第五章-不銹鋼

第五章特殊鋼---不銹鋼1材料失效的主要形式磨損腐蝕疲勞疲勞：材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫疲勞。磨損：材料接觸表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中由于機(jī)械、間或伴有化學(xué)作用而產(chǎn)生的不斷損耗現(xiàn)象。腐蝕：是在外界介質(zhì)的作用下使金屬逐漸受到破壞的過(guò)程。2每年被腐蝕破壞掉的鋼材占全球鋼年產(chǎn)量的1/10，因腐蝕而損失的金屬價(jià)值就占到全球生產(chǎn)總值的4％左右，這還不包括因?yàn)楦g造成設(shè)備失效引發(fā)的間接損失；

2006年全球鋼產(chǎn)量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的12.39億噸，中國(guó)的鋼產(chǎn)量達(dá)到4.18億噸，為全球第一大產(chǎn)鋼國(guó)；鞍本鋼鐵集團(tuán)2255.76萬(wàn)噸寶鋼集團(tuán)有限公司2253.18萬(wàn)噸廣州鋼鐵企業(yè)集團(tuán)有限公司331.51萬(wàn)噸3第一節(jié)金屬腐蝕的機(jī)理一、金屬腐蝕的種類:1.化學(xué)腐蝕金屬與介質(zhì)(干燥氣體和非電解質(zhì)溶液)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。

例如:高溫氧化、脫碳等。化學(xué)腐蝕：4Fe+3O2＝2Fe2O3Fe+2H2O═Fe(OH)2+H24化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)：不產(chǎn)生腐蝕電流，在反應(yīng)表面形成一層化學(xué)生成物。氧化膜的形成及氧化膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是化學(xué)腐蝕的重要特征。致密的氧化物膜（鈍化膜）能阻止進(jìn)一步的腐蝕；Al2O3，SiO2，Cr2O3不連續(xù)的或者多孔狀的氧化膜對(duì)基體金屬?zèng)]有保護(hù)作用。有些金屬氧化物，如Mo2O3、WO3在高溫下具有揮發(fā)性，完全沒(méi)有覆蓋基體的保護(hù)作用。因此要提高金屬耐化學(xué)腐蝕的能力，主要是通過(guò)合金化或其它方法，在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、完整的、致密的并與基體結(jié)合牢固的氧化膜（也稱鈍化膜）。5電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)：有液體電介質(zhì)存在，不同金屬或不同相之間有電極電位差并連通或接觸，同時(shí)有腐蝕電流產(chǎn)生。在金屬材料中，電化學(xué)腐蝕是由金屬材料中不同相之間的電極電位的不同，在介質(zhì)存在時(shí)構(gòu)成原電池而產(chǎn)生的。在生產(chǎn)實(shí)際中遇到的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。2.電化學(xué)腐蝕金屬與介質(zhì)(電解質(zhì)溶液,即酸、堿、鹽溶液)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。電化學(xué)腐蝕：Fe-3e＝Fe3+

6H++6e=3H26電化學(xué)腐蝕過(guò)程示意圖78珠光體組織發(fā)生電化學(xué)腐蝕的示意圖鐵素體相的電極電位較負(fù)，成為陽(yáng)極而被腐蝕；滲碳體相的電極電位較正，成為陰極而不被腐蝕a)珠光體的電化學(xué)腐蝕原理b)珠光體的微電池腐蝕c)珠光體組織的成像9均勻腐蝕：腐蝕發(fā)生在金屬裸露的整個(gè)表面上或零件使用的整個(gè)工作面上。又稱一般腐蝕或連續(xù)腐蝕。晶間腐蝕：晶界的電極電位低于晶內(nèi)，導(dǎo)致晶界比晶內(nèi)腐蝕程度大。二、鋼鐵材料腐蝕的基本類型10點(diǎn)腐蝕：在金屬表面上極局部區(qū)域由于氯離子或氯化物鹽引起的一種腐蝕破壞形式，它是由鈍化膜的局部破壞所引起的。又稱點(diǎn)蝕或孔蝕。應(yīng)力腐蝕：在張應(yīng)力狀態(tài)和特定的腐蝕介質(zhì)（主要是氯化物鹽、堿的水溶液以及蒸汽介質(zhì)）作用下，材料發(fā)生破裂的現(xiàn)象。氫脆：在張應(yīng)力狀態(tài)作用下的金屬合金，發(fā)生腐蝕吸收陰極析出的氫（或其它氫）導(dǎo)致的脆化破裂。11腐蝕疲勞：在腐蝕介質(zhì)和交變載荷共同作用下發(fā)生的破壞。磨損腐蝕：在同時(shí)存在著腐蝕和機(jī)械磨損時(shí)，兩者相互加速的腐蝕稱為磨損腐蝕。另外，由于宏觀電池作用也會(huì)產(chǎn)生腐蝕。例如，金屬構(gòu)件中鉚釘與鉚接材料不同、異種金屬的焊接、船體與螺旋槳材料不同等因電極電位差別而造成的腐蝕。

