《金屬材料學(xué)》第5章 不銹鋼

1、第5章 不銹鋼 不銹鋼是指在空氣、水、鹽水、酸、堿等腐蝕介質(zhì)中具有高的化學(xué)穩(wěn)定性的鋼。僅能抵抗大氣、水等介質(zhì)腐蝕的鋼叫做不銹鋼，在酸、堿等介質(zhì)中具有抗腐蝕能力的鋼稱為耐酸鋼。能抵抗大氣、水等介質(zhì)腐蝕的不銹鋼不一定耐酸，而耐酸鋼肯定是能抵抗大氣、水等介質(zhì)腐蝕的。習(xí)慣上都稱為不銹鋼，其實(shí)是有很大區(qū)別的。 5.1 概述 5.1.1 金屬腐蝕類型 1、均勻腐蝕（general attack） 腐蝕均勻地在材料的表面產(chǎn)生，損壞大量的材料。容易發(fā)現(xiàn)，危害性不是很大。2、點(diǎn)腐蝕（point corrosion） 由于應(yīng)力等原因使腐蝕集中在材料表面不大的區(qū)域，向深處發(fā)展，最后甚至能穿透金屬。 3、晶界腐蝕（i

2、ntergranular corrosion） 晶界腐蝕是指腐蝕過(guò)程是沿著晶界進(jìn)行的，其危害性最大。如蟲(chóng)蛀的蘋(píng)果。4、應(yīng)力腐蝕（stress corrosion） 鋼在拉應(yīng)力狀態(tài)下能發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的現(xiàn)象。 沒(méi)有什么預(yù)兆，所以其危害性也是比較大的。5、磨損腐蝕（corrosion wear） 在腐蝕介質(zhì)中同時(shí)有磨損，腐蝕和磨損相互促進(jìn)、相互加速的現(xiàn)象稱為磨損腐蝕。 圖 各種腐蝕類型 金屬電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象： 不同金屬的直接接觸，如銅與鋼； 同一金屬在有濃差的介質(zhì)中， 濃差電池，如存水的鐵桶、鹽爐中的電極； 不同電位的顯微組織， 微電池，如生銹、金相組織的腐蝕； 成分不均勻, 微電池，如晶界與晶粒內(nèi)

3、部； 應(yīng)力不均勻，如鐵絲彎曲處易蝕，鉚釘頭易蝕。5.1.2 性能要求與提高鋼耐腐蝕性能的途徑 性能要求（1）不銹鋼具有較高的耐蝕性（2）不銹鋼應(yīng)具有一定的力學(xué)性能。很多構(gòu)件是在腐蝕介質(zhì)下承受一定的載荷（3）不銹鋼應(yīng)有良好的工藝性能。管材、板材、型材等要經(jīng)過(guò)加工變形制成構(gòu)件，如容器、管道、鍋爐等。因此不銹鋼的工藝性也很重要，主要有焊接性、冷變形性等。 提高鋼耐腐蝕性能的途徑主要有： （1）形成穩(wěn)定保護(hù)膜，Cr、Al、Si有效。 （2）固溶體電極電位或形成穩(wěn)定鈍化區(qū)Cr、Ni、Si：Ni貴而緊缺，Si易使鋼脆化，Cr是理想的。 （3）獲得單相組織 Ni、Mn 單相奧氏體組織。 （4）機(jī)械保護(hù)措施或

4、復(fù)蓋層，如電鍍、發(fā)蘭、涂漆等方法。 5.1.3 不銹鋼的組織與分類 鐵素體形成元素：Cr、Mo、Si、Ti、Nb等； 奧氏體形成元素：C、N、Ni、Mn、Cu等。 鉻當(dāng)量Cr = Cr + 1.5Mo + 2.0Si + 1.5Ti +1.75Nb + 5.5Al + 5V+ 0.75W 鎳當(dāng)量Ni = Ni +Co+ 0.5Mn + 30C+25N+0.3Cu 鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的綜合作用結(jié)果決定不銹鋼的組織 組織狀態(tài)圖。 圖 不銹鋼組織狀態(tài)圖（焊后冷卻）不銹鋼分類 M不銹鋼： 1Crl34Crl3等Crl3型， Crl7Ni2、9Cr18等 F不銹鋼：如0Cr17Ti ，1Cr25Ti， 00

5、Cr27Mo等 A不銹鋼：具有單相A組織，如 0Cr18Ni9、1Crl8Mn8Ni5N等 A-F復(fù)相不銹鋼：如0Cr21Ni5Ti 沉淀硬化不銹鋼5.2 影響不銹鋼組織和性能的因素 5.2.1 合金元素對(duì)鋼組織和性能的影響 一、 鉻元素的作用 Cr是決定鋼耐蝕性的主要元素 固溶體電極電位表面形成致密氧化膜Cr 耐蝕性的作用符合n / 8定律 Cr對(duì)Fe-Cr電極電位的影響 Tammann定律 將較穩(wěn)定的A組元加入到較活潑的B組元固溶體中，當(dāng)A組元含量達(dá)n/8原子比時(shí)，固溶體電極電位突然升高，耐蝕性也有一急劇變化。也稱為二元合金固溶體電位的n / 8定律二、碳和氮的作用C：C，強(qiáng)度，冷變形性、

