《工程材料》第5章不锈钢

1、第5章不锈钢stainless steel5.1 概述14 5.2 影响不锈钢组织和性能的因素 5.3 铁素体不锈钢ferrittic stainless steels 5.4 马氏体不锈钢matensitic stainless steels 5.5 奥氏体不锈钢austenitic stainless steels 5.6 双相不锈钢dual-phase stainless steels2022/9/221、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

2、材料表面不大的区域，向深处发展，最后甚至能穿透金属。 图 5-1各种腐蚀类型 点蚀腐蚀5.1概述5.1.1金属腐蚀类型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。图5.2晶间腐蚀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。 应力腐蚀裂纹图5.3应力腐蚀一、对不锈钢性能要求及影响其耐蚀性因素2022/9/22性能要求 （

3、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。 二、腐蚀介质对钢耐蚀性的影响2022/9/22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、

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。加入Ti、Nb三、 提高不锈钢耐蚀性途径2022/9/22 （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。 不锈钢分类 M不锈钢： 12Crl340Crl3等Crl3型 14Crl7Ni2、95Cr18等 F不锈钢：如06Cr17Ti ，12Cr25Ti， 008Cr27Mo等

5、A不锈钢：具有单相A组织，如 06Cr18Ni9、12Crl8Mn8Ni5N等 A-F复相不锈钢：如12Cr21Ni5Ti 沉淀硬化不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb5.1.2不锈钢的组织与分类铁素体形成元素占优势：F 奥氏体形成元素占优势：A 奥氏体形成元素不足以使马氏体转变 Ms点降至室温以下： M2022/9/22铬当量Cr Cr+1.5Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W镍当量NiNiCo+0.5Mn+30C+30N+0.3Cu图5-4不锈钢的组织图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。合金元素对组织的影响本章内容 5.1 概述5

6、.2 影响不锈钢组织和性能的因素 5.3 铁素体不锈钢 5.4 马氏体不锈钢 5.5 奥氏体不锈钢 5.6 双相不锈钢2022/9/225.2影响不锈钢组织和性能的因素（GB12201992）一、合金元素对Fe电极电位的影响2022/9/22图5-5Cr对Fe-Cr合金电极电位影响不锈钢的组织图rCr铬与铁的摩尔比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 12.5%摩尔比12.552/(12.552+87.555.8） 11.7重量比 23.7重量比 3

7、5.9重量比 因此，11.7是不锈钢Cr的最低含量，但由于钢中有C的缘故，一部分碳与Cr形成碳化物，为使固溶体中的Cr量不少于11.7，实际不锈钢中含Cr量不低于13。2022/9/22不锈钢中的Cr含量二、 合金元素对不锈钢基体组织的影响 不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和良好耐蚀性的保证，使钢在室温下得到单相组织（A，F），就可以减少微电池的数量，提高耐蚀性。 合金元素影响： 1) 一类是扩大奥氏体形成元素：C，N，Mn，Ni ,Cu等 2) 一类是F形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，Mo等2022/9/221、铬元素的作用2022/9/22Cr是决定钢耐蚀性的主要元素 固溶体电极电位表

8、面形成致密氧化膜Cr 耐蚀性的作用符合n / 8定律2、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%）3、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，扩大钝化介质范围本章内容 5.1 概述 5.2 影响不锈钢组织和性能的因素5.3 铁素体不锈

9、钢 5.4 马氏体不锈钢 5.5 奥氏体不锈钢 5.6 双相不锈钢2022/9/225.3 铁素体不锈钢用作受力不大的耐酸和抗氧化结构件F不锈钢一般都是含Cr量较高的Fe-Cr-C合金,不能热处理强化。2022/9/22（1）Cr13型 如06Cr13，06Cr13Al等；（2）Cr17型 如10Cr17,019Cr17Ti,10Cr17Mo等；（3）Cr25-30型 如16Cr25N，14Cr25Ti， 008Cr30Mo2等。基本特点含碳量15Cr时，随Cr其脆化倾向也。在400525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（

10、80Cr20Fe） ，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 二、 F不锈钢热处理2022/9/22采用淬火和退火温度如图5.7所示。区为晶间腐蚀，区相析出区，475脆性区。870950淬火水冷避开上述区，560800退火就要避开区、区的动力学时间。图5-6铁素体不锈钢的热处理工艺本章内容 5.1 概述 5.2 影响不锈钢组织和性能的因素 5.3 铁素体不锈钢5.4 马氏体不锈钢 5.5 奥氏体不锈钢 5.6 双相不锈钢2022/9/225.4马氏体不锈钢 5.4.1马氏体不锈钢的成分和组织特点2022/9/

11、22 这类钢主要含1218%Cr，淬火冷却能产生M。但耐蚀性、塑性和焊接性能较其他不锈钢差。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12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13 （2）高碳高铬钢，如95Cr18 、90Cr18MoV等； （3）低碳17% Cr-2%Ni钢，如14Cr17Ni2。思考题： 40Cr13为什么是过共析钢? 9 5Cr18含Cr已达18%，但只是耐大气腐蚀不锈钢?12Cr13：M+F20Cr13：M30Cr13：M40Cr13：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）2022/9/225.