12腐蝕速度應(yīng)取決于單位時(shí)間內(nèi)從陽(yáng)極上溶解的金屬離子數(shù)，即等于單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線中流過(guò)的電量。在腐蝕之后，陰、陽(yáng)極的電位會(huì)發(fā)生變化，即向著電位差縮小的方向變化，使原電池的電動(dòng)勢(shì)減小，這種電極電位的變化稱為極化。一、極化現(xiàn)象陽(yáng)極電位向正的方向的變化稱為陽(yáng)極極化。陰極電位向負(fù)的方向的變化稱為陰極極化。第二節(jié)極化與提高鋼耐蝕性能的途徑13產(chǎn)生陽(yáng)極極化的原因主要是由于在腐蝕過(guò)程中形成有保護(hù)作用的鈍化膜阻礙了陽(yáng)極金屬和溶液的直接接觸，使金屬形成離子的速度減慢，因而降低了陽(yáng)極表面的電荷密度，從而升高了陽(yáng)極的電極電位。產(chǎn)生陰極極化的原因主要是消耗電子的陰極過(guò)程受阻，使陰極的電子造成堆積，升高了陰極表面的電荷密度，從而導(dǎo)致陰極電位變負(fù)。1415常用的鐵、鉻、鎳、鈦等金屬的陽(yáng)極極化過(guò)程具有獨(dú)特的極化形式（相同的規(guī)律）：隨著陽(yáng)極極化電位升高，腐蝕電流不是均勻降低，而是先增加，然后減少到最小，并保持這個(gè)電流經(jīng)一定的電位升高階段，然后電流再增加。這類極化曲線稱為具有活化鈍化轉(zhuǎn)變的陽(yáng)極極化曲線。16極化的作用對(duì)提高金屬材料的耐蝕性意義很大：一切增強(qiáng)陽(yáng)極極化或陰極極化的因素都能提高金屬材料的耐蝕性能；或者說(shuō)一切去陽(yáng)極極化或去陰極極化的因素都降低金屬材料的耐蝕性能。二、提高鋼耐蝕性能的途徑17從上述腐蝕機(jī)理和類型的分析可見(jiàn)，要解決金屬的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，主要從以下幾個(gè)方面入手：提高鋼本身的耐蝕性能降低環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18從提高鋼本身的耐蝕性能（即金屬材料的成分、組織設(shè)計(jì)）來(lái)說(shuō)，可以有以下途徑：第三減少微電池的數(shù)量，如使金屬具有單相組織；第二提高金屬基體的電極電位，降低原電池的電動(dòng)勢(shì)；第一使鋼對(duì)具體使用的介質(zhì)能具有穩(wěn)定鈍化區(qū)的陽(yáng)極極化曲線；第四使金屬表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，如鋼中加入硅、鋁、鉻等。19一、合金元素對(duì)鐵的極化和電極電位的影響1.合金元素對(duì)鐵的陽(yáng)極極化曲線的影響第三節(jié)合金元素對(duì)不銹鋼的影響

