奥氏体不锈钢专题

技术人员培训第四讲：奥氏体不锈钢专题技术本部2003-05-271.概述2.奥氏体不锈钢的成分3.奥氏体不锈钢的组织3.3碳化物〔氮化物〕的沉淀析出4.奥氏体不锈钢的性能奥氏体不锈钢1913年在德国问世，在不锈钢中一直扮演着最重要的角色，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%。钢号也最多，当今我国常用奥氏体不锈钢的牌号就有40多个，最常见的就是18-8型。定义：常温下具有奥氏体组织的不锈钢。分类：Fe-Cr-Ni(主体)Fe-Cr-Mn国内外牌号比照：类型Type

GB(中国)ASTM(美国)JIS(日本)DIN(德国)奥氏体型Austenite1Cr17Ni7301SUS301X12CrNi1771Cr18Ni9302SUS302X12CrNi1881Cr18Ni10303SUS303X12CrNiS1880Cr18Ni9304SUS304X5CrNi18900Cr19Ni10304LSUS304LX2CrNi1890Cr17Ni12Mo2316SUS316X5CrNiMo181000Cr17Ni14Mo2316LSUS316LX2CrNiMo18100Cr18Ni10Ti321SUS321X10CrNiTi1890Cr19Ni13Mo3317SUS317X2CrNiMo18162.奥氏体不锈钢的成分在18-8型不锈钢的成分根底上演变，主要有以下几方面的重要开展：加Mo改善点蚀和耐缝隙腐蚀降C或加Ti、Nb，减少晶间腐蚀倾向加Ni和Cr改善高温抗氧化性和强度加Ni改善抗应力腐蚀性能加S、Se改善切削性和构件外表精度奥氏体不锈钢成分系统图3.奥氏体不锈钢的组织F相的出现一般都对奥氏体不锈钢的性能带来不利的影响：如使热加工产生裂纹的倾向性增大；钢的耐点蚀性下降，在诸多腐蚀环境〔如尿素生产〕中耐蚀性劣化；在高温下加长时间加热时，F相会转变为σ相使钢变脆等等。含量的粗略判定：图4-2不锈钢焊缝金属的组织(a)Schaeffler图(b)Delong图图4-3室温下变形奥氏体不锈钢的组织Creq×%Si+%Mo，Nieq=%Ni+30××%Mn根本的方法是提高钢中奥氏体形成元素的含量。Ni是首选的元素，但是从经济的角度出发，Mn和N也受到人们的重视。特别是N，其抑制铁素体形成的能力为Ni的30倍，同时又有改善耐蚀性和提高强度的作用，由Fe-Cr-Ni合金三元相图可知，大局部常用铬镍奥氏体不锈钢自高温奥氏体状态骤冷到室温所得到的奥氏体基体组织都是亚稳定的，在继续冷却或者经受冷变形时会局部转变为马氏体组织。对于每种钢都存在着两个马氏体转变的临界温度——Ms(冷却中开始产生马氏体转变的最高温度)和Md〔冷变形诱发马氏体转变的最高温度〕。马氏体的两种形态：α’马氏体，体心立方结构，铁磁性ε马氏体，密集六方结构，非铁磁性3.3碳化物〔氮化物〕的沉淀析出图4-10碳在Fe-18Cr-10Ni奥氏体不锈钢中的溶解度常见碳化物是M23C6型，其次还有MC和M6C型等。类型晶体结构表现形式形成环境在钢中的作用防止M23C6复杂的面心立方结构，每个晶胞中含有92个金属原子和24个碳原子①Cr23C6②铁、钼置换铬形成：(Cr,Fe)23C6(Cr,Fe,Mo)23C6③主要集中在晶界不含或含少量钛、铌等强碳化物形成元素的不锈钢①使钢的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能劣化②较多时影响力学性能，塑性和韧性降低①降C②参加Ti或Nb〔含量分别不少于碳含量的5倍和10倍〕MC或MN或M(CN)面心立方结构，C原子在晶体点阵中占据八面体的位置①TiC、NbC②TiN、NbN③碳、氮互相取代形成Ti(CN)④呈颗粒状弥散分布在晶内用足量的钛、铌等元素稳定化的不锈钢①稳定化处理时优先沉淀，减少并推迟了M23C6沉淀，提高钢的抗敏化能力②弥散分布提高钢的蠕变强度图4-14TiC在1Cr18Ni9Ti钢中的溶解度金属间相是指由钢中的两种或两种以上的金属元素构成的金属间化合物，简称为中间相。广义地讲，凡以元素周期表中B过渡族元素〔Mn、Fe、Co和Ni等〕为基体，含有A副族元素〔Ti、V和Cr等〕的合金系都能形成一系列金属间相。常用奥氏体不锈钢中出现的金属间相主要有σ相、χ相和Laves相(η相)等。类型晶体结构表现形式形成环境对不锈钢性能的影响影响金属间相的因素σ体心正方结构，每个晶胞含有30个原子①名义成分为FeCr，实际成分多为(FeNi)x(CrMo)y②主要在三晶粒交汇点和晶界处形成各种不锈钢①导致合金明显脆化②耐蚀性劣化①σ相②冷加工促进σ相的形成χ体心立方结构，每个晶胞含有58个原子①奥氏体钢中多为(FeNi)36Cr18Mo4②主要出现在晶界、非共格孪晶界和晶内位错处主要出现在含Mo的不锈钢中导致不锈钢耐蚀性下降及塑性、韧性的降低〔χ和Laves相总是与碳化物和σ相伴随出现，所以其影响常被掩盖〕①合金元素：Mo,Si,Ti促进其形成，Ni,C,N有抑制作用②冷加工稍有促进效果Laves六方结构，每个晶胞含有12个原子①如Fe2Mo和Fe2Nb②主要为晶内沉淀，并与奥氏体基体也保持一定的位向关系含有Mo、Nb等元素的不锈钢中①电子空位数等于合金中各元素的电子空位数与该元素原子百分数的乘积之和，即：电子空位数NV图4-16σ相形成对奥氏体不锈钢室温冲击韧性的影响4.奥氏体不锈钢的性能奥氏体不锈钢与铁素体、马氏体不锈钢的特性比拟表不锈钢的物理性能主要用以下几方面来表示：

