金屬材料學(xué)第5章不銹鋼

2023/1/315.1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ferritticstainlesssteels

5.4馬氏體不銹鋼matensiticstainlesssteels

5.5奧氏體不銹鋼austeniticstainlesssteels

5.6雙相不銹鋼dual-phasestainlesssteels第5章不銹鋼stainlesssteel1、均勻腐蝕（generalattack）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、點腐蝕（pointcorrosion）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。

圖5-1各種腐蝕類型

點蝕腐蝕5.1概述5.1.1金屬腐蝕類型3、晶界腐蝕（intergranularcorrosion）

晶界腐蝕是指腐蝕過程是沿著晶界進行的，其危害性最大。圖5.2晶間腐蝕4、應(yīng)力腐蝕（stresscorrosion）

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（corrosionwear）

在腐蝕介質(zhì)中同時有磨損，腐蝕和磨損相互促進、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2023/1/31一、對不銹鋼性能要求及影響其耐蝕性因素性能要求

（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。

2023/1/31二、腐蝕介質(zhì)對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)?！?gt;13％Cr2、氧化性介質(zhì)，如硝酸。易形成鈍化的氧化膜，>17％Cr，Cr越高越好；3、非氧化性酸，如稀硫酸。在>17％Cr基礎(chǔ)

+Mo、Cu；4、強有機酸，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、Nb2023/1/31三、提高不銹鋼耐蝕性途徑

（1）形成穩(wěn)定保護膜，→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）機械保護措施或復(fù)蓋層，如電鍍、發(fā)蘭、涂漆等方法。不銹鋼分類⑴M不銹鋼：12Crl3~40Crl3等Crl3型

14Crl7Ni2、95Cr18等⑵F不銹鋼：如06Cr17Ti，12Cr25Ti，

008Cr27Mo等⑶

A不銹鋼：具有單相A組織，如

06Cr18Ni9、12Crl8Mn8Ni5N等⑷

A-F復(fù)相不銹鋼：如12Cr21Ni5Ti⑸沉淀硬化不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb5.1.2不銹鋼的組織與分類2023/1/31鐵素體形成元素占優(yōu)勢：F

奧氏體形成元素占優(yōu)勢：A

奧氏體形成元素不足以使馬氏體轉(zhuǎn)變Ms點降至室溫以下：M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+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。合金元素對組織的影響2023/1/31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2023/1/315.2影響不銹鋼組織和性能的因素

（GB1220—1992）

一、合金元素對Fe電極電位的影響圖5-5Cr對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n/8原子比時，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2023/1/31

12.5%摩爾比＝12.5×52/(12.5×52+87.5×55.8）＝11.7％重量比

……＝23.7％重量比

……＝35.9％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％，實際不銹鋼中含Cr量不低于13％。不銹鋼中的Cr含量2023/1/31二、合金元素對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2023/1/311、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2、碳和氮的作用C：C↑，強度↑，↓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（0.05~0.10%）中氮型（0.10~0.40%）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，擴大鈍化介質(zhì)范圍2023/1/31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2023/1/315.3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,不能熱處理強化。（1）Cr13型如06Cr13，06Cr13Al等；（2）Cr17型如10Cr17,019Cr17Ti,10Cr17Mo等；（3）Cr25-30型如16Cr25N，14Cr25Ti，

008Cr30Mo2等。基本特點①含碳量<0.25%，為提高某些性能，可加入Mo、Ti、Al、Si等元素；②在硝酸、氨水等介質(zhì)中有較好的耐蝕性和抗氧化性；③力學(xué)性能和工藝性較差，脆性大，

TK在室溫左右。④無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，多在退火軟化態(tài)下使用。2023/1/31一、鐵素體不銹鋼的脆性

高鉻鐵素體不銹鋼的缺點是脆性大，主要有幾個方面：

（1）粗大的原始晶粒

由于原子擴散快，晶粒粗化溫度低和晶粒粗化速率高。在600℃以上晶粒就開始長大，而A不銹鋼相應(yīng)為900℃思考:為什么不能象一般鋼那樣經(jīng)過重新加熱重結(jié)晶而細化晶粒?2023/1/31

（2）F不銹鋼存在475℃脆性

當(dāng)>15％Cr時，隨Cr↑其脆化傾向也↑。在400~525℃長時間加熱或緩慢冷卻時，鋼就變得很脆,以475℃加熱為最甚.

