材料学(第6章)

1、第六章不锈钢概述了不锈钢的合金化原理不锈钢的种类和特征不锈钢的发展，第一节概述了不锈钢是在腐蚀介质中具有耐腐蚀性的钢种。 通常不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。 (1)不锈钢是指能抵抗大气或弱腐蚀介质的弱腐蚀介质的腐蚀的钢种。 腐蚀速度0.01mm/年为“完全耐腐蚀性”，腐蚀速度0.1mm/年为“耐腐蚀性”。 (2)所谓耐酸钢，是在各种强腐蚀介质中具有耐腐蚀性的钢，腐蚀速度0.1mm/年的为“完全耐腐蚀性”，腐蚀速度1mm/年的为耐腐蚀性。 不锈钢、性能要求： (1)对具体使用环境，尽可能高的耐腐蚀性(2)良好的力学性能(3)良好的工艺性能(4)良好的经济性不锈钢，铁素体系不锈钢、马氏体系不锈钢、

2、奥氏体系不锈钢、奥氏体系不锈钢(1)化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。 例如铁在高温下的氧化： 4fe3o 22 Fe2O3 Fe2H2OFe (oh )2H2(2)电化学腐蚀是金属在电解质溶液中的腐蚀，是与电流相关的腐蚀。 金属的腐蚀、腐蚀：金属被外部介质逐渐破坏的现象。 金属的腐蚀根据化学原理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 可以在不同的组织、成分、应力区域之间构成微电池。 防止电化学腐蚀的措施：获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 在表面形成致密的钝化膜。 工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占GNP的4%左右。 中国每年的腐蚀损失至少在400亿元以上，腐蚀类型，一般的腐蚀晶界腐

3、蚀应力腐蚀点腐蚀疲劳，一般的腐蚀：也称为均匀腐蚀，金属露出表面容易发生大面积的比较均匀的腐蚀，危害性低。 均匀的腐蚀一般用腐蚀速度每单位面积的金属单位时间的重量不足来表示。 粒间腐蚀：沿晶界进行的腐蚀，损害了粒的连接。 用该腐蚀危害性最大的奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式检查不锈钢晶界腐蚀的方法是在晶界腐蚀敏感的温度范围内进行晶界腐蚀敏感化处理，在工业上被称为增感处理。 粒间腐蚀破坏、点蚀是在金属表面局部发生的腐蚀破坏形式。 点蚀形成后，迅速深入发展，最后贯通金属。 点蚀的危害性很大，特别对各种容器极为不利。 点蚀的原因：介质局部破坏了金属表面的钝化膜。 或者在含有氯离子的介质中，材料表面的缺陷、多

4、孔、非金属夹杂物等引起点蚀。 点腐蚀的评价一般是用单位面积的腐蚀坑数和最大深度来评价不锈钢点腐蚀倾向的大小。 应力腐蚀：金属在腐蚀介质和拉伸应力(施加应力或内部应力)的共同作用下发生破裂现象。 破坏方式主要沿着结晶，有时也会穿透结晶，是危险的低应力脆性破坏。 不锈钢的应力腐蚀试验是将施加了一定负荷的样品放入某个腐蚀介质中进行的，用样品腐蚀后发生裂纹的时间评价钢材的应力腐蚀破坏敏感性的大小。 腐蚀疲劳：金属因腐蚀介质和交变应力产生的破坏。 其特征是，产生腐蚀坑和大量裂纹，显着降低钢的疲劳强度，引起过快的破坏。第二节不锈钢的合金化原理、提高钢耐腐蚀性的根不锈钢的钝化合金元素影响铁的电极电位的合金元

