河海大学 工程材料 不锈钢

2020年6月13日星期六1工程材料A第五章不锈钢机电工程学院2020年6月13日星期六2第五章不锈钢§1概述§2金属腐蚀§3不锈钢合金化原理§4不锈钢种类与特点2020年6月13日星期六3§5.1概述第五章不锈钢特殊性能钢是指以某些特殊物理、化学或力学性能为主的钢种，其类型很多，在工程上常用的主要有:※不锈钢※耐热钢※耐磨钢※低温钢2020年6月13日星期六4§5.1概述不锈钢：具有抗腐蚀性能的钢种分类：不锈钢（耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质）耐酸钢（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质腐蚀）用途：化工、石油、卫生、食品、建筑、航空、原子能等行业。失效形式：腐蚀第五章不锈钢2020年6月13日星期六5§5.1概述不锈钢按其正火组织不同分类：★马氏体型；★铁素体型；★奥氏体型；★A-F双相型；★沉淀硬化型；(奥氏体型不锈钢约占不锈钢总产量的70％)第五章不锈钢化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄2020年6月13日星期六6§5.2金属腐蚀一、金属腐蚀过程1、腐蚀介质作用下金属破坏现象2、种类化学腐蚀、电化学腐蚀3、钝化表面形成致密氧化膜第五章不锈钢2020年6月13日星期六7§5.2金属腐蚀“多相”易腐蚀，单相不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3)第五章不锈钢2020年6月13日星期六8§5.2金属腐蚀二、腐蚀种类1、一般腐蚀：金属表面大面积均匀腐蚀2、晶界腐蚀：沿晶界腐蚀，降强度；晶界和晶内成分或应力差别，造成电势差。3、应力腐蚀：腐蚀介质及拉应力作用破裂，沿晶或穿晶脆断4、点腐蚀：金属局域表面腐蚀，纵深发展穿裂金属5、腐蚀疲劳：腐蚀介质和交变应力作用，腐蚀坑+裂纹，防止腐蚀措施：1、单一相；2、钝化层；3、减少电位差第五章不锈钢§5.2金属腐蚀2020年6月13日星期六9钢腐蚀：基体电极电势低，产生微电池阳极效应引起。防腐途径：1、提高金属基体电极电位（加Cr）；2、金属表面易于钝化；3、单相组织，均匀成分和纯度。第五章不锈钢§5.3不锈钢的合金化原理2020年6月13日星期六10一、不锈钢钝化钝化：金属表面在特殊介质中表面失去活性的现象。实质：改变金属表面状态，电极电位提高。钝化机理：A、氧化膜生成，且致密，降低金属的溶解速率，电极反应（阳极反应）受阻，金属的稳定性提高；B、钝化膜下面的及膜表面有氧吸附，吸附的氧能饱和金属表面原子的未饱和位，产生钝化，化学反应速率降低。第五章不锈钢§5.3不锈钢的合金化原理2020年6月13日星期六11合金元素Cr、Al、Si等加入：1、钢表面生成致密钝化膜，Cr2O3、Al2O3、SiO2，防腐；2、Mo、Cu等元素加入加剧钝化效果，提高抗钢氧化性和耐蚀性。第五章不锈钢§5.3不锈钢的合金化原理2020年6月13日星期六12二、合金元素对铁的电极电势影响1、Cr元素加入形成固溶体时，提高其电极电位，有一定加入量要求，产生电势突变；n/8规律2、最低含Cr量：11.7%。钢中有C，形成碳化物，即加Cr量最小为13%。第五章不锈钢§5.3不锈钢的合金化原理2020年6月13日星期六13三、合金元素对不锈钢基体组织的影响Me与Fe的相互作用的特点分类①A形成元素：C、N、Cu、Mn、Ni等；②F形成元素：Cr、Si、Ti、Nb、Mo等。说明：A、Cr-Ni复合—18%Cr-8%Ni，降单一元素含量，Ni30%，若节约Ni，加Mn、N等替代B、C作用大，扩大A区，形成碳化物，减低耐腐蚀性对钢有硬度和耐腐蚀性要求时加大含量C、改善不锈钢切削性能，加入少量S、P元素D、RE有一定作用第五章不锈钢§5.3不锈钢的合金化原理2020年6月13日星期六14中国的不锈钢的分类和发展第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六15不锈钢按其正火组织不同分类：马氏体型；铁素体型；奥氏体型；双相型；沉淀硬化型；§5.4不锈钢种类和特点第五章不锈钢一、马氏体不锈钢典型钢种：1Cr13～4Cr13、9Cr18特性：在氧化性气氛中，如大气、海水、氧化性酸，耐蚀性较好；在菲氧化性气氛中，如强酸、碱中，耐蚀性很低。2020年6月13日星期六16化学成分牌号（含义）热处理工艺淬火+回火机械性能用途§5.4不锈钢种类和特点第五章不锈钢2020年6月13日星期六17说明：1、1Cr13：低碳，不预热可弯曲、焊接，卷边等；2Cr13：焊接预热，冷变形不预热；2、M不锈钢：酸性介质中氢脆断裂；中性介质阳极溶解造成应力腐蚀开裂；同时提供冶炼质量（提高纯度、降夹杂物含量等）；3、M中含Cr，淬透性好，锻后缓冷，防形成M；工件获得M后，高温回火，降硬度便于机加工；4、M不锈钢，淬火后通常高温回火；高硬度、耐磨性场合，低温回火；5、M不锈钢有回火脆性，回火后快冷；400-600℃回火易出现应力腐蚀开裂。§5.4不锈钢种类和特点第五章不锈钢2020年6月13日星期六18二、铁素体不锈钢：碳0.25%、Cr13～30％，耐蚀性优于马氏体钢。Cr铁素体形成元素，此类钢从室温到高温(1000℃左右)均为单相铁素体；性能：塑性加工、切削加工和焊接性较优。用途：对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。常见：0Cr13、1Cr17、1Cr28等。