12、4.2 马氏体不锈钢热处理 常用的热处理工艺有软化处理、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。 840-900 ，2-4h，25 /h冷至600 空冷， 组织为：F碳化物2022/9/22调质处理 12Cr13、20Cr13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 30Cr13、40Cr13常做有一定耐蚀性的工具，所以采用淬火低温回火。T淬在10001050，为减少变形，可用硝盐分级冷却

13、。组织为马氏体+碳化物+少量AR图5-7 4Cr13铸态组织贝氏体+碳化物+残余奥氏体硬度：491HV图5-8 4Cr13热处理后组织回火马氏体+碳化物硬度：710HV贝氏体+碳化物+残余奥氏体回火马氏体+碳化物(a)(b)本章内容 5.1 概述 5.2 影响不锈钢组织和性能的因素 5.3 铁素体不锈钢 5.4 马氏体不锈钢5.5 奥氏体不锈钢 5.6 双相不锈钢2022/9/225.5奥氏体不锈钢分类（按化学成分分）：CrNi，CrMnN，CrMnNiN2022/9/22图5-9单相奥氏体组织 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

14、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。2022/9/22Cr+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

15、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。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）。 5.5.2 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀2022/9/22图5-11晶间腐蚀图5-10晶间腐蚀贫Cr区示意敏化处理 在Cr-Ni奥氏体不锈钢中，在450800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

16、-Sensitivation）曲线来表示，如图5-12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。2022/9/22图5-12奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的TTS曲线 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，如图5-13 。 曲线1表示析出M23C6型K的富Cr区域，曲线2是产生晶间腐蚀的区域，曲线3表示析出MC型K的区域。?在仅有MC型K析出的区域，没有晶间腐蚀倾向。图5-13奥氏体不锈

17、钢晶界的Cr23C6析出 为防止A不锈钢的晶间腐蚀，可采取以下措施：2022/9/22（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;（稳定化处理？）（5）对稳定性钢，通过退火热处理（稳定化处理）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15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。

18、 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。2022/9/222022/9/22图5.14奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化退火工艺2022/9/22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，如图5-14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。5.5.4锰氮奥氏体不锈钢 由于Ni在全球都是稀缺资源，为了节省Ni，我国研制了很

19、多节Ni和无Ni的奥氏体不锈钢。大约有三种： 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.2022/9/22图5-15Fe-Cr-Mn（0.1%C）650 时等温截面氮含量受到溶解度的限制，一般的氮含量在0.30.5%以下。用Mn，N完全代替Ni，很难得到单一的A，但钢中少加点Ni就能得到单相A组织。代表：12Cr18Mn8Ni5N应用：化肥，磷酸，醋酸等工业的耐蚀构件2022/9/22图5-16 Ni对Cr-Mn-N钢组织的影响比较F，M，A不锈钢的各自性能特点?本章内容 5.1 概述 5.2 影响不锈钢组织和性能的因素 5.

20、3 铁素体不锈钢 5.4 马氏体不锈钢 5.5 奥氏体不锈钢5.6 双相不锈钢2022/9/225.6 双相不锈钢近几十年发展起来的新钢种组织：AF成分：18-26Cr4-7NiMn，Mo，Cu，Ti，W，N等2022/9/22特点：兼具F不锈钢和A不锈钢的特性1. A的存在降低了钢的脆性，提高了钢的可焊性和韧性2. F的存在提高了钢的屈服强度，抗应力腐蚀敏感性，AF降低了钢晶间腐蚀的倾向3. 热处理：1000-1100淬火得到60F40A图5-4不锈钢的组织图本章小结 不锈钢主要矛盾是耐蚀性和强度的合理兼顾。对于一定成分的不锈钢，要达到预定耐蚀性和力学性能，关键是热处理工艺。不同类型或成分的不锈钢适用于不同介质的工作环境 耐蚀能力遵循n / 8规律。A不锈钢主要