鉻能強(qiáng)烈地提高鐵的鈍化性能，它能明顯降低C、D點(diǎn)電位，升高F點(diǎn)電位，并使C、D、F點(diǎn)左移，因此鉻是改善鐵耐蝕性的最有效的合金元素。圖1-23(b)合金元素對(duì)純鐵在硫酸中極化曲線特性點(diǎn)位置的影響規(guī)律20鎳、硅、鉬等也不同程度地?cái)U(kuò)大鈍化區(qū)，增強(qiáng)鈍化性能，所以它們也是不銹鋼合金化的有效合金元素；同時(shí)鉬不僅能增強(qiáng)鈍化能力，而且還可升高F點(diǎn)電位的元素，說(shuō)明鉬的鈍化能夠提高鋼抗點(diǎn)蝕的性能。212.合金元素對(duì)鐵的電極電位的影響一般說(shuō)來(lái)，合金固溶體的電極電位總是比其它合金化合物的電極電位低，因此在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，合金固溶體總是作為陽(yáng)極而被腐蝕。研究表明，鋼中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高鐵的電極電位。但實(shí)用中由于Ni較缺，而Si的大量加入會(huì)使鋼變脆，因此只有Cr才是顯著提高鐵基固溶體電極電位的常用合金元素。22Cr含量對(duì)Fe-Cr合金電極電位的影響23Tammann定律：鐵基固溶體（鋼基體）中Cr含量達(dá)12.5%原子比（即1/8）時(shí)，電極電位有一個(gè)突躍升高；當(dāng)Cr的含量提高到25%原子比（即2/8）時(shí)，鐵基固溶體的電極電位又有一個(gè)突躍的升高。這一現(xiàn)象稱為二元合金固溶體電位的n/8規(guī)律。許多二元合金固溶體合金中存在這種規(guī)律。按n/8規(guī)律，1/8值時(shí)鉻不銹鋼最低的鉻含量應(yīng)為11.7%（12.5%原子比等于11.7%重量比）241.Me對(duì)鐵基固溶體即鋼的基體組織的影響首先取決于所加入的合金元素是α相穩(wěn)定元素還是γ相穩(wěn)定元素。α相穩(wěn)定元素占優(yōu)勢(shì)時(shí)可獲得單相α基固溶體合金；γ相穩(wěn)定元素占優(yōu)勢(shì)時(shí)可獲得單相γ基固溶體合金。二、Me對(duì)不銹鋼組織和力學(xué)性能的影響252.為了減少微電池的數(shù)量，可將金屬材料設(shè)計(jì)成單相組織不銹鋼的基體組織不僅是獲得所需力學(xué)性能和工藝性能的保證，還是不銹鋼具有良好耐蝕性能的組織保證。單相鐵素體鋼、單相奧氏體鋼是不銹鋼中耐蝕性能好的兩類鋼。263.主要合金元素對(duì)不銹鋼組織的影響碳作為不銹鋼中的合金元素，對(duì)不銹鋼的組織和性能都有重要的影響。碳是穩(wěn)定奧氏體的合金元素，穩(wěn)定奧氏體的能力約為鎳含量的三十倍。強(qiáng)化不銹鋼的主要元素；形成鉻碳化物，消耗鉻含量為什么Cr12不是不銹鋼，而1Cr13是不銹鋼？27鉻是不銹鋼的主加合金元素，而鉻又是穩(wěn)定鐵素體的元素。當(dāng)碳含量較低，含鉻量在13%時(shí)，就可獲得鐵素體不銹鋼；當(dāng)含鉻量從13%增加到27%時(shí)，由于含鉻量的增加，穩(wěn)定鐵素體的能力增加，故鋼中碳含量可增加到0.05%~0.2%，仍能保持鋼的鐵素體組織。28當(dāng)鉻含量在12%~18%時(shí)，一定的碳和鎳等γ相穩(wěn)定元素可使鋼在加熱時(shí)形成較多的或完全的γ相；同時(shí)又由于γ相穩(wěn)定元素含量不是很多，使得MS點(diǎn)在室溫以上，所以這類鋼淬火能產(chǎn)生馬氏體，即為馬氏體不銹鋼。29鎳是不銹鋼中三個(gè)重要的元素（鉻、碳、鎳）之一，鎳除能提高耐蝕性能外，還是γ相穩(wěn)定元素，是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進(jìn)奧氏體相形成的主要元素。單獨(dú)使用鎳的低碳鎳鋼，只有當(dāng)鎳的含量達(dá)到24%時(shí)才能獲得單相奧氏體組織；30鎳和鉻的配合使用時(shí)，如當(dāng)含鎳量高于3%，鉻含量高于18%以后，鉻、鎳按比例地增加，可以獲得鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼；當(dāng)含鎳量高于8%后，鉻含量在18%~27%的范圍內(nèi)使不銹鋼獲得單相奧氏體組織。鎳還能有效地降低MS點(diǎn)，使奧氏體能保持到-50℃以下。31其它元素對(duì)不銹鋼組織的影響，可以應(yīng)用Schaeffler組織圖來(lái)分析。鐵素體形成元素折合成鉻的作用—鉻當(dāng)量，奧氏體形成元素折合成鎳的作用—鎳當(dāng)量。Cr當(dāng)量=(Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W)Ni當(dāng)量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C)

32不銹鋼的組織圖（確定焊縫區(qū)組織的Schaeffler圖）334.合金元素對(duì)不銹鋼力學(xué)性能的影響主要取決于不銹鋼的強(qiáng)化機(jī)制：強(qiáng)化：鉻、硅、碳等合金元素提供了基體的固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、細(xì)化晶粒強(qiáng)化、第二相（δ鐵素體）強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化及亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制均可使不銹鋼獲得大幅度強(qiáng)化。34不銹鋼的力學(xué)性能，除沉淀硬化型外，馬氏體不銹鋼具有較好的綜合力學(xué)性能；鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼的強(qiáng)度和延展性也較好；單相的鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度性能相近，但前者屈服強(qiáng)度較高，而后者的延展性較好。

