1、河海大学力学与材料学院本科课程,金属材料学,8 不锈钢,第8章 不锈钢,不锈钢是指在空气、水、盐水、酸、碱等腐蚀介质中具有高的化学稳定性的钢。仅能抵抗大气、水等介质腐蚀的钢叫做不锈钢，在酸、碱等介质中具有抗腐蚀能力的钢称为耐酸钢。能抵抗大气、水等介质腐蚀的不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢肯定是能抵抗大气、水等介质腐蚀的。习惯上都称为不锈钢，其实是有很大区别的。,3,5.1 概述,5.1.1 金属腐蚀类型 1、均匀腐蚀（general corrosion） 腐蚀均匀地在材料的表面产生，损坏大量的材料。容易发现，危害性不是很大。2、点腐蚀（pitting corrosion） 由于应力等原因使腐蚀集中在
2、材料表面不大的区域，向深处发展，最后甚至能穿透金属。,4,3、晶界腐蚀（intergranular corrosion） 晶界腐蚀是指腐蚀过程是沿着晶界进行的，其危害性最大。如虫蛀的苹果。4、应力腐蚀（stress corrosion） 钢在拉应力状态下能发生应力腐蚀破坏的现象。 没有什么预兆，所以其危害性也是比较大的。5、磨损腐蚀（corrosion wear） 在腐蚀介质中同时有磨损，腐蚀和磨损相互促进、相互加速的现象称为磨损腐蚀。,5,图 各种腐蚀类型,6,金属电化学腐蚀现象(腐蚀电偶)： 不同金属的直接接触，如铜与钢； 同一金属在有浓差的介质中， 浓差电池，如存水的铁桶、盐炉中的电极；
3、 不同电位的显微组织， 微电池，如生锈、金相组织的腐蚀； 成分不均匀, 微电池，如晶界与晶粒内部； 应力不均匀，如铁丝弯曲处易蚀，铆钉头易蚀。,7,5.1.2 性能要求与提高钢耐腐蚀性能的途径,性能要求,（1）不锈钢具有较高的耐蚀性,（2）不锈钢应具有一定的力学性能。很多构件是在腐蚀介质下承受一定的载荷,（3）不锈钢应有良好的工艺性能。管材、板材、型材等要经过加工变形制成构件，如容器、管道、锅炉等。因此不锈钢的工艺性也很重要，主要有焊接性、冷变形性等。,8,提高钢耐腐蚀性能的途径主要有：,（1）形成稳定保护膜，Cr、Al、Si有效。 （2）固溶体电极电位或形成稳定钝化区Cr、Ni、Si：Ni贵
4、而紧缺，Si易使钢脆化，Cr是理想的。 （3）获得单相组织 Ni、Mn 单相奥氏体组织。 （4）机械保护措施或复盖层，如电镀、发兰、涂漆等方法。,9,5.1.3 不锈钢的组织与分类,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。 铬当量Cr = Cr + 1.5Mo + 2.0Si + 1.5Ti +1.75Nb + 5.5Al + 5V+ 0.75W 镍当量Ni = Ni +Co+ 0.5Mn + 30C+25N+0.3Cu 铬当量和镍当量的综合作用结果决定不锈钢的组织 组织状态图。,10,不锈钢分类, M不锈钢： 1Crl34Crl3等Crl
5、3型， Crl7Ni2、9Cr18等, F不锈钢：如0Cr17Ti ，1Cr25Ti， 00Cr27Mo等, A不锈钢：具有单相A组织，如 0Cr18Ni9、1Crl8Mn8Ni5N等, A-F双相不锈钢：如0Cr21Ni5Ti, 沉淀硬化不锈钢,11,5.2 影响不锈钢组织和性能的因素,5.2.1 合金元素对钢组织和性能的影响 一、 铬元素的作用,Cr是决定钢耐蚀性的主要元素,固溶体电极电位,表面形成致密氧化膜,Cr 耐蚀性的作用符合n / 8定律,12,Cr对Fe-Cr电极电位的影响,Tammann定律,将较稳定的A组元加入到较活泼的B组元固溶体中，当A组元含量达n/8原子比时，固溶体电极
6、电位突然升高，耐蚀性也有一急剧变化。也称为二元合金固溶体电位的n / 8定律,13,二、碳和氮的作用,C：C，强度，冷变形性、焊接性、耐 蚀性；综合因素 碳量应尽可能地低,N：稳定A组织，强度，又能保持好的塑韧 性，耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀,三类：控氮型（0.050.10%） 中氮型（0.100.40%） 高氮型（0.40%）,14,三、其它元素的影响,Ni是奥氏体形成元素，能适当提高固溶体电极电位；能形成单相奥氏体 ； 锰可部分代Ni，但不单独加入 ；,钛和铌能形成稳定K，固定C，使Cr固溶于基体，从而防止晶界腐蚀 ; 钼能不锈钢钝化能力，扩大钝化介质范围,15,5.2.2 腐蚀介质对钢
