第7讲钢铁材料XX

第第7 7讲钢铁材料讲钢铁材料XXXX 第3章金属材料金属材料是最重要的工程材料 工业上将金属及其合 金分为两类 黑色金属 铁和铁为基的合金 包括钢 铸铁和铁合金 有色合金 包括黑色金属以外的所有金属及其合金 金属材料中95 为钢铁 钢铁的工程性能比较优越 价格便宜 是应 用最多的工程金属材料 钢材一般是按化学成分 质量等级 冶炼方法和用途进行分类 如图示 各国钢材的编号方法大致分为两种一种是采用数字和字母并列的系 统 如中 德 苏 日等国家 一种是采用数字系统 如美国等 第一节 碳钢的牌号及用途 一 碳素结构钢根据国标GB700 88 碳素结构钢的牌号和化学成分如书中表3 1所示 这类钢主要保证机械性能 所以其牌号体现其机械性能 表示方法钢的牌号用Q加上数字来表示 如Q275 其中Q是钢屈服强 度的汉语拼音字母 其后的数字则表示屈服强度的数值 若牌号后标注字母A B C D 则表示钢材质量等级不同 即硫 磷质量分数不同 其中 A级钢材硫 磷质量分数最高 而D级钢材硫磷质量分数最低 也就是说 A B C D表示钢材质量依次提高 若在牌号后标注字母F 则表示钢材为沸腾钢 标注b为半镇静钢 不标注F或者b则为镇静钢 如Q235A F钢表示该钢种是最低屈服强度为235MPa的A级沸腾钢 Q235C则表示该钢种是最低屈服强度为235MPa的C级镇静钢 书中表3 2 表3 3分别列出碳素结构钢的力学性能以及新 旧国标的钢的牌号的对比 碳素结构钢主要保证机械性能 在一般情况下 在热轧状态使用 不再进行热处理 但对某些零件 也可进行正火 调制 渗碳等处理 以提高其使用 性能 碳素结构钢的用途 Q 195 Q 215 Q235A Q235B等钢塑形较好 有一定的强度 通常轧制成钢筋 钢板 钢管等 也可用于桥梁 建筑物等构件 Q 255 Q235D钢可用于重要的焊接件 Q 255 Q275钢强度较高 可轧制成型钢 钢板用作构件 二 优质碳素结构钢优质碳素结构钢的钢号用平均碳纸量分数的万 分数的数字来表示 例如20钢就表示该钢为优质碳素结构钢 碳质量分数为0 20 万分 之20 若钢中锰质量分数较高 则在该类钢后附加符号 Mn 如15Mn 4 5Mn等 优质碳素结构钢主要用于制造各类机器零件 08F钢塑性好 可制造 冷冲压零件 10 20钢冷冲压性与焊接性能良好 可用作冲压件及焊接件 经过 热处理如渗碳也可以制造轴 销类零件 35 40 45 50钢经热处理后 可获得良好的综合机械性能 用来制造齿轮 轴类 套筒等零件 60 65钢主要用来制造弹簧 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理 三 碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0 65 1 35 之间 钢号 用平均碳质量分数的千分数的数字来表示 数字之前冠以T 碳的汉 语拼音字头 如 T9表示碳质量分数为0 9 千分之9 的碳素工具钢 碳素工具钢均为优质钢 若硫磷含量更低 则为高级优质碳素工具钢 则在钢号后面标注A 如T12A表示该钢是碳质量分数为1 2 的高级优质碳素工具钢 碳素工具钢的成分见书中表3 5 碳素工具钢主要用来制造各种刃具 量具 模具等 T 7 T8钢硬度高 韧性较高 可制造冲头 凿子 锤子等工具 T 9 T 10 T11钢硬度高 韧性适中 