金屬材料不銹鋼耐熱鋼.ppt

1、不銹耐蝕鋼,在空氣中或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼。 不銹耐蝕鋼是具有美觀的表面和耐腐蝕性能好，不必經(jīng)過鍍色等表面處理，而發(fā)揮不銹耐蝕鋼所固有的表面性能,使用于多方面的鋼鐵的一種，通常稱為不銹耐蝕鋼。 代表性能的有13鉻鋼，18-鉻鎳鋼等高合金鋼。,不銹鋼：指在大氣及弱腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。 耐蝕鋼：指在各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。,不銹鋼：在大氣及弱腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。 “完全耐蝕”：凡腐蝕速度小于0.01mm/a； “耐蝕”：腐蝕速度小于0.1mm/a； “不耐蝕”：腐蝕速度大于0.1mm/a。,2. 耐蝕鋼：在各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。 “完全耐蝕”：凡腐蝕速度小于0.1mm/a

2、； “耐蝕”：腐蝕速度小于1.0mm/a； “不耐蝕”：腐蝕速度大于1.0mm/a。,不銹鋼按用途、化學(xué)成分及金相組織來大體分類。,以化學(xué)成分分類： Cr系列：鐵素體系列、馬氏體系列 Cr-Ni系列：奧氏體系列，析出硬化系列,以金相組織分類： 奧氏體不銹鋼 鐵素體不銹鋼 馬氏體不銹鋼 雙相不銹鋼 沉淀硬化不銹鋼,. 金屬腐蝕破壞的方式: 均勻腐蝕 晶間腐蝕 點(diǎn)腐蝕 應(yīng)力腐蝕 腐蝕疲勞,均勻腐蝕,晶間腐蝕,點(diǎn)腐蝕,穿晶腐蝕,化學(xué)腐蝕 金屬與化學(xué)介質(zhì)直接產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而造成的腐蝕。提高金屬抗化學(xué)腐蝕的主要措施之一是加入Si、Cr、Al等能形成致密保護(hù)膜的合金元素進(jìn)行合金化。,電化學(xué)腐蝕 是指金屬在腐

3、蝕介質(zhì)中由于形成原電池，陽極失去電子。提高材料的抗電化學(xué)腐蝕能力可用以下方法：表示電極電位與極化電流或極化電流密度之間的關(guān)系曲線,活性溶解區(qū),過渡鈍化區(qū),穩(wěn)定鈍化區(qū),過鈍化區(qū),減少原電池形成的可能性，使金屬具有均勻的單相組織； 形成原電池時，減少兩極的電極電位差，提高陽極的電極電位； 減少甚至阻斷腐蝕電流，使金屬“鈍化”，在表面形成致密的、穩(wěn)定的保護(hù)膜。金屬表面形成一層薄的氧化物層，使金屬腐蝕速率大大降低的過程叫鈍化。,鉻是提高鋼鈍化膜穩(wěn)定性的必要元素。鋼中加入鉻含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）超過1012%,合金的鈍化能力有顯著提高；當(dāng)鉻的摩爾分?jǐn)?shù)每次達(dá)到12.5%、25、37.5%時，合金在硝酸中的腐蝕速

4、度都相應(yīng)有一個突然的降低。研究表明，當(dāng)鋼中鉻含量達(dá)到10后，鈍化膜中才富集了鉻的氧化物。在不銹鋼中，這種富鉻的復(fù)合氧化膜的厚度在1.02.0nm，并具有尖晶石結(jié)構(gòu)，在許多介質(zhì)中有很高的穩(wěn)定性。,n/8規(guī)律,鎳也能提高鐵的耐蝕性，在非氧化性的硫酸中更為顯著。當(dāng)鎳的摩爾分?jǐn)?shù)為12.5%、25時，耐蝕性明顯提高。鎳加入鉻不銹鋼中，能提高其在硫酸、醋酸、草酸及中性鹽中的耐蝕性。,錳也能提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐蝕性，而且比鎳更有效。,鉬能提高不銹鋼鈍化能力，擴(kuò)大其鈍化介質(zhì)范圍，如在熱硫酸、稀鹽酸、磷酸和有機(jī)酸中。含鉬不銹鋼中可以形成含鉬的鈍化膜，如Cr18Ni8Mo鋼表面鈍化膜的成

5、分為： (Fe2O3)=53%、 (Cr2O3)=32%、 (MoO3)=12%。含鉬的不銹鋼能抗點(diǎn)腐蝕。,貴金屬鉑等只要少量加入不銹鋼中就能有效地提高在硫酸及有機(jī)酸中的耐蝕性。當(dāng)銅、鉑、鈀存在時，能在不銹鋼表面沉積下來，作為附加微陰極，促使不銹鋼在很小的陽極電流下就能達(dá)到鈍化狀態(tài)。,硅能提高鋼在鹽酸、硫酸和高濃度硝酸中的耐蝕性。含硅14.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Fe-Si合金在鹽酸、硫酸和硝酸中有滿意的耐蝕性。在不銹鋼中加入24%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅時，也可提高不銹鋼在上述介質(zhì)中的耐蝕性。,不銹鋼的鈍化與介質(zhì)的氧化能力有關(guān)。在氧化性介質(zhì)如硝酸中，NO3是氧化性的，不銹鋼表面氧化膜容易形成，鈍化時間也短

