《工程材料》第5章不銹鋼

1、第5章不銹鋼stainless steel5.1 概述14 5.2 影響不銹鋼組織和性能的因素 5.3 鐵素體不銹鋼ferrittic stainless steels 5.4 馬氏體不銹鋼matensitic stainless steels 5.5 奧氏體不銹鋼austenitic stainless steels 5.6 雙相不銹鋼dual-phase stainless steels2022/9/221、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

2、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。 圖 5-1各種腐蝕類型 點(diǎn)蝕腐蝕5.1概述5.1.1金屬腐蝕類型3、晶界腐蝕（intergranular corrosion） 晶界腐蝕是指腐蝕過程是沿著晶界進(jìn)行的，其危害性最大。圖5.2晶間腐蝕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。 應(yīng)力腐蝕裂紋圖5.3應(yīng)力腐蝕一、對(duì)不銹鋼性能要求及影響其耐蝕性因素2022/9/22性能要求 （

3、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。 二、腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼耐蝕性的影響2022/9/22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)來正確選擇使用不銹耐蝕鋼鋼種。1、在大氣、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、

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。加入Ti、Nb三、 提高不銹鋼耐蝕性途徑2022/9/22 （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)措施或復(fù)蓋層，如電鍍、發(fā)蘭、涂漆等方法。 不銹鋼分類 M不銹鋼： 12Crl340Crl3等Crl3型 14Crl7Ni2、95Cr18等 F不銹鋼：如06Cr17Ti ，12Cr25Ti， 008Cr27Mo等

5、A不銹鋼：具有單相A組織，如 06Cr18Ni9、12Crl8Mn8Ni5N等 A-F復(fù)相不銹鋼：如12Cr21Ni5Ti 沉淀硬化不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb5.1.2不銹鋼的組織與分類鐵素體形成元素占優(yōu)勢(shì)：F 奧氏體形成元素占優(yōu)勢(shì)：A 奧氏體形成元素不足以使馬氏體轉(zhuǎn)變 Ms點(diǎn)降至室溫以下： M2022/9/22鉻當(dāng)量Cr Cr+1.5Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W鎳當(dāng)量NiNiCo+0.5Mn+30C+30N+0.3Cu圖5-4不銹鋼的組織圖鉻當(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。合金元素對(duì)組織的影響本章內(nèi)容 5.1 概述5

6、.2 影響不銹鋼組織和性能的因素 5.3 鐵素體不銹鋼 5.4 馬氏體不銹鋼 5.5 奧氏體不銹鋼 5.6 雙相不銹鋼2022/9/225.2影響不銹鋼組織和性能的因素（GB12201992）一、合金元素對(duì)Fe電極電位的影響2022/9/22圖5-5Cr對(duì)Fe-Cr合金電極電位影響不銹鋼的組織圖rCr鉻與鐵的摩爾比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 12.5%摩爾比12.552/(12.552+87.555.8） 11.7重量比 23.7重量比 3

7、5.9重量比 因此，11.7是不銹鋼Cr的最低含量，但由于鋼中有C的緣故，一部分碳與Cr形成碳化物，為使固溶體中的Cr量不少于11.7，實(shí)際不銹鋼中含Cr量不低于13。2022/9/22不銹鋼中的Cr含量二、 合金元素對(duì)不銹鋼基體組織的影響 不銹鋼的基體組織是獲得所需力學(xué)性能和良好耐蝕性的保證，使鋼在室溫下得到單相組織（A，F(xiàn)），就可以減少微電池的數(shù)量，提高耐蝕性。 合金元素影響： 1) 一類是擴(kuò)大奧氏體形成元素：C，N，Mn，Ni ,Cu等 2) 一類是F形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，Mo等2022/9/221、鉻元素的作用2022/9/22Cr是決定鋼耐蝕性的主要元素 固溶體電極電位表

8、面形成致密氧化膜Cr 耐蝕性的作用符合n / 8定律2、碳和氮的作用C：C，強(qiáng)度，冷變形性、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%）3、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)范圍本章內(nèi)容 5.1 概述 5.2 影響不銹鋼組織和性能的因素5.3 鐵素體不銹

9、鋼 5.4 馬氏體不銹鋼 5.5 奧氏體不銹鋼 5.6 雙相不銹鋼2022/9/225.3 鐵素體不銹鋼用作受力不大的耐酸和抗氧化結(jié)構(gòu)件F不銹鋼一般都是含Cr量較高的Fe-Cr-C合金,不能熱處理強(qiáng)化。2022/9/22（1）Cr13型 如06Cr13，06Cr13Al等；（2）Cr17型 如10Cr17,019Cr17Ti,10Cr17Mo等；（3）Cr25-30型 如16Cr25N，14Cr25Ti， 008Cr30Mo2等?；咎攸c(diǎn)含碳量15Cr時(shí)，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（

10、80Cr20Fe） ，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 二、 F不銹鋼熱處理2022/9/22采用淬火和退火溫度如圖5.7所示。區(qū)為晶間腐蝕，區(qū)相析出區(qū)，475脆性區(qū)。870950淬火水冷避開上述區(qū)，560800退火就要避開區(qū)、區(qū)的動(dòng)力學(xué)時(shí)間。圖5-6鐵素體不銹鋼的熱處理工藝本章內(nèi)容 5.1 概述 5.2 影響不銹鋼組織和性能的因素 5.3 鐵素體不銹鋼5.4 馬氏體不銹鋼 5.5 奧氏體不銹鋼 5.6 雙相不銹鋼2022/9/225.4馬氏體不銹鋼 5.4.1馬氏體不銹鋼的成分和組織特點(diǎn)2022/9/

11、22 這類鋼主要含1218%Cr，淬火冷卻能產(chǎn)生M。但耐蝕性、塑性和焊接性能較其他不銹鋼差。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12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13 （2）高碳高鉻鋼，如95Cr18 、90Cr18MoV等； （3）低碳17% Cr-2%Ni鋼，如14Cr17Ni2。思考題： 40Cr13為什么是過共析鋼? 9 5Cr18含Cr已達(dá)18%，但只是耐大氣腐蝕不銹鋼?12Cr13：M+F20Cr13：M30Cr13：M40Cr13：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）2022/9/225.