可制作钻头 刨刀 丝锥 手锯条等 刃具及量规 样套等量具 碳素工具钢使用前都要进行热处理 第二节 合金钢随着科学技术和工业的发展 对材料提出了更高的 要求 如更高的强度 抗高温 高压 低温 耐腐蚀 耐磨损以及 其它特殊物理 化学性能的要求 此时碳钢就不能完全满足这种要 求 碳钢的性能主要有以下几方面的不足 淬透性低一般情况下 碳钢水 淬的最大淬透直径只有15 20mm 因此 在制造大尺寸和形状复杂的零件时 不能保证性能的均匀性 和几何形状不变 强度和屈强比低强度低会使工程结构和设备笨重 如Q235钢的屈服强度仅为235MPa 而低合金结构钢16Mn的屈服强度 则为360MPa以上 屈强比低 说明强度的有效利用率低 如40钢的屈强比 s 0 2 为0 43 而合金钢35CrNi3Mo的屈强 比可达0 74 回火稳定性差由于回火稳定性差 碳钢在进行调质处理时 为了保 证较高的强度需采用较低的回火温度 这样钢的韧性就差 为了保证钢有良好的韧性 当采用较高回火温度时 碳钢强度又偏 低 所以碳钢的综合机械性能水平不高 不能满足特殊性能的要求碳钢在抗氧化 耐蚀 耐低温 耐磨损以 及特殊电磁性等方面往往较差 不能满足特殊使用性能的要求 合金钢为了提高钢的性能 在碳素钢的基础上加入一种或者几种合 金元素 以改善钢的组织和性能 这种钢叫做合金钢 合金钢的分类合金钢的分类方法很多 主要有以下几种 按合金元素 的质量分数多少 可分为低合金钢 合金元素总量一般不超过4 中合金钢 合金元素总量在5 10 以及高合金钢 合金元素 总量高于10 按所含的主要合金元素 可分为铬钢 铬镍钢 锰钢 硅锰钢等 按小试样正火或铸造状态的显微组织 可分为珠光体钢 马氏体钢 奥氏体钢和莱氏体钢等 我国采用最简便的方法 按用途来分类 可分为结构钢 工具钢和 特殊性能钢 合金钢的编号钢的牌号应反映其主要成分和用途 世界各国合金钢的编号方法不同 我国合金钢按照碳质量分数 合金元素的种类和数量及质量级别来 编号 在钢的牌号首部用数字表明碳质量分数 为了表明用途 规定结构钢以万分之一为单位的两位数字 工具钢 和特殊性能钢以千分之一为单位的一位数字来表示碳质量分数 对 于工具钢 碳质量分数超过1 时 碳质量分数不标出 在表明碳质量分数数字之后 用元素的化学符号表明钢中主要合金 元素 合金元素的质量分数由其后面的数字表明 平均质量分数少于1 5 时 不标数 平均质量分数为1 5 2 49 2 5 3 49 时 相应标以 2 3 如40Cr为结构钢 平均碳质量分数0 4 主要合金元素Cr质量分数 1 5 以下 5CrMnMo为工具钢 平均碳质量分数为0 5 主要合金元素Cr Mn Mo的质量分数均在1 5 以下 CrWMn钢是工具钢 碳质量分数大于1 含有Cr Mn V 质量分数 均低于1 5 对于高级优质钢 则在钢的末尾加A表明 例如 20Cr2Ni4A 一 调质钢应用最广泛的结构钢 在机械结构钢中约占70 为了获得良好综合机械性能 调质钢通常进行调质处理 淬火 高温 回火 近年来 有许多合金调质钢采用等温淬火处理 能获得优良的机械 性能 此外 根据不同技术要求 还可以施以正火 淬火 低温回火等处理 工艺 1 调质钢的性能要求调质钢制造的机械零件 如航空发动机的涡轮 轴 飞机起落架的承力零件等 由于它们工作时承受着拉伸 压缩 弯曲 剪切 扭转 冲击 震动 摩擦等力的作用 或者几种力 同时作用 在机械零件截面上产生张 