6、。在非氧化介質(zhì)，如稀硫酸、鹽酸、有機(jī)酸中，含氧量低，鈍化所需時間延長。當(dāng)介質(zhì)中含氧量低到一定程度后，不銹鋼就不能鈍化。,對大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì)，只要固溶體中鉻含量w(Cr)大于1012，就能保證不銹。,在氧化性酸如硝酸中，由于有足夠的氧使不銹耐蝕鋼在短期內(nèi)達(dá)到鈍化狀態(tài)，但是酸中含有H作為陰極去極化劑，故隨H濃度增加，鈍化所需的鉻含量也要增加。只有這樣，氧化膜中鉻含量才能提高，含高鉻的氧化膜在硝酸中才有很好的穩(wěn)定性。故w(Cr)必須高于16的鋼，才有較高的鈍化能力。,在稀硫酸等非氧化性酸中，由于介質(zhì)中溶有的氧量較低，而SO42-又不是氧化劑， H濃度又高，一般的鉻不銹鋼難以達(dá)到鈍化狀態(tài)。

7、在這類介質(zhì)中，不銹耐蝕鋼需要加入提高鋼的鈍化能力的元素，如鎳、鉬、銅等。鹽酸也是一種非氧化性酸，不銹耐酸鋼在其中也不耐蝕，一般需采用Ni-Mo合金，使合金表面生成穩(wěn)定的MoOCl2保護(hù)膜，才能保持良好的鈍化能力。,強(qiáng)有機(jī)酸中，由于介質(zhì)中氧含量低，又有H存在，一般鉻和鉻鎳不銹鋼難以鈍化，必須向鋼中加入鉬、銅、錳等元素，以提高不銹耐蝕鋼的鈍化能力。,在含有Cl介質(zhì)中， Cl容易破壞不銹耐蝕鋼表面的氧化膜，穿透過并與鋼表面起作用，產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。含鉬的不銹鋼增強(qiáng)了抗點(diǎn)腐蝕的能力。,各種不銹耐蝕鋼中，鐵素體形成元素的有：鉻、鉬、硅、鈦、鈮，奧氏體形成元素的有：鎳、錳、銅。 隨鎳含量增加，單相奧氏體區(qū)可溶解

8、鉻含量也隨之增加。常用的Cr18Ni9型鋼是處于單相奧氏體區(qū)，若冷卻到室溫可得到單相奧氏體。 從Fe-Cr-Mn（Ni）三元相圖1000等溫截面上可看出錳擴(kuò)大相區(qū)的能力有限，單相相區(qū)僅能溶解w(Cr)=14%的鉻。,碳和氮是擴(kuò)大相區(qū)元素，在Cr-Mn-C-N鋼中，要獲得單相奧氏體，所需最少的碳、氮含量和鋼中鉻含量之間的關(guān)系是： w(C)+w(N)=0.078w(Cr)-0.125 式中，0.125為Fe-Cr二元相圖中奧氏體區(qū)能溶解的鉻最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 氮在鋼中的溶解度取決于氮化物形成元素鉻和錳在鋼中的含量： w(N)1/100w(Cr)+w(Mn) 式中， w(N)、w(Cr)、w(Mn)分別

9、為三者在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 如Cr17Mn13不銹鋼要得到單相奧氏體組織，可以算出w(C)+w(N)=0.35。一般不銹鋼的碳含量小于0.10%，故在Cr-Mn-N鋼中氮含量大于等于0.25%。此時Cr17Mn13不銹鋼中可溶解w(N)=0.30%的氮，可保證該鋼為單相奧氏體組織。,鉻當(dāng)量Cr鎳當(dāng)量Ni圖表明了不銹鋼實際成分和所得組織的關(guān)系，鋼中鐵素體形成元素折合成鉻的作用，奧氏體形成元素折合成鎳的作用，其中： Ni=w(Ni)+w(Co)+0.5w(Mn)+30w(C)+25(N)+0.3(Cu) Cr=w(Cr)+1.5w(Mo)+2.0w(Si)+1.5w(Ti)+1.75w(Nb)+5.

10、5w(Al)+5w(V)+0.75w(W) 可根據(jù)鋼的實際化學(xué)成分，換算成鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量來估算鋼的組織。要獲得單相奧氏體組織，必須使這兩類元素達(dá)到某種平衡，否則鋼中就會出現(xiàn)一定量的鐵素體，成為復(fù)相組織。,根據(jù)不銹耐蝕鋼的基本組織，可將它分為五大類： 馬氏體不銹鋼：w(C)為0.050.45%范圍的（14）Cr13型不銹鋼、Cr17Ni2鋼和不繡軸承鋼9Cr18等，高溫加熱淬火后為馬氏體。其中W(C)小于0.10%的0Cr13和Cr17Ni2鋼在高溫是復(fù)相組織，淬火后為馬氏體加鐵素體復(fù)相組織。 鐵素體不銹鋼：如0Cr17Ti、Cr25Ti、Cr26Mo1等。 奧氏體不銹鋼：具有單相奧氏體組織，其

