第六章不锈钢

第六章不锈钢

(STAINLESSSTEELS)

不锈钢概述定义：在自然环境或一定介质中具有耐腐蚀性的钢种。不锈钢的主要性能指标：耐蚀性使用不锈钢的目的：提高材料耐蚀性，减少消耗，延长使用寿命第一节金属的腐蚀与防护一、金属的化学腐蚀和电化学腐蚀腐蚀：金属和合金由于外部介质的化学作用和电化学作用而引起的破坏。分为化学腐蚀和电化学腐蚀1.化学腐蚀：金属在腐蚀过程中没有电流流动，腐蚀产物在金属表面产生，如金属的高温氧化。2.电化学腐蚀：腐蚀过程中有电流流动产生条件（1）金属各部位或不同金属间存在电极电位差；（2）电极电位不同的金属相接触或中间连接；（3）各部位金属在同一电介质溶液中，且电介质相互联通。二、金属腐蚀破坏的基本类型均匀腐蚀晶间腐蚀点蚀应力腐蚀磨损腐蚀腐蚀疲劳应力腐蚀裂纹晶间腐蚀点蚀腐蚀第二节对不锈钢性能要求及影响其耐蚀性因素一、不锈钢工作条件及对性能的要求1.工作环境：

宇航，海洋，石化，动力等等环境中许多设备长期在腐蚀环境介质中工作，腐蚀是主要的失效原因之一。

2.性能要求：（1）对具体使用环境，应具有尽可能高的耐蚀性

某些不锈钢在特定的介质中耐蚀，在其他的介质中可能不耐蚀（2）力学性能要求（3）工艺性能要求良好的冷热成型，焊接性能等二、工作介质对不锈钢耐蚀性的影响

金属的耐蚀性与工作介质的种类、浓度、温度、压力等有关1.氧化性介质（HNO3）该介质含氧量较高，容易在钢表面形成钝化膜。2.

非氧化介质

（H2SO4，HCl，有机酸等）介质含氧量低，钝化膜不易形成，甚至不能钝化。三、提高不锈钢耐蚀性途径提高电极电位使金属表面钝化使钢获得单相组织，并有均匀的化学成分，和高的纯净度1.合金元素对不锈钢的钝化的影响钝化：某些金属在特定的环境下表面失去金属活性，呈现与惰性金属相似的特性钝化机制：金属表面与周围介质生产一层极薄的氧化膜（钝化膜），作为金属与介质之间的一个屏障，降低金属的腐蚀钝化的作用：使金属在一定条件下，阳极反应受阻，从而提高耐蚀性常用的钝化元素：Cr，Al，Si(Mo，Cu)2合金元素对Fe电极电位的影响

一般讲，金属固溶体的电极电位比化合物低，所以在腐蚀过程中，金属固溶体作为阳极被优先腐蚀。1）提高Fe基体的电极电位可提高耐蚀性2）Cr对Fe基体的电极电位影响的n/8规律Fe基固溶体的电极电位随Cr含量达到Cr/Fe摩尔比的1/8,2/8,3/8…n/8时，Fe的电极电位会发生跳跃式升高，腐蚀显著减弱的现象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％。3）不锈钢中的Cr含量3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等第三节、不锈钢分类按耐蚀性分类按金相组织分类按化学成分分类一、按耐蚀性分类按平均腐蚀深度或腐蚀失重来评级和分类：二、按金相组织分类按不锈钢在900-1100℃加热并在空气中冷却后的基体组织分类：铁素体不锈钢奥氏体不锈钢马氏体不锈钢F－A双相钢沉淀硬化不锈钢F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不以使马氏体转变Ms点降至室温以下：M

……

……

(F-M，A-M)A氏体形成元素【Ni】=1×Ni＋0.5Mn＋30(C＋N)；

F形成元素【Cr】=1×Cr＋1×Mo＋1.5Si＋0.5

Nb；三、按化学成分分类Cr不锈钢Cr-Ni不锈钢Cr-Mn-N不锈钢Cr-Mn-Ni-N不锈钢

第四节铁素体、马氏体不锈钢F，M不锈钢一般都是含Cr量较高的Fe-Cr-C合金Cr<12时，通过加热可以获得单一的奥氏体，在冷却过程中通过淬火可以转变为马氏体，发生γα