6、焊接性、耐 蝕性；綜合因素 碳量應(yīng)盡可能地低N：穩(wěn)定A組織，強(qiáng)度，又能保持好的塑韌 性，耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕 三類：控氮型（0.050.10%） 中氮型（0.100.40%） 高氮型（0.40%）三、其它元素的影響 Ni是奧氏體形成元素，能適當(dāng)提高固溶體電極電位；能形成單相奧氏體 ； 錳可部分代Ni，但不單獨(dú)加入 ； 鈦和鈮能形成穩(wěn)定K，固定C，使Cr固溶于基體，從而防止晶界腐蝕 ; 鉬能不銹鋼鈍化能力，擴(kuò)大鈍化介質(zhì)范圍5.2.2 腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼耐蝕性的影響金屬的耐蝕性 與介質(zhì)的種類、濃度、溫度和壓力等環(huán)境條件有密切的關(guān)系 必須根據(jù)工作介質(zhì)的特點(diǎn)來(lái)正確選擇使用不銹耐蝕鋼鋼種。1、在大氣、

7、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì)。 13Cr 2、氧化性介質(zhì)，如硝酸。易形成鈍化的氧化 膜，17Cr， Cr越高越好；3、非氧化性酸，如稀硫酸。在17Cr基礎(chǔ) + Mo、Cu；4、強(qiáng)有機(jī)酸，在Cr-Mn型不銹鋼基礎(chǔ)上，加 入Mo、Cu；5、含有Cl-離子的介質(zhì)，如海水,Cl-很小，有很大腐蝕性。5.3 鐵素體不銹鋼 一、常用鐵素體不銹鋼及特點(diǎn) 鐵素體不銹鋼主要有三種類型： （1）Cr13型 如0Cr13、0Cr13Al、0Cr11Ti等；（2）Cr17型 如1Cr17、0Cr17Ti、1Cr17Mo等；（3）Cr25-30型 如1Cr28、1Cr25Ti、 00Cr30Mo2等?；咎攸c(diǎn)含碳量15Cr時(shí)

8、，隨Cr其脆化傾向也。在400525長(zhǎng)時(shí)間加熱或緩慢冷卻時(shí)，鋼就變得很脆, 以475加熱為最甚. 原因:在脆化T范圍內(nèi)長(zhǎng)期停留時(shí)，鉻有序化相，與母相共格大內(nèi)應(yīng)力。AK （3）金屬間化合物相的形成 相具有高硬度，有大的體積效應(yīng)，且常沿晶界分布，所以使鋼產(chǎn)生了很大的脆性 5.4 馬氏體不銹鋼 這類鋼主要含1218%Cr，淬火冷卻能產(chǎn)生M。 一、馬氏體不銹鋼的成分和組織特點(diǎn)馬氏體不銹鋼可分為三類： （1）Cr13型，有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等鋼號(hào)； （2）高碳高鉻鋼，如9Cr18、9Cr18MoV等； （3）低碳17% Cr-2%Ni鋼，如1Cr17Ni2。思考題： 4Cr1

9、3為什么是過(guò)共析鋼? 9 Cr18含Cr已達(dá)18%，但只是耐大氣腐蝕不銹鋼?1Cr13：M+F2Cr13：M3Cr13：M4Cr13：M+K類似于調(diào)質(zhì)鋼制造不銹結(jié)構(gòu)件類似于工具鋼制造耐蝕工具（手術(shù)刀等）二、馬氏體不銹鋼的熱處理特點(diǎn) 常用的熱處理工藝有軟化處理、球化退火、調(diào)質(zhì)處理和淬火+低溫回火。軟化處理軟化處理有兩種方法： 一是進(jìn)行高溫回火，將鍛軋件加熱至700800保溫26小時(shí)后空冷，使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。 另外也可以采用完全退火。調(diào)質(zhì)處理 1Cr13、2Cr13常用于結(jié)構(gòu)件調(diào)質(zhì)。因?yàn)殂t抗回火性和AC1點(diǎn)，所以調(diào)質(zhì)回火溫度也相應(yīng).通常為640700。 回火后應(yīng)采用油冷 ?淬火低回 3Cr

10、13、4Cr13常做有一定耐蝕性的工具，所以采用淬火低溫回火。T淬在10001050，為減少變形，可用硝鹽分級(jí)冷卻。組織為馬氏體+碳化物+少量AR5.5 奧氏體不銹鋼 奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的耐酸鋼，約占不銹鋼總產(chǎn)量的2/3。奧氏體不銹鋼優(yōu)點(diǎn)如下： 具有很高的耐腐蝕性； 塑性好，容易加工變形成各種形狀鋼材； 加熱時(shí)沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，焊接性好； 韌度和低溫韌度好，一般情況下沒(méi)有冷脆傾向，有一定的熱強(qiáng)性； 不具有磁性； 價(jià)格較貴，切削加工較困難，導(dǎo)熱性差。5.5.1 奧氏體不銹鋼的成分特點(diǎn) 奧氏體不銹鋼的主要成分是Cr和Ni，18Cr和8Ni的配合是世界各國(guó)奧氏體不銹鋼的典型成分。Cr+Ni=1

