金属材料学 第5章_不锈钢

第5章不锈钢不锈钢是指在空气、水、盐水、酸、碱等腐蚀介质中具有高的化学稳定性的钢。仅能抵抗大气、水等介质腐蚀的钢叫做不锈钢，在酸、碱等介质中具有抗腐蚀能力的钢称为耐酸钢。能抵抗大气、水等介质腐蚀的不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢肯定是能抵抗大气、水等介质腐蚀的。习惯上都称为不锈钢，其实是有很大区别的。5.1概述5.1.1金属腐蚀类型1、均匀腐蚀（generalattack）腐蚀均匀地在材料的表面产生，损坏大量的材料。容易发现，危害性不是很大。2、点腐蚀（pointcorrosion）由于应力等原因使腐蚀集中在材料表面不大的区域，向深处发展，最后甚至能穿透金属。3、晶界腐蚀（intergranularcorrosion）晶界腐蚀是指腐蚀过程是沿着晶界进行的，其危害性最大。如虫蛀的苹果。4、应力腐蚀（stresscorrosion）钢在拉应力状态下能发生应力腐蚀破坏的现象。没有什么预兆，所以其危害性也是比较大的。5、磨损腐蚀（corrosionwear）在腐蚀介质中同时有磨损，腐蚀和磨损相互促进、相互加速的现象称为磨损腐蚀。图各种腐蚀类型金属电化学腐蚀现象：不同金属的直接接触，如铜与钢；同一金属在有浓差的介质中，→浓差电池，如存水的铁桶、盐炉中的电极；不同电位的显微组织，→微电池，如生锈、金相组织的腐蚀；成分不均匀,→微电池，如晶界与晶粒内部；应力不均匀，如铁丝弯曲处易蚀，铆钉头易蚀。5.1.2性能要求与提高钢耐腐蚀性能的途径性能要求（1）不锈钢具有较高的耐蚀性（2）不锈钢应具有一定的力学性能。很多构件是在腐蚀介质下承受一定的载荷（3）不锈钢应有良好的工艺性能。管材、板材、型材等要经过加工变形制成构件，如容器、管道、锅炉等。因此不锈钢的工艺性也很重要，主要有焊接性、冷变形性等。提高钢耐腐蚀性能的途径主要有：（1）形成稳定保护膜，→Cr、Al、Si有效。（2）↑固溶体电极电位或形成稳定钝化区→Cr、Ni、Si：Ni贵而紧缺，Si易使钢脆化，Cr是理想的。（3）获得单相组织→Ni、Mn→单相奥氏体组织。（4）机械保护措施或复盖层，如电镀、发兰、涂漆等方法。5.1.3不锈钢的组织与分类铁素体形成元素：Cr、Mo、Si、Ti、Nb等；奥氏体形成元素：C、N、Ni、Mn、Cu等。铬当量[Cr]=Cr+1.5Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W镍当量[Ni]=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu铬当量和镍当量的综合作用结果决定不锈钢的组织→组织状态图。图不锈钢组织状态图（焊后冷却）不锈钢分类⑴M不锈钢：1Crl3~4Crl3等Crl3型，Crl7Ni2、9Cr18等⑵F不锈钢：如0Cr17Ti，1Cr25Ti，008Cr27Mo等⑶A不锈钢：具有单相A组织，如0Cr18Ni9、1Crl8Mn8Ni5N等⑷A-F复相不锈钢：如12Cr21Ni5Ti⑸沉淀硬化不锈钢5.2影响不锈钢组织和性能的因素5.2.1合金元素对钢组织和性能的影响一、铬元素的作用Cr是决定钢耐蚀性的主要元素↑固溶体电极电位表面形成致密氧化膜Cr↑耐蚀性的作用符合n/8定律Cr对Fe-Cr电极电位的影响Tammann定律将较稳定的A组元加入到较活泼的B组元固溶体中，当A组元含量达n/8原子比时，固溶体电极电位突然升高，耐蚀性也有一急剧变化。也称为二元合金固溶体电位的n/8定律二、碳和氮的作用C：C↑，强度↑，↓冷变形性、焊接性、耐蚀性；综合因素→碳量应尽可能地低N：稳定A组织，↑强度，又能保持好的塑韧性，↑耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀三类：控氮型（0.05~0.10%）中氮型（0.10~0.40%）高氮型（0.40%）三、其它元素的影响Ni是奥氏体形成元素，能适当提高固溶体电极电位；能形成单相奥氏体；锰可部分代Ni，但不单独加入；钛和铌能形成稳定K，固定C，使Cr固溶于基体，从而防止晶界腐蚀;钼能↑不锈钢钝化能力，扩大钝化介质范围5.2.2腐蚀介质对钢耐蚀性的影响金属的耐蚀性与介质的种类、浓度、温度和压力等环境条件有密切的关系必须根据工作介质的特点来正确选择使用不锈耐蚀钢钢种。