金屬材料學(xué)：第5章 不銹鋼

1、金屬材料學(xué)鋼鐵材料黑色金屬工程材料第 5 章 不 銹 耐 蝕 鋼 *不銹鋼：自然環(huán)境或一定工業(yè)介質(zhì)中具有耐腐蝕性的一類鋼。不銹鋼：工業(yè)上常常將耐大氣腐蝕、耐弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的一類鋼耐酸鋼：耐酸和耐強腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼。腐蝕是許多金屬零件喪失工作性能導(dǎo)致多種失效事故 化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕在鋼中加入合金元素，使鋼表面形成保護膜；把金屬制成單相組織，減少微電池；提高金屬的電極電位和降低原電池的電位差等。本章討論金屬耐腐蝕的基本理論和概念，介紹工業(yè)上常用的鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧體不銹鋼的成分、組織、性能、熱處理和應(yīng)用等。5.1金屬腐蝕的基本概念5.1.1鋼鐵材料的腐蝕類型一、均勻腐蝕 均勻腐蝕、一

2、般腐蝕、連續(xù)腐蝕；腐蝕發(fā)生整個工作面上直到完全破壞；容易察覺或可預(yù)測到，故一般不致帶來危險的失效事故。二、晶間腐蝕 晶間腐蝕指腐蝕過程是沿著晶間進行的，可引起晶界的深腐蝕，使合金喪失強度而脆裂，因此它是一種危害很大且易造成設(shè)備事故的腐蝕破環(huán)形式。三、點腐蝕和縫隙腐蝕 點腐蝕又稱孔蝕，屬于局部腐蝕。鈍化膜局部破壞所引起的，形成蝕孔，迅速發(fā)展直至穿透構(gòu)件。點腐蝕是危害較大和較常見的腐蝕破壞形式。Cll-四、應(yīng)力腐蝕 靜拉伸應(yīng)力+腐蝕介質(zhì)，發(fā)生腐蝕斷裂。隨拉應(yīng)力的加大，發(fā)生破裂的時間也縮短；應(yīng)力取消，鋼的腐蝕量減小，并且不發(fā)生破裂。應(yīng)力腐蝕的特征是裂紋與拉應(yīng)力垂直，斷口為脆性斷裂，其方式可能是沿晶，

3、也可以是穿晶。五、磨損腐蝕5.1.2 提高鋼耐腐蝕性的途徑不銹鋼本身的耐蝕性來說，可以有下列途徑： （1）提高不銹鋼基體的電極電位，或形成穩(wěn)定鈍化區(qū)，來降低原電池電動勢。 （2）使鋼具有單相組織，減少微電池的數(shù)量。（3）使鋼表面生成穩(wěn)定的表面保護膜，如鋼中加Si，A1，Cr等，在許多腐蝕和氧化的場合能形成致密的保護膜，提高鋼的耐蝕性。（4）采用機械保護措施和表面覆蓋層，如表面電化學(xué)涂覆處理、發(fā)藍及涂漆等。5.1.3 不銹鋼的分類不銹鋼的種類很多，性能又各異，常見的分類方法如下：（1）組織結(jié)構(gòu)：鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼（2）主要化學(xué)成分、特征元素：Cr不銹鋼、Cr-N

4、i不銹鋼、Cr-Ni-Mo不銹鋼以及超低碳不銹鋼等。（3）性能特點和用途：耐硝酸（硝酸級）不銹鋼、耐硫酸不銹鋼、耐點蝕不銹鋼、耐應(yīng)力腐蝕不銹鋼、高強度不銹鋼等。（4）功能特點：低溫不銹鋼、無磁不銹鋼、易切削不銹鋼、超塑性不銹鋼。Cr系（400系列）、CrNi系（300系列）、CrMnNi（200系列）、耐熱鉻合金鋼（500系列）及析出硬化系（600系列）常用的不銹鋼1Cr132Cr133Cr134Cr137Cr178Cr179Cr180Cr18Ni91Cr18Ni90Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti1Cr18Mn8Ni5NCr25Ni200Cr26Ni5Mo20Cr18Ni11Si4Al