11、中鉻鎳奧氏體鋼有1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti等，鉻錳鎳奧氏體鋼有1Cr18Mn8Ni5N，鉻錳氮奧氏體鋼有1Cr17Mn13N等。 奧氏體鐵素體復(fù)相不銹鋼，具有奧氏體加鐵素體復(fù)相組織，如Cr21Ni5Ti、00Cr22Ni5Mo3N、00Cr18Ni5Mo3Si2等，鐵素體體積分?jǐn)?shù)為5070。 沉淀硬化不銹鋼：經(jīng)過適當(dāng)熱處理后，可發(fā)生馬氏體相變，并在馬氏體基礎(chǔ)上析出金屬間化合物，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。這類鋼屬于高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度不銹鋼。,奧氏體不銹鋼焊接后焊縫及熱影響區(qū)(550800)在許多介質(zhì)中產(chǎn)生晶界腐蝕。這些介質(zhì)是熱的濃度為5065的硝酸，含銅鹽和

12、氧化鐵的硫酸溶液、熱有機(jī)酸等。 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕主要由鋼中的碳所引起。鋼中碳含量越高，晶間腐蝕越嚴(yán)重。原因：晶界上析出連續(xù)網(wǎng)狀富鉻的Cr23C6碳化物引起晶界周圍基體產(chǎn)生貧鉻區(qū)，鉻含量低于12，在許多介質(zhì)中沒有鈍化能力，貧鉻區(qū)成為微陽極而發(fā)生腐蝕。 晶間腐蝕解決方法之一：在此敏感溫度范圍長期加熱，通過鉻的擴(kuò)散消除貧鉻區(qū)，則晶間腐蝕傾向就被消除。當(dāng)w(C)小于等于0.03%，就沒有晶間腐蝕發(fā)生。所以，最有效解決奧氏體不銹鋼晶間腐蝕傾向的方法是生產(chǎn)超低碳不銹鋼，使鋼中w(C)小于等于0.03%，如00Cr18Ni10鋼。,晶間腐蝕的解決辦法之二： 加入強(qiáng)碳化物形成元素鈦和鈮，固定鋼中的碳，形

13、成穩(wěn)定的TiC或NbC，排除Cr23C6析出的可能性。若加熱到1150以上，TiC或NbC開始溶解，或鈦、鈮含量不足，有過剩的碳溶于奧氏體，則仍不能避免Cr23C6析出。為此，鋼中鈦或鈮的含量分別為： 0.8%w(Ti)5(w(C)-0.02) 1.0%w(Nb)10(w(C)-0.02) 鋼中有1050體積的鐵素體，可改善奧氏體不銹鋼晶間腐蝕傾向。鐵素體在500800發(fā)生相間沉淀，排除了Cr23C6在奧氏體晶界析出。 相在晶界析出也會造成晶間腐蝕。超低碳奧氏體不銹鋼特別是含鉬鋼，如0Cr18Ni9Ti和00Cr17Ni13Mo2鋼，固溶的鉬和鈦促進(jìn)相在晶界析出，在晶界產(chǎn)生貧鉻區(qū)，在65沸騰硝

14、酸中就能產(chǎn)生晶間腐蝕。 Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co等。,鋼中不同氮含量對晶間腐蝕有不同影響，當(dāng)?shù)康陀?.16%，由于抑制Cr23C6 在晶界析出，有利于改善奧氏體鋼的晶間腐蝕。當(dāng)?shù)扛哂?.16%，由于沿晶界析出Cr2N而增加晶間腐蝕傾向。,不銹鋼受拉應(yīng)力時，在某些介質(zhì)中經(jīng)過不長時間就會發(fā)生破壞。影響應(yīng)力腐蝕的因素是介質(zhì)特點(diǎn)、附加應(yīng)力和鋼的化學(xué)成分。 介質(zhì)：引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)中含有氯離子(Cl-)。在微酸性FeCl2、MgCl2溶液中，氯離子能促進(jìn)應(yīng)力腐蝕破壞。在PH值小于45的酸性介質(zhì)中，H+濃度越高，應(yīng)力腐蝕破壞時間越短。當(dāng)PH值大于45時，加入NO3-、I-及醋

15、酸鹽可抑制應(yīng)力腐蝕。 附加應(yīng)力：只有拉應(yīng)力才會引發(fā)應(yīng)力腐蝕。溫度恒定時，應(yīng)力越大，則破壞時間越短。鋼的屈服強(qiáng)度越高，抗應(yīng)力腐蝕破壞的能力越高。鋼的應(yīng)力腐蝕敏感度取決于實際應(yīng)力和鋼的屈服強(qiáng)度之比，比值越高，應(yīng)力腐蝕敏感度越高。,溫度：可影響化學(xué)反應(yīng)速度和物質(zhì)輸送速度。在含Cl-的水溶液中，80以上才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。溫度越高，應(yīng)力腐蝕破斷時間越短。 不銹鋼的組織和成分：對應(yīng)力腐蝕有強(qiáng)烈的影響。鉻含量1528的鐵素體不銹鋼對Cl-引起的應(yīng)力腐蝕不敏感，Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕很敏感。含鐵素體的復(fù)相不銹鋼有低的應(yīng)力腐蝕敏感度。在不穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼中，形變引起的馬氏體對應(yīng)力腐蝕有害。,低

