金属材料第五章

1、第五章 不锈钢 概述 金属腐蚀 不锈钢的合金化原理 不锈钢的种类和特点 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第一节第一节 概述概述 腐蚀、疲劳、磨损是现在金属材料应用中所面临的三个主要腐蚀、疲劳、磨损是现在金属材料应用中所面临的三个主要 问题问题 每年因腐蚀而报废的钢材占钢材年产量的每年因腐蚀而报废的钢材占钢材年产量的1/4 不锈钢是指在自然环境或一定介质中具有耐腐蚀性的一类钢不锈钢是指在自然环境或一定介质中具有耐腐蚀性的一类钢 的统称，包括不锈钢和耐酸钢。不锈钢不一定耐酸，但耐酸的统称，包括不锈钢和耐酸钢。不锈钢不一定耐酸，但耐酸 钢同时又是不锈钢。钢同时又是不锈钢。(广义）广义） 不锈钢：指能抵抗

2、大气及弱腐蚀介质腐蚀的钢种。（狭义）不锈钢：指能抵抗大气及弱腐蚀介质腐蚀的钢种。（狭义） 腐蚀速度小于腐蚀速度小于0.01mm/年为完全耐蚀，小于年为完全耐蚀，小于0.1mm/年为耐蚀年为耐蚀 耐酸钢：指在各种强腐蚀介质中能耐蚀的钢。腐蚀速度小于耐酸钢：指在各种强腐蚀介质中能耐蚀的钢。腐蚀速度小于 0.1mm/年为完全耐蚀，小于年为完全耐蚀，小于1mm/年为耐蚀年为耐蚀 不锈钢并不是不腐蚀，只不过腐蚀速度较慢而已，绝对不腐 蚀的钢是不存在的。 在同一介质中，不同种类的不锈钢腐蚀速度大不相同；而同 一种不锈钢在不同介质中腐蚀行为也大不一样。例如，Ni-Cr不锈钢 在氧化性介质中的耐蚀性很好，但在

3、非氧化介质中的耐蚀性就不好了。因此掌握 各类不锈钢的特点，对于正确选择和使用不锈钢是很重要的。 不锈钢不仅要耐蚀，还要承受或传递载荷，因此需要具有较 好的力学性能。 不锈钢一般以板、管等型材加工成构件或零件，因此，要有 良好的切削加工性能和良好的焊接性能。 不锈钢按典型正火组织分为： 铁素体(F)型不锈钢、 马氏体(M)型不锈钢、 奥氏体(A)型不锈钢及 奥氏体铁素体(A-F)双相型不锈钢 及沉淀硬化型（过渡型）不锈钢。 本章简要介绍有关抗蚀性的基础知识及不锈钢的合金化原则， 重点讲述各类不锈钢的化学成分、组织、性能及应用特点等内 容。 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第二节 金属腐蚀 一、金属腐

4、蚀的基本形式一、金属腐蚀的基本形式 v 电化学腐蚀：通过形成原电池或微电池，在阳极发生电化学腐蚀：通过形成原电池或微电池，在阳极发生 腐蚀。是金属材料主要的腐蚀形式。有腐蚀电流产生腐蚀。是金属材料主要的腐蚀形式。有腐蚀电流产生 v 化学腐蚀：介质与金属材料发生化学反应，生成反应化学腐蚀：介质与金属材料发生化学反应，生成反应 产物，造成金属材料破坏。没有腐蚀电流产生产物，造成金属材料破坏。没有腐蚀电流产生 腐蚀：在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的现象。 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第二节第二节 金属腐蚀金属腐蚀 二、金属腐蚀破坏的基本类型二、金属腐蚀破坏的基本类型 v 均匀腐蚀：腐蚀发生在与

