金属材料组织与性能课件 08-第八单元低合金钢和合金钢-模块6 特殊性能钢

模块六特殊性能钢不锈钢(stainlesssteel)耐热钢(heat–resistantsteel)耐磨钢(wear–resistantsteel)

一、不锈钢不锈钢在石油、化工、原子能、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，热裂设备零件，医疗手术器械，防锈刃具和量具，等等。不锈钢——在空气和弱腐蚀介质中抵抗腐蚀的钢耐酸钢——在酸、盐溶液等强腐蚀介质中抵抗腐蚀的钢由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。统称不锈耐酸钢，简称不锈钢。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。

不锈钢的性能要求合金元素

不锈钢中常见的合金元素：C、Cr、Ni、Mn、Si、N、Nb、Ti、Mo奥氏体形成元素：Ni、Mn、Co；C、N、Cu等铁素体形成元素：Cr、Si、Ti、Nb、Al、Mo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→Cr、Ni、Mn→单相铁素体、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。

1.金属的腐蚀和控制金属在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的现象称为腐蚀。腐蚀是导致材料失效的三大因素之一，世界每年因腐蚀而报废的钢村约占钢村年产量的1/4，所以金属的防腐是一个重要课题。化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄

（1）化学腐蚀

金属与外界介质发生化学反应被破坏，如钢的高温氧化，这种腐蚀的产物一般覆盖在金属的表面。防止这种腐蚀发生发生的方法是在金属表面形成一层钝化膜，隔绝金属和腐蚀介质。如油漆、电镀、发蓝等，但对不锈钢来讲，最根本的是通过材料本身形成这层钝化膜，如加入Cr、Al、Si等。

（2）电化学腐蚀金属不仅与介质发生化学反应，而且有电流产生，如金属在常温下的氧化。合金中的不同相电极电位不同，一般固溶体相的电位低，而金属化合物的电位高，存在电位差。这样在存在酸、碱等溶液时便形成了原电池，电位差越大，原电池越多，腐蚀越快。电化学腐蚀是金属腐蚀更重要更普遍的形式，它是由于不同金属或金属的不同相之间，电极电位不同，构成原电池而产生的。

珠光体电化学腐蚀示意图用硝酸酒精浸蚀碳钢能显示珠光体就是这一原理。这种原电池腐蚀由于是在显微组织之间产生的，故称为微电池腐蚀。

电化学腐蚀的控制加入合金元素铬铬能提高钢基体的电极电位。每向钢中加入12.5%的铬，钢的电极电位急剧升高。铬在氧化性介质（如水蒸气、大气、海水、氧化性酸等）中极易钝化，生成致密的氧化膜、使钢的耐蚀性大大提高。加入镍可获得单相奥氏体组织，显著提高耐蚀性；或形成奥氏体或铁素体组织，通过热处理，提高钢的强度。

碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成—系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。耐蚀性要求愈高，碳含量应愈低。大多数不锈钢的碳含量为0.1%～0.2%。对要求提高碳含量时（可达0.85%～0.95%），应相应地提高铬含量。

2.牌号表示方法合金元素的表示方法同合金结构钢和合金工具钢。用两位或三位阿拉伯数字表示碳质量分数最佳控制值（以万分之几或十万分之几计)。（1）只规定碳质量分数上限者，当碳质量分数上限不大于0.10%时，以其上限的3/4表示碳质量分数；当碳质量分数上限大于0.10%时，以其上限的4/5表示碳质量分数。例如，碳质量分数上限为0.08%，碳质量分数以06表示；碳质量分数上限为0.20%，碳质量分数以16表示；碳质量分数上限为0.15%，碳质量分数以12表示。例如，碳质量分数不大于0.08%，Cr含量为18%～20%，Ni含量为8.0%～11.0%的不锈钢牌号为06Cr19Ni10。对超低碳不锈钢（即碳质量分数不大于0.030%)，用三位阿拉伯数字表示碳质量分数最佳控制值（以十万分之几计)。例如，碳质量分数上限为0.030%时，其牌号中的碳质量分数以022表示；碳质量分数上限为0.020%，其牌号中的碳质量分数以015表示。例如，碳质量分数不大于0.030%，Cr含量为16%～19%，Ti含量为0.10%～1.0%的不锈钢，牌号为022Cr18Ti。（2）规定上、下限者，以平均碳质量分数×100表示。例如，碳质量分数为0.16%～0.25％时，其牌号中的碳质量分数以20表示。例如，碳质量分数0.16%～0.25%，Cr含量为12.0%～14.0%的不锈钢，牌号为20Cr13。不锈钢统一数字代号GB/T17616—1998《钢铁及合金牌号统一数字代号体系》规定，不锈钢统一数字代号由“S+五位数字”组成，其中第一位数字表示不锈钢的类型，具体为：S1表示铁素体不锈钢；S2表示双相不锈钢；S3表示奥氏体不锈钢；S4表示马氏体不锈钢；S5表示沉淀硬化不锈钢。例如，S30408表示Cr-Ni奥氏体不锈钢06Cr19Ni10。