Cr>13，为单相的F，无αγ转变。

12<Cr<13仅发生部分αγ，称F-M钢一、F不锈钢1.F不锈钢化学成分，种类和组织（1）化学成分Cr：13～30％（提高电极电位，钝化）C：低碳：0.08-0.15％辅加元素：Ti，N，Mo，Si，AlTi：稳定碳，防止高Cr铁素体不锈钢晶间腐蚀N：细化铸态组织Mo，Al，Si进一步强化钝化膜，提高在非氧化介质中的耐蚀性铁素体不锈钢制品用作受力不大的耐酸和抗氧化结构件（2）铁素体不锈钢的种类Cr13型：0Cr13Al(新牌号06Cr13Al)0Cr11Ti（06Cr11Ti）Cr17型：1Cr17（10Cr17），1Cr17Mo（10Cr17Mo）Cr25～Cr28型：2Cr25N（16Cr25N）00Cr27Mo（008Cr27Mo）(3)铁素体不锈钢的组织F＋碳化物2.铁素体不锈钢的脆性晶粒粗大脆性σ相析出脆性

475℃脆性高温脆性铁素体不锈钢的主要缺点：脆性大（1）晶粒粗大脆性

F不锈钢铸态组织晶粒粗大、脆性大，并且不能通过热处理消除，只能通过压力加工碎化，通过添加少量Ti消除（2）σ相析出脆性

σ相是一种Fe，Cr的金属间化合物，HRC在68以上。铁素体不锈钢在550～850℃长时间加热，从δ铁素体中析出σ相，使钢材变脆。而σ相通常沿晶界析出，可引起晶间腐蚀。钢中σ相（3）475℃脆性

Cr>15%时，在400－525℃长时间加热，或在此温度范围内缓冷，钢在室温下将变得很脆，特别是在475℃脆化最为明显，称为475℃脆性。原因是：475℃加热时，F内的Cr原子趋于有序化，形成许多富Cr的小区域（80％Cr＋20％Fe）并与母相共格，引起点阵畸变和内应力，造成脆性，可通过在高于475℃加热，随后快冷消除。（4）高温脆性

F不锈钢在加热900-1100℃以上，冷却到室温，会出现严重脆化，抗蚀性能也大大降低，称为高温脆性。

主要原因：一是C，N较多的F不锈钢冷却时，会在晶界处或位错处析出高Cr碳化物和氮化物引起脆性；二是高温时，C，N在晶界吸附，使晶界区稳定A元素浓度增高，形成一层包围F晶粒的奥氏体层，在冷却时转变为M，造成脆性3.F不锈钢的压力加工及热处理(1)锻轧高Cr铁素体不锈钢晶粒粗大，热加工时，一般采用较低的始锻温度（1040-1120℃）＆终锻温度（700-800℃）(2)热处理为消除压力加工应力和获得成分均匀的F组织，锻轧后需淬火或退火。加热温度一般不超过900℃，为防止σ相析出脆性和475℃脆性，淬火、退火保温时间不能太长（1h）退火至600℃，快冷。二、M不锈钢（一）特点：可热处理强化，较高的力学性能，但耐蚀性、塑性和焊接性能较其他不锈钢差。（二）化学成分和种类化学成分：12～18％Cr0.1～0.9％C辅加一定的Ni，Mo种类：

（1）低中碳

13％Cr型：0Cr13（06Cr13），1Cr13(12Cr13)，2Cr13(20Cr13)，3Cr13(30Cr13)，4Cr13(40Cr13)

（2）高碳

Cr18型：9Cr18(95Cr18)，9Cr18MoV(90Cr18MoV)（3）低碳17％Cr＋2%Ni:1Cr17Ni2(14Cr17Ni2)压缩机转子，船舶尾轴（三）Cr13型马氏体不锈钢1.Cr13型马氏体不锈钢室温平衡组织F＋碳化物2.特点αγ但由于Cr％较高，过冷奥氏体稳定性高，淬透性高，空冷即可获得马氏体，所以又根据空冷的金相组织可以Cr13型马氏体不锈钢分为：0Cr13，1Cr13：M＋F钢2Cr13，3Cr13：M钢4Cr13：M＋碳化物钢软化处理：降低硬度，有利切削，消除锻轧应力防止开裂

