金属材料学 第5章_不锈钢

1、第第5章章 不锈钢不锈钢 不锈钢是指在空气、水、盐水、酸、碱等腐不锈钢是指在空气、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。上都称为不锈钢，其实是有很大区别的。 5.

2、1 5.1 概述概述 5.1.1 金属腐蚀类型金属腐蚀类型 1、均匀腐蚀（、均匀腐蚀（general attack） 腐蚀均匀地在材料的表面产生，损坏大量的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。材料。容易发现，危害性不是很大。2、点腐蚀（、点腐蚀（point corrosion） 由于应力等原因使腐蚀集中在材料表面不大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。的区域，向深处发展，最后甚至能穿透金属。 3、晶界腐蚀（、晶界腐蚀（intergranular corrosion） 晶界腐蚀是指腐蚀过程是沿着晶界进行的，晶界腐蚀是指腐

3、蚀过程是沿着晶界进行的，其危害性最大。如虫蛀的苹果。其危害性最大。如虫蛀的苹果。4、应力腐蚀（、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。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。没有什么预兆，所以其危害性也是比较大的。5、磨损腐蚀（、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、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。相互加速的现象称为磨损腐蚀。 图图 各种腐蚀类型各种腐蚀类型 金属电化学腐蚀现象：金属电化学腐蚀现象： 不同金属的直接

4、接触，如铜与钢；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，同一金属在有浓差的介质中， 浓差电池，浓差电池，如存水的铁桶、盐炉中的电极；如存水的铁桶、盐炉中的电极； 不同电位的显微组织，不同电位的显微组织， 微电池，如生锈、微电池，如生锈、金相组织的腐蚀；金相组织的腐蚀； 成分不均匀成分不均匀, 微电池，如晶界与晶粒内部；微电池，如晶界与晶粒内部； 应力不均匀，如铁丝弯曲处易蚀，铆钉头易应力不均匀，如铁丝弯曲处易蚀，铆钉头易蚀。蚀。5.1.2 5.1.2 性能要求与提高钢耐腐蚀性能的途径性能要求与提高钢耐腐蚀性能的途径 性性能能要要求求（1 1）不锈钢具有较高的耐蚀性）不锈钢具有

5、较高的耐蚀性（2 2）不锈钢应具有一定的力学性能。很多）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构件是在腐蚀介质下承受一定的载荷（3 3）不锈钢应有良好的工艺性能。管材、）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。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：提高钢耐腐蚀性能的途径主要有： （1）形成稳定保护膜，）形成稳定保护膜，Cr、Al、Si有效。有效。 （2）固溶体电

6、极电位或形成稳定钝化区固溶体电极电位或形成稳定钝化区Cr、Ni、Si：Ni贵而紧缺，贵而紧缺，Si易使钢脆化，易使钢脆化，Cr是理想的。是理想的。 （3）获得单相组织）获得单相组织 Ni、Mn 单相奥氏单相奥氏体组织。体组织。 （4）机械保护措施或复盖层，如电镀、发）机械保护措施或复盖层，如电镀、发兰、涂漆等方法。兰、涂漆等方法。 5.1.3 5.1.3 不锈钢的组织与分类不锈钢的组织与分类 铁素体形成元素：铁素体形成元素：Cr、Mo、Si、Ti、Nb等；等； 奥氏体形成元素：奥氏体形成元素：C、N、Ni、Mn、Cu等。等。 铬当量铬当量Cr = Cr + 1.5Mo + 2.0Si + 1.

7、5Ti +1.75Nb + 5.5Al + 5V+ 0.75W 镍当量镍当量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铬当量和镍当量的综合作用结果决定不锈钢的组织织 组织状态图。组织状态图。 图图 不锈钢组织状态图（焊后冷却）不锈钢组织状态图（焊后冷却）不不锈锈钢钢分分类类 M不锈钢：不锈钢： 1Crl34Crl3等等Crl3型，型， Crl7Ni2、9Cr18等等 F不锈钢：如不锈钢：如0Cr17Ti ，1Cr25Ti， 008Cr27Mo等等 A不锈钢：具有单相不锈钢：具有单相A组织，如组织，如 0Cr18Ni9、1Cr

