金屬材料焊接工藝 第3版 教案 17 不銹鋼的類型與性能

授課教案首頁(yè)學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動(dòng)化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實(shí)踐□理實(shí)一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評(píng)價(jià)□其他活動(dòng)□課時(shí)安排2課時(shí)序號(hào)17授課日期月日月日月日月日授課班級(jí)教學(xué)內(nèi)容：第四章不銹鋼的焊接1、不銹鋼的類型與性能教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：了解不銹鋼的類型能力目標(biāo)：熟悉不銹鋼的性能及特征素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會(huì)交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：重點(diǎn)向?qū)W生介紹不銹鋼的耐蝕性能。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方式：課堂提問(wèn)及作業(yè)作業(yè)和思考題：1．簡(jiǎn)述不銹鋼腐蝕形式及特征。課后小結(jié)：填表說(shuō)明：1.序號(hào)，指該課程授課的順序號(hào)，應(yīng)與授課計(jì)劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項(xiàng)打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．復(fù)習(xí)引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問(wèn)20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容不銹鋼是指能耐空氣、水、酸、堿、鹽及其溶液和其他腐蝕介質(zhì)腐蝕的、具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性和較好的力學(xué)性能，適于制造耐腐蝕、抗氧化、耐高溫和超低溫的零部件和設(shè)備。不銹鋼中主加元素鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ｗCr＞12％，通常還含其他合金元素如Ni、Mn、Mo等。不銹鋼之所以具有耐腐蝕性是因?yàn)椋阂皇遣讳P鋼中一定量的Cr元素，能在鋼材表面形成一層不溶于腐蝕介質(zhì)的堅(jiān)固的氧化鈍化膜，使金屬與外界介質(zhì)隔離而不發(fā)生化學(xué)作用；二是大部分金屬腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，鉻的加入可提高鋼基體的電極電位；三是Cr、Ni、Mn、N等元素的加入還會(huì)促使形成單相組織，阻止形成微電池，從而提高耐蝕性。按照合金元素對(duì)不銹鋼組織的影響和作用的程度，將其分為兩大類：一類是形成或穩(wěn)定奧氏體的元素：C、Ni、Mn、N和Cu等；另一類是縮小或封閉奧氏體區(qū)即形成鐵素體的元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、V、W和Al等。能力知識(shí)點(diǎn)1銹鋼的類型不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐（酸）蝕鋼的總稱。在空氣或弱介質(zhì)中能抵抗侵蝕的鋼稱為不銹鋼；在某些強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能抵抗侵蝕的鋼稱為耐蝕鋼。不銹鋼不一定能耐（酸）腐蝕，而耐蝕鋼一定具有良好的耐蝕性。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段不銹鋼按其金相組織可分為鐵素體型不銹鋼、馬氏體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、雙相不銹鋼（包括奧氏體－鐵素體型、奧氏體－馬氏體型）、沉淀硬化不銹鋼等。1．鐵素體不銹鋼室溫組織為鐵素體鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ｗCr在11.5％～32.0％的范圍內(nèi)。隨ｗCr增加，其耐酸性能提高；加入鉬后，則可以提高耐酸腐蝕性和抗應(yīng)力腐蝕的能力。典型牌號(hào)有00Cr12、1Cr17、00Cr17Mo、00Cr30Mo2等主要用于制造硝酸化工設(shè)備的吸收塔、熱交換器、儲(chǔ)運(yùn)和運(yùn)輸硝酸用的槽罐以及制造不承受沖擊載荷的其它零部件和設(shè)備。根據(jù)C和N的總含量，鐵素體不銹鋼分為普通純度和超高純度兩個(gè)系列。（1）普通純度鐵素體不銹鋼其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc為0.1％左右，并含有少量的氮，其典型的牌號(hào)為1Cr17、1Cr17Mo等。與奧氏體不銹鋼相比，缺點(diǎn)是材質(zhì)較脆，焊接性較差。其主要原因是其中碳和氮的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、在高溫加熱條件下造成鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。