16、鎳奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕敏感，而高鎳(45%)就不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。 氮促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂縫的誘發(fā)和擴(kuò)展，增加應(yīng)力腐蝕的敏感，而碳則降低奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感。 硅在單相奧氏體和復(fù)相不銹鋼中都提高鋼對應(yīng)力腐蝕的抗力，一般硅的加入量為24。 銅能改善奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕，00Cr18Ni10鋼加入2的銅，可以有良好的應(yīng)力腐蝕抗力。 磷、砷、銻、鉍、鋁是有害元素，降低奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕抗力，殘余硫也是有害的，MnS可優(yōu)先被溶解，并形成裂紋源。 鈦和鈮的影響不顯著。,保護(hù)膜破壞機(jī)理： 由于拉應(yīng)力和保護(hù)膜增厚使界面之間拉應(yīng)力加大，保護(hù)膜局部破壞。 腐蝕溶液侵滲入破壞處，形成微電池。破壞處的電位比連

17、續(xù)保護(hù)膜處低，成為陽極，并發(fā)生陽極溶解。 Me Me+2+2e 保護(hù)膜形成-破壞-形成-破壞，反復(fù)進(jìn)行則裂紋擴(kuò)展。,在應(yīng)力作用下，鈍化裂紋尖端沿最大切應(yīng)力方向（或應(yīng)變最大方向）形成滑移臺階，該處鈍化膜破壞。,閉塞電池理論：形成裂紋后，裂縫內(nèi)的PH值小于與外面的PH值，變“酸”。過程是：1）應(yīng)力和介質(zhì)作用下，材料表面缺陷處形成微孔或裂紋；2）微孔或裂紋非常窄小，孔、縫內(nèi)外溶液對流和擴(kuò)散分成困難，形成“閉塞區(qū)”；3）化學(xué)腐蝕進(jìn)行時，產(chǎn)生陽極和陰極反應(yīng)，同時閉塞區(qū)內(nèi)O迅速耗盡，不能補(bǔ)充，所以只發(fā)生陽極反應(yīng)；,閉塞電池理論：4）縫內(nèi)金屬離子水解產(chǎn)生H+，使PH值下降；5）縫內(nèi)金屬離子和H+增多，為了維

18、持電中性，外面的Cl+離子遷入到縫隙，形成腐蝕性極強(qiáng)的鹽酸，使裂縫內(nèi)腐蝕以自催化方式進(jìn)行。,對于鉻鋼和鉻鎳鋼，縫內(nèi)的PH值甚至降到0，對于高強(qiáng)鋼，無論外部溶液PH值為酸性或堿性，其縫內(nèi)的PH值總為3.53.9。,奧氏體鋼：層錯能影響位錯滑移方式，從而影響應(yīng)力腐蝕敏感度。層錯能高的鋼形變時采取交滑移方式，位錯纏結(jié)呈網(wǎng)狀分布，引起表面的臺階小，鈍化膜不易被破壞。鎳和碳都增加層錯能，故高鎳奧氏體鋼有較高的應(yīng)力腐蝕抗力。而氮則促進(jìn)位錯呈平面分布，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕。 鐵素體：在形變時易發(fā)生交滑移，導(dǎo)致表面鈍化膜破壞少，易于修補(bǔ)，因而降低不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性。,防止應(yīng)力腐蝕的措施： （1）采用硅含量為24或銅

19、含量為2的鋼種； （2）將鋼中氮含量降到小于0.04，并盡量降低雜質(zhì)含 量； （3）采用高純度鐵素體不銹鋼； （4）采用奧氏體鐵素體復(fù)相鋼，鐵素體體積含量控制在 5070。,不銹鋼在含Cl介質(zhì)中，表面會出現(xiàn)點(diǎn)狀凹坑，稱為點(diǎn)腐蝕。不銹鋼中的夾雜物、晶界析出相、晶界是點(diǎn)腐蝕容易發(fā)生的地方，這些區(qū)域表面鈍化膜均勻性受到破壞，使得Cl易于穿透這些區(qū)脆弱的鈍化膜，并與鋼的基體發(fā)生作用，從而破壞了鈍化膜。 解決措施：鉻和鉬可提高鈍化膜的穩(wěn)定性，工業(yè)中可選用高鉻和含鉬的鋼種，如Cr22Ni26Mo5Ti鋼及w(N)在0.1%以上的鋼種如00Cr22Ni12Mo2.5N鋼，以及高純的Cr26Mo1、Cr26M

20、o4鋼。發(fā)展超低硫的鋼種，如超低硫Cr18Ni8MoN鋼，盡可能降低介質(zhì)中的Cl的濃度。,鐵素體不銹鋼（如0Cr17Ti、Cr25Ti、Cr26Mo1等） 屈服強(qiáng)度為280460MPa，而奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度為230MPa，鐵素體不銹鋼的強(qiáng)度高，但其韌性低，韌脆轉(zhuǎn)化溫度高。 鐵素體由于原子擴(kuò)散快，有低的晶粒粗化溫度和高的晶粒粗化速率。若鐵素體中有一定量奧氏體或Ti(C,N)，可以阻礙晶粒長大，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度。增加鐵素體不銹鋼中在高溫的奧氏體量后，在冷卻時將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，得到鐵素體加馬氏體的組織。少量馬氏體對塑性有利，降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度。 鐵素體不銹鋼存在475脆性，隨鉻含量增加，其脆

