第五章_不锈钢

第五章,特殊钢-不锈钢,材料失效的主要形式,磨损,腐蚀,疲劳,疲劳：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。磨损：材料接触表面在相对运动中由于机械、间或伴有化学作用而产生的不断损耗现象。腐蚀：是在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的过程。,每年被腐蚀破坏掉的钢材占全球钢年产量的1/10，因腐蚀而损失的金属价值就占到全球生产总值的4左右，这还不包括因为腐蚀造成设备失效引发的间接损失；2006年全球钢产量达到创纪录的12.39亿吨，中国的钢产量达到4.18亿吨，为全球第一大产钢国；鞍本钢铁集团2255.76万吨宝钢集团有限公司2253.18万吨广州钢铁企业集团有限公司331.51万吨,第一节金属腐蚀的机理,一、金属腐蚀的种类:,1.化学腐蚀金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。,化学腐蚀：4Fe+3O22Fe2O3Fe+2H2OFe(OH)2+H2,化学腐蚀的特点：不产生腐蚀电流，在反应表面形成一层化学生成物。氧化膜的形成及氧化膜的结构和性质是化学腐蚀的重要特征。致密的氧化物膜（钝化膜）能阻止进一步的腐蚀；Al2O3，SiO2，Cr2O3不连续的或者多孔状的氧化膜对基体金属没有保护作用。有些金属氧化物，如Mo2O3、WO3在高温下具有挥发性，完全没有覆盖基体的保护作用。,因此要提高金属耐化学腐蚀的能力，主要是通过合金化或其它方法，在金属表面形成一层稳定的、完整的、致密的并与基体结合牢固的氧化膜（也称钝化膜）。,电化学腐蚀的特点：有液体电介质存在，不同金属或不同相之间有电极电位差并连通或接触，同时有腐蚀电流产生。在金属材料中，电化学腐蚀是由金属材料中不同相之间的电极电位的不同，在介质存在时构成原电池而产生的。在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。,2.电化学腐蚀金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀。,电化学腐蚀：Fe-3eFe3+6H+6e=3H2,7,电化学腐蚀过程示意图,8,珠光体组织发生电化学腐蚀的示意图,铁素体相的电极电位较负，成为阳极而被腐蚀；渗碳体相的电极电位较正，成为阴极而不被腐蚀,a)珠光体的电化学腐蚀原理,b)珠光体的微电池腐蚀,c)珠光体组织的成像,均匀腐蚀：腐蚀发生在金属裸露的整个表面上或零件使用的整个工作面上。又称一般腐蚀或连续腐蚀。晶间腐蚀：晶界的电极电位低于晶内，导致晶界比晶内腐蚀程度大。,二、钢铁材料腐蚀的基本类型,点腐蚀：在金属表面上极局部区域由于氯离子或氯化物盐引起的一种腐蚀破坏形式，它是由钝化膜的局部破坏所引起的。又称点蚀或孔蚀。应力腐蚀：在张应力状态和特定的腐蚀介质（主要是氯化物盐、碱的水溶液以及蒸汽介质）作用下，材料发生破裂的现象。氢脆：在张应力状态作用下的金属合金，发生腐蚀吸收阴极析出的氢（或其它氢）导致的脆化破裂。,腐蚀疲劳：在腐蚀介质和交变载荷共同作用下发生的破坏。磨损腐蚀：在同时存在着腐蚀和机械磨损时，两者相互加速的腐蚀称为磨损腐蚀。另外，由于宏观电池作用也会产生腐蚀。例如，金属构件中铆钉与铆接材料不同、异种金属的焊接、船体与螺旋桨材料不同等因电极电位差别而造成的腐蚀。,腐蚀速度应取决于单位时间内从阳极上溶解的金属离子数，即等于单位时间内导线中流过的电量。在腐蚀之后，阴、阳极的电位会发生变化，即向着电位差缩小的方向变化，使原电池的电动势减小，这种电极电位的变化称为极化。,一、极化现象,阳极电位向正的方向的变化称为阳极极化。阴极电位向负的方向的变化称为阴极极化。,第二节极化与提高钢耐蚀性能的途径,产生阳极极化的原因主要是由于在腐蚀过程中形成有保护作用的钝化膜阻碍了阳极金属和溶液的直接接触，使金属形成离子的速度减慢，因而降低了阳极表面的电荷密度，从而升高了阳极的电极电位。,产生阴极极化的原因主要是消耗电子的阴极过程受阻，使阴极的电子造成堆积，升高了阴极表面的电荷密度，从而导致阴极电位变负。,常用的铁、铬、镍、钛等金属的阳极极化过程具有独特的极化形式（相同的规律）：,随着阳极极化电位升高，腐蚀电流不是均匀降低，而是先增加，然后减少到最小，并保持这个电流经一定的电位升高阶段，然后电流再增加。这类极化曲线称为具有活化钝化转变的阳极极化曲线。,极化的作用对提高金属材料的耐蚀性意义很大：一切增强阳极极化或阴极极化的因素都能提高金属材料的耐蚀性能；或者说一切去阳极极化或去阴极极化的因素都降低金属材料的耐蚀性能。