5、素影响不锈钢的基质组织的主要合金化元素及其主要作用、提高钢的耐腐蚀性的途径、1， 不锈钢对具体介质具有稳定钝化区域的阳极极化曲线2 .提高不锈钢基体的电极电位，降低一次电池电动势3 .使钢具有单相组织，减少微电池数量4 .在钢表面生成稳定致密的表面保护膜。 向钢中添加合金元素是实现这四种途径的主要方法，不锈钢钝化，不锈钢具有良好耐腐蚀性的是其表面能钝化。 钝化是指特定的金属在特殊的环境下失去金属活性，显示出与惰性金属相似的特性。 钝化能改变金属表面的状态，使电极电位上升。 钝化的机理：金属和周围介质极薄的氧化膜钝化膜金属和介质阻挡降低金属溶解速度，加入Cr、Al、Si等元素，在钢表面生成Cr2

6、O3、Al2O3、SiO2等致密的钝化膜，起到防腐蚀作用。 这里Cr是最有效的元素。 添加Mo可以进一步强化不锈钢的钝化作用，提高钢的氧化性和在非氧化性介质中的耐腐蚀性。 加入少量的Cu，也能促进钢的钝化。 关于Cr对铁的电极电位的影响，电极电位根据铬含量变化的规则是，铬量达到12.5%原子比(即1/8 )时(质量点数为11.7% )电位飞跃性地上升。 铬含量上升到25% (即2/8 )时，电位进一步飞跃性地上升，这种现象被称为二元固溶体电位的n/8定律，也被称为Tammann定律。 n/8的含量是指钢中的固溶体中所含的n/8 Cr量。 合金元素对基体组织的影响，合金元素对基体组织的影响，首先

7、取决于合金元素是铁素体形成元素还是奥氏体形成元素。 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等两种作用不同的元素同时添加到钢中时，不锈钢的组织取决于它们的综合作用。 将铁氧体形成元素的作用换算成铬的作用称为铬当量Cr。 把奥氏体形成元素的作用换算成镍的作用称为镍当量Ni。 基于铬当量和镍当量，表示钢的实际成分和得到的组织状态的Schaeffler图参照下图，表示合金元素对组织的影响，Ni当量 ni =% ni 30 % (cn ) 0.5 % Mn % co 0.3 CuCr当量cr=% Cr2% si 1.5 % mo5% v 1.5 ti

8、1.75 nb 5.5 al，不锈钢组织状态，主要合金化元素及其主要作用1，低碳：碳高时耐腐蚀性降低。 2、Cr :提高耐腐蚀性的主要元素形成稳定致密的Cr2O3氧化膜 Cr含量超过13%时，形成单相铁氧体组织。 提高基体电极电位(n/8规则) 3、Ni :得到单相奥氏体组织。 4、Mo :耐有机酸腐蚀，提高对点蚀的耐性。 5、Ti、Nb:防止奥氏体钢的晶间腐蚀，晶间腐蚀是沿晶边发生腐蚀的现象，危害很大。 这是因为Cr23C6在晶界析出，晶界附近的Cr含量降低到12%以下，在介质的作用下发生剧烈的腐蚀。 加入Ti、Nb的话，形成比Cr和c更难溶解于奥氏体的碳化物，避免晶界的不良Cr。 晶间腐蚀

9、破坏、第三节不锈钢的种类和特征、马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢、奥氏体-马氏体型不锈钢、耐腐蚀性降低。 2Cr13热处理：淬火高温回火使用状态下的组织： S次、不锈钢棒、1Cr13、2Cr13具有对大气、蒸汽腐蚀的耐受性和良好的综合力学性能。 用于要求高塑性韧性的耐腐蚀性的例如汽轮机叶片等，3Cr13、4Cr13热处理：淬火低温回火。 使用状态的组织： m次。 具有高强度、硬度。 用于要求耐腐蚀性、耐磨损性、医疗设备、测定器等。医疗设备、不锈钢刀、2、铁素体不锈钢的典型钢编号，例如0Cr13、1Cr17等。 成分：高铬低碳，无相变，不能进行热处理强化。 组织：单相铁氧体