5、腐蚀介质相接触的整个金属表面均匀腐蚀：腐蚀发生在与腐蚀介质相接触的整个金属表面 上。通常用单位面积金属在单位时间内的失重（上。通常用单位面积金属在单位时间内的失重（g/m2h），）， 或年腐蚀掉的金属深度（或年腐蚀掉的金属深度（mm/a）来表示）来表示 v 晶间腐蚀：沿金属晶界进行的腐蚀。具有危险性晶间腐蚀：沿金属晶界进行的腐蚀。具有危险性 v 点蚀（孔蚀）：发生在金属表面局部区域的一种腐蚀形式，点蚀（孔蚀）：发生在金属表面局部区域的一种腐蚀形式， 危害也比较大危害也比较大 v 应力腐蚀：在拉应力和腐蚀介质共同作用下发生的腐蚀，应力腐蚀：在拉应力和腐蚀介质共同作用下发生的腐蚀， 使材料发生脆性

6、断裂使材料发生脆性断裂 第五章第五章 不锈钢不锈钢 几种腐蚀破坏形式示意图 a) 均匀腐蚀；b) 晶间腐蚀；c) 点腐蚀；d) 穿晶腐蚀 第二节第二节 金属腐蚀金属腐蚀 三、提高金属耐蚀性的基本思路三、提高金属耐蚀性的基本思路 v 表面快速形成钝化膜表面快速形成钝化膜(致密、完整、牢固）。致密、完整、牢固）。 v 提高基体的电极电位提高基体的电极电位 v 组织均匀组织均匀 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第三节 不锈钢的合金化原理 一、使钢材钝化的合金元素一、使钢材钝化的合金元素 v钝化是指某些金属在特殊环境下失去钝化是指某些金属在特殊环境下失去 金属活性，呈现与惰性金属相似的特金属活性，呈现与惰

7、性金属相似的特 性。性。 vCr, Al, Si加入钢中，可在表面生成加入钢中，可在表面生成 Cr2O3, Al2O3和和SiO2等致密的钝化膜，等致密的钝化膜， Cr的作用最明显。的作用最明显。 vMo及少量及少量Cu也可促进钢材钝化也可促进钢材钝化 二、二、 提高钢材电极电位的元素提高钢材电极电位的元素 vCr与铁的摩尔比达到与铁的摩尔比达到1/8、2/8、3/8等等 时，铁的电极电位发生跳跃式的增高时，铁的电极电位发生跳跃式的增高 v一般来说不锈钢中的一般来说不锈钢中的Cr含量不低于含量不低于 13wt%Cr对对Fe-Cr合金电极电位的影响合金电极电位的影响 第五章第五章 不锈钢不锈钢

8、第三节第三节 不锈钢的合金化原理不锈钢的合金化原理 三、 合金元素对钢基体组织的影响合金元素对钢基体组织的影响 v碳是奥氏体形成元素，其作用是碳是奥氏体形成元素，其作用是Ni的的30倍倍 v单相铁素体组织：单相铁素体组织：Cr含量达到含量达到12.7wt%时，可形成单一铁素体组织时，可形成单一铁素体组织 v单相奥氏体组织：单独加入单相奥氏体组织：单独加入Ni元素，必须达到元素，必须达到30wt%以上；若与以上；若与Cr 复合加入，则可为复合加入，则可为Cr18wt%-Ni9wt% 不锈钢组织图 Ni = (Ni) + (Co) + 0.5(Mn) + 30(C) + 25(N) + 0.3(C

9、u) Cr = (Cr) + 1.5(Mo) + 2.0(Si) + 1.5(Ti) + + 5.5(Al) 把铁素体形成元素折合成铬的 作用，把奥氏体形成元素折合 成镍的作用 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 v按合金元素的特点，划分为铬不锈钢和铬镍不锈钢 v按在正火状态下的组织状态，划分为M不锈钢、F不锈 钢、A不锈钢和A-F双相不锈钢。 一、铁素体型不锈钢 v 指在高温和低温下均保持单 相铁素体组织的不锈钢 1. 成分及主要钢种 v Cr含量1330%，含碳量在 0.1%左右 v 主要钢种有0Cr13, 1Cr17, 0Cr17Ti, 1Cr