35韌化：不銹鋼的韌性不僅取決于基體組織，而且還受鋼中碳、氮以及雜質(zhì)元素氧、硫、磷、錳、硅等的影響。鐵素體不銹鋼具有較低的沖擊韌性和較高的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度；而鐵素體不銹鋼中含有奧氏體相時(shí)，其沖擊韌性得到改善，韌脆轉(zhuǎn)變溫度很快下降到了-50℃以下；36奧氏體不銹鋼具有很高的沖擊韌性和很低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，所以，奧氏體不銹鋼是很好的低溫用鋼。鋼中的碳、氮及雜質(zhì)元素氧、硫、磷、錳、硅等的含量愈低，不銹鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度愈低。因此，工程上對(duì)不銹鋼中雜質(zhì)元素的凈化具有重要的適用意義。

37不銹鋼合金化概括*低碳:耐蝕性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:主加Cr。輔加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等。38第四節(jié)常用不銹鋼

a、鐵素體型不銹鋼

b、馬氏體型不銹鋼

c、奧氏體不銹鋼39一、鐵素體型不銹鋼1.化學(xué)成分特點(diǎn):Wc=0.1%左右

WCr=17%牌號(hào):Cr13型;Cr16~19型（亦稱Cr17型）Cr25~28型（亦稱Cr28型）4041熱處理特點(diǎn):不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。鐵素體不銹鋼的脆性鐵素體不銹鋼的主要缺點(diǎn)是韌性低、脆性大。引起脆性的原因主要有：粗晶脆性、σ相脆性和475℃脆性。粗晶脆性—鑄態(tài)下的粗大晶粒組織不能通過(guò)相變重結(jié)晶來(lái)細(xì)化，壓力加工當(dāng)溫度超過(guò)850℃~900℃以上，再結(jié)晶晶粒發(fā)生顯著粗化。

σ相脆性—高含量Cr在820℃開(kāi)始形成σ相。由于σ相具有高的硬度（68HRC以上），常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促進(jìn)晶間腐蝕。對(duì)于已形成的σ相的鋼，重新加熱到820℃以上保溫σ相重新溶入δ鐵素體，隨后快冷，從而消除σ相脆性，恢復(fù)鋼的韌性。475℃脆性—高鉻鋼中，Cr含量大于15%時(shí)，在400℃~525℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間加熱后或在此溫度范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)，鋼在室溫下變得很脆，這個(gè)現(xiàn)象尤以475℃加熱最甚，故這種脆性稱為475℃脆性。產(chǎn)生475℃脆性原因是475℃加熱時(shí)，鐵素體內(nèi)固溶的Cr原子有序化，形成富Cr的體心立方點(diǎn)陣α′′相（80%Cr、20%Fe），α′′相在{100}晶面族上或位錯(cuò)處析出，并度增加，韌性下降?？刹扇?00-800℃短時(shí)加熱快冷予以消除。42硝酸生產(chǎn)裝置合成氨生產(chǎn)裝置用途:化工設(shè)備中要求耐蝕性高、塑性好、強(qiáng)度低的容器、管道等。431．馬氏體不銹鋼的鉻含量在12%~18%之間，和鐵素體不銹鋼相比，除鉻的上限含量較低外，還含有一定量的C和Ni等γ相穩(wěn)定元素，使這類鋼在加熱時(shí)有較多的γ或完全的γ相出現(xiàn)；又因γ穩(wěn)定化元素含量不多，Ms在室溫以上，淬火可以得到馬氏體，故此稱為馬氏體不銹鋼。

2.馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分根據(jù)馬氏體不銹鋼中鉻和碳的含量，可以將馬氏體不銹鋼分為三類：低碳及中碳的13%Cr鋼；高碳的18%Cr鋼；低碳的17%Cr-2%Ni鋼二、馬氏體型不銹鋼4445二、馬氏體型不銹鋼熱處理及應(yīng)用0Cr13~4Cr13淬透性高空冷便得M而得名。0Cr13~2Cr13含C量低具有良好的綜合機(jī)械性能，可進(jìn)行深沖、卷邊、焊接等，制不銹鋼結(jié)構(gòu)中（如汽輪機(jī)葉片等）淬火+高溫回火3Cr13、4Cr13硬度度、焊接性差，耐蝕工件，醫(yī)療工具，不銹軸承，淬火+低回。弱腐蝕介質(zhì)：大氣、海水、淡水、水蒸汽。46三、奧氏體型不銹鋼化學(xué)成分特點(diǎn):Wc=0.08～0.14%、WCr=17～19%、WNi=8～11%、Cu、Ti、Mo等。加工特點(diǎn):不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,只能冷塑性變形強(qiáng)化。0Cr18Ni91Cr18Ni90Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti含C量在0.1%以下，通常為單相A，比馬氏體不銹鋼的耐蝕性好，好的