8、l8Mn8Ni5N等等 A-F复相不锈钢：如复相不锈钢：如12Cr21Ni5Ti 沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢5.2 影响不锈钢组织和性能的因素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合金元素对钢组织和性能的影响 一、一、 铬元素的作用铬元素的作用 Cr是决定钢是决定钢耐蚀性的主耐蚀性的主要元素要元素 固溶体电极电位固溶体电极电位表面形成致密氧化膜表面形成致密氧化膜Cr 耐蚀性的作用符合耐蚀性的作用符合n / 8定律定律 Cr对对Fe-Cr电极电位的影响电极电位的影响 Tammann定律定律 将较稳定的将较稳定的A组元组元加入到较活泼的加入到较活泼的B组组元固溶体中

9、，当元固溶体中，当A组组元含量达元含量达n/8原子比原子比时，固溶体电极电位时，固溶体电极电位突然升高，耐蚀性也突然升高，耐蚀性也有一急剧变化。也称有一急剧变化。也称为二元合金固溶体电为二元合金固溶体电位的位的n / 8定律定律二、碳和氮的作用二、碳和氮的作用C：C，强度，强度，冷变形性、焊接性冷变形性、焊接性、耐耐 蚀性；综合因素蚀性；综合因素 碳量应尽可能地低碳量应尽可能地低N：稳定：稳定A组织，组织，强度，又能保持好的塑韧强度，又能保持好的塑韧 性，性，耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀 三类：控氮型（三类：控氮型（0.050.10%） 中氮型（中氮型（0.100.

10、40%） 高氮型（高氮型（0.40%）三、其它元素的影响三、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；能形成单相奥氏体极电位；能形成单相奥氏体 ； 锰可部分代锰可部分代Ni，但不单独加入，但不单独加入 ； 钛和铌能形成稳定钛和铌能形成稳定K，固定，固定C，使，使Cr固溶于基固溶于基体，从而防止晶界腐蚀体，从而防止晶界腐蚀 ; 钼能钼能不锈钢钝化能力，扩大钝化介质范围不锈钢钝化能力，扩大钝化介质范围5.2.2 腐蚀介质对钢耐蚀性的影响腐蚀介质对钢耐蚀性的影响金属的金属的耐蚀性耐蚀性 与介质的种类、浓度、与介质的种类、浓度、温度和压力等环境

11、条件有温度和压力等环境条件有密切的关系密切的关系 必须根据工作介质的特点来正确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。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。、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、氧化性介质，如硝酸。易形成钝化的氧化 膜，膜，17Cr， Cr越高越好；越高越好；3、非氧化性酸，如稀硫酸。在、非氧化性酸，如稀硫酸。在17Cr基础基础 + Mo、Cu；4、强有机酸，在、强有机酸，在Cr-Mn型不锈钢基础上，加型不锈钢基础上，加 入入Mo、Cu；5、含有、含有Cl- -离子的介质，如海水离子的介质，如海

12、水,Cl- -很小，有很小，有很大腐蚀性。很大腐蚀性。5.3 铁素体不锈钢铁素体不锈钢 一、常用铁素体不锈钢及特点一、常用铁素体不锈钢及特点 铁素体不锈钢主要有三种类型：铁素体不锈钢主要有三种类型： （1）Cr13型型 如如06Cr13、0Cr13Al、06Cr11Ti等；等；（2）Cr17型型 如如10Cr17、0Cr17Ti、10Cr17Mo等；等；（3）Cr25-30型型 如如1Cr28、16Cr25Ti、 008Cr30Mo2等。等。基基本本特特点点含碳量含碳量15Cr时，随时，随Cr其脆化倾向也其脆化倾向也。在。在400525长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆长时间加热或缓慢冷却时

13、，钢就变得很脆, 以以475加热为最甚加热为最甚. 原因原因:在脆化在脆化T范围内长期停留时，铬有序化范围内长期停留时，铬有序化相，与母相共格相，与母相共格大内应力。大内应力。AK （3）金属间化合物金属间化合物相的形成相的形成 相具有高硬度，有大的体积效应，且常沿晶界相具有高硬度，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分布，所以使钢产生了很大的脆性 5.4 5.4 马氏体不锈钢马氏体不锈钢 这类钢主要含这类钢主要含1218%Cr，淬火冷却能产生，淬火冷却能产生M。 一、马氏体不锈钢的成分和组织特点一、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：马氏体不锈钢可分为三类