10、17Ti, 1Cr28等， 2. 特点： 耐蚀性（对硝酸、氨水等）和抗氧化性较好 抗应力腐蚀性好，切削加工性好 价格较便宜 脆性大、焊接性差 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 一、铁素体型不锈钢一、铁素体型不锈钢 3. 脆性大的原因脆性大的原因 v 晶粒粗大（为什么？如何解决？）晶粒粗大（为什么？如何解决？） v 相脆性：相脆性：550850 C长期停留将从长期停留将从 铁素体中析出铁素体中析出 相相 （FeCr金属间化合物），属于硬脆相，且又易沿晶界析出金属间化合物），属于硬脆相，且又易沿晶界析出 v 475 C脆性：高脆性：高Cr的铁素体不锈钢

11、在这一温度范围内的铁素体不锈钢在这一温度范围内Cr原原 子趋于有序化，形成许多富子趋于有序化，形成许多富Cr的小区域，引起点阵畸变和的小区域，引起点阵畸变和 内应力内应力 v 高温脆性：高高温脆性：高Cr的铁素体不锈钢，加热到的铁素体不锈钢，加热到9001000 C以以 上再冷却到室温时，会在晶界处或位错上析出高上再冷却到室温时，会在晶界处或位错上析出高Cr的碳化的碳化 物或氮化物，导致钢材脆性增加物或氮化物，导致钢材脆性增加 第五章第五章 不锈钢不锈钢 二、马氏体型不锈钢二、马氏体型不锈钢 v 指通过淬火可以得到马氏体组织的不锈钢指通过淬火可以得到马氏体组织的不锈钢 1. 成分及主要钢种成分

12、及主要钢种 v Cr含量含量1318%，含碳量在，含碳量在0.10.9% v 主要钢种有主要钢种有1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13, 9Cr18, 9Cr18MoV, 1Cr17Ni2（为什么要加入（为什么要加入Ni？）等？）等 2. 特点：特点： 强度高、耐磨性好，可以用来做工具强度高、耐磨性好，可以用来做工具 价格最便宜价格最便宜 耐腐蚀性差耐腐蚀性差 焊接性差焊接性差 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 第五章第五章 不锈钢不锈钢 二、马氏体型不锈钢二、马氏体型不锈钢 3. 应用情况应用情况 v 1Cr13, 2Cr13主要用来制作耐蚀结构件，如汽轮机

13、叶片、主要用来制作耐蚀结构件，如汽轮机叶片、 水压机阀等水压机阀等 v 3Cr13, 4Cr13主要用来制作医疗器械、外科手术刀、工具主要用来制作医疗器械、外科手术刀、工具 及耐磨件等及耐磨件等 v 9Cr18主要用来做耐蚀轴承及刀具主要用来做耐蚀轴承及刀具 v 1Cr17Ni2在海水和硝酸中具有较好的耐蚀性，适合于用作在海水和硝酸中具有较好的耐蚀性，适合于用作 船舶零件，如船舶尾轴船舶零件，如船舶尾轴 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 第五章第五章 不锈钢不锈钢 三、奥氏体型不锈钢三、奥氏体型不锈钢 v 指在室温下保持奥氏体组织的不锈钢，用量最大，约占不锈指在室温下保持奥氏

14、体组织的不锈钢，用量最大，约占不锈 钢总量的钢总量的2/3 v 可分为可分为Cr-Ni, Cr-Mn-N, Cr-Mn-Ni-N等几大类，主要介绍等几大类，主要介绍Cr- Ni奥氏体不锈钢（奥氏体不锈钢（18-8钢）钢） 1. 成分及主要钢种成分及主要钢种 v 主要成分特点是低碳（或超低碳）：主要成分特点是低碳（或超低碳）：C含量甚至会小于含量甚至会小于0.03% v 高高Cr、高、高Ni：Cr含量含量18%左右，左右，Ni含量含量8%左右左右 v 主要钢种有主要钢种有00Cr18Ni10, 0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9, 0Cr18Ni9Ti, 1Cr18Ni9Ti等等 第四节第四节