5、Ti00Cr18Ni5MoSi2PH17-4PH17-70Cr131Cr171Cr2500Cr30Mo2 5.2 不銹鋼中的合金元素及作用最常用的元素有十幾種： C，Cr，Ni，Mn，Si，Mo，Ti，Nb，N，Cu等。 C，Si，N以外，都是化學(xué)元素周期表中位于過渡族的元素。合金元素對鐵的電極電位的影響合金元素對鐵的極化性能的影響鎳當量Ni = wNiwCo0. 5wMn30wC25wN0. 3wCu鉻當量Cr = WCr1. 5wMo2. 0wSi1. 5 wTi1. 75wNb5. 5wAl5wV0. 75ww5.2.3 不銹鋼的合金元素對不銹鋼組織影響的元素基本上分屬于兩大類：（1）形

6、成或穩(wěn)定奧氏體的元素：C，Ni，Mn，N和Cu，以C和N的作用程度最大；（2）封閉或縮小奧氏體相區(qū)的元素：即鐵素體形成元素，它們是Cr，Si，Mo，Ti，Nb，Ta，V；（3）兩類元素共存，不銹鋼的組織就取決于它們互相影響的結(jié)果。 形成F元素的作用成為主要方面組織則以鐵素體F為主；+A很少 穩(wěn)定A元素的作用居于主要方面組織就以奧氏體A為主，+F很少或者沒有 穩(wěn)定A元素不能使鋼的奧氏體保持至室溫的話，AM鎳當量Ni = wNiwCo0. 5wMn30wC25wN0. 3wCu鉻當量Cr = WCr1. 5wMo2. 0wSi1. 5 wTi1. 75wNb5. 5wAl5wV0. 75ww（1）

7、Cr：Cr是決定不銹鋼耐腐蝕性能的主要元素。 不銹鋼 Crmin12.5%atom（ n/8 ）11.7%mass，工業(yè)中Cr12%30（2）C：對各類不銹鋼組織和性能有重要影響的元素。 0Cr13鐵素體不銹鋼； 1Cr13馬氏體不銹鋼1Cr17 C 0.05 0.3%，Cr 13 27。C：穩(wěn)定奧氏體相區(qū)的元素，其能力約為鎳的30倍，不銹鋼強化元素。 C-Cr （Fe, Cr)3C，(Fe,Cr)23C6或(Fe,Cr)7C3，鉻化合物的析出鋼中固溶體的含鉻量，甚至?xí)陀趎/8要求的含量，鋼的耐蝕性 。碳工藝性能、焊接性能 鐵素體脆化 鎳當量Ni = wNiwCo0. 5wMn30wC25w

8、N0. 3wCu（3）鎳：除Cr、C 獲得單相奧氏體和促進奧氏體相形成的主要元素； 低碳鎳鋼 Ni24才能獲得單相奧氏體 低碳 17Cr-8Ni 獲得單相奧氏體。 （4）Mn、N：可以代替CrNi不銹鋼中的Ni。 Cr-Ni奧氏體鋼的優(yōu)點多，但由于鎳的資源比較缺乏，在不銹鋼中常用錳和氮代替鎳。 對MnNi于奧氏體的作用與鎳相似，但是錳的作用不在于形成奧氏體，而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。（5）Nb、Ti：不銹鋼中加入Nb、Ti是為了防止晶間腐蝕， Nb、Ti與C的親和力都比Cr大 ，在鋼中，碳優(yōu)先與Nb、Ti結(jié)

9、合形成TiC或NbC，從而不再與鉻結(jié)合成鉻的碳化物，不會引起晶界貧鉻區(qū)，到防止晶間腐蝕。常用的不銹鋼1Cr132Cr133Cr134Cr137Cr178Cr179Cr180Cr18Ni91Cr18Ni90Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti1Cr18Mn8Ni5NCr25Ni200Cr26Ni5Mo20Cr18Ni11Si4AlTi00Cr18Ni5MoSi2PH17-4PH17-70Cr131Cr171Cr2500Cr30Mo2 5.2 鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼 1230%Cr，以鐵素體為主； Cr穩(wěn)定-Fe，Cr13%時，無轉(zhuǎn)變；（無Ni或少量Ni，節(jié)約金屬）性能：耐應(yīng)力腐蝕、點腐蝕、縫