21、化傾向也增加，因而要避免在400500停留。鐵素體中Cr有序化，形成富Cr并與母相共格的體心立方a”相，引起晶格畸變和內(nèi)應(yīng)力，脆性增加。 在Cr偏聚的區(qū)域形成金屬間化合物s相。該相有高硬度，并沿晶界分別，引起脆性和晶界腐蝕。,高鉻鐵素體不銹鋼克服低溫脆性的方法： 鋼中含有碳、氮、氧等雜質(zhì)及夾雜物，采用精煉技術(shù)，提高鋼的純度，能顯著提高鐵素體不銹鋼的塑性和韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度。另外，加少量鋁對改善Cr17型鐵素體不銹鋼的韌性也特別有效。,熱處理,I區(qū)：晶界腐蝕傾向 II區(qū)：s相形成區(qū) III區(qū)：475脆性區(qū),奧氏體不銹鋼（ 1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10、0Cr18Ni18Mo2C

22、u2Ti ） 奧氏體不銹鋼分為組織穩(wěn)定（含Ti、Nb）和亞穩(wěn)定兩大類，后者在大變形量下要發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。 穩(wěn)定奧氏體不銹鋼具有低屈服強(qiáng)度和高塑性、韌性，低韌脆轉(zhuǎn)化溫度(見圖5-16)。 影響其強(qiáng)度因素之一是合金元素的固溶強(qiáng)化(見圖5-17)。間隙元素碳、氮的強(qiáng)化效應(yīng)遠(yuǎn)大于代位元素，而氮的強(qiáng)化效應(yīng)最大。在代位元素中，鐵素體形成元素的強(qiáng)化效應(yīng)又大于奧氏體元素。 組織因素對Cr18Ni9型不銹鋼的影響表現(xiàn)在：隨著晶粒尺寸和孿晶間平均距離變小而強(qiáng)度增加； 由于超低碳奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度過低，達(dá)不到工程設(shè)計要求，必須加以強(qiáng)化。通常加入少量氮，以提高其強(qiáng)度和塑性。,熱處理,I:固溶處理 10501150

23、，水冷 溶解碳化物，使A獲得最大 的合金度，具有最大耐蝕性 II：退火 850950 消除晶間腐蝕 III：不含Ti、Nb的非穩(wěn)定A 不銹鋼，用（a）工藝，提高 晶界Cr濃度，抗晶間腐蝕。含 Ti、Nb的穩(wěn)定A不銹鋼用（b） 工藝，快速冷卻。也叫穩(wěn)定化 處理。使Cr的碳化物變成Ti、 Nb的碳化物，Cr被釋放，提高 抗晶間腐蝕能力。,亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼在冷變形時發(fā)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變，使鋼在冷作硬化基礎(chǔ)上又加上馬氏體強(qiáng)化。 在Md點(diǎn)以下到Ms點(diǎn)之間發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生形變馬氏體。隨形變量增加，馬氏體量也增加。越接近Md點(diǎn)，產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變所需變形量越大，超過Md點(diǎn)，形變不再發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；越接近或低于

24、Ms點(diǎn)轉(zhuǎn)變，就越能增加馬氏體量。 亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼用來制造不銹彈簧。其最佳成分為：w(C)=0.080.10%, w(Cr)=1718%, w(Ni)=69%。不同軋制溫度對Cr17Ni6鋼強(qiáng)度的影響見圖5-18。此鋼的Ms點(diǎn)在0-76，采取零下溫度軋制有較好的強(qiáng)化效果。為消除應(yīng)力，提高彈性極限，提高塑性，可采取425以下回火。一般在400回火，使彈性極限和抗拉強(qiáng)度還有所上升。回火對性能影響見圖5-19。,2,3,不銹鋼要獲得高強(qiáng)度，一般采用在馬氏體基體上產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化的方法。為此加入合金元素鉬、鈦、鋁等，形成新的沉淀硬化相，如Fe2Mo、Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3Al等。,1. 馬氏體型沉

25、淀硬化不銹鋼 以17-4PH鋼為基礎(chǔ)，通過減鉻增鎳以消除鐵素體，并加入鉬、鈦、鋁、鈮等強(qiáng)化元素，經(jīng)高溫奧氏體區(qū)固溶處理后，冷卻時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，然后經(jīng)425600時效，從過飽和馬氏體基體中析出彌散的金屬間化合物而產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。 這類鋼用于鍛件或棒材，由于熱處理溫度低，變形量小，可在固溶處理后精加工，然后再時效強(qiáng)化。 這類鋼有良好的工藝性能和低的加工費(fèi)用。,半奧氏體型沉淀硬化不銹鋼 以Cr17Ni7鋼的基礎(chǔ)上加入強(qiáng)化元素發(fā)展起來的。鉬、鋁等形成金屬間化合物，在馬氏體基體上析出產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。鋼經(jīng)固溶處理后，在室溫下為奧氏體及少量(810)鐵素體組織。 典型鋼種: PH15-7Mo鋼，力學(xué)性能為：s

