毕业设计金属材料学

(1)晶界腐蚀晶界腐蚀是指腐蚀过程沿着晶界进行的，其危害性最大。晶界腐蚀不容易引起材料外表面的变化，但已使范围零部件的性能大为降低，更重要的是使零件盒设备突然破坏。检验不锈钢晶界腐蚀的方法是在晶界腐蚀敏感的范围内进行晶界腐蚀灵敏化处理，工业上称敏化处理。（2）应力腐蚀应力腐蚀是钢在拉应力状态下能发生应力腐蚀破坏的现象。不锈钢在拉应力状态下在某些介质中经过一段时间后，就会发生破裂。这种现象称为应力腐蚀破坏。应力腐蚀的特征是裂纹与拉应力垂直，断口为脆性断裂，其方式可能是沿晶也可能是穿晶等。如果材料承受一定的载荷或加工过程中残余的应力，那么有可能产生这种形式的腐蚀。应力腐蚀破坏是有选择性的，一定的金属在一定的介质中才会产生。不锈钢应力腐蚀试验是将加上一定载荷的式样放入某种腐蚀介质中进行的，按试样腐蚀后出现的裂纹时间来评定钢对应力腐蚀破坏敏感性的大小。（3）不锈钢的组织与分类合金元素对不锈钢组织的影响基本上可分为两大类：铁素体形成元素，如铬、钼、硅、钛、铌等；奥氏体形成元素，如碳、氮、镍、锰、铜等。当这两类不同的元素同时加入钢中时，不锈钢的组织就取决于他们综合作用的结果。为简单处理，可把铁素体形成元素的作用折算成铬的作用，称为铬当量[Cr]，而把奥氏体形成元素的作用折算成镍的作用，称为镍当量[Ni]。（4）合金元素对钢组织和性能的影响4·1a铬元素的作用Fe、Cr的原子半径分别为0.25nm、0.256nm，二者非常接近。Fe、Cr的负电性分别为1.8、1.6，也相差不多，所以Fe、Cr可以形成无限固溶体。铬是奥氏体不锈钢中最重要的合金元素，铬是提高钢钝化膜稳定性的必要元素。奥氏体不锈钢的不锈耐蚀性的获得主要是由于在介质作用下，铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果。bCr对奥氏体组织的影响铬是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区，随着铬含量的增加，奥氏体钢中可出现铁素体组织。在铬镍奥氏体不锈钢中，当碳含量为0·1%，铬含量为18%时，为获得稳定的单一奥氏体组织，所需的镍含量最低8%。随着铬含量的增加，一些金属间化合物析出形成的倾向增大(见图5·4)。这些金属间化合物（如σ相、Χ相）的存在不仅显著降低钢的塑性和韧性，而且在有些条件下还降低钢的耐蚀性。一般情况下，奥氏体钢中最终组织中是不希望有金属间化合物存在的。铬对奥氏体钢性能的影响Cr是钢决定钢耐蚀性的主要元素。少量Cr只能提高钢的抗蚀性，能使其不生锈。Cr使固溶体电极电位提高，并在表面形成致密的氧化膜。b镍元素的作用镍是奥氏体不锈钢中的主要元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使钢钢获得完全奥氏体组织，从而使钢具有良好的强度和塑性、韧性的配合，并具有优良的冷、热加工性和焊接、低温与无磁等性能。但是镍元素的放射性比较强，是锰的10倍，在超导技术和高能物理技术等方面的应用中会产生非常高的长期放射性转变产物，还暴露出空洞体胀大、成本较大等缺陷。镍元素在人体内析出会造成过敏性及其他组织反应，科学上早就存在“镍过敏和镍致癌”的问题。所以，人们在许多方面研究用锰来代替镍，取得了很大的进展。Ni是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。