压 切等应力 这些应力的值可能是恒定的 也可能是交变的 在加载方式上可以 是逐渐的或者是骤然的 总之 受力情况极为复杂 因此 调质钢的机械性能和工艺性能应具备以下基本要求 高的综合 机械性能一般是指强度 硬度和塑性的良好配合 如航空发动机的涡轮轴在工作时要承受交变的弯矩 扭矩 轴向力 和震动等载荷 因此 要求材料具有高的强度和足够的塑性 韧性 以及疲劳强度 良好的工艺性是指合金的铸造性 压力加工性 切削加工性 焊接 性以及淬透性等 以便于零件加工成形 价廉 原材料资源丰富 且能够立足国内 2 调质钢的合金化特点调质钢合金化的主要目的是提高钢的淬透性 和综合机械性能 调质钢的化学成分特点碳量在0 25 0 5 间 以获得良好的综合机械 性能 如零件要求以强度和硬度为主 则含碳量应采用上限 如受力大的 轴类零件 含碳量大于0 4 相反 要求具有较高韧性和塑性的零件 则含碳量偏下限 合金元素根据合金元素在调质钢中的作用可分为两类 主加元素Si Mn Cr Ni B 可以单独或者复合地加入钢中 对提高钢的综合机 械性能起到主导作用 主加元素Mn Cr及微量B是提高钢淬透性的有效元素 而Si Ni作用 稍弱 但Ni与Cr配合使用 能显著提高钢的淬透性 辅加元素W Mo V 通常不单独加入 与主加元素相配合 能使主加元素作用得到进一 步发挥 在钢中含量通常百分之一乃至千分之几 但所起作用很大 辅加元素Mo W一般含量小于1 其主要作用是减轻第二类回火脆性 V一般含量小于0 3 因为大部分V能形成熔点较高的碳化物 氧化 物等 并分布于奥氏体晶界上机械地阻碍奥氏体晶粒长大 3 调质钢及其热处理根据淬透性 以油淬临界直径DC oil 可将调 质钢分为三类 时 为低淬透性调质钢 时 为中淬透性调质钢 时 为高淬透性调质钢 中 高淬透性的调质钢在航空工业中应用最多 其中 30CrMnSiA钢是典型代表 由于其具有良好的综合机械性能和工艺性能 且不含稀贵元素 故 在航空工业中广泛用于机身大架 机翼接头 起落架装置 重要的 螺栓等 合金调质钢需经淬火加高温回火热处理 其淬透性一般较高 大多 采用油淬 合金调质钢常规热处理后的组织一般是回火索氏体 二 渗碳钢在飞机制造业中 渗碳钢是仅次于调质钢的一种结构钢 1 渗碳钢的性能要求飞机或者发动机中某些零件如齿轮 活塞销及 凸轮等 在工作过程中 除承受较大交变载荷 弯曲及扭转等疲劳 载荷外 表面还受到相对摩擦产生的接触应力作用 故要求材料表 面具有高的硬度和耐磨性 而心部具有足够的强度和韧性 为了满足上述要求 采用渗碳钢经渗碳 参书中p133渗碳处理 并 淬火后使零件从表面到中心形成高碳马氏体到低碳马氏体 再经低 温回火 使得零件表面具有高的硬度和耐磨性 以保证零件不致过 早的磨损或者接触疲劳而破坏 同时 零件心部则具有足够高的屈服强度和冲击韧性 渗碳钢的工艺性能 主要要求钢的渗碳效果好 也就是渗碳速度大 渗碳的碳浓度能够平缓地变化 性能均匀稳定 2 渗碳钢的合金化特点 碳量一般为0 12 0 25 随着含碳量的增加 材料的塑性 冲击韧性随之下降 对要求强度高的零件可选用下限 合金元素渗碳钢中常用的合金元素有Cr Ni Mn及微量的B为主加 元素 其主要作用是提高钢的淬透性 同时保证零件心部具有高的 强度和冲击韧性 此外 渗碳钢中还含有少量的W Mo Ti等强碳化物形成元素 其主 要作用是防止高温 900 以上 渗碳时奥氏体晶粒长大 