26、=1550MPa, b=1655MPa, =6%, 硬度為HRC48。 這類鋼經(jīng)固溶處理后有同奧氏體不銹鋼一樣的良好的冷變形能力，能承受大變形量冷軋。在315 以上使用，會繼續(xù)析出金屬間化合物而使鋼變脆，因而要限制使用溫度。,耐熱鋼,耐熱鋼和合金的發(fā)展是高溫下工作的動力機(jī)械的需要 需要在高溫下承受各種載荷（拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞、沖擊） 與高溫蒸氣、空氣、燃?xì)饨佑|，發(fā)生高溫氧化或氣體腐蝕 應(yīng)用：火電廠的蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪、航空工業(yè)的噴氣發(fā)動機(jī)，以及航天、艦船、石油和化工等工業(yè)部門的高溫工作部件。,高溫合金的重要用途,為提高熱效率，需要耐熱性能更好的高溫合金！,航空發(fā)動機(jī),火力發(fā)電機(jī),高溫下工作

27、時，鋼和合金將發(fā)生原子擴(kuò)散過 程，并引起組織轉(zhuǎn)變，這是與低溫部件的根 本不同點(diǎn)，因此耐熱鋼和耐熱合金的基本要 求是： 良好的高溫強(qiáng)度及與之相適應(yīng)的塑性 有足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性,蠕變：鋼和合金在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生連續(xù)而緩慢變形,oa - 加載后瞬時變形 （oa為彈性變形，aa為塑性變形） I - 減速變形階段；II - 穩(wěn)態(tài)變形階段 III - 加速變形階段,蠕變強(qiáng)度（極限）：在某溫度下，在規(guī)定時間達(dá)到規(guī)定變形(如0.1%)時所能承受的應(yīng)力。 sd/tt (s1/100000700 )= 100MPa 700持續(xù)時間10000小時，總變形量1%時的蠕變極限。 持久強(qiáng)度：規(guī)定溫度和規(guī)定時間斷裂所能

28、承受的應(yīng)力。 stt (s100700 ) = 300MPa， 700持續(xù)時間100小時斷裂的持久強(qiáng)度為300MPa 持久壽命：規(guī)定溫度和規(guī)定應(yīng)力作用下拉斷的時間。,鋼中加入Cr、Al、Si，可以提高FeO出現(xiàn)的溫度，改善鋼的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。 當(dāng)鉻和鋁含量高時，鋼的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保護(hù)膜。 通常在鋼表面生成FeO-Cr2O3或FeO-Al2O3等尖晶石類型的氧化膜，含硅鋼中生成Fe2SiO4氧化膜，他們都有良好的保護(hù)作用。,MCrAlYSi涂層合金在1373K循環(huán)氧化動力學(xué)曲線 YSZ:Y摻雜ZrO2阻熱涂層,Ni基高溫合金,Substrate,MCrAlY,YSZ,鉻是

29、提高抗氧化能力的主要元素，鋁也能單獨(dú)提高鋼的抗氧化能力。 硅由于增加鋼的脆性，加入量受到限制，只能作輔加元素。 其它元素對鋼抗氧化能力影響不大。 少量稀土金屬或堿土金屬（Hf、Y）能提高耐熱鋼和耐熱合金的抗氧化能力，特別在1000以上，使高溫下晶界優(yōu)先氧化的現(xiàn)象幾乎消失。 鎢和鉬降低鋼和合金的抗氧化能力，氧化產(chǎn)物WO3和MoO3具有低熔點(diǎn)和高揮發(fā)性，使抗氧化能力變壞。 高于400的水蒸汽能使鋼氧化：3Fe+4H2OFe3O4+2H2 當(dāng)氫擴(kuò)散到鋼中引起脫碳，生成甲烷，并在晶界析出，引起裂縫，即氫腐蝕。,耐熱鋼根據(jù)顯微組織可分為兩大類 鐵素體型和奧氏體型,鐵素體珠光體耐熱鋼,鐵素體型耐熱鋼包括鐵

30、素體珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼（工作范圍350650）,此類鋼的合金元素總量不超過5，退火后得到鐵素體加珠光體組織，經(jīng)過熱處理使鋼強(qiáng)化 強(qiáng)化方法：固溶強(qiáng)化和碳化物沉淀強(qiáng)化 用途：多用于鍋爐蒸汽管道，在450620蒸汽介質(zhì)中長期運(yùn)轉(zhuǎn)。,低碳珠光體耐熱鋼：含C在0.080.20%之間，具有低硬度與高塑性，易加工。碳化物相少，高溫組織穩(wěn)定性高。400600 之間保持穩(wěn)定彌散分布的碳化物，維持強(qiáng)化，用于500600 工作的鍋爐鋼管及汽輪機(jī)葉片等要求塑性和焊接性好的零件。 中碳珠光體耐熱鋼：含C在0.250.40%，采用熱鍛成型用于溫度較低的過熱蒸汽管道、汽輪機(jī)軸、槍炮管等。,固溶強(qiáng)化：強(qiáng)