在奥氏体不锈钢中，随着Ni含量的增加，残余的铁素体可完全消除，并显著降低σ相形成的倾向。镍降低马氏体转变温度，甚至使钢在很低的温度下可不出现马氏体转变。Ni含量的增加会降低C、N在奥氏体钢中的溶解度，从而使碳氮化合物脱溶析出的倾向增加。在Cr-Ni奥氏体不锈钢中可能发生马氏体转变的Ni含量范围内，随着Ni含量的增加，钢的强度降低而塑性提高。具有稳定奥氏体组织的Cr-Ni奥氏体不锈钢的韧度（包括低温韧度）是非常优良的，因而可以作为低温钢使用。对于具有稳定奥氏体组织的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢，Ni的加入可进一步改善钢的韧度。Ni还可显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。这主要是因为奥氏体稳定性增大，减少以至消除了冷加工过程中的马氏体转变，同时Ni对奥氏体本身的冷加工硬化作用不太明显。Ni含量的提高有利于奥氏体不锈钢的冷加工成型性能。Ni还能显著提高Cr-MnN和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢的热加工性能，从而提高钢的成材率。在奥氏体不锈钢中，Ni的加入以及Ni含量的提高，使钢的热力学稳定性增加。因此，奥氏体不锈钢具有更好的不锈性和耐氧化性介质的性能；且随着Ni含量的增加，耐还原性介质的性能进一步得到改善。Ni还是提高奥氏体不锈钢耐许多介质穿晶型应力腐蚀的唯一重要元素。随着奥氏体不锈钢中Ni含量的提高，产生晶界腐蚀的临界碳含量降低，即钢的晶界腐蚀敏感性增加。Ni对奥氏体不锈钢的耐点腐蚀和缝隙腐蚀的影响作用并不显著。此外，Ni还提高奥氏体不锈钢的高温抗氧化性能，这主要与Ni改善了Cr的氧化膜成分、结构和性能有关，但Ni的存在使钢的抗高温硫化性能降低。（5）奥氏体不锈钢的成分特点奥氏体不锈钢的主要成分是≥18%Cr和≥8%Ni的配合时世界各国奥氏体不锈钢的典型成分。这样的成分配合正处于组织图上形成奥氏体的有利位置。18%Cr和8%Ni的成分配比还有利于钢的耐蚀性。当Cr+Ni=18+8=26时，不锈钢的耐蚀电位接近n/8定律中n=2的电位值。这样即得到了单相奥氏体组织，又具有良好的钝化性能，使钢的耐蚀性达到了较高的水平。在18%Cr和8%Ni的基础上再增加Cr、Ni的含量，可提高钢的钝化性能，增加奥氏体组织的稳定性，提高钢的固溶强化效应，使钢的耐腐蚀性能更为优良。加入Ti、Nb元素是为了稳定碳化物，提高抗晶间腐蚀能力；加入Mo可增加钢的钝化作用，防止点腐蚀倾向，提高钢在有机酸中的耐蚀性；Cu可以提高钢在硫酸中的耐蚀性；Si使钢的抗应力腐蚀断裂的能力提高。18-8型奥氏体不锈钢平衡态时为奥氏体+铁素体+碳化物组织，经过固溶后得到单相奥氏体。这类钢在高温有一个含碳量比较宽的奥氏体相区，碳在奥氏体相区的溶解度随温度沿Fe-C相图中ES线变化。所以缓慢冷却时，过饱和合金度的奥氏体会有合金碳化物析出，主要为（Cr，Fe）23C6碳化物。缓冷至共析SK线以下还将发生γα相变，部分γ相转变成α相。所以为得到优良的性能，奥氏体不锈钢都需要进行热处理。（6）奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处产生严重的晶间腐蚀。