢 及 调 质 钢 有 一 定 效 果[４Ｇ８].但 对 于 P９１/P９２等合金元素含量较高的马氏体耐热钢原奥 氏体晶界却很难完整清晰地显示出来,晶界显示效 果不理想.图１为 P９２钢经含有缓蚀剂的饱和苦 味酸水溶液化学浸蚀后显示的晶界形貌,可见在晶 界显示完整性、重现性和操作稳定性上达不到检验 要求.图２为 P９２钢经草酸Ｇ硝酸Ｇ酒精加过饱和苦 味酸溶液的混合浸蚀剂浸蚀后显示的晶界形貌,可见晶界显示效果也不十分理想.

２ 奥氏体晶界显示原理 

要使晶粒能够清晰显示,必须增大晶界与基体 组织之间的反差,方能达到衬托晶界浸蚀的效果. 对于采用“直接浸蚀法”进行原奥氏体晶界的显示, 其依据的原理是晶界本身所固有的特点.晶界原子 排列不规则,存在缺陷和杂质,其能量比晶内的高, 熔点低,易与化学试剂发生反应.在奥氏体晶界位 置存有某些特定的杂质元素的分布,并且是与材料 的脆性有关的元素,造成晶界与晶内电化学腐蚀稳 定性的差异.

显示晶粒一般应采用比显示显微组织弱得多的 浸蚀剂,尽量降低浸蚀剂的电化学腐蚀能力.在化 学试剂中苦味酸是弱酸,其电离度比硝酸的要小;十 二烷基苯磺酸钠是一种表面活性剂,它与苦味酸配 合使用可对晶界产生较强烈的腐蚀.由于 P９１/P９２ 钢化学成分的特点,用苦味酸与十二烷基苯磺酸钠 组成的混合试剂进行加热显示晶界时,在晶界受蚀 的同时,晶内组织也会受蚀严重,同时在试样表面还 会黏附一层较厚的不易溶解的腐蚀黑膜,晶界显示 效果不理想.要使晶粒能够清晰显示,必须去除化 学浸蚀产生的腐蚀黑膜,同时增大晶界与基体组织 之间的反差,方能达到衬托晶界浸蚀的效果.

笔者通过反复摸索试验,利用在大电压下电解 浸蚀具有抛光与腐蚀的特点,采用化学与电解浸蚀 相结合的方法,同时利用显微镜暗场可提高分辨率、 加强组织衬度的作用,探索出了一种能够清晰显示 P９１/P９２钢奥氏体晶界的方法,在放大１００倍暗场 下,可直接进行晶粒度的对比评级.

３ 奥氏体晶界显示方法 

３．１ 配制溶液 

(１)在烧杯内配制１００mL过饱和苦味酸溶液, 苦味酸的加入量以烧杯底部有少量未溶解的苦味酸 颗粒为 止;然 后 将 ３g 十 二 烷 基 苯 磺 酸 钠 加 入 到 １００mL过饱和苦味酸溶液中,并加热搅拌,直至十 二烷基苯磺酸钠完全溶于苦味酸饱和溶液后,再加 入数滴双氧水,配制成化学浸蚀液. 

(２)将１０mL硫酸注入９０mL蒸馏水中,配制 成体积分数为１０％的硫酸水溶液作为电解浸蚀液. 电解 浸 蚀 参 数 为:电 压 ２０ V(电 流 密 度 可 不 予 考 虑),时间６０s,阴极为不锈钢板. 

３．２ 浸蚀过程 

将抛光好的试样放入化学浸蚀液中,试样抛光 面向上,加热煮沸浸蚀２min后,取出试样并用清水 清洗,热空气吹干.将化学浸蚀过的试样再浸入已 调好浸蚀电压的电解液中进行电解浸蚀,电解时试 样抛光面对准阴极,与阴极间距４０ mm,电解过程 中应保持电压２０V 不变,待到规定时间后取出试样 (试样表面呈深灰色),经清水冲洗后直接滴上酒精 用热风吹干,即可进行显微观察.

３．３ 显微观察 

在对浸蚀试样进行显微观察时,应将显微镜光 路转换为暗场照明,同时将显微镜的视场光阑开到 最大.对于不具备暗场功能的显微镜,可在浸蚀后 对试样表面进行轻抛光,由于通过此方法浸蚀后,原 奥氏体晶界处受蚀程度深于基体组织的.通过抛光 后,仍能使受蚀的原奥氏体晶界较完整的保留而去 除晶内组织的影响,便可在明场下进行观察评级,并 可利用分析软件较方便地进行晶界重建,从而可采 用面积法或截点法进行晶粒度的计算分析.

图３~７为使用该方法显示的 P９１/P９２钢原奥 氏体晶界形貌,可见原奥氏体晶界清晰可见.其中 图３所示 P９２钢的原奥氏体晶粒十分粗大,部分晶 粒度达到 了 ００ 级,其 对 应 马 氏 体 晶 粒 度 为 １ 级, 见图８.

４ 结论

(１)采用过饱和苦味酸Ｇ十二烷基苯磺酸钠Ｇ双 氧水溶液热化学浸蚀与１０％硫酸溶液电解浸蚀相 结合的浸蚀方法,通过显微镜暗场照明,可清晰显示 P９１/P９２钢的原奥氏体晶界. 

(２)P９１/P９２钢马氏体晶粒度与实际奥氏体晶 粒度评级结果一般相差２~４级.

(３)P９１/P９２钢晶粒度的检测应是对其实际奥 氏体晶粒度的检测.

参考文献: 

[１] 邹莉．机械工程材料及应用[M]．重庆:重庆大学出版 社,２００５． 

[２] 徐祖耀．马氏体相变与马氏体[M]．北京:科学出版 社,１９９９． 

[３] 戚正风．热处理原理[M]．北京:机械工业出版社,１９８７． 

[４] 科瓦连科 BC．金相试剂手册[M]．李春志,译．北京: 冶金工业出版社,１９７３． 

[５] 兰英斌．一种显示奥氏体晶界的方法[J]．理化检验 (物理分册),１９９９,３５(６):２７８． 

[６] 王存宇,付瑞东．一种显示铬钼钒钢奥氏体晶界的方 法[J]．理化检验(物理分册),２００５,４１(５):２６５Ｇ２７０． 

[７] 万长杰,白瑞娟,申丽娟,等．４５钢原始奥氏体晶界的 显示方 法 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２０１６,５２(３): １７４Ｇ１７６． 

[８] 刘胜新,刘国权,王成,等．３３Mn２V 油井管用钢奥氏 体晶界的显示[J]．金属热处理,２００３(４):３０Ｇ３２． 

文章来源——材料与测试网