课件工程材料学chapter stainless steels

1、1Chapter 7 Stainless steels2Review刃具钢的种类性能特点元素作用热处理工艺及最终组织. 特别是高速钢,掌握常用高速钢的牌号、热处理、合金化及组织.模具钢、量具钢所要求的性能特点、热处理工艺及最终组织.3重点C、Cr、Ni含量对不锈钢基体组织的影响。不锈钢中合金元素的作用各种不锈钢的牌号、主要性能特点及热处理工艺。奥氏体不锈钢的主要合金元素作用及热处理具体工艺。4ContentsIntroductionMetal corrosionAlloying principle of stainless steel Characteristics of stainless

2、steel 51 Introduction61 Introduction材料失效形式之一腐蚀。（1）定义：具有抗腐蚀性能的一类钢种。 不锈钢：抵抗大气腐蚀及弱腐蚀介质腐蚀 腐蚀速度0.01mm/a：完全耐蚀； 0. 1mm/a：耐蚀 耐酸钢：各种强腐蚀介质中能耐蚀 腐蚀速度0. 1mm/a：完全耐蚀； 1mm/a：耐蚀不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢又是不锈钢。不锈钢并不是不腐蚀，而是腐蚀速度较慢；没有绝对的不锈钢。71 Introduction（2）不锈钢性能要求：耐蚀、较好的力学性能；良好的切削加工性能及焊接性能。（3）不锈钢的分类：按典型正火组织分铁素体 (F) 型马氏体 (M) 型奥氏体 (

3、A) 型奥氏体-铁素体 (A-F) 双相型沉淀硬化（过渡）型82 Metal corrosion2.1 Corrosion process of metals2.2 Corrosion types 92 Metal corrosion2.1 Corrosion process of metals（1）腐蚀：在外界介质的作用下使金属逐渐受到 侵蚀的现象。（2）两种腐蚀形式：化学腐蚀、电化学腐蚀102 Metal corrosion2.1 Corrosion process of metals（2）两种腐蚀形式：化学腐蚀、电化学腐蚀a.化学腐蚀金属直接与腐蚀介质反应，不产生电流，有腐蚀产物（在金属

4、表面，使金属与介质隔离开）致密氧化膜：SiO2, Al2O3, Cr2O3，保护金属。钝化(主要用于耐热钢中)不连续氧化物膜：Fe3O4, MgO, Mo2O3, WO3 措施：通过合金化或其他方法，在金属表面形成一层稳定的、完整致密并与基体结合牢固的氧化膜。112 Metal corrosion2.1 Corrosion process of metalsa.化学腐蚀：形成致密氧化膜b.电化学腐蚀由不同的金属或相之间的电极电位不同而构成原电池产生的。(微电池：在显微组织之间形成)特点：有电介质、电位差存在、腐蚀电流产生。措施：减少微电池数量、提高基体的电极电位122 Metal corros

5、ion2.2 Corrosion types包括：一般腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、腐蚀疲劳、宏观电池作用腐蚀。132 Metal corrosion2.2 Corrosion types(1)一般腐蚀：金属表面大面积、均匀的腐蚀，比局部腐蚀危害性小；(2)晶间腐蚀：沿晶界进行，晶粒连接性破坏。危害性最大，使合金变脆、强度降低。（奥氏体不锈钢常见）由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下强烈腐蚀。加 Ti、Nb。奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出142.2 Corrosion types(3)应力腐蚀：腐蚀介质 + 拉应力（外加应力或内应力） 沿晶或穿晶断

6、裂，是脆性断裂应力腐蚀开裂在氮化物、碱性氮氧化物或其他水溶性介质中常见应力腐蚀奥氏体不锈钢管道内壁应力腐蚀裂纹2 Metal corrosion152 Metal corrosion2.2 Corrosion types(4)点腐蚀：发生在局部区域，可迅速向深处发展至穿透金属。危害大（容器），有氯离子存在时更严重时。原因：在介质的作用下，表面钝化膜局部损坏或在氯离子存在时，材料缺陷、疏松及非金属夹杂物存在。措施：及时磨光或涂漆。162 Metal corrosion2.2 Corrosion types(5)腐蚀疲劳：腐蚀介质 + 交变应力特点：腐蚀坑和大量裂纹，强度逐渐变化，直至断裂。不同于