§5.4不锈钢种类和特点第五章不锈钢2020年6月13日星期六19化学成分类型Cr17、Cr25、Cr28型牌号（含义）热处理工艺固溶处理+回火或退火+快冷第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六20铁素体不锈钢的缺点：韧性低、脆性大原因：1、无相变，晶粒粗大，控锻温度，加Ti抑制2、475℃脆性—400-525℃长时间加热或此区间缓冷，塑韧性下降，强度升高机理：F中Cr有序化，富Cr的BCC相生成，与基体共格，点阵畸变，内应力增加；Ti、Nb、Mo、Si加强，Ni降低其倾向消除：700-800℃加热，快冷通过即可3、σ相脆性----550-850℃区间长时间停留，F中析出σ相；Mn、Si、W、V、Al促进产生σ相：FeCr生成，其体积畸变，晶界分布；造成材料脆性、晶界腐蚀消除：加热到820℃以上，溶解后快冷第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六21第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点三、奥氏体不锈钢：在Cr18Ni8(18-8)基础上发展起来的，低碳(＜0.12％)、高铬(＞17％~25％)和较高镍(8％~29％)；性能：具有最佳的耐蚀性（价高）；优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性和无磁性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大2020年6月13日星期六22§5.4不锈钢种类和特点第五章不锈钢用途：制造生产酸类的化工设备，低温设备构件冷变形后的不锈钢零件（发条等）化学成分类型Cr18-Ni8型牌号(含义):1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等热处理工艺固溶处理(单相)、稳定化处理、去应力处理2020年6月13日星期六23第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点奥氏体不锈钢的成分、性能和热处理2020年6月13日星期六24奥氏体不锈钢的成分、性能和热处理（续）第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六25热处理工艺：A、固溶处理—1060—1150℃保温水淬，熔碳化物于A中，提高耐蚀性B、稳定化处理----固溶处理后进行，应用于含Ti、Nb的18-8钢；加热850-880℃保温空冷，熔Cr化物，保留Ti化物，消除晶界腐蚀C、去应力处理----钢焊接或冷变形的残余应力，加热300-350℃回火，不含Ti、Nb元素钢稳定小于450℃，防析出Cr化物，晶界腐蚀第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六26奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：1、A不锈钢晶界腐蚀450-850℃保温或缓冷，晶界腐蚀，C%高严重机理：晶界析出Cr23C6，周边基体贫Cr，产生腐蚀电池。措施：A、降低C%，防析出Cr化物B、加Ti、Nb，与C析出化合物，防止Cr化物析出C、调整合金元素形成A+F组织D、改变热处理工艺（前述）第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六27奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：2、A不锈钢的应力腐蚀应力与腐蚀综合作用下的材料开裂，简称SCC易在含Cl离子腐蚀介质中产生措施：加入Si元素，，降低P、Sb、Bi、Pb等含量3、A不锈钢的点腐蚀在酸性介质或碱性介质中腐蚀第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六28奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：3、A不锈钢的点腐蚀机理：阴离子Cl在氧化膜上吸附后离子穿过钝化膜所致；措施：均匀成分、组织，减少夹杂物数量；合金化—加Cr、Mo、N等元素，主加Mo元素主加Mo原因元素：Mo与Cl形成MoCl2化合物保护膜，防止Cl离子穿过钝化膜第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六29奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：4、A不锈钢的形变强化良好的冷变形性能，大量变形强度提高原因：冷作硬化，形变诱发M转变冷变形热处理工艺：形变后再结晶温度随变形量而改变，如60%变形，再结晶温度650℃第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六30四、奥氏体—铁素体双相不锈钢成分：A不锈钢基础上，增加Cr含量，减少Ni含量，并固溶处理得A+F双相组织典型钢：0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、0Cr21Ni6Mn2Ti特点：焊接性较好，焊后不需热处理，晶界腐蚀、应力腐蚀倾向小因含Cr高，易形成σ相第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六31五、沉淀硬化不锈钢（超高强度钢）种类：1、Cr18Ni9基础上发展的A+M沉淀硬化不锈钢2、Cr13基础上发展的低碳M沉淀硬化不锈钢特点：均为形成低碳M组织+时效处理（沉淀硬化）所得的超高强度钢应用：良好焊接性，宇航和航空技术上使用第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六32牌号和化学成分第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六331、A+M沉淀硬化不锈钢成分：低C、A组织不稳定、良好加工性能、Ms略高、A组织不稳定部分转变M，再时效处理析出金属间化合物强化元素：Al、Ti、Mo和Ni、Mn、Cu热处理：A、两次时效：1050℃固溶+750℃*1.5h（控Ms点）得M+510-560℃*0.5h时效析出第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六34B、冷处理加时效1050℃固溶+950℃*1.5h（控Ms点）得部分M+-73℃*8h冷处理+510℃*1h时效析出C、冷加工加时效1050℃固溶+室温冷塑性变形获得M+450℃*1h时效析出机械性能：43-50HRC，σb=1400-1850MPa第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六352、M沉淀硬化不锈钢成分：Cr13型M不锈钢基础上加Mo、W、Ti、Nb等，降低Ms点热处理：1050℃固溶形成M+400-650℃时效析出金属化合物机械性能：硬度较高，机加工较差应用：火箭或导弹蒙皮材料第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点2020年6月13日星期六36六、不锈钢的发展（自学）第五章不锈钢§5.4不锈钢种类和特点