中外不锈钢牌号对照由于我国不锈钢进口量较大，所以实际工程中不锈钢还大量采用美国标准牌号，如304、316L等。不锈钢美国牌号主要采用AISI（美国钢铁学会标准）的编号系统，牌号由三位阿拉伯数字组成，第一位数表示不锈钢的类别。具体规定为：2—Cr-Mn-Ni-N奥氏体型不锈钢，3—Cr-Ni奥氏体型不锈钢，4—高铬马氏体型不锈钢和铁素体型不锈钢，5—低铬马氏体型不锈钢，6—沉淀硬化型不锈钢。第二、三位数表示顺序号。如为超低碳不锈钢，则在牌号尾加“L”表示。序号中国（GB/T20878—2007）美国（AISI）日本(JIS)德国（DIN）数字代号牌号1S3535012Cr17Mn6Ni5N201SUS201X12CrMnNiN17-7-52S3545012Cr18Mn9Ni5N202SUS202—3S3011012Cr17Ni7301SUS301X5CrNi17-74S3021012Cr18Ni9302SUS302X10CrNi18-85S3040806Cr19Ni10304SUS304X5CrNi18-106S30403022Cr19Ni10304LSUS304LX2CrNi9-117S3160806Cr17Ni12Mo2316SUS316X5CrNiMo17-12-28S31603022Cr17Ni12Mo2316LSUS316LX2CrNiMo17-12-29S4101012Cr13410SUS410X12Cr1310S4202020Cr13420J1SUS420J1X20Cr1311S4312017Cr16Ni2431SUS431X17CrNi16-212S4407068Cr17440ASUS440A—13S44096108Cr17420CSUS440CX105CrMo1714S1134806Cr13Al405SUS405X6CrAl1315S22053022Cr23Ni5Mo3N2205——16S5174005Cr17Ni4Cu4Nb17-4PH，630SUS630X5CrNiCuNb16-4区分奥氏体铁素体双相钢沉淀系马氏体代表钢种3044302205630420耐蚀性◎○◎◎△加工性◎○○○△焊接性○△○○×制造难易度普通高高高普通3.常用的不锈钢

不锈钢按正火状态的组织可分为：

马氏体不锈钢；铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢；双相不锈钢。

（1）马氏体不锈钢1.成分、牌号、特点成分：含Cr12%～14%，含C：0.1%～0.4%，Cr13型。常用牌号：（400系）12Cr13（410）、20Cr13（420）、30Cr13、40Cr13、68Cr17（440）等。特点：含碳量较高，淬火后得到马氏体组织；有较高的强度、硬度、耐磨性；通过热处理得到所要求的性能；切削加工性能较好。焊接性能差；有回火脆性。碳含量低的12Cr13、20Cr13钢耐蚀性较好，且有较好的机械性能，一般调质处理，如做汽轮机叶片等；30Cr13、40Cr13钢因碳含量增加，强度和耐磨性提高，但耐蚀性降低，可以用于制造医疗器械和厨房刀具，如手术刀等。Cr13型不锈钢的另一外不足是硬度低、耐磨性不好，这就是一些家用刀具容易钝的原因。近来一些厂家使用68Cr17Mo取得了成功。