7、机械疲劳(6)宏观电池作用腐蚀：如铆钉和铆接材料不同、异种金属焊接等电极电位差别造成的腐蚀172 Metal corrosion2.2 Corrosion types由于金属中存在化学成分不均、组织不均、应力不均、第二相、夹杂物分布不均等区域，均会引起电极电位差，在与电介质溶液接触时，形成微电池，使电极电位低的区域被腐蚀。* 防止腐蚀的着眼点：减少原电池数目；表面钝化处理；减少两相间的电极电位183 Alloying principle of stainless steel 合金元素作用：提高基体的电极电位，尽可能采用单相固溶体组织；双相组织时电极电位较高或相近；使金属易于钝化。 均匀的组织、

8、化学成分和金属的纯净度元素包括：Cr, Ni, Mn , Si , Mo, Cu , Ti, Nb作用途径：减少原电池数目；表面钝化处理；减少两相间的电极电位（提高基体电极电位）193 Alloying principle of stainless steel 3.1 Passivation of stainless steel钝化指金属失去金属活性，呈现与惰性金属相似的特性。改变金属表面状态，使电极电位升高。机制：金属表面形成致密、不易溶解、损坏后还能钝化的氧化膜。使阳极(基体)反应过程受阻，提高金属的化学稳定性和耐蚀性；膜下面及表面存在氧吸附层，能饱和金属表面原子的未饱和位，产生钝性。20

9、3 Alloying principle of stainless steel 3.1 Passivation of stainless steel钝化特殊条件下，钝化膜发生局部破坏，形成大阴极区（钝化区）和小的阳极区（小的活化点），腐蚀速率增加。如：点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀213 Alloying principle of stainless steel 3.1 Passivation of stainless steel措施：加入合金元素Cr, Al, Si生成致密的氧化膜，钝化钢的表面。 Cr最有效， Mo的加入可以进一步增强钝化效应。少量Cu也可以促进钝化。223 Allo

10、ying principle of stainless steel 3.2 Effects of alloying elements on electrode potential 加入合金元素，提高钢基体的电极电位：Cr, Ni, Ti图5.1：Cr Fe电极电位Cr的 n/8 规律：电极电位发生跳跃式增高。当Cr与Fe的物质量数比达12.5%时,基体电位由-0.56V增至0.2V.钢钝化233 Alloying principle of stainless steel 3.2 Effects of alloying elements on electrode potential 作为不锈钢：

11、%Cr 在11.7%以上(正的电极电位)注意：Cr与C可以形成碳化物，通常加入Cr不低于13%。243 Alloying principle of stainless steel 3.3 Effects of alloying elements on matrix structure 奥氏体形成元素：C、N、Mn、Cu、Ni、Co 铁素体形成元素：Cr、V、Si、Mb、Ti、Mo、W单一F组织：Cr12.7%时，能封闭A区；单一A组织：加Ni时， Ni30%以上；Ni和Cr复合加入时：18% Cr + 8%Ni（18-8型奥氏体不锈钢）253 Alloying principle of sta

12、inless steel 3.3 Effects of alloying elements on matrix structure C的作用：A形成元素。与Cr亲和力大，C%越大，耐蚀越差。因此，不锈钢中C%较低（0.1-0.2%,不超过0.4%） 但马氏体不锈钢9Cr18S、P、稀土改善切削加工性能263 Alloying principle of stainless steel Roles of alloying elements ：1、Cr, Ni, Ti提高钢基体的电极电位2、Cr, Al, Si钝化钢的表面；3、Cr, Cr-Ni获得单相组织，减少微电池数量；4、Ti, Nb消除Cr

13、的晶间偏析5、Mn, N代替部分Ni获得单相A274 Characteristics of stainless steel 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量以千分之一为单位。含碳量的表示方法为：当C%1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17 当1.0% C% 0.1%时，用一位数字表示,如2Cr13 当0.1% C% 0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9Ti 当0.03% C% 0.01%时（超低碳），以“00”、“03”表示，如03Cr19Ni10、00Cr18Ni14Mo2Cu2按合金元素的特点分:铬不锈钢、铬镍不锈钢（表5.1）284 Characteristi