15、 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 第五章第五章 不锈钢不锈钢 三、奥氏体型不锈钢三、奥氏体型不锈钢 2. 优点：优点： 耐腐蚀性好，通常称为耐酸钢耐腐蚀性好，通常称为耐酸钢 冷成形性好冷成形性好 焊接性能好焊接性能好 低温性能和高温性能好低温性能和高温性能好 3. 缺点：缺点： 强度低（如何强化？）不能用相变强化，只能用冷塑强度低（如何强化？）不能用相变强化，只能用冷塑 性变形进行强化。性变形进行强化。 应力腐蚀倾向大应力腐蚀倾向大 晶间腐蚀现象严重晶间腐蚀现象严重 价格高价格高 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 奥氏体不锈钢具有良好的抗均匀腐蚀的性能，但在局部抗腐 蚀

16、方面，仍存在下列问题： 1.奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 奥氏体不锈钢在450850保温或缓慢冷却时，会出现晶间腐蚀。 含碳量越高，晶间腐蚀倾向性越大。 焊接件的热影响区也会出现晶间腐蚀。 防止措施： v降低钢中的碳量，使钢中的含碳量低于在奥氏体中的饱和溶解度。 v加入Ti、Nb等能形成稳定碳化物(TiC或NbC）的元素，避免在晶界上 析出Cr23C6。 v通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使其具有奥 氏体+铁素体双相组织。 v采用适当热处理工艺，可以防止晶间腐蚀，获得最佳耐蚀性。 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 第五章第五章 不锈钢不

17、锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 2.奥氏体不锈钢的应力腐蚀 在含氯离子的腐蚀介质中产生应力腐蚀。 当含wNi=8%10%时，奥氏体不锈钢应力腐蚀倾向性最大，继续增大至45 50，应力腐蚀倾向减小，直至消失。 防止措施： v最主要途径是加入Si，并从冶炼上将wN控制在0.04以下。 v尽量减少P、Sb、Bi、As等杂质的质量分数。 v选用A-F双相钢。 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 3.奥氏体不锈钢的点腐蚀 不锈钢点腐蚀机制：由于腐蚀性阴离子,比如Cl-在氧化膜表面上吸附 后离子穿过钝化膜所致。 点腐蚀影响因素很多，除化

18、学成分外，钢的组织不均匀部位往往促进 点腐蚀。 v合金化可以提高不锈钢抗点蚀性，加入铬、钼、氮等。 v镍、硅、稀土元素也有一定作用 4.奥氏体不锈钢的形变强化 单相奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能。 零下温度轧制时b可达2000MPa。原因：冷作硬化+形变诱发M转变。 用途：制造不锈弹簧、钟表发条、航空结构中的钢丝绳等 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 5.奥氏体不锈钢的热处理 （1）固溶处理。将钢加热到10501150后水淬，主要目的是使碳化物 溶于奥氏体并将此状态保留到室温。 （2）稳定化处理。在固溶处理后，常用于含Ti、Nb的18-8钢。将钢

19、加热 到850880保温后空冷，Cr的碳化物完全溶解，而钛的碳化物不完全 溶解，消除晶间腐蚀。 （3）去应力处理。消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺。 一般加热到300350 回火。 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 四、奥氏体-铁素体双相不锈钢 在奥氏体不锈钢的基础上，适当增加铬含量，减少镍含量，并与固溶化 处理相配合，可获得奥氏体-铁素体双相不锈钢（W铁素体4060）。 典型钢号：0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、0Cr21Ni6Mo2Ti等。 双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比有较好的焊接性，焊后不需热处理，而 且其晶间腐蚀、应

20、力腐蚀倾向性也较小。但由于含Cr量高，易形成相， 使用时应加以注意。 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 五、沉淀硬化不锈钢(超高强度钢） 沉淀硬化型不锈钢包括两种： 以Cr18Ni9钢为基发展起来的奥氏体马氏体型沉淀硬化不锈钢奥氏体马氏体型沉淀硬化不锈钢； 以Cr13型马氏体不锈钢发展起来的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢低碳马氏体沉淀硬化不锈钢。 这两类钢都是在最后形成马氏体基础上经过时效处理产生沉淀强化而得 到超高强度的，即这两类钢既能保持两类钢既能保持Cr18Ni9钢的优良的焊接性能，又钢的优良的焊接性能，又 具有马氏体钢的高强度，具有马氏体钢的高强