10、隙腐蝕超級鐵素體不銹鋼：5.2.1 成分和性能特點（1）Cr13 型：0Cr13、0Cr13Al（2）Cr16-19型：Cr17、Cr17Ti、Cr17Mo2Ti（3） Cr25-28型：Cr25、Cr25Ti、Cr28、Cr28Mo45.3.2 不銹鋼脆性鐵素體不銹鋼的冷加工硬化傾向較低、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小。但是鐵素體不銹鋼隨著含鉻量的增高，韌性不斷下降，而且韌-脆轉(zhuǎn)化溫度升高，Cr16%，不銹鋼的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度在室溫之上； 這類鋼在某些溫度范圍加熱時，還要產(chǎn)生一系列的脆性：高溫脆性 相脆性 475脆性。（1）高溫脆性。高鉻鐵素體鋼加熱900以上，急冷，產(chǎn)生脆性。此時鋼冷脆性大，F(xiàn)ATT

11、 ，室溫的Akv 20，而且晶間腐蝕敏感，焊接不利。形成脆性原因：晶粒粗化、氮原子固溶有關(guān)。終軋溫度或終鍛溫度控制：750、加少量Ti，來控制和降低粗化傾向。 （2）相脆性：Fe-Cr金屬間化合物相。相具有高的硬度（68HRC以上），形成時還伴隨著大的體積效應(yīng)，又常常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促進晶間腐蝕，降低鋼的耐腐蝕性能和抗氧化性能。含鉻量， 相形成溫度 ，原子擴散難度也增加； Cr15的高鉻鐵素體鋼，在370540（475）長時間加熱以后，強度、韌性大幅度降低，腐蝕性能降低，稱做“475脆性”。 含鉻13.7以上的鋼即可出現(xiàn)， 含鉻量脆性傾向，產(chǎn)生脆性的溫度移向較高的溫度，同時

12、產(chǎn)生脆性所需的加熱時間縮短。 方法： 提高鋼的純度推遲脆化但不能抑制 將已脆化的鋼在600以上短時間加熱，可使塑性及韌性回復(fù)。5.3.3 鐵素體不銹鋼的熱處理 鐵素體不銹鋼平衡態(tài)組織：F碳化物-（Fe, Cr)3C，(Fe,Cr)23C6、(Fe,Cr)7C3 ） 加熱碳化物的溶解、冷卻碳化物析出 碳化物的析出容易產(chǎn)生點腐蝕， 貧鉻區(qū)產(chǎn)生晶間腐蝕傾向 高溫下部分相變冷卻過程中產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，增加鋼的脆性，并促進晶間腐蝕傾向。因此為獲得成分均勻的鐵素體組織（減少含鉻碳化物析出，消除晶間腐蝕傾向。5.3.3 鐵素體不銹鋼的熱處理鐵素體不銹綱在熱軋后：淬火：考慮到高溫脆性、相形成以及475脆性產(chǎn)生的

13、溫度區(qū)間 熱處理淬火：870-950，保溫1h水冷； 退火：退火在560800，退火時要計算金屬間化合物相的形成和475脆性產(chǎn)生的動力學(xué)時間，以免引起相析出，避免475脆性。5.4 馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼含Cr:1218%，與鐵素體不銹鋼相比，含鉻的上限較低，同時含有一定Ni，Mn，N等相穩(wěn)定化元素，使這類鋼在加熱時有相出現(xiàn)，馬氏體不銹鋼：可以通過熱處理（淬火+回火）調(diào)整不銹鋼性能； 可硬化的不銹鋼。5.4.1馬氏體不銹鋼的成分和性能特點馬氏體不銹鋼分為成分：（1）馬氏體鉻不銹鋼：低碳、中碳和高碳三種類型 （2）馬氏體Cr-Ni不銹鋼： 沉淀硬化不銹鋼 超低碳馬氏體不銹鋼 （1）馬氏體鉻不銹