其原因是在焊缝及热影响区（450℃-800℃），沿着晶界析出了（Cr，Fe）23C6碳化物，晶界附近的区域产生得了贫铬区域。在Cr-Ni奥氏体不锈钢中如果在450℃-800℃的温度范围内工作，或在该温度范围内时效处理，也会得到由于焊接加热的同样效果。这种时效处理可以考察不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称为不锈钢的敏化处理。敏化处理和敏感性的关系通常用TTS曲线来表示。曲线1表示开始产生晶间腐蚀，曲线2是由于时间充分，晶间腐蚀倾向已不在出现，也就是产生晶间腐蚀结束线。显然，温度越高，通过扩散消除晶间腐蚀倾向所需要的时间也越短。曲线包围的区域是产生晶间腐蚀的温度、时间范围。奥氏体不锈钢敏化处理后，在金相组织上可看到碳化物沿着晶界析出。经强碳化物形成元素Ti、Nb合金化的不锈钢称为稳定性钢。这种钢析出碳化物的温度范围可分成两个区域，如图（b）所示，这里的曲线1表示析出M23C6型碳化物的富Cr区域，曲线3表示析出MC型碳化物的区域，曲线2是产生晶间腐蚀的区域。在仅有MC型碳化物析出的区域，没有晶间腐蚀的倾向。除了析出M23C6型碳化物，析出σ相也会引起晶界的贫Cr形成。因为晶间腐蚀与原子的扩散有关，所以提高碳活性的元素，如Ni、Co、Si，都促进产生晶间腐蚀，而降低碳活性元素，如Mo、Ti、Nb、Mn、V，都能不同程度的阻止晶间腐蚀的倾向。显然，钢中含碳量的提高，钢的晶间腐蚀倾向也增大。（7）奥氏体不锈钢的热处理，奥氏体不锈钢的热处理一般有固溶处理和稳定化处理。A固溶处理根据图5·9，固溶处理就是要报钢加热到Fe-C相图中ES线以下，才有可能是碳化物溶解。奥氏体不锈钢的固溶处理温度一般为1050-1150℃，比较常用的是1050-1100℃。对1Cr18Ni9，固溶处理常采用1000℃加热淬火。钢中的含碳量越高，所需的固溶处理的温度也越高。为了保证高温下得到的奥氏体不发生分解，稳定到室温，固溶处理后的冷却速度应比较快。一般情况下，多采用水冷。因为在室温下为单一奥氏体组织，钢的强度和硬度是最低的，所以固溶处理时是奥氏体不锈钢最大程度的软化处理。由于这时的奥氏体具有最大的合金度，所以也具有最高的耐蚀性能。对于非稳定化奥氏体不锈钢，即不含Ti、Nb元素的奥氏体不锈钢常采用的固溶处理如图所示。固溶处理后对钢进行退火，可以提高晶界上Gr的浓度，使钢具有高的抗晶间腐蚀性。虽然有时钢中存在碳化铬，经过850-950℃的退火，就消除了晶间腐蚀的倾向。对于用Ti、Nb稳定化的钢，固溶处理加热温度选择在奥氏体+特殊碳化物的两相区范围，通常为1000-1100℃，常用1050℃。固溶处理的缺点是必须加热到高温且需要快速冷却，这在工艺上常常是很难实现的。许多焊接构件尺寸很大，焊接后无法进行高温加热淬火，即使能进行，也还有变形大等问题难以克服。(B)稳定化处理也可称为稳定化退火。这种处理只是在含有Ti、Nb元素的奥氏体不锈钢中使用。在实验中多次发现未经稳定化处理的含Ti、Nb的奥氏体不锈钢，虽然化学成分合格，但按照标准检验时，仍然发现有晶间腐蚀。稳定化处理的时间和温度应合理选择，才能获得最佳的效果。确定稳定化处理工艺的一般原则为：高于碳化铬的溶解温度而低于碳化钛的溶解温度。稳定化退火常采用850-950℃，保温2-4h后空冷，在稳定化退火的过程中，能将碳化铬转变为特殊的碳化物TiC或NbC，这样就比较彻底的消除了晶间腐蚀倾向。