1）高温回火：700-800℃，2-6h空冷，得到回火索氏体

2）完全退火：840-900℃，2-4h，≤25℃/h冷至600℃空冷，组织为：F＋碳化物

3.Cr13型马氏体不锈钢热处理软化处理，淬火，回火(2)淬火淬火温度：1000-1050℃3Cr13，4Cr13含碳量高，温度高些淬火后组织：0Cr13，1Cr13：F＋M2Cr13：M＋少量A’3Cr13：M＋少量A’4Cr13：M＋碳化物＋A’Cr13型马氏体不锈钢淬火后，硬度高，内应力大，易开裂，必须回火。回火方式：低温回火：要求高硬度，高耐磨性时回火温度：200-250℃3Cr13，4Cr13多采用低温回火：得到回火M＋碳化物＋A’高温回火：要求综合力学性能的零件回火温度：650-700℃1Cr13，2Cr13常采用回火后的组织：回火索氏体不宜中温回火(400～600)：475℃脆性

(3)回火（4）Cr13马氏体不锈钢主要用途价格最低的不锈钢0Cr13，1Cr13，2Cr13主要制作要求塑性、韧性高与受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片，水压机阀，螺栓等，常温下耐蚀介质的的容器3Cr13，4Cr13

主要用于要求高硬度又具有耐蚀性要求的零件或工具，如医疗器械，阀门，滚珠轴承等（四）1Cr17Ni马氏体不锈钢化学成分：1Cr17基础上添加2％的Ni17％Cr＋2％Ni＋0.1％C优点：具有1Cr17的耐蚀性，又具有Cr13型不锈钢的的力学性能，在海水及HNO3中具有好的耐蚀性，用在船舶尾轴，压缩机转子等场合。热处理：软化退火同Cr13型淬火：980-1000℃，油冷，M＋F＋A’回火：低温回火：275-350，回火M＋F

高温回火：600-700，回火索氏体＋F因475℃脆性，不宜在350-550℃回火第五节奥氏体不锈钢不锈钢中用量最大的一种，约占不锈钢的2/3优点：较好的耐蚀性，冷加工成型性，可焊性缺点：强度低，不能淬火强化，易受晶间腐蚀，应力腐蚀分类（按化学成分分）：Cr－Ni，Cr－Mn－N，Cr－Mn－Ni－N一、Cr－Ni型A不锈钢（一）Cr－Ni型(18-8)奥氏体不锈钢型奥氏体不锈钢的钢种，成分和组织

1.钢种和牌号GB/T-1220-20072.18-8型奥氏体不锈钢成分特点低碳（超低碳）高Cr（18％），高Ni（9％）：18-8（1）为使18％Cr钢获得单相奥氏体，Ni必须达到9％（2）18％＋9％Ni接近n/8规律的n＝2时的电极电位值，钢的耐蚀性达到较高水平适当添加Ti，Nb，Mo等元素，消除晶间腐蚀，提高抗点蚀能力3.18－8不锈钢组织平衡组织：A＋F＋M23C6

缓冷沿ES线析出碳化物缓冷至SK线以下，还要发生部分γ相转变为α相奥氏体不锈钢是经淬火热处理得到：单一A加热到ES线以上，碳化物溶于A中，经淬火，高温状态的碳等元素的过饱和固溶体保持到室温，得到单一的奥氏体组织d0Cr18Ni10Ti（06Cr18Ni11Ti）固溶状态组织（二）18－8不锈钢冷、热加工热加工：18－8具有良好的热塑性，但由于钢在高温加热时易产生δ铁素体，其会降低不锈钢的热塑性冷变形加工：良好的冷变形能力，可以以此强化钢材。但塑性大大下降，原因一是点阵畸变，二是形变诱发马氏体焊接：焊接性好，但有热裂问题热裂焊接热裂：是出现在焊缝金属或接近母材的焊缝热影响区的一种裂纹失效行为。产生原因：焊缝金属或与熔融金属接触的母材的晶界有低熔点液态夹杂存在有关；单相奥氏体钢焊缝组织是粗大的柱状晶，有方向性，低熔点夹杂物分布其中，容易在凝固收缩时引起裂纹，裂纹可沿凝固晶界扩展。防止方法：采用γ＋δ复相组织的焊缝可消除（δ+Lγ）；降低s、C，夹杂。（三）18－8的热处理固溶处理：（1050-1150℃＋水冷）加热到单项A区，快冷使A保持到室温。最低的强度，硬度，最高的耐蚀性。钢焊接，热加工，冷加工等应力消除。

