不锈钢的组织和性能.doc

不锈钢的组织和性能不锈钢通俗地说就是不容易生锈的钢，实际上一部分不锈钢，既有不锈性，又有耐酸性（耐蚀性）。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高，当铬含量达到一定的百分比时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的分类方法很多。按室温下的组织结构分类，有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢；按主要化学成分分类，基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统；按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等等，按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等；按功能特点分类又可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。2.1各种类型不锈钢的特性1）马氏体型不锈钢通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为Cr13型，如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。粹火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同，还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体（或半马氏体）沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。马氏体型不锈钢与普通合金钢一样具有通过淬火实现硬化的特性，因此可通过选择牌号及热处理条件来得到较大范围的不同的力学性能。马氏体型不锈钢从大的方面来区分，属于铁-铬-碳系不锈钢，进而可分为马氏体铬系不锈钢和马氏体铬镍系不锈钢。在马氏体铬系不锈钢中添加铬、碳和鉬等元素时强度的变化趋势和在马氏体铬镍系不锈钢中添加镍的强度特性如下描述。马氏体铬系不锈钢在淬火-回火条件下，增加铬的含量可使铁素体含量增加，因而会降低硬度和抗拉强度。低碳马氏体铬不锈钢在退火条件下，当铬含量增加时硬度有所提高，而延伸率略有下降。在铬含量一定的条降下，碳含量的增加使钢在淬火后的硬度也随之增加，而塑性降低。添加钼的主要目的是提高钢的强度、硬度及二次硬化效果。在进行低温淬火后，鉬的添加效果十分明显。含量通常小于1%。马氏体型不锈钢的化学成分特征是，在0.1-1.0%C，12-27%Cr的不同成分组合基础上添加鉬、钨、钒和铌等元素。由于组织结构为体心立方结构，因而在高温下强度急剧下降。而在600以下，高温强度在各类不锈钢中最高，蠕变强度也最高。在马氏体铬镍系不锈钢中，含一定量的镍可以降低钢中的铁素体含量，使钢得到最大硬度值。2）铁素体型不锈钢在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。炉外精炼技术（AOD或VOD）的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。据研究结果，当铬含量小于25%时铁素体组织会抑制马氏体组织的形成，因而随铬含量的增加其强度下降；高于25%时由于合金的固容强化作用，强度略有提高。鉬含量的增加可使其更易获得铁素体组织，可促进相、相和相的析出，并经固容强化后其强度提高。但同时也提高了缺口敏感性，从而使韧性降低。鉬提高铁素体型不锈钢强度的作用大于铬的作用。铁素体不锈钢的化学成分特征是含11-30%Cr，其中添加铌和钛。其高温强度在各类不锈钢中最低的，但对热疲劳的抗力最强。3）奥氏体型不锈钢在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。