14、cs of stainless steel 4.1 Martensitic stainless steel （1）成分：1Cr13 4Cr13, 9Cr18 等 马氏体不锈钢主要为铬含量在13%-18%范围内的低碳或高碳钢。元素组成：增加C量：（硬度、强度、热强性增加） 如2Cr13，3Cr13，4Cr13增加Mo：提高硬度3Cr13Mo增加Cr、C：提高淬火硬度 9Cr18增加Cr、Ni：提高耐蚀性、强度韧性Cr13Ni2、Cr17Ni2294 Characteristics of stainless steel 4.1 Martensitic stainless steel （1）成分：1

15、Cr13 4Cr13, 9Cr18 等 Cr大于13%时，不存在相，合金为单相F，热处理不能产生M。加入A形成元素，以扩大相区，对于M不锈钢来，C、Ni是有效元素。304 Characteristics of stainless steel 4.1 Martensitic stainless steel1Cr13钢：加工工艺性能好，不需预热进行深冲、弯曲、卷边及焊接2Cr13钢：冷变形前不要求预热，但焊接前需预热。用途：制作耐蚀结构件如汽轮机叶片等。3Cr13钢和4Cr13钢主要用来制作医疗器械及耐磨零件；9Cr18可做耐蚀轴承及刀具。314 Characteristics of stainl

16、ess steel 4.1 Martensitic stainless steel（2）特点： 单一合金化元素Cr氧化性介质中有良好的耐腐蚀性（如：水蒸汽、大气、海水、氧化性酸等）；钝化非氧化性介质 (H2SO4、HCl、碱溶液)等耐蚀性差。324 Characteristics of stainless steel 4.1 Martensitic stainless steel失效形式：应力腐蚀和氢脆(酸性介质)措施：采用真空冶炼、电渣重熔等净化工艺，改善钢纯度、减少夹杂物。电渣重熔利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。334

17、 Characteristics of stainless steel 4.1 Martensitic stainless steel钢中含有大量Cr元素，淬透性好，高温加热后空冷(锻造过程)得到M组织：残余应力增大，易发生裂纹，要缓冷；工件硬度增加，切削加工困难，锻后要软化退火（在680-780高温回火S回）。344 Characteristics of stainless steel 4.1 Martensitic stainless steel（3）热处理：淬火+回火1Cr13钢和2Cr13钢制作构件：高温回火；3Cr13钢、4Cr13钢及9Cr18制作零件，要求高强度、高硬度及耐磨性：

18、低温回火注意：（1）有回火脆倾向；回火后要快冷；（2）在400-600回火后，易出现应力腐蚀开裂倾向354 Characteristics of stainless steel 4.2 Ferritic stainless steel （1）成分组织：Cr：13-30%；C：0.25%；合金元素Mo、Ti组织：铁素体，加热及冷却过程中没有A转变，不能用热处理强化。364 Characteristics of stainless steel 4.2 Ferritic stainless steel （1）成分组织：型号：1Cr17, 1Cr25Ti, 1Cr28 等（表5.3） 与M型不锈钢相比

19、较：Cr、C含量（为了保证得到铁素体结构）374 Characteristics of stainless steel 4.2 Ferritic stainless steel（2）特点：抗氧化性强（加入Mo, Ti后有较强的抗介质腐蚀能力）良好的热加工性和一定的冷加工性主要的缺点：韧性低、脆性大384 Characteristics of stainless steel 4.2 Ferritic stainless steel主要的缺点韧性低、脆性大原因：晶粒粗大、 475脆性、相脆性晶粒粗大：不发生相变，热加工温度超过850-900时，晶粒粗化脆性增大通过压力加工碎化，不能利用相变重结晶细