12Cr13（410）、20Cr13（420）医疗器械

30Cr13、40Cr13、68Cr17（440）菜刀是百姓日常生活必备的厨房刀具，非合金钢菜刀一般是采用65Mn、T8或T10钢制造，虽然淬火后硬度比较高，但脆性大，容易就会崩刃，且在空气或水中易生锈。不锈钢菜刀一般采用马氏体不锈钢制造，即30Cr13或40Cr13制造，经淬火后也可以获得较高的硬度，且韧性较好，不易崩刃。闻名世界的瑞士军刀则采用高碳马氏体不锈钢440C（相当于102Cr17Mo、90Cr18MoV）制造。2.铁素体不锈钢1.成分、牌号、特点成分：含Cr：11%~30%，尚可含少量的Mo、Nb、Ti，基本上不含Ni。

Cr17型和Cr25型常用牌号：（400系）06Cr13Al（405）、00Cr11Ti（409）、10Cr17（430）、10Cr17Mo（434）等特点：加热不发生相变，不能采用热处理来强化；有强磁；冷加工成型和焊接工艺较差；具有三种脆性倾向：475℃、相析出脆、高温脆性。这类钢在退火或正火状态下使用，强度较低、塑性很好，可用形变强化提高强度。主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如家用餐具、建筑装饰件、化工设备、容器和管道等。近来在轿车上铁素体不锈钢的用量正逐渐增加。如活塞环、排气管等。

汤匙，标识18-0不锈钢（10Cr17）。勤动手，善钻研广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。硝酸生产装置铁素体不锈钢制品有人认为不锈钢都是没有磁性的，所以在购买不锈钢制品时常用磁铁试验，当发现有磁性的就认为是假的。这是不正确的，并不是所有的不锈钢都没有磁性，我们刚学的马氏体不锈钢和铁素体不锈钢都是有磁性的，只有另外一种奥氏体不锈钢才没有磁性。下面我们就学习奥氏体不锈钢。

3.奥氏体不锈钢1.成分、牌号、特点成分：含Cr：16%～25%，含Ni：7%～20%，

基本成分18%Cr，8%Ni，通常称为18-8型不锈钢。常用牌号：06Cr19Ni10(304)、06Cr18Ni11Ti(321)、06Cr17Ni12Mo2(316)、12Cr17Mn6Ni5N(201)等特点：不能热处理强化；无磁性，具有优异的的耐腐蚀性；有良好的冷热成型性和焊接性能；切削加工较困难。平衡态时为奥氏体+碳化物组织，需经过固溶处理后获得单相奥氏体。

固溶处理

固溶化处理：加热至1000℃～1100℃，使碳化物全部溶于奥氏体中，然后快冷至室温，可得均以奥氏体组织，称为固溶处理。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(450~800℃)，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）。

奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出晶间腐蚀

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1050~1100℃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;奥氏体不锈钢的应用奥氏体不锈钢的焊接性能好，强度、硬度很低，无磁性,塑性、韧性和耐蚀性均较Cr13型不锈钢更好。适合制造化工设备和食品工业中的容器。制作耐硝酸、冷磷酸、有机酸及盐、碱溶液腐蚀的设备零件。日用生活制品。常用钢种为06Cr19Ni10、06Cr18Ni11Ti广泛用于化工设备及管道.反应釜(316L)大型化工储罐(304)热交换器(316L)

二、耐热钢耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。

它要解决两个问题：1.抗氧化性抗氧化性是指金属在高温下的抗氧化能力，其在很大程度上取决于金属氧化膜的结构和性能。提高钢的抗氧化性的最有效的方法是加入Cr、Si、Al等元素，它们能形成致密和稳定的尖晶石类型结构的氧化膜。

2.热强性热强性是指钢在高温下的强度。在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用时，发生变形量随时间而逐渐增大的现象---蠕变。金属在高温下强度降低，主要是扩散加快和晶界强度下降的结果。提高高温强度最重要的办法是合金化。3.成分特点耐热钢中不可缺少的合金元素是Cr、Si或Al，特别是Cr。它们的加入，提高钢的抗氧化性，Cr还有利于提高热强性。Mo、W、V、Ti等元素加