不锈钢

不锈钢1、不锈钢的概述2、不锈钢的分类方法3、不锈钢的发展史4、不锈钢中合金元素的作用5、奥氏体不锈钢6、铁素体不锈钢7、马氏体不锈钢8、A-F双相不锈钢1、不锈钢的概述1.1不锈钢的定义不锈钢是指具有抵抗大气、水、盐水、酸、碱等腐蚀介质作用的具有高的化学稳定性的合金钢。有时把仅能抵抗大气、水等介质腐蚀的合金钢叫做不锈钢。而把在酸、碱等介质中具有抗腐蚀能力的合金钢称为不锈耐酸钢。而习惯上把他们都统称为不锈钢。1.2不锈钢的不锈性不锈耐酸钢之所以耐蚀，主要依靠Fe-Cr合金的钝化；当其钝态由于各种原因而受到破坏时，钢就会遗受各种形式的腐蚀。不同腐蚀环境的含Cr量：（1）对用于大气中的不锈钢来说：Cr＞13%（2）对应用于化学介质中的耐酸钢来说：Cr＞17%（3）而在某些侵蚀性较强的介质中，为使钢实现钝化或稳定钝态，常需要向含约18%Cr的Fe-Cr合金中补充加人能提高合金可钝化性(或促进钝化)或提高合金热方学稳定性的合金元素(例如镍、铂、铜、硅、钯等)，或提高铬含量。总之：要使钢的腐蚀电位处于阳极极化曲线上的钝态电位区内。不锈钢的“不锈”、“耐蚀”，只是相对的，一定的不锈钢在某些介质条件下是不锈或耐蚀的，而在另外的介质条件下则未必是不锈或耐蚀的。没有绝对不受腐蚀的不锈钢。位于中等浓度的热硫酸中,腐蚀电位处于活化区，产生全面腐蚀。位于浓硝酸中，腐蚀电位处于过钝化电位区，钝态收到破坏。当含有晶界贫铬区的不锈钢在一定的介质中，腐蚀电位处于过渡区，钢产生晶间腐蚀。在张应力作用下，产生应力腐蚀破裂。普通不锈钢在海水中，腐蚀电位位于点蚀区，钝化膜被局部破坏，产生点蚀。2、不锈钢的分类方法不锈钢的分类方法很多，主要有按钢的金相组织、化学成分和用途特性等划分方法。2.1按组织分类法按加热到高温或由高温冷却到室温时有无相变化和在室温时的主要金相组织来分类。如马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、铁素体一奥氏体双相不锈钢和奥氏体不锈钢等。2.2按化学组成分类法A按不锈钢主要化学组成元素分类基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统，分别以Cr13和Cr18Ni8钢为代表。B按不锈钢主要节约元素分类分为节镍、无镍不锈钢、节铬不锈钢等。如Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N不锈钢，以硅、铝代铬的不锈钢等。C按不锈钢一些特征组成元素分类不锈钢可分为高硅不锈钢、高钼不锈钢等。D按不锈钢中含碳量及其它有害杂质元素含量分类可分为普通不锈钢、低碳和超低碳不锈钢及高纯不锈钢等。2.3按用途分类法A按使用介质环境分类耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐尿素不锈钢及耐海水不锈钢等。B按耐腐蚀性能分类抗应力腐蚀不锈钢、抗点蚀不锈钢、抗磨蚀不锈钢等。C按功能特点分类无磁不锈钢、易切削不锈钢、高强度不锈钢，低温和超低温不锈钢及超塑性不锈钢等。我国不锈钢GB标准是采用最基本的按组织分类法，共分为五大类型；奥氏体型、奥氏体一铁素体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型不锈钢。3、不锈钢的发展史不锈钢自上个世纪初问世以来，到现在己有百年左右的历史。20世纪初，法国的L.B.Guillet和A.M.Portevin以及英国的W.Giesen分别发现了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金的耐腐蚀性能。H.Brearly于1912年一1913年在英国开发了含Cr12%-13%的马氏体不锈钢。1911年-1914年C.Dantsizen在美国并发了含Cr14%-16%,C0.07%-0.15%的铁素体不锈钢;E.Maurer和B.Strauss1912年~1914年在德国开发了含C1%，Cr含量15%-17%，N20%的奥氏体不锈钢。20年代末，B.Strauss取得了低碳18-8（Cr-18%，Ni-8%）不锈钢的专利权。1946年美国的Smithetal研制了马氏体沉淀硬化型不锈钢17-4PH;随后既具有高强度又可进行冷加工成形的半奥氏体沉淀硬化不锈钢17-7PH和PH15-7Mo等相继问世。至此，马氏体、铁素体、奥氏体、γ+a双相不锈钢以及沉淀硬化不锈钢构成了不锈钢家族中的主要钢种，延续至今。我国的不锈钢业在解放后才发展起来。