1、在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质。→13％Cr2、氧化性介质，如硝酸。易形成钝化的氧化膜，17％Cr，Cr越高越好；3、非氧化性酸，如稀硫酸。在17％Cr基础+Mo、Cu；4、强有机酸，在Cr-Mn型不锈钢基础上，加入Mo、Cu；5、含有Cl-离子的介质，如海水,Cl-很小，有很大腐蚀性。5.3铁素体不锈钢一、常用铁素体不锈钢及特点铁素体不锈钢主要有三种类型：（1）Cr13型如06Cr13、0Cr13Al、06Cr11Ti等；（2）Cr17型如10Cr17、0Cr17Ti、10Cr17Mo等；（3）Cr25-30型如1Cr28、16Cr25Ti、008Cr30Mo2等。基本特点①含碳量0.25%，为提高某些性能，可加入Mo、Ti、Al、Si等元素；②在硝酸、氨水等介质中有较好的耐蚀性和抗氧化性；③力学性能和工艺性较差，脆性大，TK在室温左右。④无同素异构转变，多在退火软化态下使用。二、铁素体不锈钢的脆性高铬铁素体不锈钢的缺点是脆性大，主要有几个方面：（1）粗大的原始晶粒由于原子扩散快，晶粒粗化温度低和晶粒粗化速率高。在600℃以上晶粒就开始长大，而A不锈钢相应为900℃思考:为什么不能象一般钢那样经过重新加热重结晶而细化晶粒?（2）F不锈钢存在475℃脆性当15％Cr时，随Cr↑其脆化倾向也↑。在400~525℃长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆,以475℃加热为最甚.原因:在脆化T范围内长期停留时，铬有序化→α″相，与母相共格→大内应力。→AK↓↓（3）金属间化合物σ相的形成σ相具有高硬度，有大的体积效应，且常沿晶界分布，所以使钢产生了很大的脆性5.4马氏体不锈钢这类钢主要含12~18%Cr，淬火冷却能产生M。一、马氏体不锈钢的成分和组织特点马氏体不锈钢可分为三类：（1）Cr13型，有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等钢号；（2）高碳高铬钢，如9Cr18、9Cr18MoV等；（3）低碳17%Cr-2%Ni钢，如1Cr17Ni2。思考题：4Cr13为什么是过共析钢?9Cr18含Cr已达18%，但只是耐大气腐蚀不锈钢?1Cr13：M+F2Cr13：M3Cr13：M4Cr13：M+K类似于调质钢制造不锈结构件类似于工具钢制造耐蚀工具（手术刀等）二、马氏体不锈钢的热处理特点常用的热处理工艺有软化处理、球化退火、调质处理和淬火+低温回火。软化处理软化处理有两种方法：一是进行高温回火，将锻轧件加热至700~800℃保温2~6小时后空冷，使马氏体转变为回火索氏体。另外也可以采用完全退火。调质处理1Cr13、2Cr13常用于结构件→调质。因为铬↑抗回火性和AC1点，所以调质回火温度也相应↑.通常为640~700℃。回火后应采用油冷?淬火低回3Cr13、4Cr13常做有一定耐蚀性的工具，所以采用淬火低温回火。T淬在1000~1050℃，为减少变形，可用硝盐分级冷却。组织为马氏体+碳化物+少量AR5.5奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈钢总产量的2/3。奥氏体不锈钢优点如下：①具有很高的耐腐蚀性；②塑性好，容易加工变形成各种形状钢材；③加热时没有同素异构转变，焊接性好；④韧度和低温韧度好，一般情况下没有冷脆倾向，有一定的热强性；⑤不具有磁性；⑥价格较贵，切削加工较困难，导热性差。5.5.1奥氏体不锈钢的成分特点奥氏体不锈钢的主要成分是Cr和Ni，18Cr和8Ni的配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分。