20、化晶粒。措施：热加工温度在750 以下，同时加入Ti。394 Characteristics of stainless steel 4.2 Ferritic stainless steel475脆性：Cr15%,在400-525 之间长时间加热或缓冷时，会发生室温脆化，强硬度，韧性。（在475 时脆化严重） 原因：F内Cr原子有序化，形成富Cr的BCC结构，与母相共格引起点阵畸变和内应力。（铬原子在钢中不均匀的偏聚） 消除：通过700-800 短时加热，再迅速冷却。元素Ti、Nb、Si、Mo、Al促进；N降低404 Characteristics of stainless steel 4.2

21、Ferritic stainless steel相脆性：在550-850之间会析出相（FeCr金属间化合物）：高硬度、沿晶界分布、大的体积变化，脆性增加，晶间腐蚀增加。 重新加热使相重新溶入铁素体中，再快速冷却可以消除。合金元素Mn、Si、 Mo、W、V、Nb、Ti、Al促进414 Characteristics of stainless steel 4.2 Ferritic stainless steel（3）热处理：750-850退火迅速冷却退火：消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，消除组织缺陷。 冷却采用空冷或水冷避免475 脆性产生424 Characteristics of

22、stainless steel 4.2 Ferritic stainless steel（4）用途：制作要求有较高的耐蚀性而强度要求较低的构件，主要用于生产硝酸、氮肥等设备和化工使用的管道等。434 Characteristics of stainless steel 4.3 Austenitic stainless steel 马氏体不锈钢耐蚀性不足，铁素体不锈钢脆性过大（1）C量低于0.1%，Cr, Ni为18-8（表5.4） 其他元素： Mn、Cu、N、Mo、 Ti 、Nb（2）特点：强度低，但耐蚀性和塑性好、良好的低温韧性和无磁性；良好的加工工艺性能、冷变形强化能力。（3）用途：应用最

23、广的耐酸钢，产量占不锈钢的2/3以上。化工设备构件或低温设备构件及机械零件。444 Characteristics of stainless steel 4.3 Austenitic stainless steel（4）耐蚀存在的问题：晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀晶间腐蚀(intergranular corrosion)：晶界上析出Cr23C6：，使其周围基体产生贫铬区。C量越高，晶间腐蚀越大Cr23C6：0.03%C以下可消除加入Ti, Nb等（TiC, NbC)A + F (5-12%) 双相组织合适热处理奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出454 Characteristics of sta

24、inless steel 4.3 Austenitic stainless steel（4）存在的问题：晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀应力腐蚀(stress corrosion )：应力与腐蚀的综合作用引起的开裂应力腐蚀开裂 含Cl-介质，Ni含量（8-10%)，最大；Ni达45-50%时，应力腐蚀倾向减小。措施：加入Si（2 4%），降低N(0.04%以下)、杂质等选用A-F双相钢（F：6%左右）464 Characteristics of stainless steel 4.3 Austenitic stainless steel（4）存在的问题：晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀点腐蚀(pittin

25、g corrosion )：由于腐蚀性阴离子在氧化膜表面上吸附后离子穿过钝化膜所致。影响：元素含量、组织特点、表面质量措施：合金化，加入Cr、Mo、N；Ni、Si、稀土提高抗点蚀性能；（ Cr钝化效应增强；Mo可与Cl-结合成MoOCl2保护膜。）474 Characteristics of stainless steel 4.3 Austenitic stainless steel（5）形变强化良好的冷变形能力，变形后强度大大提高，零下温度轧制抗拉强度可达2000MPa以上；（冷作硬化 + 形变诱发M转变）484 Characteristics of stainless steel 4.3

26、Austenitic stainless steel（5）形变强化形变使应力腐蚀倾向增大，产生部分铁磁性（M转变）再结晶温度随形变量改变（形变在60%时，再结晶温度降为650）冷变形奥氏体不锈钢再结晶退火温度为850-1050，850则需保温3h，1050时透烧即可，然后水冷。 494 Characteristics of stainless steel 4.3 Austenitic stainless steel（6）A体不锈钢的热处理：不能利用相变热处理强化固溶处理、稳定化处理、去应力处理固溶处理指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热