（2）超高純度鐵素體不銹鋼通過(guò)真空或保護(hù)氣體精煉技術(shù)煉出超低碳和超低氮含量（C+N總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.025％～0.035％）的超高純度鐵素體不銹鋼，其典型牌號(hào)有00Cr18Mo2和00Cr27Mo等。這類鋼不論在韌性、耐蝕性還是焊接性等方面均優(yōu)于普通純度的鐵素體不銹鋼，并得到了廣泛的應(yīng)用。2．馬氏體不銹鋼室溫組織為馬氏體鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ｗCr在11.5％～18.0％范圍內(nèi)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ｗC最高可達(dá)1.0％。馬氏體不銹鋼具有一定的耐酸腐蝕性和較好的熱穩(wěn)定性及熱強(qiáng)性。主要用于力學(xué)性能要求較高、且在弱腐蝕介質(zhì)中工作的零件和工具，也可作為溫度在700℃以下長(zhǎng)期工作的耐熱鋼使用，如汽輪機(jī)的葉片、內(nèi)燃機(jī)排氣閥和醫(yī)療器械等。這類鋼的焊接性較差，其典型牌號(hào)的鋼板有1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2等。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段3．奧氏體不銹鋼室溫組織為奧氏體它是在高鉻不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)逆嚕ㄦ嚨馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)wNi為8％～25％）而形成的。奧氏體不銹鋼是以Cr18Ni9鐵基合金為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上隨著用途的不同，發(fā)展了六大系列奧氏體不銹鋼：1）在0Cr18Ni9的基礎(chǔ)上降低碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得00Cr19Ni10等超低碳不銹鋼，耐蝕性提高；在此基礎(chǔ)上加入Mo、Cu、Ti，獲得00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Ni14Mo2Cu2Ti等，抗還原性酸的能力提高；2）在0Cr18Ni9的基礎(chǔ)上增加碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得1Cr18Ni9等，強(qiáng)度提高；3）在0Cr18Ni9基礎(chǔ)上加入Ti、Nb等穩(wěn)定碳化物元素，獲得0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb等，抗晶間腐蝕的能力提高；4）在0Cr18Ni9的基礎(chǔ)上加入Mo、Cu、Ti等元素，獲得1Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti、0Cr18Ni12Mo2Cu2等，抗還原酸腐蝕的能力和抗晶間腐蝕的能力提高；5）在0Cr18Ni9基礎(chǔ)上加入Cr、Ni等元素，可獲得1Cr23Ni13、1Cr25Ni20等，耐熱性提高；6）在0Cr18Ni9基礎(chǔ)上用Mn、N代Ni，節(jié)約了Cr、Ni，獲得1Cr17Mn6Ni5N、1Cr18Mn8Ni5N，成本降低。奧氏體不銹鋼屬于耐蝕鋼，在氧化性、中性及弱還原性介質(zhì)中有良好的耐蝕性，是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼，其中以18-8型不銹鋼最具有代表性，它具有較好的力學(xué)性能，便于機(jī)加工、沖壓和焊接。在氧化性環(huán)境中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的耐熱性能；但對(duì)溶液中含有氯離子（Cl-）的介質(zhì)特別敏感，易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕。18-8型不銹鋼按其化學(xué)成分中的碳的含量不同，可分為三個(gè)等級(jí)：一般含碳量（wc≤0.15%）、低碳級(jí)（wc≤0.08%）和超低碳級(jí)（wc≤0.03%）。如1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9三種鋼材分別屬于上述三個(gè)等級(jí)。部分奧氏體不銹鋼可作為耐熱鋼使用填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段4.奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼室溫組織為奧氏體+鐵素體與含碳量相同的奧氏體不銹鋼相比，具有較小的晶間腐蝕傾向和較高的力學(xué)性能，且韌性比鐵素體不銹鋼好。同時(shí)，由于少量鐵素體的存在，還有利于奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中防止熱裂紋的形成。當(dāng)鐵素體的體積分?jǐn)?shù)在30％～60％時(shí)，不銹鋼具有特殊的抗點(diǎn)蝕、抗應(yīng)力腐蝕的性能，如00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr26Ni5Mo2等牌號(hào)，這類鋼的屈服點(diǎn)約為一般奧氏體不銹鋼的兩倍。廣泛應(yīng)用于化肥廠和化工廠等設(shè)備裝置，其機(jī)械加工、冷沖壓和焊接性能良好，且具有較好的耐蝕性能。５．沉淀硬化不銹鋼沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨(dú)或復(fù)合添加硬化元素，通過(guò)適當(dāng)熱處理獲得高強(qiáng)度、高韌性并具有良好耐蝕性能的一類不銹鋼。