10、，钢中相，性能特性耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。 但是，有脆化倾向： 475脆化：加热到450550停留，产生脆化，加热到600骤冷就能消除。 相脆化：在600 800的长期加热下，析出硬脆的相。 用途广泛用于硝酸和氮肥工业的耐腐蚀性材料。 合成氨厂、3、奥氏体不锈钢主要为18-8(18Cr-8Ni )型不锈钢。 性能特征：具有良好的耐腐蚀性，良好的冷热加工性和焊接性高塑性韧性，非磁性。 热处理：采用固溶处理。 即加热到1100使碳化物溶解后，进行水冷。 组织为单相奥氏体、不锈钢带，(1)常用钢种为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti被广泛用于化工厂和管道中。 (2)应力腐蚀奥氏体不锈钢容易

11、发生应力腐蚀。 也就是说，在特定的合金环境系统中，是应力和腐蚀的协同作用造成的破坏。 应力腐蚀容易在含cl介质上发生，裂纹为树枝状。 4、双相不锈钢，广义上是指由奥氏体、铁素体、马氏体中任一两相组成的基体组织的不锈钢，通常，奥氏体-铁素体型二相不锈钢为高铬(1828% )和镍(57% ) 根据铬的含量，可分为Cr18型、Cr21型和Cr25型的二相不锈钢的特征在于，线膨胀系数和热传导率位于奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢之间，由于含有铁素体相，因此具有磁特性特别是具有比屈服强度高的耐海水腐蚀性、耐有机酸和其他特殊介质的腐蚀性能优异的良好焊接性的二相不锈钢，海水处理的化学装置和泵、管等结构部件，磷

12、酸、硫酸铵、氯化铵等与醋酸等有机酸接触的设备和部件、点蚀、应力腐蚀5、其他类型的不锈钢、沉淀硬化不锈钢稳定化不锈钢超低碳不锈钢、经济的不锈钢含氮不锈钢抗菌不锈钢、沉淀硬化不锈钢，通过添加沉淀硬化元素进行沉淀硬化处理，从钢的基质固溶体析出沉淀硬化相产生沉淀硬化作用得到高耐腐蚀性不锈钢，根据基体组织，马氏体沉淀硬化不锈钢、马氏体时效不锈钢、半奥氏体型，即过渡型沉淀硬化不锈钢、奥氏体沉淀硬化不锈钢，高强度、高韧性、高耐腐蚀性、高耐氧化性广泛应用于防卫军工和要求高性能的民间工业部门，使不锈钢稳定化，不锈钢中存在的间隙固溶元素碳容易偏析到晶界，晶界附近的铬向晶界扩散，生成铬的碳化物， 使晶界附近的铬贫困

13、化，在晶界腐蚀中添加适量的钛和铌，优先与碳结合，有效地抑制晶界腐蚀现象的不锈钢被称为稳定化不锈钢、超低碳不锈钢，通常， 碳含量不足0.03%的奥氏体系不锈钢和碳含量不足0.01%的铁素体系不锈钢，晶界腐蚀敏感性低，但避免晶界腐蚀的临界碳含量不是绝对的，对于具体的钢种成分、介质条件、钢材热历史等要因发生变化，因此， 超低碳不锈钢的碳含量控制范围根据情况，可以用氩氧脱碳(AOD )和真空氧脱碳(VOD )精炼法生产超低碳不锈钢的超低碳不锈钢的耐腐蚀性明显提高，但是由于超低碳原料，特别是铁合金的价格高，其生产成本和价格也上升，很经济如果镍含量低的铬锰氮系、铬镍锰氮系不锈钢铬、镍含量低，则可以节约相对