27、处理工艺。 加热到1050-1150后水淬，碳化物Cr23C6溶于A并保持到室温。防止晶间腐蚀；504 Characteristics of stainless steel 4.3 Austenitic stainless steel（6）A体不锈钢的热处理稳定化处理：固溶处理后，加热到850-880后空冷，Ti, Nb等的加入(含Ti、Nb的18-8钢)，使Cr的碳化物溶解，TiC稳定，冷却时析出。防止晶间腐蚀514 Characteristics of stainless steel 4.3 Austenitic stainless steel（6）A体不锈钢的热处理去应力处理：消除钢在冷

28、加工或焊接后的残余应力，加热到300-350 回火。防止应力腐蚀对于不含Ti、Nb的钢，加热温度不超过450，避免析出Cr23C6引起晶间偏析；对超低碳或含Ti、Nb的钢，一般不低于850加热(消除焊接应力)，然后缓冷，消除应力。防止应力腐蚀和晶间腐蚀524 Characteristics of stainless steel 4.4（A-F）Duplex stainless steel A不锈钢中，Cr增加而Ni降低，配合固溶处理。元素：低碳，18%28%Cr，3%10% Ni 。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。性能：较好的焊接性，焊后不热处理；晶间和应力腐蚀小。(A

29、存在降低了脆性，提高焊接性能和韧性；F减少应力腐蚀和晶间腐蚀)钢号：0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、0Cr21Ni6Mo2Ti等534 Characteristics of stainless steel 4.5 Precipitation-hardening stainless steel (超高强度钢、沉淀硬化不锈钢)飞机、飞船等飞行器表面温度到200以上，铝合金不能适应，需要用能耐热的高强度不锈钢代替。铁素体不锈钢：强度不够奥氏体不锈钢：虽然可以通过低温加工提高强度，但强度波动幅度大，温度较高又易软化；马氏体不锈钢：难以加工。544 Characteristics of st

30、ainless steel 4.5 Precipitation-hardening stainless steel (超高强度钢、沉淀硬化不锈钢)（1）A-M沉淀硬化不锈钢（2）马氏体沉淀硬化不锈钢形成：最后形成M基础上，经时效处理产生沉淀强化而得到超高的强度。554 Characteristics of stainless steel 4.5 Precipitation-hardening stainless steel (超高强度钢、沉淀硬化不锈钢)（1）A-M沉淀硬化不锈钢以Cr18Ni9钢为基础设计思想：在室温时，基体组织为大部分A组织，在加工成型后，通过低温处理或形变处理使A转变为M

31、，然后通过较低温度的沉淀硬化处理（时效处理），使M进一步强化。564 Characteristics of stainless steel 4.5 Precipitation-hardening stainless steel(超高强度钢)（1）A-M沉淀硬化不锈钢以Cr18Ni9钢为基础成分设计：C%低，使Ms点略低于室温，室温为不稳定的A组织；可通过各种处理使A变为低碳M，再通过时效强化析出金属间化合物。时效沉淀强化元素：Al、Ti、Mo，同时加入Ni、Mn、Cu保证A组织。574 Characteristics of stainless steel 4.5 Precipitation-h

32、ardening stainless steel (超高强度钢)（1）A-M沉淀硬化不锈钢强化方法：固溶处理+中间处理+时效处理固溶处理：获得的组织是A+少量F中间处理：500800时，由于原子在F中扩散速度要比A中快，且F内含铬量高，碳化物(Cr23C6)易沿着F()和A的相界面析出，又降低了A中C及合金元素的含量，提高了Ms点，使之获得更多的M。584 Characteristics of stainless steel 4.5 Precipitation-hardening stainless steel (超高强度钢)（1）A-M沉淀硬化不锈钢中间处理：时效，冷处理，冷加工两次时效1050固溶处理750保温1.5h空冷（得到M）510-560时效30min析出Ni3Al化合物(析出Cr23C6析出调整Ms，17-7PH钢的点Ms由-100提高到70以上)594 Characteristics of stainless steel 4.5 Precipitation-hardening stainless steel(超高强度钢)冷处理加时效：1050固溶处理950保温1.5h空冷(降低A稳定性，提高Ms点得到部分M) -73冷处理8h（全部M） 510时效1h析出化合物604 Charac