同时能提 高渗碳层的耐磨性 3 渗碳钢及其热处理渗碳钢按其淬透性或者强度大小可分为三种 低淬透性渗碳钢 中淬透性渗碳钢 高淬透性渗碳钢航空工业中 多 使用中 高淬透性渗碳钢 如12CrNi3A 12Cr2Ni4A 以及18Cr2Ni4 WA钢 18Cr2Ni4WA钢是航空发动机中应用较多的渗碳钢 该钢中含有主加元素Cr Ni 两者比例1 3 能有效提高钢的淬透 性 同时 含有辅加元素W 一方面可细化晶粒 也能提高钢的淬透性 该钢的淬透性非常好 属于高淬透性渗碳钢 合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火 再低温回火 热处理后 表面渗碳层的组织由合金渗碳体及回火马氏体及少量残 余奥氏体组成 而心部组织则和钢的淬透性和零件截面尺寸相关 完全淬透时为低 碳回火马氏体 多数情况下则是屈氏体 回火马氏体和少量铁素体 三 超高强度钢超高强度钢是为适应航空航天技术的需要而发展起 来的一种新型钢种 就飞机而言 为了提高飞行速度 要求尽可能减轻构件自身的重量 使材料具有高的屈强比 超高强度钢和普通结构钢的区分界线 一般认为 b 150 10E7N mm E2 s 140 10E7N mmE2的钢 叫做超高强度钢 由于强度的提高 塑性和韧性往往下降 因此超高强度钢面临以下 问题 缺口敏感性大 疲劳强度低 所谓缺口敏感性是指光滑试样和带缺口试样的抗拉强度比值 即缺 口敏感系数来衡量 该系数大 缺口敏感性大 对于一般钢材 疲劳强度与抗拉强度是成正比的 而超高强度钢有 时却随强度的提高而疲劳极限下降 这和超高强度钢的缺口敏感性大有关系 断裂韧性低 工艺性能差 由于超高强度钢随着强度的升高 塑性下降 导致钢的冷变形性能 和焊接性能变差 超高强度钢按其化学成分可分为低合金超高强度钢 中合金超高强 度钢 高合金超高强度钢 1 低合金超高强度钢低合金超高强度钢是在调制钢的基础上发展起 来的 其成分与调制钢相比 仅含碳量稍低 小于0 45 合金元 素含量稍高 5 30CrMnSiNi2A钢是航空工业中应用最广泛的一种低合金超高强度钢 它是在30CrMnSiA钢的基础上加入1 4 1 8 Ni而得到的 由于镍的作用 提高了钢的淬透性 同时提高了强度与韧性 缺口 敏感性较低 该钢目前已广泛用于制造飞机上受力较大的重要零件 如机翼主梁 起落架支架等 应当指出 低合金超高强度钢一般都含有镍 这不符合我国资源情 况 为此 材料工作者们研究了不含或者少含镍的低合金超高强度钢 如40CrMnSiMoVA钢来替代30CrMnSiNi2A钢 便是成功的一例 2 高合金超高强度钢由于低合金超高强度钢的断裂韧性较低 易出 现低应力脆断 在五十年代末期成功研制出高合金超高强度钢 高合金超高强度钢一般可分为马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢 以马氏体时效钢为例 该钢属于超低碳 0 03 高镍 10 25 并含有主加元素Mo Co和附加元素Ti Nb Al等的高合金钢 高镍是为了获得高塑性的低碳高镍马氏体 这种马氏体稳定性高 加热时不易发生相变 并能和基体相保持共 格 使钢的强度显著提高 马氏体时效钢的塑性比较高 可施以冷 热压力加工 且冷加工硬 化率低 在不同的超高强度钢中 若强度相同时 马氏体时效钢的冲击韧性 和断裂韧性值最高 从而保证了使用时的安全可靠性 这类钢由于合金化程度高 