Cr+Ni=18+8=26耐蚀电位接近n/8定律中n=2的电位值具有良好钝化性能单相奥氏体组织耐蚀性达到较高的水平.Cr、Ni再↑,更为优良图不锈钢组织状态图（焊后冷却）Ti、Nb:稳定K，↑抗晶间腐蚀的能力；Mo:↑不锈钢钝化作用，↓点腐蚀倾向，↑钢在有机酸中的耐蚀性；Cu:↑钢在硫酸中的耐蚀性；Si:↑钢抗应力腐蚀断裂的能力。平衡态时为奥氏体+铁素体+碳化物组织，经过固溶处理后获得了单相奥氏体。5.5.2奥氏体不锈钢的晶间腐蚀现象奥氏体不锈钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处会产生严重的晶间腐蚀。原因在焊缝及热影响区(450~800℃)，沿晶界析出了K（Cr,Fe）23C6，晶界附近区域产生贫Cr区（低于1/8定律的临界值）。图不锈钢晶界腐蚀贫Cr区示意敏化处理在Cr-Ni奥氏体不锈钢中，在450~800℃的温度范围内时效处理，可考察不锈钢晶间腐蚀的敏感性。敏化处理和敏感性的关系通常用TTS（Time-Temperature-Sensitivation）曲线来表示，如下图所示.敏化处理后，在金相组织上可看到碳化物沿着晶界析出.曲线1表示钢开始产生晶间腐蚀，曲线2是由于时间充分，晶间腐蚀倾向已不再出现，也就是产生晶间腐蚀现象结束线。曲线包围的区域是产生晶间腐蚀的温度、时间范围。经强K形成元素Ti、Nb合金化的不锈钢称为稳定性钢。这种钢析出K的温度范围可分成两个区域，如上图右。曲线1表示析出M23C6型K的富Cr区域，曲线3表示析出MC型K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，没有晶间腐蚀倾向。Ni、Co、Si，促进产生晶间腐蚀，Mo、Ti、Nb、Mn、V，都能不同程度地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。为防止A不锈钢的晶间腐蚀，可采取以下措施：（1）降低钢中的含C量；（2）加入Ti、Nb，析出特殊K，稳定组织；（3）进行1050~1100℃的固溶处理，保证Cr含量；（4）对非稳定性A不锈钢进行退火处理，使A成分均匀化，消除贫Cr区;（5）对稳定性钢，通过热处理形成Ti、Nb的特殊K，以稳定固溶体中Cr含量，保证含Cr量水平.5.5.3奥氏体不锈钢的热处理固溶处理：奥氏体不锈钢的固溶处理温度一般为1050~1150℃，比较常用1050~1100℃。为了保证高温奥氏体不发生分解，固溶处理后冷速应较快。一般情况下，多采用水冷。固溶处理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。稳定化处理也称为稳定化退火。这种处理只是在含Ti、Nb的A不锈钢中使用。合理选择稳定化处理的温度和时间，→获得最佳的效果。一般原则高于Cr23C6的溶解温度而低于TiC的溶解温度。通常采用850~950℃，保温2~4h后空冷，如下图所示。在稳定化退火过程中，能将Cr23C6转变为TiC，→彻底消除晶间腐蚀倾向。图含Ti奥氏体不锈钢的热处理工艺5.5.4铬锰氮奥氏体不锈钢少镍和无镍奥氏体不锈钢主要有三种类型：Cr-Mn系奥氏体不锈钢，Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢和Cr-Mn-Ni、Cr-Mn-Ni-N系奥氏体不锈钢。氮稳定奥氏体的作用大,氮能抑制σ相的形成，有效地提高钢的强度而不降低室温韧度，并且对耐腐蚀性无影响。但氮含量受到溶解度的限制，一般的氮含量在0.3~0.5%以下。1Cr18Mn8Ni5N是目前国内外都生产的钢种.本章小结不锈钢主要矛盾是耐蚀性和强度的合理兼顾。对于一定成分的不锈钢，要达到预定耐蚀性和力学性能，关键是热处理工艺。不同类型或成分的不锈钢适用于不同介质的工作环境耐蚀能力遵循n/8规律。A不锈钢主要问题是晶界腐蚀。措施:从合金化角度考虑,↓C含量和加入Ti、V元素;从热处理工艺考虑，应根据各合金K形成、溶解、析出的规律，设计和制定热处理工艺参数。