金属材料学第5章不锈钢

2023/1/315.1概述14

5.2影响不锈钢组织和性能的因素

5.3铁素体不锈钢ferritticstainlesssteels

5.4马氏体不锈钢matensiticstainlesssteels

5.5奥氏体不锈钢austeniticstainlesssteels

5.6双相不锈钢dual-phasestainlesssteels第5章不锈钢stainlesssteel1、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。

图5-1各种腐蚀类型

点蚀腐蚀5.1概述5.1.1金属腐蚀类型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。图5.2晶间腐蚀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。

应力腐蚀裂纹图5.3应力腐蚀2023/1/31一、对不锈钢性能要求及影响其耐蚀性因素性能要求

（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。

2023/1/31二、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。加入Ti、Nb2023/1/31三、提高不锈钢耐蚀性途径

（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。不锈钢分类⑴M不锈钢：12Crl3~40Crl3等Crl3型

14Crl7Ni2、95Cr18等⑵F不锈钢：如06Cr17Ti，12Cr25Ti，

008Cr27Mo等⑶

A不锈钢：具有单相A组织，如

06Cr18Ni9、12Crl8Mn8Ni5N等⑷

A-F复相不锈钢：如12Cr21Ni5Ti⑸沉淀硬化不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb5.1.2不锈钢的组织与分类2023/1/31铁素体形成元素占优势：F

奥氏体形成元素占优势：A

奥氏体形成元素不足以使马氏体转变Ms点降至室温以下：M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+30N+0.3Cu图5-4不锈钢的组织图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。合金元素对组织的影响2023/1/31本章内容5.1概述5.2影响不锈钢组织和性能的因素

5.3铁素体不锈钢

5.4马氏体不锈钢

5.5奥氏体不锈钢

5.6双相不锈钢2023/1/315.2影响不锈钢组织和性能的因素

（GB1220—1992）

一、合金元素对Fe电极电位的影响图5-5Cr对Fe-Cr合金电极电位影响不锈钢的组织图rCr—铬与铁的摩尔比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2023/1/31

12.5%摩尔比＝12.5×52/(12.5×52+87.5×55.8）＝11.7％重量比

……＝23.7％重量比

……＝35.9％重量比因此，11.7％是不锈钢Cr的最低含量，但由于钢中有C的缘故，一部分碳与Cr形成碳化物，为使固溶体中的Cr量不少于11.7％，实际不锈钢中含Cr量不低于13％。不锈钢中的Cr含量2023/1/31二、合金元素对不锈钢基体组织的影响

不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和良好耐蚀性的保证，使钢在室温下得到单相组织（A，F），就可以减少微电池的数量，提高耐蚀性。合金元素影响：

1)一类是扩大奥氏体形成元素：C，N，Mn，Ni,Cu等

2)一类是F形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，Mo等2023/1/311、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2、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%）3、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2023/1/31本章内容

5.1概述

5.2影响不锈钢组织和性能的因素5.3铁素体不锈钢

5.4马氏体不锈钢

5.5奥氏体不锈钢

5.6双相不锈钢2023/1/315.3铁素体不锈钢用作受力不大的耐酸和抗氧化结构件F不锈钢一般都是含Cr量较高的Fe-Cr-C合金,不能热处理强化。（1）Cr13型如06Cr13，06Cr13Al等；（2）Cr17型如10Cr17,019Cr17Ti,10Cr17Mo等；（3）Cr25-30型如16Cr25N，14Cr25Ti，

008Cr30Mo2等。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。2023/1/31一、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

由于原子扩散快，晶粒粗化温度低和晶粒粗化速率高。在600℃以上晶粒就开始长大，而A不锈钢相应为900℃思考:为什么不能象一般钢那样经过重新加热重结晶而细化晶粒?2023/1/31

（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.

原因:在脆化T范围内长期停留时，铬有序化→α″相（80％Cr＋20％Fe）

，与母相共格→大内应力。→AK↓↓

（3）金属间化合物σ相的形成

σ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

2023/1/31采用淬火和退火温度如图5.7所示。Ⅰ区为晶间腐蚀，Ⅱ区σ相析出区，Ⅲ475℃脆性区。870－950℃淬火水冷避开上述区，560－800℃退火就要避开Ⅱ区、Ⅲ区的动力学时间。图5-6铁素体不锈钢的热处理工艺二、

F不锈钢热处理2023/1/31本章内容

5.1概述

5.2影响不锈钢组织和性能的因素

5.3铁素体不锈钢5.4马氏体不锈钢

5.5奥氏体不锈钢

5.6双相不锈钢2023/1/315.4马氏体不锈钢

5.4.1马氏体不锈钢的成分和组织特点

这类钢主要含12~18%Cr，淬火冷却能产生M。但耐蚀性、塑性和焊接性能较其他不锈钢差。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：（1）Cr13型，有12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13

（2）高碳高铬钢，如95Cr18、90Cr18MoV等；（3）低碳17%Cr-2%Ni钢，如14Cr17Ni2。思考题：

40Cr13为什么是过共析钢?

