金属材料学第5章不锈钢.ppt

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（general attack） 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（point corrosion） 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（intergranular corrosion） 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（stress corrosion） 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（corrosion wear） 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, M不锈钢： 1Crl34Crl3等Crl3型， Crl7Ni2、9Cr18等, F不锈钢：如0Cr17Ti ，1Cr25Ti， 00Cr27Mo等, A不锈钢：具有单相A组织，如 0Cr18Ni9、1Crl8Mn8Ni5N等, A-F复相不锈钢：如0Cr21Ni5Ti, 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（0.050.10%） 中氮型（0.100.40%） 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。 13Cr 2、氧化性介质，如硝酸。易形成钝化的氧化 膜，17Cr， Cr越高越好； 3、非氧化性酸，如稀硫酸。在17Cr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0Cr13、0Cr13Al、0Cr11Ti等； （2）Cr17型 如1Cr17、0Cr17Ti、1Cr17Mo等； （3）Cr25-30型 如1Cr28、1Cr25Ti、 00Cr30Mo2等。,基 本 特 点,含碳量0.25%，为提高某些性能， 可加入Mo、Ti、Al、Si等元素；,在硝酸、氨水等介质中有较好的耐 蚀性和抗氧化性；,力学性能和工艺性较差，脆性大， TK在室温左右。,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15Cr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 相，与母相共格大内应力。AK,（3）金属间化合物相的形成 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1218%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? 9 Cr18含Cr已达18%，但只是耐大气腐蚀不 锈钢?,1Cr13：M+F,2Cr13：M,3Cr13：M,4Cr13：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700800保温26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640700。 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AR,5.5 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：, 具有很高的耐腐蚀性； 塑性好，容易加工变形成各种形状钢材； 加热时没有同素异构转变，焊接性好； 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； 不具有磁性； 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(450800)， 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10501100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10501150，比较常用10501100。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850950，保温 24h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