冶金要求严格 故价格较贵 多用于制造比强度高 可靠性高 尺寸控制精确的重要构件 如飞 机和火箭结构件如火箭的壳体等 四 弹簧钢弹簧是各种机械及仪表中的重要零件 由于弹簧在动载荷下承受长期 周期性弯曲 扭转等交变应力 以 致造成疲劳破坏和永久变形 为保证弹簧可靠工作 弹簧钢必须具备以下性能 高屈服极限和弹性 极限 尤其是高屈强比 防止弹簧在高载荷下永久变形 具有高的疲劳极限 包括缺口疲劳强度 弹簧大多是在反复交变应力下工作 一般钢的疲劳强度和强度极限 成正比 但疲劳性能对于钢的表面状态质量要求较高 如表面有裂纹 斑痕 夹杂等 将显著降低钢的疲劳强度 具有较好的工艺性能 即具有一定的塑性使其易于绕制成形 弹簧钢的含碳量较高 0 46 0 9 主加元素Mn Si等用于保证钢 的淬透性 而辅加元素Cr V W Nb等 主要是防止Mn Si的不良 作用 并提高弹簧的弹性 屈强比和耐热性等 航空工业常用的弹簧钢中 以硅锰钢60Si2Mn应用最广 为了消除及减轻弹簧表面缺陷的有害影响 在最后热处理后还可进 行喷丸处理 使表面层产生残余压应力 强化表面 提高弹簧疲劳 强度 延长使用寿命 第三节 合金工具钢工具钢按用途可分为刃具钢 模具钢和量具钢 一 刃具钢刃具在切削过程中 要产生高热 有时可达500 600 并受到一定的冲击和震动 因此 要求刃具钢具有如下的性能 高硬度刃具必须具有比被加工零 件更高的硬度 切削一般金属用的刃具 其刃口部分硬度不低于HRC60 淬火钢硬度主要取决于钢含碳量 因此 刃具钢含碳量较高 约在0 7 1 5 高耐磨性刃具耐磨性 直接影响其使用寿命 高耐磨性不仅取决于高硬度 而且与碳化物性质 数量 大小和分 布有关 高红硬性红硬性主要取决于马氏体的回火稳定性 刃具在切削过程中产生的高热使刃口部分温度升高 硬度降低 无 法继续切削 因此 要求刃具材料具有在高温下保持高硬度的能力 这种性质叫 做红硬性 足够的强度和韧性主要是防止刃具在使用过程中崩刀或者折断 1 低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入某些合金元素以改善 其性能 低合金工具钢含碳量为0 7 1 5 合金元素总含量在5 以下 其中 主要是Cr W V Mn Si等 这些元素都不同程度地提高钢的淬透性 因此 这类钢可用油淬 其中W V是强碳化物形成元素 所形成的合金碳化物比渗碳体稳定 加热时不易溶于奥氏体 能减小钢的过热倾向 并提高钢的耐磨 性和硬度 硅能够有效地提高钢的回火稳定性 使钢淬火后加热到250 300 时 任能保持HRC60以上的硬度 并具有较好的红硬性 2 高速钢随着生产 技术的发展 金属切削加工的速度及进刀量不 断增加 切削区的刃部温度不断提高 因此 对刃具材料的红硬性 要求随之提高 高速钢刃具 当切削温度达到600 时 硬度仍保持在HRC60左右 从而得名为锋钢 高速钢是在碳素工具钢 0 7 1 65 的基础上基础上加入大量合金 元素W Mo Cr V Co Al等 总量大于10 其中 碳化物形成元素W Mo V等与碳形成合金碳化物 在淬火加 热时 部分碳化物溶入奥氏体 从而保证了马氏体的高硬度与高红 硬性 如W18Cr4V就是典型的高速钢 二 模具钢模具钢 按使用温度和工作条件 可分为冷态变形模具 钢和热态变形模具钢 A 冷模具钢冷变形模具包括冲裁 剪切 拉拔 冷挤压 落料 弯 曲等模具 