21、度，是发展航空和宇航应用超高强度钢的主要钢种。 五、沉淀硬化不锈钢(超高强度钢） 钢中的时效沉淀强化元素有铝、钛、钼，辅加镍、锰、铜。三种方法 获得马氏体和进一步沉淀强化。 v两次时效：1050固溶处理，750保温1.5小时并空冷得到马氏体； 再经510560时效30min。 v冷处理加时效： 1050固溶处理，再经950保温1.5h调节处理并冷 至室温得到部分马氏体；再冷至-73进行冷处理，停留8h得到马氏体， 最后在510时效1h，使马氏体通过时效沉淀析出的金属间化合物强 化。 v冷加工时效：钢经1050固溶处理后，在室温进行塑性变形获得马 氏体，最后在480时效1h。 固溶处理后组织为

22、A+F，因此冷加工性 能良好，适于冷加工 和焊接。 飞机机体的薄壁结构 和蒙皮，火箭发动机 外壳，高压容器。 使用温度低于使用温度低于315 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 1.奥氏体马氏体沉淀硬化不锈钢 2.马氏体沉淀硬化不锈钢 马氏体沉淀硬化不锈钢是在马氏体不锈钢中加入钼、钨、钛、铌等 元素，在时效（400650）中沉淀析出一系列金属间化合物而强 化的。 v为了保证得到单一奥氏体组织，因而加入镍、钴元素。 v镍因降低Ms点，一般控制在4左右。 v钴除固溶强化外，还因降低钼在基体中的溶解度而促进时效沉淀 硬化。 v在大气、水及一些介质中具有耐蚀

23、性，但价格昂贵，主要用于火 箭和导弹的蒙皮材料。 五、沉淀硬化不锈钢(超高强度钢） 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 六、不锈钢的新发展 v近20年迅猛发展，已超过钢总产量的2，总产值的10。 v不锈钢发展的主要趋势是超纯化、多元化和微合金化。 v新一代不锈钢分为三类：超纯铁素体不锈钢；超低碳、高钼、高性 能奥氏体不锈钢和超低碳、超细晶粒奥氏体铁素体双相不锈钢。 v不锈钢理论研究方面，更深入研究各种合金元素对钢的耐蚀性的作 用及其影响规律。 1.超纯铁素体不锈钢 vAO

24、D法精炼技术，超低碳（wC=0.001%)，克服铁素体不锈钢脆性 大的缺点。成分特点：高铬、超低碳、含钼。 v用于化工、食品、石油精炼、水处理及污染控制用热交换器、压力 容器、缸体及无缝钢管等，还可用于建筑物的内部装饰、苛性钠设备 及含Cl-环境，以及用于制作既有磁性又很耐蚀的零部件。 第五章第五章 不锈钢不锈钢 第四节第四节 不锈钢的种类及特点不锈钢的种类及特点 2.新型奥氏体不锈钢 主要开发的新品种为： 抗应力腐蚀断裂的新型奥氏体不锈钢，如00Cr25Ni25Si2V2Nb钢具有 非常好的抗应力腐蚀断裂能力 抗点腐蚀的新型奥氏体不锈钢，如00Cr20Ni25Mo5N、Al-6X和 AVESTA-254Mo钢的抗点腐蚀性能最佳。 它们可应用于海水冷凝管等海洋装置，使用性能良好； 六、不锈钢的新发展 第五章第五章 不锈钢不锈钢 v 不锈钢并不是在任何介质中都是耐腐蚀的不锈钢并不是在任何介质中都是耐腐蚀的 v 对大气、水蒸气、汽油、食品和其它弱腐蚀介质，所有不锈钢对大气、水蒸气、汽油、食品和其它弱腐蚀介质，所有不锈钢 都是耐蚀的都是耐蚀的 v 在氧化性酸中不锈钢一般都耐蚀在氧化性酸中不锈钢一般都耐蚀 v 在稀硫酸、稀盐酸中一般不锈钢不耐蚀，须加入在稀硫酸、稀盐酸中一般不锈