开始主要是Cr13型的马氏体不锈钢，后来大量生产18-8型Cr-Ni奥氏体不锈钢。为适应国内化学工业发展，又生产含Mo2%-3%1Cr18Ni12Mo2Ti和1Cr18Ni12Mo3Ti等。为节约贵重元素镍，自1956年起开始仿制以Mn,N代替Ni的1Cr17Mn6Ni5N和1Cr18Mn8Ni5No。50年代末到60年代初，开始工业试制1Cr17Ti,1Cr17Mo2Ti和1cr25Mo3Ti等无镍铁素体不锈钢，并开始研究耐发烟硝酸腐蚀的高硅不锈钢1Cr17Ni14Si4A1Ti。60年代开始，含C小于0.03%的超低碳不锈钢OOCr18Ni10、OOCr18Ni14Mo2，OOCr18Ni14Mo3以及无Ni的Cr-Mn-N不锈钢1Cr18Mn14Mo2N(A4)相继研制成功并投入了生产。70年代起，一些Cr-Ni双相不锈钢相继研制完成并正式生产和应用，主要钢号有1Cr21Ni5Ti,OOCr26Ni6Ti以及OOCr26Ni7Mo2Ti等。到80年代，为解决氯化物的点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀破坏问题又研制和仿制了含N的第二代γ+a双相不锈钢。70年代以来，我国研制了高强度以及超高强度马氏体时效不锈钢，批量生产了高纯铁素体不锈钢OOCr18Mo2,OOCr26Mo1和OOCr30Mo2;在解决浓硝酸腐蚀和固溶态晶间腐蚀方面、研制了OOCr25Ni20Nb和几种超低碳高硅不锈钢。80年代以来，超低碳并对钢中磷含量和a相量严加控制的尿素级不锈钢OOCr18Ni14Mo2和OOCr25Ni22Mo2N两种牌号研制完成。1988年底我国低碳、超低碳18-8型不锈钢产量已占我国不锈钢产量的10%左右。2001年，我国不锈钢表观消费量达到225万吨，超过美国成为世界第一不锈钢消费大国。4、不锈钢中合金元素的作用不锈钢的性能与组织影响最大的元素是：碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、锰、氮、铜、钴等。4.1铬在不锈钢中的决定作用：决定不锈钢属性的元素只有一种，这就是铬，每种不锈钢都含有一定数量的铬。Cr的作用主要有：①铬使铁基固溶体的电极电位提高②铬吸收铁的电子使铁钝化4.2碳在不锈钢中的两重性所以，从强度与耐腐蚀性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。碳的影响主要表现在两方面：①碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍）。②由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成—系列复杂的碳化物。目前工业中，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。4.3镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体的元素，但镍不能单独构成不锈钢。镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。4.4锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解。氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。4.5不锈钢中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀钛和铌与碳的亲和力都比铬大，把它们加入钢中以后，碳优先与它们结合成碳化钛(TiC)或碳化铌（NbC）这样就使钢中的碳不再与铬结合成碳化铬，也就不引起晶界贫铬区，从而起到防止晶间腐蚀的作用。4.6钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能钼可以增加不锈钢的钝化作用提高耐腐蚀性能，特别是阻止点腐蚀的倾向。铜加入铬不锈钢(1%Cu)可以提高耐腐蚀性能与钢水的流动性，可使铸件质量提高。4.7其他元素对不锈钢的性能和组织的影响（1）硅是形成铁素体的元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。（2）钴作为合金元素在钢中应用不多，常用不锈钢如9Crl7MoVCo钢（含1.2-1.8％钴）加钴，目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度，因为这种不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。