敏化处理18-8型奥氏体不锈钢固溶处理后再加热到400-800℃，钢中的Cr的碳化物析出强烈，使钢对晶间腐蚀更为敏感，不管是否有意为之，均称为敏化处理。如焊接热影响区。消除方法：固溶处理来消除奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出消除应力处理（1）消除冷加工后的内应力，250-450℃，1-2h，空冷（2）消除冷加工对应力腐蚀的敏感性及焊接应力：>850℃保温，对于不含Ti，Nb的不锈钢加热后快冷到540℃空冷（躲过Cr23C6的析出温区），含Ti，Nb的不锈钢直接空冷稳定化处理针对含Ti，Nb的18－8奥氏体不锈钢而设计的热处理工艺，加Ti，Nb目的是与钢中碳反应生成TiC＆NbC，而不生成Cr23C6，就可以防止应力腐蚀。稳定化处理就是让钢中的C只与Ti，Nb反应，而不和Cr反应，就是加热到高于Cr23C6分解温度以上，但低于TiC和NbC的溶解温度保温几个小时，再冷却到室温，就可以实现不形成或少生成Cr23C6。工艺：850-900℃，2-4h空冷二、Cr-Mn，Cr-Mn-N，Cr-Mn-Ni-N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NiCr-Mn-N，以Mn，N代NiCr-Mn-Ni-N，以Mn，N代替部分Ni1.Cr-Mn奥氏体不锈钢代表：1Cr17Mn9组织：因Mn稳定A的能力不如Ni,故Cr－Mn奥氏体不锈钢不能形成单一的A组织，而是两相(F+A)组织耐蚀性：仅取决于Cr应用：一般的非强腐蚀介质环境中，如食品工业2.Cr-Mn-N奥氏体不锈钢N也是稳定A元素，一般无Ni不锈钢以N代Ni，一般含量为：0.3～0.5％。太高，钢中易出现N以N2形式析出而形成气孔，而且易于与Ti结合成TiN夹杂物代表：0Cr17Mn13Mo2N，我国研制的一种双相（A＋F）不锈钢，虽然冷热加工性能差些，但耐蚀性不错，能部分代替1Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni2Mo2Ti等应用：化肥，化纤，印染等行业3.

Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢用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：1Cr18Mn8Ni5N(12Cr18Mn8Ni5N)性能：良好的耐蚀性，较高的强度，塑性和可焊性应用：化肥，磷酸，醋酸等工业的耐蚀构件三、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀，应力腐蚀和点蚀

晶间腐蚀，应力腐蚀和点蚀是奥氏体不锈钢使用过程中最为普遍的破坏形式，也是其使用的主要缺点。1.晶间腐蚀敏化处理后的奥氏体不锈钢，在许多腐蚀环境中会发生晶间腐蚀，这是由于晶界贫Cr造成的，在许多石油化工行业中常见。消除方法（1）固溶处理；（2）降低含碳量，（3）加Ti，Nb稳定化处理（4）改变晶界上碳化物析出数量及分布形态，减少在晶界的析出奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出晶间腐蚀2.应力腐蚀奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含Clˉ的介质中发生，裂纹为树枝状。18－8型不锈钢强度低，易发生滑移，当位错到达表面时，使钝化膜发生破坏。防止方法：从应力、介质和材料出发。

发生应力腐蚀奥氏体不锈钢管道内壁应力腐蚀裂纹3.点蚀（孔蚀）腐蚀性阴离子在氧化膜表面吸附后穿过钝化膜所致。防止办法：加入Cr，Mo，N等第六节F－A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.存在脆性倾向，尤其是在焊接区，主要是σ，χ，η相沉淀和α’相析出引起。热处理：1000-1100℃淬火得到60％F＋40％A第七节沉淀硬化不锈钢（超高强度钢）分类以1Cr18Ni9钢为基础发展而来的奥氏体－马氏体沉淀硬化不锈钢以Cr13型马氏体不锈钢发展而来马氏体沉淀硬化不锈钢特点：在形成马氏体基础上，经时效处理产生沉淀强化，而得到超高强度。所以既具有Cr18Ni9钢优良的焊接性能，有具有马氏体钢的高强度应用：航空，宇航领域代表钢种：0Cr17Ni7Al(07Cr17Ni7Al)0Cr15Ni7Mo2Al(07Cr15Ni7Mo2Al)组织特点：室温下是不稳定的A性能特点：较好的塑性和加工性能，焊接性能热处理：含碳量低，成分设计上使Ms点略低于室温，以便通过各种处理使不稳定的A转变成低碳马氏体，然后在通过时效沉淀析出金属间化合物提高强度沉淀元素：Al，Ti，Mo一.奥氏体-马氏体沉