11、8+8=26耐蝕電位接近n/8定律中n=2的電位值具有良好鈍化性能單相奧氏體組織 耐蝕性達(dá)到較高的水平.Cr、Ni再,更為優(yōu)良 圖 不銹鋼組織狀態(tài)圖（焊后冷卻） Ti、Nb:穩(wěn)定K，抗晶間腐蝕的能力； Mo: 不銹鋼鈍化作用，點(diǎn)腐蝕傾向，鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性； Cu: 鋼在硫酸中的耐蝕性； Si: 鋼抗應(yīng)力腐蝕斷裂的能力。 平衡態(tài)時(shí)為奧氏體+鐵素體+碳化物組織，經(jīng)過(guò)固溶處理后獲得了單相奧氏體。5.5.2 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕現(xiàn)象 奧氏體不銹鋼焊接后，在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)，在離焊縫不遠(yuǎn)處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間腐蝕。原因 在焊縫及熱影響區(qū)(450800)，沿晶界析出了K（Cr,Fe）23C6，晶界附近區(qū)

12、域產(chǎn)生貧Cr區(qū)（低于1/8定律的臨界值）。 圖 不銹鋼晶界腐蝕貧Cr區(qū)示意敏化處理 在Cr-Ni奧氏體不銹鋼中，在450800的溫度范圍內(nèi)時(shí)效處理，可考察不銹鋼晶間腐蝕的敏感性。敏化處理和敏感性的關(guān)系通常用TTS（Time-Temperature-Sensitivation）曲線來(lái)表示，如下圖所示. 敏化處理后，在金相組織上可看到碳化物沿著晶界析出. 曲線1表示鋼開(kāi)始產(chǎn)生晶間腐蝕，曲線2是由于時(shí)間充分，晶間腐蝕傾向已不再出現(xiàn)，也就是產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象結(jié)束線。曲線包圍的區(qū)域是產(chǎn)生晶間腐蝕的溫度、時(shí)間范圍。 經(jīng)強(qiáng)K形成元素Ti、Nb合金化的不銹鋼稱為穩(wěn)定性鋼。這種鋼析出K的溫度范圍可分成兩個(gè)區(qū)域，如

13、上圖右 。曲線1表示析出M23C6型K的富Cr區(qū)域，曲線3表示析出MC型K的區(qū)域，曲線2是產(chǎn)生晶間腐蝕的區(qū)域。在僅有MC型碳化物析出的區(qū)域，沒(méi)有晶間腐蝕傾向。 Ni、Co、Si，促進(jìn)產(chǎn)生晶間腐蝕，Mo、Ti、Nb、Mn、V，都能不同程度地阻止晶間腐蝕的傾向。顯然，鋼中含碳量的提高，鋼的晶間腐蝕傾向也增大。 為防止A不銹鋼的晶間腐蝕，可采取以下措施：（1）降低鋼中的含C量；（2）加入Ti、Nb，析出特殊K，穩(wěn)定組織；（3）進(jìn)行10501100的固溶處理，保證Cr含量；（4）對(duì)非穩(wěn)定性A不銹鋼進(jìn)行退火處理，使A成分均勻化 ，消除貧Cr區(qū);（5）對(duì)穩(wěn)定性鋼，通過(guò)熱處理形成Ti、Nb的特殊K，以穩(wěn)定固

14、溶體中Cr含量，保證含Cr量水平.5.5.3 奧氏體不銹鋼的熱處理 固溶處理：奧氏體不銹鋼的固溶處理溫度一般為10501150，比較常用10501100。為了保證高溫奧氏體不發(fā)生分解，固溶處理后冷速應(yīng)較快。一般情況下，多采用水冷。 固溶處理是奧氏體不銹鋼最大程度的軟化處理。由于這時(shí)的奧氏體具有最大的合金度，所以也具有最高的耐蝕性能。穩(wěn)定化處理 也稱為穩(wěn)定化退火。這種處理只是在含Ti、Nb的A不銹鋼中使用。合理選擇穩(wěn)定化處理的溫度和時(shí)間，獲得最佳的效果。一般原則 高于Cr23C6的溶解溫度而低于TiC的溶解溫度。通常采用850950，保溫24h后空冷，如下圖所示。在穩(wěn)定化退火過(guò)程中，能將Cr23C6轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)iC，徹底消除晶間腐蝕傾向。圖 含Ti奧氏體不銹鋼的熱處理工藝5.5.4 鉻錳氮奧氏體不銹鋼 少鎳和無(wú)鎳奧氏體不銹鋼主要有三種類型： Cr-Mn系奧氏體不銹鋼，Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼和Cr-Mn-Ni、Cr-Mn-Ni-N系奧氏體不銹鋼。 氮穩(wěn)定奧氏體的作用大,氮能抑制相的形成，有效地提高鋼的強(qiáng)度而不降低室溫韌度，并且對(duì)耐腐蝕性無(wú)影響。但氮含量受到