①比热单位质量的物质温度改变1度所需要的热量。②弹性模量当施加力于单位长度棱柱的两端能引起物体在长度上的单位变化时，单位面积上所需的力③热膨胀系数因温度变化而引起物质量度的变化。膨胀系数是膨胀－温度曲线的斜率，两个指定的温度之间的平均斜率是平均热膨胀系数。通常是用长度表示。

④热导率物质导热的速率的量度。在单位截面积物质上建立单位长度上的1度的温度梯度时，那么热导率定义为单位时间传导的热量。表常用奥氏体不锈钢的物理性能JIS比热J/(kg·℃)弹性模量103MPa热膨胀系数(20～100℃)μm/(m·℃)热传导率W/m·K301500194301L500194304500194304J1500194304L500194304N1500194304N2500194316500194316L500193321500194表常用奥氏体不锈钢的力学性能KS〔JIS)热处理条件曲服强度(N/mm2)抗拉强度(N/mm2)延伸率〔%〕硬度HBHRBHV301S≥205≥520≥40≤207≤95≤218301LS≥215≥550≥45≤187≤90≤200304S≥205≥520≥40≤187≤90≤200304J1S≥155≥450≥40≤187≤90≤200304LS≥175≥480≥40≤187≤90≤200304N1S≥275≥550≥35≤217≤95≤200304N2S≥345≥690≥35≤248≤100≤260316S≥205≥520≥40≤187≤90≤200316LS≥175≥480≥40≤187≤90≤200321S≥205≥520≥40≤187≤90≤2004.2.2奥氏体不锈钢的冷作强化：稳定奥氏体和亚稳定奥氏体：图4-30301和310不锈钢应力应变曲线301(Cr17Ni7)——亚稳定奥氏体310(Cr25Ni20)——稳定奥氏体冷变形对301不锈钢室温力学性能的影响：图4-120冷变形对301不锈钢室温力学性能的影响1〕电阻系数远大于低碳钢，为其4倍，焊接时焊条〔或焊丝〕及焊接区的母材都比拟容易被加热而融化，因此焊接标准要小于低碳钢，电流是碳钢的80%，并且尽可能使用较快的焊接速度。2〕膨胀系数大约是低碳钢的1.35倍，导热系数约为低碳钢的1/3，所以奥氏体不锈钢有较大的热裂纹敏感性。1〕焊接热过程图4-43不锈钢焊缝结晶和焊接热循环曲线示意图2〕多采用手工焊、埋弧自动焊、TIG〔钨极亚弧焊〕和MIG〔融化极亚弧焊〕气体保护焊等方法。图TIG和MIG的焊接原理3〕焊接过程中一般不发生组织变化，因此不必预热。在某些情况下预热是有害的，会引起碳化物析出或产生翘曲。4〕焊缝组织中含有适量的铁素体可减少焊缝热裂和微裂纹敏感性：铁素体可以溶解Nb、Si、P、S等元素，防止焊缝产生低熔点共晶物，另外在结晶过程中，铁素体首先结晶出来，增加了晶核，加快了一次组织方向性和细化晶粒，且铁素体膨胀系数小，有利于减小焊缝的收缩应力。钢号化学成分母材填充金属CSiMnP≤S≤CrNiMo304308LSi≤20—308L≤2010—30820—304L308LSi≤20—308L≤152010—316316LSi≤12316L≤316L≤316L316LSi≤12316L≤2.2奥氏体不锈钢耐均匀腐蚀性能主要取决于钢中Cr、Ni、Mo、Cu、Si等合金元素的含量。1Cr18Ni9在不同酸溶液中的等腐蚀曲线(a)HNO3(b)CH3COOH(c)H3PO4(d)H2SO4选材代表钢种田园地域城市地域工业地域海岸地域ILMHILMHILMHILMH高耐蚀性STS○○○○○○○○○○○○○○○○STS316○○○○○○●●○●●○●◆■STS304●●●●●●●◆●◆◆■●◆■■○：优秀●：良好◆：一般■：较差I：室内环境