（3）硼：加微量的硼（0.0006～0.0007％）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善。少量的硼由于形成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大，但含有较多的硼（0．5～0．6％）时，反而可防止热裂纹的产生。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。（4）磷：在一般不锈钢中都是杂质元素，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素。（5）硫和硒：在一般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0．2～0．4％的硫，可提高不锈钢的切削性能，硒也具有同样的作用。但硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能，所以实际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。（6）稀土元素：稀土元素应用于不锈钢，目前主要在于改善工艺性能方面。5、奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体的一种不锈钢。奥氏体不锈钢耐蚀性高，而且有高的塑性，易于加工成形为各种形状的钢材，具有良好的焊接性能、韧性和低温韧性，无磁性等。􀂇是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈钢总产量的2/3。5.1钢种和成分奥氏体不锈钢是以18％Cr-8%Ni典型成分而发展起来的。18％Cr-8%Ni含量正好处于奥氏体形成的成分范围。􀂇同时，Cr、Ni总量达26％时，不锈钢的耐蚀性电位接近n/8规律中n=2的电位值，这样既得到了单相奥氏体,又得到好的钝化性能，使耐蚀性达到了较高的水平。􀂇由于这两方面的原因，18-8的成分成为国际奥氏体不锈钢的主要成分。5.2奥氏体不锈钢的平衡组织18-8型奥氏体钢平衡态时为奥氏体＋铁素体＋碳化物复相组织，实际的单相奥氏体是通过热处理的配合获得的。在高温有一个含碳量较宽的奥氏体相区，碳在奥氏体中溶解度随温度沿ES线变化。缓冷时沿ES线碳以合金碳化物的形式析出,主要为(Cr,Fe)23C6。缓冷至SK线以下还要发生γ→α相变，部分γ转变为α，平衡态时,18-8奥氏体钢在室温下的组织是γ+α+C。当加热到ES线以上时，(Cr,Fe)23C6等又可完全溶入奥氏体，经淬火就可获得碳、合金元素在γ相中过饱和的固溶体。5.3奥氏体不锈钢的晶间腐蚀自二十年代工业界采用奥氏体不锈钢以来，发现这种钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处会有严重的晶间腐蚀。这是由于焊接时焊缝周围有一个温度为450～800℃的过渡区，这一温度导致沿晶界析(Cr,Fe)23C6,从而使晶界产生贫铬区。沿晶界析出Cr23C6过程可见下图：图中显示，在晶界上由于生成了碳化铬，晶界附近的铬含量降低，耐腐蚀下降。在铬镍钢中,如果该钢在450～800℃的温度下工作,或人工在这温度下进行时效处理，也会得到由于焊接加热而产生的同样的效果。这种时效处理会导致不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称敏化处理。敏化处理和敏感性关系用(Time-Temperature-Sensitivation)曲线来表示，如下图：曲线1表示钢开始产生晶间腐蚀倾向；曲线2表示此时由于时间充分晶间腐蚀倾向已不出现。Cr18Ni12奥氏体不锈钢中含碳量到达0.084%时，就有晶间腐蚀倾向，当含碳量增加时，钢的晶间腐蚀倾向急剧增加。工程上为防止奥氏体钢晶间腐蚀现象，可采取如下措施：①降低钢中碳含量；②在钢中加稳定碳化物形成元素(Ti、Nb)，与碳结合析出特殊碳化物，消除晶间贫铬区。③钢经1050～1100℃加热淬火，保证固溶体中碳和铬的含量。④对非稳定性钢进行退火，使奥氏体成分均匀化，消除贫铬区；对稳定性钢，将铬的碳化物转变为钛、铌的特殊碳化物，保证耐蚀所需要的固溶体含铬水平。5.4奥氏体不锈钢的热处理为了获得均匀的单相奥氏体组织，需要进行淬火处理；􀂇为了消除由于焊接、热加工和