如加入S、Ca、Se、Te等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸肯有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。奥氏体型不锈钢中增加碳含量后，由于其固容强化作用使强度得到提高。奥氏体型不锈钢的化学成分特性是以铬、镍为基础添加鉬、钨、铌和钛等元素。由于其组织为面心立方结构，因而在高温下有高的强度和蠕变强度。还由于线膨胀系数大，因而比铁素体型不锈钢热疲劳强度差4）双相不锈钢奥氏体-铁素体双相不锈钢是奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%28%，Ni含量在3%10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。对铬含量约为25%的双相不锈钢的力学性能研究表明，在+双相区内镍含量增加时相也增加。当钢中的铬含量为5%时，钢的屈服强度达到最高值；当镍含量为10%时，刚的强度达到最大值。2.2不锈钢连铸和热轧生产中组织变化1）不锈钢的相组分图和Cr、N i当量关系式在奥氏体不锈钢中，除主要合金元素铬和镍外，还含有多种元素，这些元素对钢中铁素体的形成与否及形成数量有重要影响。从这些元素对钢中奥氏体(或铁素体)形成的作用看可分为两大类。一类是奥氏体形成元素，如Ni、Mn、C和N等，这些元素会促进奥氏体的形成，减少铁素体的形成；另一类是铁素体形成元素，如Cr、Mo、Si、Ti、Nb等，其作用正好与奥氏体形成元素相反。为了说明这些元素对奥氏体不锈钢中铁素体形成的作用，并确定铁素体形成量与这些元素含量间的定量关系，一般铬当量和镍当量计算公式为：Creq=Cr+Mo+1.5Si+O.5Nb (1-1)Niq=Ni+30C+0.5Mn (1-2)其中，Creq和 Nieq分别表示Cr当量和Ni当量，各化学元素符号表示其百分比含量。当Creq/Nieq1.5 时，凝固模式为液相中先析出奥氏体，即AF模式；当1.52Creq/Nieq1.95，凝固模式为液相中先析出铁素体，即FA模式。 2）低镍奥氏体不锈钢凝固模式奥氏体不锈钢的室温组织决定于凝固行为和其随后的固态相变。奥氏体钢凝固时，要么以铁素体为初始析出相，要么以奥氏体作为初始析出相，这种析出顺序和随后的固态相变称作奥氏体不锈钢的凝固模式。已做的大量研究表明，奥氏体不锈钢的凝固模式有以下四种：Mode A：L-L+-+ (F模式)Mode B：L-L+-L+-+- (FA模式)Mode C：L-L+-L+-+- (AF模式)Mode D：L-L+- (A模式)奥氏体不锈钢的凝固模式主要取决于金属的化学成分，在化学成分确定时，凝固条件对凝固模式有重要影响。金属以A模式凝固时，对裂纹最敏感，而以FA模式凝固时，则抗裂纹能力很强。铁素体作为初始析出相对合金的抗裂性有有利作用，原因主要有两方面。一是由于铁素体对硫、磷等杂质元素有较高的溶解度，这样以铁素体为初始相的凝固过程限制这些元素在晶界偏聚，从而抑制一些低熔点共晶的形成。另一方面，在凝固终了阶段沿凝固晶粒边界出现了奥氏体+铁素体两相混合组分，从而阻止了液态薄膜的浸润。既使裂纹已经形成，这些弯弯曲曲的奥氏体+铁素体边界对裂纹扩展仍有很大的阻碍作用。后一方面是以FA模式凝固的奥氏体不锈钢具有优良的抗裂性能的主要原因。由于低镍奥氏体成分与传统Cr-Ni系奥氏体不锈钢不同，低镍奥氏体不锈钢的热加工性能、组织控制、力学性能等方面不同于常规的高镍奥氏体不锈钢，最突出的问题就是在轧制过程中，该钢种容易出现边损等问题。下面从相的稳定性、相的形成和450脆性三个方面，示例地说明处理这些问题的方法和一些典型结果。3）相的稳定性奥氏体（相）的稳定性有两个含义：奥氏体能否形成及会不会分解？不锈钢的分类取决于奥氏体的稳定性；马氏体不锈钢要求在高温相，冷却时相转变为马氏体；铁素体不锈钢要求高低温时都没有相；奥氏体不锈钢则要求高低温时都是相或相（铁素体）有一定的比例，在不锈钢的成份设计中，从组织结构考虑，有三个主要问题：/+/相界限和马氏体转变温度。4）/+/相界限：虽然从理论上还无法满意地说明合金元素对于相形成的影响，但是生产实践和科学实验已在这方面积累了大量的资料，可供设计成份时参考。