L：轻腐蚀环境

M：一般环境

H：恶劣腐蚀环境防止措施：降碳添加稳定化元素Ti、Nb等固溶处理：在1050～1150℃可得到完全均匀的奥氏体组织，然后快速冷却，防止在晶界析出连续的网状碳化物。选材：304L、316L等〔低碳〕，321、347等〔添加Ti/Nb〕点蚀一般发生在特定腐蚀介质中，特别是含有Cl－(包括Br－，I－)离子的介质。图点蚀反响模型图影响奥氏体不锈钢点蚀的因素：合金元素：Cr、Mo、N提高耐点蚀性M.B.Rockel研究了一系列常用不锈钢的耐点蚀性，得出合金对点蚀的影响如下列图：图4-74合金对点蚀的影响钢的显微组织：硫化物、δ-铁素体、σ相一般对耐点蚀性有害钢的外表状态：提高光洁度和均匀性提高耐点蚀性能选材：316、316L等(添加Mo)钢种特性用途301

17Cr-7Ni-低碳与304钢相比，Cr、Ni含量少，冷加工时抗拉强度和硬度增高，无磁性，但冷加工后有磁性。列车、航空器、传送带、车辆、螺栓、螺母、弹簧、筛网是在301钢根底上，降低C含量，改善焊口的抗晶界腐蚀性；通过添加N元素来弥补含C量降低引起的强度缺乏，保证钢的强度。铁道车辆构架及外部装饰材料304

18Cr-8Ni作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象〔无磁性，使用温度-196℃~800℃〕。家庭用品〔1、2类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸〕，汽车配件〔风挡雨刷、消声器、模制品〕，医疗器具，建材，化学，食品工业，农业，船舶部件304L

18Cr-8Ni-低碳作为低C的304钢，在一般状态下，其耐蚀性与304刚相似，但在焊接后或者消除应力后，其抗晶界腐蚀能力优秀；在未进行热处理的情况下，亦能保持良好的耐蚀性，使用温度-196℃~800℃。应用于抗晶界腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器，建材耐热零件及热处理有困难的零件因添加Cu其成型性，特别是拔丝性和抗时效裂纹性好，故可进行复杂形状的产品成形；其耐腐蚀性与304相同。保温瓶、厨房洗涤槽、锅、壶、保温饭盒、门把手、纺织加工机器。304N1

18Cr-8Ni-N在304钢的根底上，减少了S、Mn含量，添加N元素，防止塑性降低，提高强度，减少钢材厚度。构件、路灯、贮水罐、水管304N2

18Cr-8Ni-N与304相比，添加了N、Nb，为结构件用的高强度钢。构件、