31、化元素有W、Mo、Cr。W、Mo溶于基體相，能增強(qiáng)原子間結(jié)合強(qiáng)度，提高再結(jié)晶溫度，因而能顯著地提高基體的蠕變抗力。鉻含量小于0.5%時強(qiáng)化基體的作用較強(qiáng)，含量再增加時強(qiáng)化作用增加很少。其它元素如Mn、Si、Ni、Co的影響很小。,碳化物沉淀強(qiáng)化：沉淀強(qiáng)化作用以MC型最高，它不易聚集長大； M2C 型的強(qiáng)化作用次之，M6C型又次之； M7C3型由于聚集長大速度高，將降低鋼的蠕變性能。,強(qiáng)碳化物形成元素V、Ti、Nb在鋼中可形成各自的特殊碳化物VC、TiC、NbC。鎢、鉬在鋼中形成M2C型的W2C、Mo2C和M6C型的Fe3W3C、Fe3Mo3C。鉻在鋼中的含量低時，出現(xiàn)合金滲碳體(Fe,Cr)3

32、C，含量超過23時，出現(xiàn)(Fe,Cr)7C3。,含W、Mo、V、Ti、Nb的鋼經(jīng)過熱處理，在500700范圍析出MC型和M2C型碳化物，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。 當(dāng)V/C4時(重量比)，符合VC化學(xué)式時，碳和釩幾乎全部結(jié)合成VC，達(dá)到最佳的沉淀效果，具有最高蠕變抗力。 鈦和鈮的作用與釩相似，當(dāng)Nb/C8時，Ti/C3時，幾乎全部生成NbC 或TiC，具有最高的蠕變抗力。 當(dāng)其比例小于各自的數(shù)值時，碳有剩余，就會與W、Mo結(jié)合形成M2C或 M6C碳化物。這兩種碳化物，尤其是M6C，其聚集長大速度高，強(qiáng)化效果差，同時減少了W、Mo在基體中的固溶強(qiáng)化作用。 當(dāng)V、Ti、Nb與C的比例超過各自的數(shù)值時，過剩的V

33、會降低基體的蠕變抗力，過剩的Nb或Ti會形成AB2相，如Fe2Nb，其聚集速度高，對蠕變強(qiáng)度不利。,鐵素體珠光體耐熱鋼在400580長期運(yùn)轉(zhuǎn)后將發(fā)生高溫回火脆性，鋼中雜質(zhì)元素P、Sn、Sb、As等的晶界偏聚導(dǎo)致鋼的回火脆化傾向增大。鋼中N含量也對脆性有較大的影響。鋼中雖然含有Mo，但這種長時間過熱后的回火脆性也難以避免。 鐵素體珠光體耐熱鋼的典型鋼種有12Cr1MoV、12Cr2.25Mo、15CrMo等，新發(fā)展的鋼種有12Cr2MoWVTiB等。幾種典型的鋼種的成分見表。,合金元素含量提高至空冷獲得馬氏體組織的熱強(qiáng)鋼如表所示,1Cr11MoV、1Cr12WMoVA、1Cr11Ni2W2MoV

34、A、1Cr12WMoVNbBA是汽輪機(jī)或燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片用鋼，要求較高的抗腐蝕性的同時具有高的熱強(qiáng)性，是從Cr13型馬氏體不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。主要采用W、Mo、V、Ti、Nb等碳化物形成元素來固溶和沉淀強(qiáng)化。 4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo為閥門用鋼。內(nèi)燃機(jī)燃燒室排氣閥端的溫度高達(dá)700850，燃?xì)庵泻蠽、S、Na等的氧化物及防爆劑乙基鉛等，使閥門嚴(yán)重腐蝕。C含量高耐磨損，Cr、Si可提高同素異構(gòu)相變點(diǎn)，提高耐熱性能高和熱穩(wěn)定性。,低碳的Cr13型馬氏體不銹鋼：雖然有高的抗氧化性和耐腐蝕性，但組織穩(wěn)定性差，只能做450以下的汽輪機(jī)葉片。Cr12型馬氏體耐熱鋼是通過加入Mo、W、V、N

35、b、N、B等元素來進(jìn)行強(qiáng)化。 Cr12型馬氏體耐熱鋼： （1）加入W、Mo后，消除了Cr7C3，只出現(xiàn)單一的（Cr，Mo，W，F(xiàn)e）23C6，并具有沉淀強(qiáng)化作用。W、Mo除部分溶于M23C6和M6C碳化物外，大部分溶于基體起固溶強(qiáng)化作用。鋼中W、Mo比例影響到鋼的強(qiáng)度和韌性，若W低Mo高，則有高韌性和塑性，但蠕變強(qiáng)度較低；反之，則有高蠕變強(qiáng)度而韌性和塑性較低。鋼中B起晶界強(qiáng)化作用。 （2）加V或Nb，能析出VC或NbC，起沉淀強(qiáng)化作用。加入氮后，也能增加沉淀強(qiáng)化數(shù)量，有利于加強(qiáng)沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。,2Cr12MoV和2Cr12WMoV鋼的主要強(qiáng)化相是M23C6，固溶有W、Mo和V而提高了穩(wěn)定性，高于