常用的整理资料概念是铬当量及镍当量，即将封闭区的合金元素，依据它们封闭能力的大小，合并为一个参量，叫做铬当量，同样，将扩大的区的合金元素的作用，合并为镍当量。从发展过程来说，最粗略地估计当量的办法是参考铁基二元相图中合金元素在的最大固溶度，例如：元素CrMoWVNbTaSiTiAi最大固溶度(质量分数%)1233.21.52320.61.1铬当量系数143.886462011这种忽略元素间相互作用的估计是最粗略的办法，只在没有其它可靠数据时才不得不用作定性估计。上述关于/+/相界限的资料都只适用于给定的加热温度，当加热温度改变时，这些相界限自然会发生移动。例如，1Cr18Ni9Ti轧板的相含量随加热温度的变化如下：加热温度/11001150120012501300相量/%2.5471329在低碳的Cr-Mn-N系不锈钢中，也有相量随加热温度升高而增加的规律，例如W99（0.22C-17.10Cr-11.75Mn-0.13N）轧材的相含量随加热温度的变化如下：加热温度/11001150120012501300相量/%2.5471329对于高碳的Cr-Mn-N系不锈钢中，升温使更多的残余碳化铬溶解，而碳的作用大于铬，因而出现W54（0.63C-24.39Cr-13.55Mn-0.29N）轧材的相含量随加热温度的升高而减少的现象：加热温度/10381093114912041260相量/%13117.43.51.8钢锭是不平衡的铸态组织，从液相中析出或与冷却速度有关。因此，铸态不锈钢加热时，会出现900到1200的相逐渐减少，而从1200到1300时相又逐渐升高的现象（1Cr18Ni9Ti）：加热温度/9009501000105011001150120012501300相级别332.5221.51.533.5在应用/+/资料分析和实际问题时，不仅要考虑钢的成份，也要注意始态（铸造或锻轧）及加热温度的影响。在分析加热温度影响时，要考虑碳化物的溶解引起的基本成份的变化。5）马氏体的转变在不锈钢发展和应用历程中，有不少情况涉及到奥氏体转变为马氏体这现象，例如：（1）马氏体不锈钢要求马氏体转变在室温以上完成，否则便会有残余奥氏体，使强度较低。马氏体不锈钢热轧后要求缓冷或红装退火，避免形成马氏体，减少或避免开裂趋势。（2）低温应用的奥氏体不锈钢，则要求Ms降低到使用温度以下，否则便会由于在低温产生马氏体，引起塑性和韧性降低。2.3不锈钢带钢组织性能控制开发的原因近年来，对轧制过程中钢材组织性能演变的模拟、预测和控制成为国际材料研制的重点，首先是因为用户对钢材内部质量的要求越来越高，除了要求钢材有严格的化学成人外，还要求钢材有均匀的内部组织、细小晶粒度，能够满足具体服务条件的使用性能和理想的寿命。特别是随着科技的发展，汽车、建筑业等用钢大户近年普遍提出减轻结构质量的要求，促使钢铁生产企业开发高性能的新钢种，这就要求在钢材生产全过程，特别是热轧过程中，对工件的微观组织和结构进行有效控制，以得到满足用户要求的高性能钢材。其次，作为传统材料，钢铁面临着其它结构材料的竞争，铝、钛及其合金和塑料逐渐蚕食原本属于钢铁的领地。例如，钢窗换成了塑料窗或铝合金窗，自来水管由钢管换成了塑料管或复合管，钢板换成了塑料板或复合板。如果钢铁不想退出竞争，就必须保持成本和价格优势，不断地通过改善钢材内部组织结构，来提高性能和迎接挑战。再次，除了外部竞争，钢铁行业的内部竞争也迫使人们千方百计地通过控制钢材的组织性能来降低成本，改进质量，增强市场竞争能力。并且，添加合金元素也是提高钢材性能的一条途径，但这种办法存在两个问题：一是合金元素比铁贵得多，添加合金元素意味着增加钢材的成本；二是很多合金元素在地球中的储量有限，过量使用合金元素会带来严重可持续发展问题和环境问题。2.4不锈钢带钢组织性能模拟与预测的进展近年来，随着用户对钢材质量要求的不断提高，相关行业特别是以计算机为标志的信息技术的发展，以及钢铁行业本身的技术进步，使成形过程中钢材的组织性能控制的研究出现了新的趋势。首先，在人们多年的探索基础上，成形过程中钢材组织性能变化的物理冶金理论逐渐完善，已经形成了关于静态结晶、动态再结晶、相变和沉淀析出等各种物理冶金现象的热力学理论和动力学理论，结合部分实验数据，很多学者建立了相应的数学模型，为成形过程中钢材的组织演变的模拟和性能的预测提供了