12、4.2 馬氏體不銹鋼熱處理 常用的熱處理工藝有軟化處理、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。 840-900 ，2-4h，25 /h冷至600 空冷， 組織為：F碳化物2022/9/22調(diào)質(zhì)處理 12Cr13、20Cr13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 30Cr13、40Cr13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

13、。組織為馬氏體+碳化物+少量AR圖5-7 4Cr13鑄態(tài)組織貝氏體+碳化物+殘余奧氏體硬度：491HV圖5-8 4Cr13熱處理后組織回火馬氏體+碳化物硬度：710HV貝氏體+碳化物+殘余奧氏體回火馬氏體+碳化物(a)(b)本章內(nèi)容 5.1 概述 5.2 影響不銹鋼組織和性能的因素 5.3 鐵素體不銹鋼 5.4 馬氏體不銹鋼5.5 奧氏體不銹鋼 5.6 雙相不銹鋼2022/9/225.5奧氏體不銹鋼分類（按化學(xué)成分分）：CrNi，CrMnN，CrMnNiN2022/9/22圖5-9單相奧氏體組織 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

14、蝕性； 塑性好，容易加工變形成各種形狀鋼材； 加熱時(shí)沒有同素異構(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。2022/9/22Cr+Ni=18+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 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

15、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)過固溶處理后獲得了單相奧氏體。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)域產(chǎn)生貧Cr區(qū)（低于1/8定律的臨界值）。 5.5.2 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕2022/9/22圖5-11晶間腐蝕圖5-10晶間腐蝕貧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

16、-Sensitivation）曲線來表示，如圖5-12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。2022/9/22圖5-12奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的TTS曲線 曲線1表示鋼開始產(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)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，如圖5-13 。 曲線1表示析出M23C6型K的富Cr區(qū)域，曲線2是產(chǎn)生晶間腐蝕的區(qū)域，曲線3表示析出MC型K的區(qū)域。?在僅有MC型K析出的區(qū)域，沒有晶間腐蝕傾向。圖5-13奧氏體不銹

17、鋼晶界的Cr23C6析出 為防止A不銹鋼的晶間腐蝕，可采取以下措施：2022/9/22（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);（穩(wěn)定化處理？）（5）對(duì)穩(wěn)定性鋼，通過退火熱處理（穩(wěn)定化處理）形成Ti、Nb的特殊K，以穩(wěn)定固溶體中Cr含量，保證含Cr量水平.5.5.3奧氏體不銹鋼的熱處理15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。

18、 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。2022/9/222022/9/22圖5.14奧氏體不銹鋼的固溶處理和穩(wěn)定化退火工藝2022/9/22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，如圖5-14所示。在穩(wěn)定化退火過程中，能將Cr23C6轉(zhuǎn)變?yōu)門iC，徹底消除晶間腐蝕傾向。5.5.4錳氮奧氏體不銹鋼 由于Ni在全球都是稀缺資源，為了節(jié)省Ni，我國(guó)研制了很

19、多節(jié)Ni和無Ni的奧氏體不銹鋼。大約有三種： Cr-Mn，以Mn代Ni; Cr-Mn-N，以Mn，N代Ni; Cr-Mn-Ni-N，以Mn，N代替部分Ni.2022/9/22圖5-15Fe-Cr-Mn（0.1%C）650 時(shí)等溫截面氮含量受到溶解度的限制，一般的氮含量在0.30.5%以下。用Mn，N完全代替Ni，很難得到單一的A，但鋼中少加點(diǎn)Ni就能得到單相A組織。代表：12Cr18Mn8Ni5N應(yīng)用：化肥，磷酸，醋酸等工業(yè)的耐蝕構(gòu)件2022/9/22圖5-16 Ni對(duì)Cr-Mn-N鋼組織的影響比較F，M，A不銹鋼的各自性能特點(diǎn)?本章內(nèi)容 5.1 概述 5.2 影響不銹鋼組織和性能的因素 5.

20、3 鐵素體不銹鋼 5.4 馬氏體不銹鋼 5.5 奧氏體不銹鋼5.6 雙相不銹鋼2022/9/225.6 雙相不銹鋼近幾十年發(fā)展起來的新鋼種組織：AF成分：18-26Cr4-7NiMn，Mo，Cu，Ti，W，N等2022/9/22特點(diǎn)：兼具F不銹鋼和A不銹鋼的特性1. A的存在降低了鋼的脆性，提高了鋼的可焊性和韌性2. F的存在提高了鋼的屈服強(qiáng)度，抗應(yīng)力腐蝕敏感性，AF降低了鋼晶間腐蝕的傾向3. 熱處理：1000-1100淬火得到60F40A圖5-4不銹鋼的組織圖本章小結(jié) 不銹鋼主要矛盾是耐蝕性和強(qiáng)度的合理兼顧。對(duì)于一定成分的不銹鋼，要達(dá)到預(yù)定耐蝕性和力學(xué)性能，關(guān)鍵是熱處理工藝。不同類型或成分的不銹鋼適用于不同介質(zhì)的工作環(huán)境 耐蝕能力遵循n / 8規(guī)律。A不銹鋼主要