原因:在脆化T范圍內(nèi)長期停留時，鉻有序化→α″相（80％Cr＋20％Fe）

，與母相共格→大內(nèi)應(yīng)力?！鶤K↓↓

（3）金屬間化合物σ相的形成

σ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

2023/1/31采用淬火和退火溫度如圖5.7所示。Ⅰ區(qū)為晶間腐蝕，Ⅱ區(qū)σ相析出區(qū)，Ⅲ475℃脆性區(qū)。870－950℃淬火水冷避開上述區(qū)，560－800℃退火就要避開Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的動力學(xué)時間。圖5-6鐵素體不銹鋼的熱處理工藝二、

F不銹鋼熱處理2023/1/31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2023/1/315.4馬氏體不銹鋼

5.4.1馬氏體不銹鋼的成分和組織特點

這類鋼主要含12~18%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.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?

95Cr18含Cr已達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）2023/1/315.4.2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：

一是進行高溫回火，將鍛軋件加熱至700~800℃保溫2~6小時后空冷，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2023/1/31調(diào)質(zhì)處理

12Cr13、20Cr13常用于結(jié)構(gòu)件→調(diào)質(zhì)。因為鉻↑抗回火性和AC1點，所以調(diào)質(zhì)回火溫度也相應(yīng)↑.通常為640~700℃?；鼗鸷髴?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1000~1050℃，為減少變形，可用硝鹽分級冷卻。組織為馬氏體+碳化物+少量AR圖5-74Cr13鑄態(tài)組織——貝氏體+碳化物+殘余奧氏體硬度：491HV圖5-84Cr13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)2023/1/31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2023/1/315.5奧氏體不銹鋼分類（按化學(xué)成分分）：Cr－Ni，Cr－Mn－N，Cr－Mn－Ni－N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)點如下：①具有很高的耐腐蝕性；②塑性好，容易加工變形成各種形狀鋼材；③加熱時沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，焊接性好；④韌度和低溫韌度好，一般情況下沒有冷脆傾向，有一定的熱強性；⑤不具有磁性；⑥價格較貴，切削加工較困難，導(dǎo)熱性差。2023/1/315.5.1奧氏體不銹鋼的成分特點

奧氏體不銹鋼的主要成分是Cr和Ni，18Cr和8Ni的配合是世界各國奧氏體不銹鋼的典型成分。Cr+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，↓點腐蝕傾向，↑鋼在有機酸中的耐蝕性；

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，在離焊縫不遠處會產(chǎn)生嚴重的晶間腐蝕。原因

在焊縫及熱影響區(qū)(450~800℃)，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2023/1/31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450~800℃的溫度范圍內(nèi)時效處理，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。2023/1/31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、時間范圍。?

經(jīng)強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奧氏體不銹鋼晶界的Cr23C6析出2023/1/31

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）進行1050~1100℃的固溶處理，保證Cr含量；（4）對非穩(wěn)定性A不銹鋼進行退火處理，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.2023/1/315.5.3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1050~1150℃，比較常用1050~1100℃。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。由于這時的奧氏體具有最大的合金度，所以也具有最高的耐蝕性能。2023/1/31圖5.14奧氏體不銹鋼的固溶處理和穩(wěn)定化退火工藝2023/1/31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850~950℃，保溫2~4h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。2023/1/315.5.4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，我國研制了很多節(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.圖5-15Fe-Cr-Mn（0.1%C）650℃

時等溫截面2023/1/31氮含量受到溶解度的限制，一般的氮含量在0.3~0.5%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)件圖5-16Ni對Cr-Mn-N鋼組織的影響比較F，M，A不銹鋼的各自性能特點?2023/1/31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2023/1/315.6雙相不銹鋼近幾十年發(fā)展起來的新鋼種組織：A＋F成分：18-26％Cr＋4-7％Ni＋Mn，Mo，Cu，Ti，W，N等特點：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度，抗應(yīng)力腐蝕敏感性，A＋F降低了鋼晶間腐蝕的傾向3.熱處理：1000-1100℃淬火得到60％F＋40％A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度的合理兼顧。對于一定成分的不銹鋼，要達到預(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不銹鋼主要問題是晶界腐蝕。措施:從合金化角度