7、耐蚀性的影响,金属的耐蚀性,与介质的种类、浓度、温度和压力等环境条件有密切的关系,必须根据工作介质的特点来正确选择使用不锈耐蚀钢钢种。,16,1、在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质。 13Cr 2、氧化性介质，如硝酸。易形成钝化的氧化 膜，17Cr， Cr越高越好；3、非氧化性酸，如稀硫酸。在17Cr基础 + Mo、Cu；4、强有机酸，在Cr-Mn型不锈钢基础上，加 入Mo、Cu；5、含有Cl-离子的介质，如海水,Cl-很小，有很大腐蚀性。,17,5.3 铁素体不锈钢,一、常用铁素体不锈钢及特点 铁素体不锈钢主要有三种类型：,（1）Cr13型 如0Cr13、0Cr13Al、0Cr11Ti等；（2）
8、Cr17型 如1Cr17、0Cr17Ti、1Cr17Mo等；（3）Cr25-30型 如1Cr28、1Cr25Ti、 00Cr30Mo2等。,18,基本特点,含碳量15Cr时，随Cr其脆化倾向也。在400525长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆, 以475加热为最甚.,原因:在脆化T范围内长期停留时，铬有序化相，与母相共格大内应力。AK,（3）金属间化合物相的形成 相具有高硬度，有大的体积效应，且常沿晶界分布，所以使钢产生了很大的脆性,21,5.4 马氏体不锈钢,这类钢主要含1218%Cr，淬火冷却能产生M。 一、马氏体不锈钢的成分和组织特点马氏体不锈钢可分为三类： （1）Cr13型，有1Cr
9、13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等钢号； （2）高碳高铬钢，如9Cr18、9Cr18MoV等； （3）低碳17% Cr-2%Ni钢，如1Cr17Ni2。,22,思考题： 4Cr13为什么是过共析钢? 9 Cr18含Cr已达18%，但只是耐大气腐蚀不锈钢?,1Cr13：M+F,2Cr13：M,3Cr13：M,4Cr13：M+K,类似于调质钢,制造不锈结构件,类似于工具钢,制造耐蚀工具（手术刀等）,23,二、马氏体不锈钢的热处理特点,常用的热处理工艺有软化处理、球化退火、调质处理和淬火+低温回火。,软化处理,软化处理有两种方法： 一是进行高温回火，将锻轧件加热至700800保温26小时后空
10、冷，使马氏体转变为回火索氏体。 另外也可以采用完全退火。,24,调质处理,1Cr13、2Cr13常用于结构件调质。因为铬抗回火性和AC1点，所以调质回火温度也相应.通常为640700。 回火后应采用油冷 (回火脆性),淬火低回,3Cr13、4Cr13常做有一定耐蚀性的工具，所以采用淬火低温回火。T淬在10001050，为减少变形，可用硝盐分级冷却。组织为马氏体+碳化物+少量AR,25,5.5 奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈钢总产量的2/3。奥氏体不锈钢优点如下：, 具有很高的耐腐蚀性； 塑性好，容易加工变形成各种形状钢材； 加热时没有同素异构转变，焊接性好； 韧度和低
11、温韧度好，一般情况下没有冷脆倾向，有一定的热强性； 不具有磁性； 价格较贵，切削加工较困难，导热性差。,26,5.5.1 奥氏体不锈钢的成分特点,奥氏体不锈钢的主要成分是Cr和Ni，18Cr和8Ni的配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分。,Cr+Ni=18+8=26,耐蚀电位接近n/8定律中n=2的电位值,具有良好钝化性能,单相奥氏体组织,耐蚀性达到较高的水平.Cr、Ni再,更为优良,27,图 不锈钢组织状态图（焊后冷却）,28,Ti、Nb:稳定K，抗晶间腐蚀的能力； Mo: 不锈钢钝化作用，点腐蚀倾向，钢在有机酸中的耐蚀性； Cu: 钢在硫酸中的耐蚀性； Si: 钢抗应力腐蚀断裂的能力。 平
12、衡态时为奥氏体+铁素体+碳化物组织，经过固溶处理后获得了单相奥氏体。,29,5.5.2 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀,现象,奥氏体不锈钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处会产生严重的晶间腐蚀。,原因,在焊缝及热影响区(450800)，沿晶界析出了K（Cr,Fe）23C6，晶界附近区域产生贫Cr区（低于1/8定律的临界值）。,30,图 不锈钢晶界腐蚀贫Cr区示意,31,敏化处理,在Cr-Ni奥氏体不锈钢中，在450800的温度范围内时效处理，可考察不锈钢晶间腐蚀的敏感性。敏化处理和敏感性的关系通常用TTS（Time-Temperature-Sensitivation）曲线来表示，如下图所示.