14、稀少的镍资源，同时价格变低，因此被称为资源节约型不锈钢和经济性不锈钢的经济性不锈钢在许多实际工业和民生机器上完全满足耐腐蚀性的要求的同时，又能大幅度降低钢材价格，因此有广泛的发展和应用前景，含氮不锈钢可以添加一定量的氮元素，适当地降低钢中的镍含量， 由此，显着提高强度的不锈钢的氮是扩大奥氏体区域的元素，向钢中添加氮时镍的添加量减少的氮通过添加能降低钢中的铬的活性而提高耐腐蚀性的氮，能够显着提高钢的强度， 向奥氏体不锈钢中加入0.050.10%的氮、0.10.4%的氮称为含氮奥氏体不锈钢，加入0.4%以上的氮称为高氮奥氏体不锈钢，现在最高的氮添加量达到2%以上。 由于铁素体中的氮的固溶度小，因此

15、添加了0.08%氮的铁素体不锈钢是高氮铁素体不锈钢的含氮不锈钢，特别是高氮不锈钢的生产中最大的技术课题是先进有效的添加氮技术，主要是添加增压氮和高氮铁合金的方法， 在被称为抗菌不锈钢各种不锈钢中添加了具有一定浓度的抗菌功能的金属离子(例如铜、银等)的不锈钢，在铁素体系不锈钢和奥氏体系不锈钢中添加1.52%的铜，通过热处理均匀分布， 能有效杀灭大肠菌类和黄色葡萄球菌类细菌的含铜不锈钢广泛应用于洗衣机滚筒、烹饪器具、医药卫生器具、食品加工设备、家电设备等，含有银的不锈钢被广泛应用于洗涤槽、烹饪器具等，第四节不锈钢的发展，世界的钢铁产量为1 近年来，随着中国钢产量的迅速发展，年平均增长率上升到5.4

16、%。 不锈钢产量，世界不锈钢1985年年产量为791.5万吨，占世界钢产量的1.1%，1990年突破1000万吨，2003年突破2000万吨，占世界钢铁产量的比例提高到2.3%。 不锈钢产量的年平均增长率为5.9%，明显高于钢产量的增长率。 中国不锈钢的生产和需求、中国不锈钢的表观消费量迅速增加，年平均增长率达到21.9%。同时，消费的增加促进了产量的快速增加，2005年不锈钢生产突破300万吨，产量的年平均增长率达到30%。 不锈钢产量的发展预测、钢铁材料的发展趋势之一是提高产品的长期寿命和装饰功能，不锈钢的发展速度长期明显高于钢铁产量的发展速度。 今后一段时间内，中国钢的产量将达到峰值的4

17、.5亿吨，几乎稳定在44.5亿吨左右，世界钢的产量将达到峰值的12亿吨，几乎以12亿吨左右持续生产数十年。 不锈钢产量继续增加，2010年世界不锈钢产量突破3000万吨，占总钢产量的比例预计达到2.5%，2020年前后突破4000万吨，占总钢产量的比例达到3.3%。 中国不锈钢产量和消费量的预测，亚洲国家喜欢金属光泽，不锈钢广泛应用于基础设施建设、钢结构建筑、家庭设备和家电。 中国最近建立了600万吨以上的不锈钢生产能力，预计2008年达到500万吨的产量，占总钢产量的比例达到1.3%，自给率达到70%左右。 2015年前后我国不锈钢达到800万吨左右，占总钢产量的比例达到2%，几乎实现自给。 如果经济的不锈钢生产技术突破，不锈钢产量和在总钢产量中所占的比例会大幅度增加。 不锈钢的钢系结构，我国不锈钢的应用目前主要集中在金属制品上，因此奥氏体不锈钢的比重较大。 但是，随着国民经济的发展，机械工程使用的不锈钢的比重变大。 高性能不锈钢的发展、化工设备、高温设备、军事工程设备(潜水艇等)、重要的基础设施(沿海高速公路等)需要高性能不锈钢。 300系奥氏体不锈钢的发展主要是为了提高耐腐蚀性。 200系和400系的铁素体系不锈钢和二相系不锈钢的强度明显高于奥氏体系不锈钢。 高氮不锈钢的强度达