14、： （1 1）Cr13Cr13型，有型，有1Cr131Cr13、2Cr132Cr13、3Cr133Cr13、4Cr134Cr13等钢号；等钢号； （2 2）高碳高铬钢，如）高碳高铬钢，如9Cr189Cr18、9Cr18MoV9Cr18MoV等；等； （3 3）低碳）低碳17% Cr-2%Ni17% Cr-2%Ni钢，如钢，如1Cr17Ni21Cr17Ni2。思考题：思考题： 4Cr13为什么是过共析钢为什么是过共析钢? 9 Cr18含含Cr已达已达18%，但只是耐大气腐蚀不，但只是耐大气腐蚀不锈钢锈钢?1Cr13：M+F2Cr13：M3Cr13：M4Cr13：M+K类似于类似于调质钢调质钢制造

15、不锈制造不锈结构件结构件类似于类似于工具钢工具钢制造耐蚀制造耐蚀工具（手工具（手术刀等）术刀等）二、马氏体不锈钢的热处理特点二、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、调质常用的热处理工艺有软化处理、球化退火、调质处理和淬火处理和淬火+ +低温回火。低温回火。软软化化处处理理软化处理有两种方法：软化处理有两种方法： 一是进行高温回火，将锻轧件加热一是进行高温回火，将锻轧件加热至至700800保温保温26小时后空冷，使小时后空冷，使马氏体转变为回火索氏体。马氏体转变为回火索氏体。 另外也可以采用完全退火。另外也可以采用完全退火。调调质质处处理理 1Cr13、2Cr13常用

16、于结构件常用于结构件调质。调质。因为铬因为铬抗回火性和抗回火性和AC1点，所以调质回点，所以调质回火温度也相应火温度也相应.通常为通常为640700。 回火后应采用油冷回火后应采用油冷 ?淬淬火火低低回回 3Cr13、4Cr13常做有一定耐蚀性的工常做有一定耐蚀性的工具，所以采用淬火低温回火。具，所以采用淬火低温回火。T淬淬在在10001050，为减少变形，可用硝盐分级冷，为减少变形，可用硝盐分级冷却。组织为马氏体却。组织为马氏体+碳化物碳化物+少量少量AR5.5 5.5 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 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钢

17、总产量的2/32/3。奥氏体不锈钢优点如下：。奥氏体不锈钢优点如下： 具有很高的耐腐蚀性；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；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；加热时没有同素异构转变，焊接性好； 韧度和低温韧度好，一般情况下没有冷脆韧度和低温韧度好，一般情况下没有冷脆倾向，有一定的热强性；倾向，有一定的热强性； 不具有磁性；不具有磁性； 价格较贵，切削加工较困难，导热性差。价格较贵，切削加工较困难，导热性差。5.5.1 5.5.1 奥氏体不锈钢的成分特点奥氏体不锈钢的成分特点 奥氏体不锈钢的主要成分是奥氏体不锈钢的主要成分是CrCr和

18、和NiNi，18Cr18Cr和和8Ni8Ni的配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分。的配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分。Cr+Ni=18+8=26耐蚀电位接近耐蚀电位接近n/8定定律中律中n=2的电位值的电位值具有良好钝化性能具有良好钝化性能单相奥氏体组织单相奥氏体组织 耐蚀性达到耐蚀性达到较高的水平较高的水平.Cr、Ni再再,更为优良更为优良 图图 不锈钢组织状态图（焊后冷却）不锈钢组织状态图（焊后冷却） TiTi、NbNb: :稳定稳定K K，抗晶间腐蚀的能力；抗晶间腐蚀的能力； Mo:Mo: 不锈钢钝化作用，不锈钢钝化作用，点腐蚀倾向，点腐蚀倾向，钢在有机酸中的耐蚀性；钢在有机酸中的