95Cr18含Cr已达18%，但只是耐大气腐蚀不锈钢?12Cr13：M+F20Cr13：M30Cr13：M40Cr13：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）2023/1/315.4.2马氏体不锈钢热处理

常用的热处理工艺有软化处理、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。840-900℃，2-4h，≤25℃/h冷至600℃空冷，组织为：F＋碳化物2023/1/31调质处理

12Cr13、20Cr13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

30Cr13、40Cr13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AR图5-74Cr13铸态组织——贝氏体+碳化物+残余奥氏体硬度：491HV图5-84Cr13热处理后组织——回火马氏体+碳化物硬度：710HV贝氏体+碳化物+残余奥氏体回火马氏体+碳化物(a)(b)2023/1/31本章内容5.1概述

5.2影响不锈钢组织和性能的因素

5.3铁素体不锈钢

5.4马氏体不锈钢5.5奥氏体不锈钢

5.6双相不锈钢2023/1/315.5奥氏体不锈钢分类（按化学成分分）：Cr－Ni，Cr－Mn－N，Cr－Mn－Ni－N图5-9单相奥氏体组织

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。2023/1/315.5.1奥氏体不锈钢的成分特点

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。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）。

5.5.2奥氏体不锈钢的晶间腐蚀2023/1/31图5-11晶间腐蚀图5-10晶间腐蚀贫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，如图5-12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。2023/1/31图5-12奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的TTS曲线

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，如图5-13。曲线1表示析出M23C6型K的富Cr区域，曲线2是产生晶间腐蚀的区域，曲线3表示析出MC型K的区域。?在仅有MC型K析出的区域，没有晶间腐蚀倾向。图5-13奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出2023/1/31

为防止A不锈钢的晶间腐蚀，可采取以下措施：（1）降低钢中的含C量；（2）加入Ti、Nb，析出特殊K，稳定组织；（3）进行1050~1100℃的固溶处理，保证Cr含量；（4）对非稳定性A不锈钢进行退火处理，使A成分均匀化，消除贫Cr区;（稳定化处理？）（5）对稳定性钢，通过退火热处理（稳定化处理）形成Ti、Nb的特殊K，以稳定固溶体中Cr含量，保证含Cr量水平.2023/1/315.5.3奥氏体不锈钢的热处理15固溶处理：奥氏体不锈钢的固溶处理温度一般为1050~1150℃，比较常用1050~1100℃。为了保证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。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，所以也具有最高的耐蚀性能。2023/1/31图5.14奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化退火工艺2023/1/31稳定化处理

也称为稳定化退火。这种处理只是在含Ti、Nb的A不锈钢中使用。合理选择稳定化处理的温度和时间，→获得最佳的效果。一般原则

高于Cr23C6的溶解温度而低于TiC的溶解温度。通常采用850~950℃，保温2~4h后空冷，如图5-14所示。在稳定化退火过程中，能将Cr23C6转变为TiC，→彻底消除晶间腐蚀倾向。2023/1/315.5.4锰氮奥氏体不锈钢

由于Ni在全球都是稀缺资源，为了节省Ni，我国研制了很多节Ni和无Ni的奥氏体不锈钢。大约有三种：

Cr-Mn，以Mn代Ni;Cr-Mn-N，以Mn，N代Ni;Cr-Mn-Ni-N，以Mn，N代替部分Ni.图5-15Fe-Cr-Mn（0.1%C）650℃

时等温截面2023/1/31氮含量受到溶解度的限制，一般的氮含量在0.3~0.5%以下。用Mn，N完全代替Ni，很难得到单一的A，但钢中少加点Ni就能得到单相A组织。代表：12Cr18Mn8Ni5N应用：化肥，磷酸，醋酸等工业的耐蚀构件图5-16Ni对Cr-Mn-N钢组织的影响比较F，M，A不锈钢的各自性能特点?2023/1/31本章内容5.1概述

5.2影响不锈钢组织和性能的因素

5.3铁素体不锈钢

5.4马氏体不锈钢

5.5奥氏体不锈钢5.6双相不锈钢2023/1/315.6双相不锈钢近几十年发展起来的新钢种组织：A＋F成分：18-26％Cr＋4-7％Ni＋Mn，Mo，Cu，Ti，W，N等特点：兼具F不锈钢和A不锈钢的特性1.A的存在降低了钢的脆性，提高了钢的可焊性和韧性2.F的存在提高了钢的屈服强度，抗应力腐蚀敏感性，A＋F降低了钢晶间腐蚀的倾向3.热处理：1000-1100℃淬火得到60％F＋40％A图5-4不锈钢的组织图本章小结

不锈钢主要矛盾是耐蚀性和强度的合理兼顾。对于一定成分的不锈钢，要达到预定耐蚀性和力学性能，关键是热处理工艺。不同类型或成分的不锈钢适用于不同介质的工作环境

耐蚀能力遵循n/8规律。A不锈钢主要问题是晶界腐蚀。措施:从合金化角度