14、鋼，低碳及中碳的Cr13型，高碳的Cr1 8型鋼。（2）低碳的Cr17-Ni2型鋼。 1Cr17Ni2-431（3）超低碳馬氏體不銹鋼。 1 Cr132Cr13 3Cr13 4Cr13，1 Cr13屬于半馬氏體型， C 強度、硬度 ，而冷塑性和韌性，耐蝕性。 根據(jù)n/8定律，不銹鋼基體中最低鉻含量應(yīng)為11.7%，由于有一部分鉻要和碳結(jié)合生成碳化物，從固溶體基體中脫溶，因此含鉻量提高到13%。 9Cr18：碳量增高，鋼中形成大量碳化物，鉻含量提高到18%，保證固溶體中有足夠的含鉻量。1Cr13，2Cr13類似普通調(diào)質(zhì)鋼 機械零件，如葉片、緊固件、閥門3Cr13，4Cr13、9Cr18 類似于工具

15、鋼強度、硬度要求更高的結(jié)構(gòu)件、耐磨件，如軸、螺栓、軸承、彈簧、醫(yī)用手術(shù)工具等。5.4.2 馬氏體不銹鋼的熱處理一、馬氏體鉻不銹鋼馬氏體鉻不銹鋼空冷獲得馬氏體。熱處理工藝：軟化處理、球化退火、調(diào)質(zhì)、淬火加低溫回火等。（1）軟化處理。鍛軋后，由于空冷即會產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使鍛件變硬，不易切削加工，同時也促使表面產(chǎn)生裂紋鍛后應(yīng)緩冷，及時進行軟化處理。高溫回火：750800 2h6h，空冷，M S，170200HB ;完全退火：850900 1h3h，緩冷至600，空冷，可使1 Cr13，2Cr13硬度降至低于170HB。 退火后的組織鐵素體基體及晶界上分布著碳化物顆粒。5.4.2 馬氏體不銹鋼的熱處理

16、（2）調(diào)質(zhì)處理。 1Cr13，2Cr13用于不銹鋼結(jié)構(gòu)件，所以常用調(diào)質(zhì)處理，以獲得高的綜合力學(xué)性能。 1 Cr13：9501050，A+F。淬火后M+F，且鐵素體的數(shù)量與鋼中的含碳量有關(guān)，含碳量越低鐵素體越多。 2Cr13：9501150淬火全馬氏體組織，回火：M低碳板條 + A少量（3）淬火+低溫回火。3Cr13，3Cr13Mo，4Cr13：淬火低溫回火高硬度、高耐磨性。預(yù)熱650800+淬火10001050-油冷。采用硝鹽分級冷卻淬火淬火組織M+碳化物以+A少量。5.5 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼占不銹鋼產(chǎn)量及用量的70%。奧氏體不銹鋼：高的耐腐蝕性能 良好的焊接性能和冷加工變形性能 常溫及

17、低溫下很高的塑性與韌性，不具有磁性等這些都是鐵素體鋼與馬氏體鋼所沒有的寶貴性能。按照奧氏體基體所采取的合金化方式，奧氏體不銹鋼可分為：Cr-Ni不銹鋼 Cr-Mn不銹鋼 5.5.1 18-8 Cr-Ni奧氏體不銹鋼 Cr、Ni是鉻鎳奧氏體鋼兩個主加合金元素，由于它們分別對和相區(qū)的兩個方向的作用，因它們的含量不同，鋼的組織將發(fā)生變化。 Cr17鋼： F； Cr17Ni2： A+F， 僅能存在于高溫，淬火 M； Cr18Ni9： 常溫，18-8型不銹鋼系列0Cr18Ni91Cr18Ni92Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的塑性、韌性、冷加工性良好，耐氧化性酸和大氣、水蒸氣等介質(zhì)腐蝕，但在敏化態(tài)或焊后具有