19、耐蚀性； Cu:Cu: 钢在硫酸中的耐蚀性；钢在硫酸中的耐蚀性； SiSi: : 钢抗应力腐蚀断裂的能力。钢抗应力腐蚀断裂的能力。 平衡态时为奥氏体平衡态时为奥氏体+ +铁素体铁素体+ +碳化物组织，碳化物组织，经过固溶处理后获得了单相奥氏体。经过固溶处理后获得了单相奥氏体。5.5.2 5.5.2 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢的晶间腐蚀现现象象 奥氏体不锈钢焊接后，在腐蚀介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质中工作时，在离焊缝不远处会产生严重的晶间腐蚀。生严重的晶间腐蚀。原原因因 在焊缝及热影响区在焊缝及热影响区(450800)，沿晶界析出了沿晶界析出了K（Cr,

20、Fe）23C6，晶，晶界附近区域产生贫界附近区域产生贫Cr区（低于区（低于1/8定律的临界值）。定律的临界值）。 图图 不锈钢晶界腐蚀贫不锈钢晶界腐蚀贫Cr区示意区示意敏敏化化处处理理 在在Cr-Ni奥氏体不锈钢中，在奥氏体不锈钢中，在450800的温度范围内时效处理，可考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理和敏感性的关系通常用TTS（Time-Temperature-Sensitivation）曲线来）曲线来表示，如下图所示表示，如下图所示. 敏化处理后，在金相组织上可看敏化处理后，在金相组织上可看到碳化物沿着晶界

21、析出到碳化物沿着晶界析出. 曲线曲线1 1表示钢开始产生晶间腐蚀，曲线表示钢开始产生晶间腐蚀，曲线2 2是由于时间是由于时间充分，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。度、时间范围。 经强经强K形成元素形成元素Ti、Nb合金化的不锈钢称为稳定合金化的不锈钢称为稳定性钢。这种钢析出性钢。这种钢析出K的温度范围可分成两个区域，如的温度范围可分成两个区域，如上图右上图右 。曲线。曲线1表示析出表示析出M23C6型型K的富的富Cr区域，曲区域，曲线线

22、3表示析出表示析出MC型型K的区域，曲线的区域，曲线2是产生晶间腐蚀是产生晶间腐蚀的区域。在仅有的区域。在仅有MC型碳化物析出的区域，没有晶间型碳化物析出的区域，没有晶间腐蚀倾向。腐蚀倾向。 Ni、Co、Si，促进产生晶间腐蚀，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，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。然，钢中含碳量的提高，钢的晶间腐蚀倾向也增大。 为防止为防止A A不锈钢的晶间腐蚀，可采取以下措施：不锈钢的晶间腐蚀，可采取以下措施：（1）降低钢中的含）降低钢中的含C量；量；（2）加入）加入Ti、Nb，析

23、出特殊，析出特殊K，稳定组织；，稳定组织；（3）进行）进行10501100的固溶处理，保证的固溶处理，保证Cr含量；含量；（4）对非稳定性）对非稳定性A不锈钢进行退火处理，使不锈钢进行退火处理，使A成成分均匀化分均匀化 ，消除贫，消除贫Cr区区;（5）对稳定性钢，通过热处理形成）对稳定性钢，通过热处理形成Ti、Nb的特殊的特殊K，以稳定固溶体中，以稳定固溶体中Cr含量，保证含含量，保证含Cr量水平量水平.5.5.3 5.5.3 奥氏体不锈钢的热处理奥氏体不锈钢的热处理 固溶处理固溶处理：奥氏体不锈钢的固溶处理温度一般奥氏体不锈钢的固溶处理温度一般为为10501150，比较常用，比较常用1050

24、1100。为了保证。为了保证高温奥氏体不发生分解，固溶处理后冷速应较快。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。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处理。固溶处理是奥氏体不锈钢最大程度的软化处理。由于这时的奥氏体具有最大的合金度，所以也具有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。最高的耐蚀性能。稳稳定定化化处处理理 也称为稳定化退火。这种处理只是也称为稳定化退火。这种处理只是在含在含Ti、Nb的的A不锈钢中使用。合理不锈钢中使用。合理选择稳定化处理的温度和时间，选择稳定化处理的温度和时间，获获得最佳的效果。得最佳的效果。一一般般原原则则 高于高于Cr23C6的溶解温度而低于的溶解温度而低于TiC的的溶解温度。通常采用溶解温度。通常采用850950，保温，保温24h后空冷，如下图所示。在稳定化后空冷，如下图所示。在稳定