第5章-不锈钢ppt课件

1、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,在第一次世界大战时，英国科学家亨利. 布里尔利受英国政府军部兵工厂委托，研究武器的改进工作。那时，士兵用的步枪枪膛极易磨损。布里尔利想发明一种不易腐损的适于制造枪管的合金钢。1913年，他在实验中，把铬加入钢中，但由于一些原因，实验没有成功。他只好失望地把它抛在实验室外面的废铁堆里。过了

2、很长时间，奇怪的现象发生了：原来的废铁都锈蚀了，仅有那几块含铬的钢仍旧是亮晶晶的。结果发现，含碳024、含铬128的铬钢，在任何情况下都不生锈，即使酸碱也不怕。1916年布里尔利取得英国专利，并开始大量生产,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

3、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,铁与酸反应，铁被腐蚀。腐蚀速率

4、较慢,铁作负极（阳极）被腐蚀腐蚀速率较快,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

5、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： 1Crl3(SUS410)4Crl3等 Crl3型，Crl7Ni2、9Cr18等,F不锈钢：如0Cr1

6、7Ti ，1Cr25Ti， 00Cr27Mo等,A不锈钢：具有单相A组织，如 0Cr18Ni9(SUS304)、1Crl8Mn8Ni5N(SUS202)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

7、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,金属的钝化,5.2.2 腐蚀介质对钢耐蚀性的影响,金属的 耐蚀性,与介质

8、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(410S)、0Cr13Al、0Cr11Ti等； （2）Cr17型 如1Cr17(

9、SUS430)、0Cr17Ti、1Cr17Mo等； （3）Cr25-30型 如1Cr28、1Cr25Ti、 00Cr30Mo2等,由Fe-Cr相图可知，由于铬稳定相的作用，在铬含量到达13时，铁铬合金将无相变，从高温到低温一直保持铁素体。又由于铬量到达12能耐蚀，故这类铁素体钢就成为铁素体不锈钢,封闭相区并与-Fe无限互溶的Fe-Me相图及Fe-Cr相图,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

10、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 这类钢铸态下组织粗大，不能通过加热冷却过程 中的相变来细化，只能通过压力加工来碎化；铁素体 由于原子扩散快，有低的晶粒粗化温度和高的晶粒粗 化速率；600以上开始粗化，奥氏体不锈钢为900,解决办法：生产中将终锻温度或终轧温度控制在750 或更低的温度；向钢中加少量钛，以Ti（C、N）阻止 晶粒长大；增加铁素体不锈钢中在高温的奥氏体量， 来控制晶粒粗化,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,475加热时，铁素体内的铬

11、原子趋于有序化，形成许多富铬的铁素体(80%Cr、20%Fe)，它们与母相保持共格关系，引起晶格畸变和内应力，此时，钢的强度升高，冲击韧性降低,3）金属间化合物相的形成,按Fe-Cr相图，45Cr在820开始形成相。但实际生产中，由于铬钢中的显微偏析，17Cr的不锈钢就有可能形成相。相具有高的硬度(HRC68以上)，有大的体积效应，常常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促进晶间腐蚀,三、铁素体不锈钢的热处理,铁素体不锈钢平衡组织为铁素体铬的碳化物。 碳化物析出时容易产生点腐蚀和晶间腐蚀，为了获得成分均匀的铁素体组织，减少碳化物析出，消除晶间腐蚀倾向，以及消除相析出和475脆性，铁素体不锈钢在

12、热轧后常采用淬火、回火或退火热处理工艺,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 其成分特点是： 铬的上限含量较低；还含有一定量的碳和镍等相稳定化元素。这类高铬钢在加热时有较多或完全的相出现；又因稳定化元素含量不多，Ms点在室温以上，故淬火冷却能产生马氏体, 因此称为马氏体类不锈钢。 这类钢的耐蚀性、塑性、焊接性较奥氏体、铁素体不锈钢要差，但由于它有较好的机械性能和耐蚀性的结合，所以是机械工业中广泛使用的一类钢。用于制造机械零件、医用手术工具、测量工具、不锈轴承、弹簧等,马氏体不锈钢可分为三类： （1）Cr13型，有1Cr13、2C

13、r13、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

14、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

15、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,奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体的一种不锈钢。 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,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； S

16、i: 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,不锈钢的抗腐蚀性能主要由于表面覆盖着一层极薄的（约1nm)致密的钝化膜，这层膜把腐蚀介质隔离，是不锈钢防护的基本屏障。不锈钢钝化具有动态特征，不应看作腐蚀完全停止，而是形成扩散的阻挡层，使阳极反应大大降低。通常在有还原剂（如氯离子）情况下倾向于破坏膜，而在氧化剂（如空气）存在时能保持或修复膜,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）23C

17、6，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

18、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