36、650才開始顯著聚集增大。由于鋼中合金元素含量高，因而有很高的淬透性。,1Cr9W2MoVNbNB鋼采用多元合金復(fù)合合金化，鋼中強(qiáng)化相有MC、MN、 M23C6和M6C。,W、Mo的固溶強(qiáng)化和B的晶界強(qiáng)化，在600和650有很高的蠕變強(qiáng)度。 經(jīng)1050加熱后空冷，又經(jīng)800回火，在600105h的持久強(qiáng)度為196MPa， 650為98MPa，比Cr18Ni19奧氏體不銹鋼在同樣工作條件下還高。 鋼中加入（N）0.050.10可增加（V，Nb）N沉淀強(qiáng)化效果。這種鋼可作為高蠕變強(qiáng)度的高壓鍋爐用耐熱鋼。,具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體型耐熱鋼，在600650溫度條件下的蠕變強(qiáng)度明顯下降。而具有面心立方結(jié)

37、構(gòu)的奧氏體型耐熱鋼，在650或更高溫度下有較高的高溫強(qiáng)度。奧氏體型耐熱鋼可分為Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼、固溶強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼和沉淀強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼。,固溶強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼如1Cr14Ni19W2NbB、1Cr18Ni14Mo2Nb等，以鎢、鉬進(jìn)行固溶強(qiáng)化，以硼進(jìn)行晶界強(qiáng)化。這類鋼可用來制造在600700下工作的蒸汽過熱器和動力裝置的管路，680以下燃?xì)廨啓C(jī)動、靜葉片及其他鍛件。經(jīng)11001150固溶處理，在650700長時間保溫后，有不大的時效硬化傾向。鋼具有中等持久強(qiáng)度和高塑性，在650的1000為200MPa時，100000為100MPa，伸長率為36%。,一、碳化物沉淀強(qiáng)化耐熱

38、鋼,這類鋼的沉淀強(qiáng)化相為MC碳化物，并含有鎢、鉬等固溶強(qiáng)化元素。以NbC為沉淀強(qiáng)化相的鋼4Cr13Ni13Co10Mo2W3Nb3。,常用的是以錳部分代鎳的4Cr13Mn8Ni8MoVNb(GH36,481) 鋼，含有（V）=1.4%，（Nb）=0.4% 的沉淀強(qiáng)化相是(V,Nb)C，它以VC為主，溶有部分鈮。當(dāng)釩、鈮和碳的比例正好和VC、NbC的化學(xué)式相等時，具有最好的高溫強(qiáng)度。VC析出的最高速度對應(yīng)的溫度在670700，在此溫度時效后，鋼具有最高的沉淀硬化。另外一種碳化物是復(fù)合的M23C6型的（Cr,Mn,Mo,Fe,V）23C6，但不能成為沉淀強(qiáng)化相。當(dāng)（Nb）0.6%時，鋼中才會單獨(dú)出

39、現(xiàn)NbC相，它溶有不多的釩和鉬。,時效溫度對碳化物析出量和鋼的硬度的影響見下圖。M23C6在 較低溫度析出量很少，其最高析出溫度在900。鋼中的鉬主要起固溶強(qiáng)化作用。,GH36鋼的固溶溫度為1140，保溫1.52h，然后水冷，以防止冷卻時析出VC而造成大截面零件在時效時內(nèi)外組織和性能的不均勻性。 為消除零件的內(nèi)外差別，固溶處理后進(jìn)行兩次時效處理，第一次在670時效16h，第二次在760800時效1416h,然后空冷。第一次時效溫度較低，VC析出呈現(xiàn)小而彌散分布，鋼的強(qiáng)度雖高，但塑性和韌性較低，且具有缺口敏感性。第二次時效溫度高于工作溫度，彌散的VC顆粒適當(dāng)長大，這種組織在低于750有很好的穩(wěn)定

40、性，改善了在670時效后鋼在性能上的缺陷。 GH36耐熱鋼用于工作溫度在650的零件，如渦輪盤件。,采用微合金化方法創(chuàng)制了改進(jìn)型GH36鋼，加入少量鋁（ 0.30%）以結(jié)合鋼液中的氮，減少含釩和鈮的碳氮化合物M（C，N）夾雜，以充分發(fā)揮釩和鈮的沉淀強(qiáng)化作用。同時，加入微量的鎂（=0.0030.005%）來強(qiáng)化晶界，提高鋼的持久性。,二、金屬間化合物沉淀強(qiáng)化耐熱鋼,合金元素鈦和鋁在奧氏體耐熱鋼時效過程中能析出金金屬間化合物相為主要沉淀強(qiáng)化相。 -Ni3（Ti，Al）點(diǎn)陣常數(shù)與奧氏體基體相近，二者僅稍有差別。當(dāng)相析出時，能形成共格，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。幾種沉淀強(qiáng)化耐熱鋼的化學(xué)成分見下表。,GH132（A286）鋼用來制造噴氣發(fā)動機(jī)部件，有較高的高溫度強(qiáng)度，可以在650700使用；對要求抗氧化而強(qiáng)度要求不高的零件，可以在850下長期工作，這種鋼還