18、晶間腐蝕傾向。0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 2Cr18Ni9為序，隨含碳量，強度，耐蝕性1Cr18Ni9Ti添加了穩(wěn)定碳化物元素Ti，以消除晶間腐蝕。 添加Mo，W，Nb，Re等合金元素。淬火可獲得C等元素在相中的過飽和固溶體。18-8型奧氏體鋼平衡態(tài)： 碳化物C：0.00.6%奧氏體區(qū)，碳緩冷沿ES線變化，緩冷時沿ES線析出碳化物S-K點，；急冷 5.5.2 晶間腐蝕與防止方法鉻鎳奧氏體不銹鋼：在濃度為50的熱硝酸及某些混合酸、有機酸中 在450800溫度區(qū)間并具有腐蝕性的介質(zhì)中長期使用，晶界腐蝕。 外表完好，材料強度幾乎完全喪失 在腐蝕介質(zhì)中，奧氏體不銹鋼焊接后，在焊縫處也會出現(xiàn)的晶

19、間腐蝕。 鉻鎳奧氏體鋼晶間腐蝕機理 ：晶界區(qū)貧鉻的理論。根據(jù)這一理論，18-8鋼的晶間腐蝕是由于在450850溫度區(qū)間停留時，沿晶界析出（Cr,Fe)23C6，從而使晶界區(qū)出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，由于鉻的擴散較慢，貧鉻區(qū)得不到恢復(fù)，使晶界附近的鉻含量被降低到n/8限度以下，結(jié)果貧鉻的晶界區(qū)成為陽極，腐蝕沿晶界發(fā)生，引起了晶間腐蝕。防止和消除晶間腐蝕的措施：（1）降低鋼中碳含量。將碳含量降到固溶體的溶解度以下，或者較溶解度稍高一些，碳化物不易析出或者析出數(shù)量極少，晶間腐蝕不易發(fā)生。（2）固溶處理。 加熱到ES線以上，使強化相溶解，保證固溶體中一定的鉻含量。 固溶處理溫度一般為 10501150，比較常用是

20、10501100； 鋼中含碳量越高，固溶處理溫度也越高。固溶處理后的冷卻速度應(yīng)保證能完全固定高溫時得到的奧氏體組織狀態(tài)，因此應(yīng)迅速冷卻，一般采用水冷。固溶處理可使碳化物不析出或者少析出，來防止或者消除晶間腐蝕。（3）改變碳化物析出類型。在鋼中按比例添加與碳親和力比鉻大的強碳化物形成元素Ti，Nb，在鋼中形成Ti，Nb的穩(wěn)定碳化物而不形成碳化鉻，消除貧鉻區(qū)。穩(wěn)定化處理stabilizing treatmen ： 穩(wěn)定化處理的加熱溫度高于Cr23C6完全溶解的溫度而低于TiC的完全溶解溫度，使Cr23C6完全溶解而TiC部分保留。此后緩慢冷卻，使加熱溶入奧氏體的TiC能充分析出而Cr23C6不會再

21、析出，這樣碳就幾乎全部穩(wěn)定于TiC中（穩(wěn)定化處理由此得名）從而將固溶體中的含鉻量提高。（4）退火處理。對不含Ti， Nb的奧氏體不銹鋼進行退火，使奧氏體成分均勻化，消除貧鉻區(qū)。5. 5. 3 Cr-Mn 奧氏體不銹鋼合金元素Mn，N代替Ni，發(fā)展了節(jié)鎳、無鎳的不銹鋼。在鉻錳不銹鋼中，可分成： Mn代替Ni：Cr-Mn不銹鋼； Mn、N 取代全部Ni的無鎳鉻：Mn-N不銹鋼； 在18-8鉻鎳鋼基礎(chǔ)上以Mn、N代替部分Ni。 Mn、Ni w擴大相區(qū)的元素，Mn 穩(wěn)定奧氏體，但是Mn穩(wěn)定奧氏體的能力只為Ni的1/2；Ni = wNiwCo0. 5wMn30wC25wN0. 3wCu Mn 容易促使鉻鋼形成相，導(dǎo)致鋼的脆性。在奧氏體不銹鋼中，用錳來完全代替鎳是有困難的，當鋼中含鉻量大于14時，靠加入錳是無法獲得單一奧氏體組織的。 單純的Cr-Mn鋼，如Cr17Mn9 +兩相鋼，被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)上，鉻錳不銹鋼的耐蝕水平相同鉻量的其它不銹鋼相當。5.6 奧氏體雙相鋼5.6.1 +雙相不銹鋼+雙相不銹鋼系： +兩種組織要獨立存在，且含量較大。 + 15 、 +