这些模具由于工作中承受很大的压应力 弯曲应力 冲击力和摩擦 力等作用 因此 要求冷模具钢具有高硬度 一般HRC58 62 高耐磨性 并 具有足够的抗弯强度和韧性 有些模具还要求高的精密度 所以热处理的变形要小 钢的淬透性 要好 如Cr12型的冷模具钢就是典型 Cr12型的冷模具钢有几个钢号 Cr12 Cr12V Cr12MoV 都含有12C r 后两个型号仅加了少量的钼和钒 这类钢由于含有较多的碳 最高达2 3 和合金元素 因此 组织 和亚共晶生铁相似 属莱氏体钢 Cr12V和Cr12MoV比Cr12钢的综合性能更好 这类钢广泛用于制造截面大 负荷重 形状复杂 并承受大冲击力 的冷模具 B 热模具钢热模具钢可分为锻模钢 热锻模 热挤压模 和压铸模 用钢 锻模钢锻模钢是在高温下通过冲 压强迫金属成型的工具 工作过程中受到比较高的单位压力和冲击负荷 及炽热金属对锻模 型腔的摩擦作用 锻模型腔表面经常与1100 1200 金属接触 型腔表面被加热到300 以上 局部可达500 并且反复加热 冷却 因此 锻模常因为热疲劳而使模腔表面龟裂 所以 锻模钢要求在高温下有较高机械性能 良好耐热疲劳性 高 淬透性和良好导热性 热模具钢一般为中碳钢 含碳量0 3 0 6 Cr Ni Mn Si是主加元素 以提高钢机械性能和淬透性 少量W Mo V为辅加元素 细化晶粒 提高回火稳定性并减小回火 脆性 5CrNiMo和5CrMnMo钢是我国使用最广泛的两种锻模钢 5CrNiMo钢具有高的淬透性 适于制造复杂的 冲击载荷大的大型和 特大型的锻模 5CrMnMo钢不含镍 以锰代镍并不降低钢的强度 但常温及高温下的 塑性和韧性降低 淬透性也低一些 过热敏感性稍大 因此 5CrMnMo钢适于制造中型锻模 压铸模具钢压铸模是在高温下使熔融金属压铸成型的模具 压铸模在工作过程中反复与熔融金属接触 并多次受热和冷却 因 此 对压铸模具用钢要求有较高的耐热疲劳性 较高的导热性 良 好的耐磨性和耐腐蚀性及必要的高温机械性能 根据压铸合金的不同熔点可选用不同的压铸模具钢 压铸低熔点合金 锌合金 的压铸模 可用结构钢 压铸铝合金 镁合金的压铸模 主要是热作模具钢中的3Cr2W8V和4 Cr5MoVSi钢 其中3Cr2W8V钢应用的最多 压铸高熔点合金如铜合金或者黑色合金的模具 由于合金的熔点高 模具的工作条件极为恶劣 因此 即使采用3Cr2W8V和4Cr5MoVSi 钢热模具钢 模具的寿命仍不高 因此 尚需探索和研制新的压铸 模具钢 三 量具钢量具 如量规 块规 卡规 在使用过程中常和工件接 触 摩擦 有时还受碰撞 为了保证量具精确度 要求量具具有高的硬度和耐磨性 此外 还 要求淬火时变形小 且组织稳定 以保证长期使用或者保存时不产 生形状 尺寸变化而丧失精确度 由于各种量具用途不同 所要求精度不同 因此可选用不同的钢材 对于小型 简单 精度低的量具如塞规 一般用碳素钢制造 如T10 T10A 对于一般形状复杂 精度要求高的量具 则用Cr 12 CrMn及CrWMn钢 其中CrWMn钢由于含有CrWMn等 不仅提高钢的淬透性和耐磨性 而 且有效地减少热处理变形 CrWMn钢也叫做低变形钢 为了保证量具获得高硬度和耐磨性 一般都采用淬火 冷处理 低温 回火的热处理方式 由于低温回火温度较低 钢中残余奥氏体没有转变 为防止在使用 过程中奥氏体转变为马氏体而引起体积膨胀 影响量具的尺寸和形 状 须在淬火后立即将其冷至 