,二、提高钢耐蚀性能的途径,从上述腐蚀机理和类型的分析可见，要解决金属的电化学腐蚀问题，主要从以下几个方面入手：,提高钢本身的耐蚀性能,降低环境介质的腐蚀性,改进结构设计,从提高钢本身的耐蚀性能（即金属材料的成分、组织设计）来说，可以有以下途径：,第三减少微电池的数量，如使金属具有单相组织；,第二提高金属基体的电极电位，降低原电池的电动势；,第一使钢对具体使用的介质能具有稳定钝化区的阳极极化曲线；,第四使金属表面形成稳定的钝化膜，如钢中加入硅、铝、铬等。,一、合金元素对铁的极化和电极电位的影响1.合金元素对铁的阳极极化曲线的影响,第三节合金元素对不锈钢的影响,铬能强烈地提高铁的钝化性能，它能明显降低C、D点电位，升高F点电位，并使C、D、F点左移，因此铬是改善铁耐蚀性的最有效的合金元素。,图1-23(b)合金元素对纯铁在硫酸中极化曲线特性点位置的影响规律,镍、硅、钼等也不同程度地扩大钝化区，增强钝化性能，所以它们也是不锈钢合金化的有效合金元素；同时钼不仅能增强钝化能力，而且还可升高F点电位的元素，说明钼的钝化能够提高钢抗点蚀的性能。,2.合金元素对铁的电极电位的影响一般说来，合金固溶体的电极电位总是比其它合金化合物的电极电位低，因此在电化学腐蚀过程中，合金固溶体总是作为阳极而被腐蚀。研究表明，钢中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高铁的电极电位。但实用中由于Ni较缺，而Si的大量加入会使钢变脆，因此只有Cr才是显著提高铁基固溶体电极电位的常用合金元素。,Cr含量对Fe-Cr合金电极电位的影响,Tammann定律：铁基固溶体（钢基体）中Cr含量达12.5%原子比（即1/8）时，电极电位有一个突跃升高；当Cr的含量提高到25%原子比（即2/8）时，铁基固溶体的电极电位又有一个突跃的升高。这一现象称为二元合金固溶体电位的n/8规律。许多二元合金固溶体合金中存在这种规律。,按n/8规律，1/8值时铬不锈钢最低的铬含量应为11.7%（12.5%原子比等于11.7%重量比）,1.Me对铁基固溶体即钢的基体组织的影响首先取决于所加入的合金元素是相稳定元素还是相稳定元素。相稳定元素占优势时可获得单相基固溶体合金；相稳定元素占优势时可获得单相基固溶体合金。,二、Me对不锈钢组织和力学性能的影响,2.为了减少微电池的数量，可将金属材料设计成单相组织不锈钢的基体组织不仅是获得所需力学性能和工艺性能的保证，还是不锈钢具有良好耐蚀性能的组织保证。单相铁素体钢、单相奥氏体钢是不锈钢中耐蚀性能好的两类钢。,3.主要合金元素对不锈钢组织的影响碳作为不锈钢中的合金元素，对不锈钢的组织和性能都有重要的影响。碳是稳定奥氏体的合金元素，稳定奥氏体的能力约为镍含量的三十倍。强化不锈钢的主要元素；形成铬碳化物，消耗铬含量,为什么Cr12不是不锈钢，而1Cr13是不锈钢？,铬是不锈钢的主加合金元素，而铬又是稳定铁素体的元素。当碳含量较低，含铬量在13%时，就可获得铁素体不锈钢；当含铬量从13%增加到27%时，由于含铬量的增加，稳定铁素体的能力增加，故钢中碳含量可增加到0.05%0.2%，仍能保持钢的铁素体组织。,当铬含量在12%18%时，一定的碳和镍等相稳定元素可使钢在加热时形成较多的或完全的相；同时又由于相稳定元素含量不是很多，使得MS点在室温以上，所以这类钢淬火能产生马氏体，即为马氏体不锈钢。,镍是不锈钢中三个重要的元素（铬、碳、镍）之一，镍除能提高耐蚀性能外，还是相稳定元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体相形成的主要元素。单独使用镍的低碳镍钢，只有当镍的含量达到24%时才能获得单相奥氏体组织；,镍和铬的配合使用时，如当含镍量高于3%，铬含量高于18%以后，铬、镍按比例地增加，可以获得铁素体-奥氏体双相不锈钢；当含镍量高于8%后，铬含量在18%27%的范围内使不锈钢获得单相奥氏体组织。镍还能有效地降低MS点，使奥氏体能保持到-50以下。,其它元素对不锈钢组织的影响，可以应用Schaeffler组织图来分析。铁素体形成元素折合成铬的作用铬当量，奥氏体形成元素折合成镍的作用镍当量。Cr当量=(Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W)Ni当量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C),不锈钢的组织图（确定焊缝区组织的Schaeffler图）,4.