第5章-不锈钢

第5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。在第一次世界大战时，英国科学家亨利.布里尔利受英国政府军部兵工厂委托，研究武器的改进工作。那时，士兵用的步枪枪膛极易磨损。布里尔利想发明一种不易腐损的适于制造枪管的合金钢。1913年，他在实验中，把铬加入钢中，但由于一些原因，实验没有成功。他只好失望地把它抛在实验室外面的废铁堆里。过了很长时间，奇怪的现象发生了：原来的废铁都锈蚀了，仅有那几块含铬的钢仍旧是亮晶晶的。结果发现，含碳0．24％、含铬12．8％的铬钢，在任何情况下都不生锈，即使酸碱也不怕。1916年布里尔利取得英国专利，并开始大量生产。5.1概述5.1.1金属腐蚀类型1、均匀腐蚀（generalattack）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（pointcorrosion）由于应力等原因使腐蚀集中在材料表面不大的区域，向深处发展，最后甚至能穿透金属。3、晶界腐蚀（intergranularcorrosion）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（stresscorrosion）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（corrosionwear）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。图各种腐蚀类型金属电化学腐蚀现象：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；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。铁与酸反应，铁被腐蚀。腐蚀速率较慢。铁作负极（阳极）被腐蚀腐蚀速率较快。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。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。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。图不锈钢组织状态图（焊后冷却）不锈钢分类⑴M不锈钢：1Crl3(SUS410)~4Crl3等Crl3型，Crl7Ni2、9Cr18等⑵F不锈钢：如0Cr17Ti，1Cr25Ti，00Cr27Mo等⑶A不锈钢：具有单相A组织，如0Cr18Ni9(SUS304)、1Crl8Mn8Ni5N(SUS202)等⑷A-F复相不锈钢：如0Cr21Ni5Ti⑸沉淀硬化不锈钢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（0.05~0.10%）中氮型（0.10~0.40%）高氮型（0.40%）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ABEFCD活化区钝化区过钝化区lgjEjBj金属的钝化5.2.2腐蚀介质对钢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。1、在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质。→13％Cr2、氧化性介质，如硝酸。易形成钝化的氧化膜，17％Cr，Cr越高越好；3、非氧化性酸，如稀硫酸。在17％Cr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。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(410S)、0Cr13Al、0Cr11Ti等；（2）Cr17型如1Cr17(SUS430)、0Cr17Ti、1Cr17Mo等；（3）Cr25-30型如1Cr28、1Cr25Ti、00Cr30Mo2等。由Fe-Cr相图可知，由于铬稳定α相的作用，在铬含量到达13％时，铁铬合金将无γ相变，从高温到低温一直保持α铁素体。又由于铬量到达12％能耐蚀，故这类铁素体钢就成为铁素体不锈钢封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图及Fe-Cr相图基本特点①含碳量0.25%，为提高某些性能，可加入Mo、Ti、Al、Si等元素；②在硝酸、氨水等介质中有较好的耐蚀性和抗氧化性；③力学性能和工艺性较差，脆性大，TK在室温左右。④无同素异构转变，多在退火软化态下使用。二、铁素体不锈钢的脆性高铬铁素体不锈钢的缺点是脆性大，主要有几个方面：（1）粗大的原始晶粒这类钢铸态下组织粗大，不能通过加热冷却过程中的相变来细化，只能通过压力加工来碎化；铁素体由于原子扩散快，有低的晶粒粗化温度和高的晶粒粗化速率；600℃以上开始粗化，奥氏体不锈钢为900℃。解决办法：生产中将终锻温度或终轧温度控制在750℃或更低的温度；向钢中加少量钛，以Ti（C、N）阻止晶粒长大；增加铁素体不锈钢中在高温的奥氏体量，来控制晶粒粗化。（2）F不锈钢存在475℃脆性当15％Cr时，随Cr↑其脆化倾向也↑。在400~525℃长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆,以475℃加热为最甚.475℃加热时，铁素体内的铬原子趋于有序化，形成许多富铬的铁素体(80%Cr、20%Fe)，它们与母相保持共格关系，引起晶格畸变和内应力，此时，钢的强度升高，冲击韧性降低。（3）金属间化合物σ相的形成按Fe-Cr相图，45％Cr在820℃开始形成σ相。但实际生产中，由于铬钢中的显微偏析，17％Cr的不锈钢就有可能形成σ相。σ相具有高的硬度(HRC68以上)，有大的体积效应，常常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促进晶间腐蚀。三、铁素体不锈钢的热处理铁素体不锈钢平衡组织为铁素体＋铬的碳化物。碳化物析出时容易产生点腐蚀和晶间腐蚀，为了获得成分均匀的铁素体组织，减少碳化物析出，消除晶间腐蚀倾向，以及消除σ相析出和475℃脆性，铁素体不锈钢在热轧后常采用淬火、回火或退火热处理工艺。5.4马氏体不锈钢这类钢主要含12~18%Cr，淬火冷却能产生M。一、马氏体不锈钢的成分和组织特点其成分特点是：铬的上限含量较低；还含有一定量的碳和镍等γ相稳定化元素。这类高铬钢在加热时有较多或完全的γ相出现；又因γ稳定化元素含量不多，Ms点在室温以上，故淬火冷却能产生马氏体,因此称为马氏体类不锈钢。这类钢的耐蚀性、塑性、焊接性较奥氏体、铁素体不锈钢要差，但由于它有较好的机械性能和耐蚀性的结合，所以是机械工业中广泛使用的一类钢。用于制造机械零件、医用手术工具、测量工具、不锈轴承、弹簧等。马氏体不锈钢可分为三类：（1）Cr13型，有1Cr13、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。思考题：4Cr13为什么是过共析钢?9Cr18含Cr已达18%，但只是耐大气腐蚀不锈钢?1Cr13：M+F2Cr13：M3Cr13：M4Cr13：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）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700~800℃保温2~6小时后空冷，使马氏体转变为回火索氏体。另外也可以采用完全退火。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640~700℃。回火后应采用油冷?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1000~1050℃，为减少变形，可用硝盐分级冷却。组织为马氏体+碳化物+少量AR5.5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：①具有很高的耐腐蚀性；②塑性好，容易加工变形成各种形状钢材；③加热时没有同素异构转变，焊接性好；④韧度和低温韧度好，一般情况下没有冷脆倾向，有一定的热强性；⑤不具有磁性；⑥价格较贵，切削加工较困难，导热性差。5.5.1奥氏体不锈钢的成分特点奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体的一种不锈钢。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。不锈钢的抗腐蚀性能主要由于表面覆盖着一层极薄的（约1nm)致密的钝化膜，这层膜把腐蚀介质隔离，是不锈钢防护的基本屏障。不锈钢钝化具有动态特征，不应看作腐蚀完全停止，而是形成扩散的阻挡层，使阳极反应大大降低。通常在有还原剂（如氯离子）情况下倾向于破坏膜，而在氧化剂（如空气）存在时能保持或修复膜。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(450~800℃)，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）。图不锈钢晶界腐蚀贫Cr区示意敏化处理在Cr-Ni奥氏体不锈钢中，在450~800℃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.敏化处理后，在金相组织上可看到碳化物沿着晶界析出.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。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，如上图右。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M