13、敏化处理后，在金相组织上可看到碳化物沿着晶界析出.,32,曲线1表示钢开始产生晶间腐蚀，曲线2是由于时间充分，晶间腐蚀倾向已不再出现，也就是产生晶间腐蚀现象结束线。曲线包围的区域是产生晶间腐蚀的温度、时间范围。,33,Ni、Co、Si，促进产生晶间腐蚀，Mo、Ti、Nb、Mn、V，都能不同程度地阻止晶间腐蚀的倾向。显然，钢中含碳量的提高，钢的晶间腐蚀倾向也增大。,经强K形成元素Ti、Nb合金化的不锈钢称为稳定性钢。这种钢析出K的温度范围可分成两个区域，如右图 。曲线1表示析出M23C6型K的富Cr区域，曲线3表示析出MC型K的区域，曲线2是产生晶间腐蚀的区域。在仅有MC型碳化物析出的区域，没有
14、晶间腐蚀倾向。,34,为防止A不锈钢的晶间腐蚀，可采取以下措施：,（1）降低钢中的含C量；,（2）加入Ti、Nb，析出特殊K，稳定组织；,（3）进行10501100的固溶处理，保证Cr含量；,（4）对非稳定性A不锈钢进行退火处理，使A成分均匀化 ，消除贫Cr区;,（5）对稳定性钢，通过热处理形成Ti、Nb的特殊K，以稳定固溶体中Cr含量，保证含Cr量水平.,35,5.5.3 奥氏体不锈钢的热处理,固溶处理：奥氏体不锈钢的固溶处理温度一般为10501150，比较常用10501100。为了保证高温奥氏体不发生分解，固溶处理后冷速应较快。一般情况下，多采用水冷。 固溶处理是奥氏体不锈钢最大程度的软化
15、处理。由于这时的奥氏体具有最大的合金度，所以也具有最高的耐蚀性能。,36,稳定化处理,也称为稳定化退火。这种处理只是在含Ti、Nb的A不锈钢中使用。合理选择稳定化处理的温度和时间，获得最佳的效果。,一般原则,高于Cr23C6的溶解温度而低于TiC的溶解温度。通常采用850950，保温24h后空冷，如下图所示。在稳定化退火过程中，能将Cr23C6转变为TiC，彻底消除晶间腐蚀倾向。,37,图 含Ti奥氏体不锈钢的热处理工艺,38,双相不锈钢：其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各 占一半，一般量少相的含量也需要达 到30%。合金元素：低C，Cr18%28%，Ni3%10%；部分含 Mo、Cu、Nb、
16、Ti、N。特点：兼有A和F不锈钢的特点，具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。 与F相比:塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475脆性以及导热系数高。 与A相比：强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。,5.5.5 F-A双相不锈钢,39,沉淀硬化不锈钢（PH不锈钢）：铁-铬-镍合金，为了发展高强度和高韧性，通过加入AL、Ti、Nb、V、N，在时效热处理过程中形成沉淀相。基体组织:马氏体 or 奥氏体，取决于成分和处理过程。分类：沉淀硬化半奥氏体型、沉淀硬化奥氏体型不锈钢和沉淀硬化马氏体型特点：时效硬化马氏体不锈钢兼有良好的抗
17、腐蚀性能和热处理简单的特点。使用最广泛的时效硬化马氏体不锈钢是17-4PH。时效硬化马氏体不锈钢对氯化物应力腐蚀开裂敏感。敏感性在某种程度上取决于钢的牌号和时效温度。,5.5.5 沉淀硬化型不锈钢,40,5.5.6 铬锰氮奥氏体不锈钢,少镍和无镍奥氏体不锈钢主要有三种类型： Cr-Mn系奥氏体不锈钢，Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢和Cr-Mn-Ni、Cr-Mn-Ni-N系奥氏体不锈钢。 氮稳定奥氏体的作用大,氮能抑制相的形成，有效地提高钢的强度而不降低室温韧度，并且对耐腐蚀性无影响。但氮含量受到溶解度的限制，一般的氮含量在0.30.5%以下。 1Cr18Mn8Ni5N是目前国内外都生产的钢种.,41,本章小结,不锈钢主要矛盾是耐蚀性和强度的合理兼顾。对于一定成分的不锈钢，要达到预定耐蚀性和力学性能，关键是热处理工艺。不同类型或成分的不锈钢适用于不同介质的工作环境,耐蚀能力遵循n / 8规律。A不锈钢主要问题是晶界腐蚀。措施:从合金化角度考虑,C含量和加入Ti、V元素; 从热处理工艺考虑，应根据各合金K形成、 溶解、析出的规律，设计和制定热处理工艺参数。,