80 然后再回火 第四节 不锈耐酸钢 一 概述不锈耐酸钢是指在大气或者某些腐蚀介质中具有一定耐蚀 性的钢种 一般把只能抵抗大气腐蚀的钢叫做不锈钢 把能抵抗某些强烈浸蚀性介质腐蚀作用的钢叫做耐酸钢 因此 一般情况下 不锈钢不一定耐酸 而耐酸钢却一定是不锈钢 这类钢的性能要求主要是在不同介质中具有较高的耐蚀性 此外 还需要具备相应的机械性能和工艺性能 1 金属腐蚀的基本概念金属表面与周围介质发生化学及电化学作用 而遭受破坏 叫金属腐蚀 金属腐蚀是发生在金属表面与介质之间的化学或电化学的多相反应 因此 作为研究金属腐蚀的科学分支 金属腐蚀与防护专业基本上是奠基于金属学和物理化学两门学科之 上的 特别是研究物理化学中多相反应的化学动力学和电化学动力学 对 于了解腐蚀现象本质 起着重要的作用 金属腐蚀与防护专业的研究对象就是研究金属和合金表面的物理 化学破坏问题 研究的内容包括以下两方面的内容1 研究金属和周 围介质作用时所发生的化学或者电化学现象 确定这些现象的机理 和一般规律 2 研究在各种条件下使用的技术结构 机器仪器 建筑物 运输用 具等 的腐蚀防止方法 3 金属材料腐蚀的分类及其破坏形式金属材料腐蚀一般分为两大类 1 化学腐蚀化学腐蚀是因金属表面与介质发生化学作用而引起的 它的特点是作用进行中没有电流的产生 化学腐蚀又分为两大类a 气体腐蚀金属在干燥气体中 表面没有湿气冷凝 发生的腐蚀 称为气体腐蚀 气体腐蚀一般是在高温时金属的腐蚀 b 在非电解质溶液中的腐蚀这是指金属在不导电的液体中发生的腐 蚀 2 电化学腐蚀电化学腐蚀和化学腐蚀不同之点在于前者在进行的 过程中有电流产生 按照所锈蚀环境的不同 可把电化学腐蚀分为如下几类a 大气腐 蚀腐蚀在潮湿的环境 例如空气 中进行 b 土壤腐蚀埋设在地下的金属构筑物 如管道 电缆等的腐蚀 c 在电解质溶液中的腐蚀这是极其广泛的一类腐蚀 天然水及大部 分水溶液对金属结构的腐蚀 例如在海水 酸 碱 盐的水溶液中 所发生的腐蚀都属于这一类 d 在熔融盐中的腐蚀例如在热处理车间中 熔盐加热炉中的盐炉电 极和所处理的金属所发生的腐蚀 按照腐蚀形式的破坏 可以把腐蚀分为两大类均匀腐蚀和局部腐蚀 均匀腐蚀是腐蚀作用均匀地发生在整个金属表面上 局部腐蚀是腐蚀作用仅局限在一定的区域 局部腐蚀又分为以下几类斑点腐蚀腐蚀象斑点一样分布在金属表面 所占面积较大 但不很深 脓疮腐蚀金属被腐蚀的情形像人生上 长的脓疮 被损坏的部分较深较大 孔腐蚀 点腐蚀 金属某些部分 被腐蚀为一些小而深的圆孔 有时发生穿孔 晶间腐蚀这种俯视发 生在金属晶粒的边缘上 金属遭受晶间腐蚀时 它的晶间结合力显著下降 内部组织变得很 松弛 穿晶粒腐蚀破坏沿最大张应力线发生的一种局部腐蚀 其特 征是腐蚀可以穿越晶粒本体 穿晶腐蚀通常又叫作腐蚀裂开 选择腐蚀多元合金中某一组分溶解 到腐蚀介质中 从而造成另一组分富集在合金的表面上 如黄铜的脱锌 便是选择性腐蚀的例子 此时 黄铜的组分之一 锌会溶解到介质中 金属表面富集着铜而 呈红色 局部腐蚀要比均匀腐蚀危害大得多 金属腐蚀程度的表征是采用平均腐蚀速度来表示的 简单的有两种 一种是根据重量的变化来评定 1 另一种是由腐蚀深度来表示 点蚀点蚀也是一种很常见的腐蚀形态 这种形态的腐蚀通常发生在 具有钝性的或有保护膜的金属上 而且环境的均匀腐蚀性相对较弱 钢铁 铜 镁 不锈钢 耐热合金 铝合金 钛合金等在大多数含 