通常作為耐磨、耐蝕、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，如軸、齒輪、彈簧、閥等零件以及高強(qiáng)度壓力容器、化工處理設(shè)備和航空航天設(shè)備等。能力知識(shí)點(diǎn)2不銹鋼的性能1．不銹鋼的物理性能奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)比低碳鋼大將近50％，而熱導(dǎo)率僅為低碳鋼的1/3左右；鐵素體不銹鋼鋼和馬氏體不銹鋼鋼的線膨脹系數(shù)與低碳鋼相近，而熱導(dǎo)率僅為低碳鋼的1/2左右。由于奧氏體不銹鋼的特殊物理性能，在焊接過(guò)程中會(huì)引起較大的焊接變形，特別是在異種鋼焊接時(shí)，由于兩種材料的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)有很大差別，會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，成為焊接接頭產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。奧氏體不銹鋼通常是非磁性的，當(dāng)冷加工硬化產(chǎn)生馬氏體相變時(shí)，將產(chǎn)生磁性，可用熱處理方法來(lái)消除馬氏體和磁性。2．不銹鋼的力學(xué)性能各類不銹鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表4-2（教材P67）奧氏體不銹鋼的綜合性能最好，既有足夠的強(qiáng)度，又有極好的塑性，同時(shí)硬度也不高。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段奧氏體不銹鋼同絕大多數(shù)的其它金屬材料相似，其抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和硬度，隨著溫度的降低而提高；塑性則隨著溫度降低而減??；并具有較高的冷加工硬化性。馬氏體不銹鋼在退火狀態(tài)下，硬度最低；可通過(guò)淬火硬化；正常使用時(shí)回火狀態(tài)的硬度又稍有下降。鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)是常溫塑性低。當(dāng)在高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí)，可能導(dǎo)致475℃脆化，σ脆性相產(chǎn)生或晶粒粗大等，使力學(xué)性能進(jìn)一步惡化。３．不銹鋼的耐蝕性能不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕（表面腐蝕）、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂等五種。（1）均勻腐蝕均勻腐蝕是指接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。由于不銹鋼中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12.5％以上，在氧化性介質(zhì)中容易在表面形成富鉻氧化膜，該膜能夠阻止金屬的離子化而產(chǎn)生鈍化作用，同時(shí)還能提高基體的電極電位，因此提高了不銹鋼的耐均勻腐蝕性能。（2）晶間腐蝕晶間腐蝕是起源于金屬表面沿金屬晶界發(fā)生的有選擇的深入金屬內(nèi)部的腐蝕。該種腐蝕是一種局部腐蝕，能夠?qū)е戮Яｉg的結(jié)合力喪失，使材料強(qiáng)度幾乎消失。所以在所有的腐蝕形式中，晶間腐蝕的危害性最大，容易造成設(shè)備突然破壞，而在金屬外形上沒(méi)有任何變化。奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼均會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。（3）點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕是指在金屬表面產(chǎn)生的尺寸約小于1.0㎜的穿孔性或蝕坑性的宏觀腐蝕。主要是由材料表面鈍化膜的局部破壞所引起的，經(jīng)試驗(yàn)研究表明，材料的陽(yáng)極電位值越高，抗點(diǎn)蝕能力越好。超低碳高鉻鎳含鉬奧氏體不銹鋼和超高純度含鉬高鉻鐵素體不銹鋼均有較高的耐點(diǎn)蝕性能。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段（4）縫隙腐蝕縫隙腐蝕是金屬構(gòu)件縫隙處發(fā)生的斑點(diǎn)狀或潰瘍形宏觀蝕坑，常發(fā)生在墊圈、鉚接、螺釘連接縫、搭接的焊接接頭等部位。主要是由介質(zhì)的電化學(xué)不均勻性引起的。0Cr18Ni9及00Cr17Ni14Mo2型奧氏體不銹鋼、鐵素體及馬氏體不銹鋼在海水中均有縫隙腐蝕的傾向。適當(dāng)增加鉻、鉬含量可以改善抗縫隙腐蝕的能力。實(shí)際上只有采用鈦、高鉬鎳基合金和銅合金等才能有效地防止縫隙腐蝕的發(fā)生。因此，改變介質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)形式是防止縫隙腐蝕的重要措施。（5）應(yīng)力腐蝕破裂應(yīng)力腐蝕破裂是指在拉伸應(yīng)力與電化學(xué)介質(zhì)的共同作用下，因陽(yáng)極溶解過(guò)程而引起的斷裂。其產(chǎn)生的條件如下：1）引起應(yīng)力腐蝕破裂的介質(zhì)條件應(yīng)力腐蝕的最大特點(diǎn)之一是在腐蝕介質(zhì)與材料的組合上有選擇性。在此特定組合以外