合金元素对不锈钢力学性能的影响主要取决于不锈钢的强化机制：强化：铬、硅、碳等合金元素提供了基体的固溶强化、相变强化、细化晶粒强化、第二相（铁素体）强化、沉淀强化及亚结构强化等强化机制均可使不锈钢获得大幅度强化。,不锈钢的力学性能，除沉淀硬化型外，马氏体不锈钢具有较好的综合力学性能；铁素体+奥氏体双相不锈钢的强度和延展性也较好；单相的铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的强度性能相近，但前者屈服强度较高，而后者的延展性较好。,韧化：不锈钢的韧性不仅取决于基体组织，而且还受钢中碳、氮以及杂质元素氧、硫、磷、锰、硅等的影响。铁素体不锈钢具有较低的冲击韧性和较高的韧-脆转变温度；而铁素体不锈钢中含有奥氏体相时，其冲击韧性得到改善，韧脆转变温度很快下降到了-50以下；,奥氏体不锈钢具有很高的冲击韧性和很低的韧脆转变温度，所以，奥氏体不锈钢是很好的低温用钢。钢中的碳、氮及杂质元素氧、硫、磷、锰、硅等的含量愈低，不锈钢的韧脆转变温度愈低。因此，工程上对不锈钢中杂质元素的净化具有重要的适用意义。,不锈钢合金化概括*低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等。,第四节常用不锈钢,a、铁素体型不锈钢b、马氏体型不锈钢c、奥氏体不锈钢,一、铁素体型不锈钢,1.化学成分特点:Wc=0.1%左右WCr=17%,牌号:Cr13型;Cr1619型（亦称Cr17型）Cr2528型（亦称Cr28型）,41,42,热处理特点:不能进行热处理强化。,铁素体不锈钢的脆性铁素体不锈钢的主要缺点是韧性低、脆性大。引起脆性的原因主要有：粗晶脆性、相脆性和475脆性。粗晶脆性铸态下的粗大晶粒组织不能通过相变重结晶来细化，压力加工当温度超过850900以上，再结晶晶粒发生显著粗化。相脆性高含量Cr在820开始形成相。由于相具有高的硬度（68HRC以上），常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促进晶间腐蚀。对于已形成的相的钢，重新加热到820以上保温相重新溶入铁素体，随后快冷，从而消除相脆性，恢复钢的韧性。475脆性高铬钢中，Cr含量大于15%时，在400525温度范围内长时间加热后或在此温度范围内缓慢冷却时，钢在室温下变得很脆，这个现象尤以475加热最甚，故这种脆性称为475脆性。产生475脆性原因是475加热时，铁素体内固溶的Cr原子有序化，形成富Cr的体心立方点阵相（80%Cr、20%Fe），相在100晶面族上或位错处析出，并度增加，韧性下降。可采取700-800短时加热快冷予以消除。,硝酸生产装置,合成氨生产装置,用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑性好、强度低的容器、管道等。,44,1马氏体不锈钢的铬含量在12%18%之间，和铁素体不锈钢相比，除铬的上限含量较低外，还含有一定量的C和Ni等相稳定元素，使这类钢在加热时有较多的或完全的相出现；又因稳定化元素含量不多，Ms在室温以上，淬火可以得到马氏体，故此称为马氏体不锈钢。2.马氏体不锈钢的化学成分根据马氏体不锈钢中铬和碳的含量，可以将马氏体不锈钢分为三类：低碳及中碳的13%Cr钢；高碳的18%Cr钢；低碳的17%Cr-2%Ni钢,二、马氏体型不锈钢,45,二、马氏体型不锈钢热处理及应用,0Cr134Cr13淬透性高空冷便得M而得名。0Cr132Cr13含C量低具有良好的综合机械性能，可进行深冲、卷边、焊接等，制不锈钢结构中（如汽轮机叶片等）淬火+高温回火3Cr13、4Cr13硬度度、焊接性差，耐蚀工件，医疗工具，不锈轴承，淬火+低回。弱腐蚀介质：大气、海水、淡水、水蒸汽。,三、奥氏体型不锈钢,化学成分特点:Wc=0.080.14%、WCr=1719%、WNi=811%、Cu、Ti、Mo等。,加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。0Cr18Ni91Cr18Ni90Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti含C量在0.1%以下，通常为单相A，比马氏体不锈钢的耐蚀性好，好的冷变形性能，有好的韧性，焊接性。,热处理特点:固溶处理;稳定化处理;消除应力退火。,牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。,用途:化工容器、管道等。,49,两块不锈钢板A和B用亚弧焊焊接在一起，A为1Cr18Ni9Ti，B为1Cr18Ni9，在使用了一段时间后，发现某一块板离焊缝一段距离处出现锈迹。（1）设计试验方案分析不锈钢板