有氯离子的介质中都有可能发生点蚀 含有氧化性金属阳离子的氯化物如三氯化铁 氯化铜 氯化汞等属 于强烈的点蚀促进剂 晶间腐蚀晶间腐蚀是指晶界相或与之紧邻的区域作为阳极优先溶解 而晶内很少或没有腐蚀 发生晶界腐蚀后从材料的外观上很可能看不出任何变化 确认晶间 腐蚀的方法是金相检验 抛光后无需浸蚀即可看到因腐蚀变粗变黑 的晶界 可能发生晶间腐蚀的金属有不锈钢 镍合金 铝合金 铜合金 一般讲 含有常规碳含量 0 04 且不含碳化物稳定元素钛 铌的不锈钢对晶间腐蚀敏感 把碳量降低至0 03 以下 或添加一定 量的钛 铌 则可降低敏感性 二 提高金属材料耐蚀性的途径为了提高金属制件的耐蚀性 生产 上已采用多种措施以防止或者减少金属的腐蚀 例如 正确选用材料 合理地设计金属结构 采用表面防护等 要提高金属材料本身的耐蚀性 可通过如下基本途径 1 使金属或者合金的表面形成一层致密的保护膜 钝化膜 以 防止周围介质与金属基体发生作用 从而提高其抗氧化性 如在钢中 通过合金化的方法加入一定量的合金化元素如铬 硅 铝等 使钢件在高温下表面形成Cr2O 3 SiO 2 Al2O3等致密的氧化膜 有效防止腐蚀继续发生 或者用化学热处理的方法进行钢件表面渗铬 渗铝 渗硅等 2 使合金呈单相组织 可通过合金化的方法 改变钢的成分 并采用适当的热处理方法使 之达到这一要求 如在钢中加入一定量的镍或者锰 并采用固溶处理方法 可使钢在 室温下呈单相的奥氏体组织 3 在钢中加入较多的铬元素 以提高钢的基本相如铁素体的电极 电位 图3 43为钢中含铬量对 Fe电极电位的影响 通过实验发现 钢中含铬量达到Cr Fe 1 8 2 8 n 8时 铁素体的电极电位呈跳跃式上升 从而使 Fe的耐蚀性显著提高 这便是所谓的n 8定律 因此 在不锈耐酸钢中 最低含铬量应为12 5atm 11 7wt 应指出 铬不锈钢和耐酸钢仅在氧化性介质中才有较高的稳定性 在还原酸中 随着含铬量增加 耐蚀性反而降低 4 尽量减少金属材料中组织和成分的不均匀性 尽可能消除或者 减小内应力及应力不均匀 例如采用退火方法消除铸造合金的成分偏析 用去应力退火方法消 除冷变形金属存在的内应力 以提高其耐蚀性 三 不锈耐酸钢的基本类型目前使用的不锈耐酸钢 一般按其正火 状态显微组织的不同 大致可分为五类 1 马氏体类不锈钢 2 铁素体类不锈钢 3 奥氏体类不锈钢 4 铁素体 奥氏体复相不锈钢 5 沉淀硬化类不锈钢 可控相变不锈钢 下面 就每类不锈钢中 典型钢种的特点 组织 性能和其热处理特征予以简单介绍 1 马氏体类不锈钢基本成分12 17 Cr 0 1 1 0 C 0 4 Ni 有时 加入钼 钒 铌 铜等 这类钢最常见的是Cr13型不锈钢 在我国不锈钢系列中 属于Cr13型不锈钢的共有五个钢号 0Cr13 4 Cr13 含铬量都是12 14 只是含碳量 0 1 0 4 不同而已 钢中加入较多的铬元素 主要目的是使钢件表面形成一层致密的耐 蚀氧化膜 以提高钢的耐蚀性 钢中加入铬绝大部分固溶到铁素体 一部分与碳形成合金碳化物 C r23C6 钢中含碳量越高 钢中合金碳化物越多 通过淬火及回火后强度和 硬度也越高 但耐蚀性则有所下降 由于钢中含有大量铬 使Fe Fe3C相图的共析点S左移其共析含碳量大约在0 2 0 3 之间 因此 0Cr 13 1Cr 13 2Cr13属于亚共析钢 3Cr 13 4Cr13分别属于共析钢和过共析钢 这类钢组织转