金属材料焊接工艺 第3版 教案 17 不锈钢的类型与性能

授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号17授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：第四章不锈钢的焊接1、不锈钢的类型与性能教学目标：知识目标：了解不锈钢的类型能力目标：熟悉不锈钢的性能及特征素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：重点向学生介绍不锈钢的耐蚀性能。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：1．简述不锈钢腐蚀形式及特征。课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．复习引入10分钟2．讲解45分钟3．提问20分钟4.小结15分钟二、教学内容不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的、具有高度化学稳定性的合金钢的总称。不锈钢具有良好的耐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备。不锈钢中主加元素铬的质量分数ｗCr＞12％，通常还含其他合金元素如Ni、Mn、Mo等。不锈钢之所以具有耐腐蚀性是因为：一是不锈钢中一定量的Cr元素，能在钢材表面形成一层不溶于腐蚀介质的坚固的氧化钝化膜，使金属与外界介质隔离而不发生化学作用；二是大部分金属腐蚀属于电化学腐蚀，铬的加入可提高钢基体的电极电位；三是Cr、Ni、Mn、N等元素的加入还会促使形成单相组织，阻止形成微电池，从而提高耐蚀性。按照合金元素对不锈钢组织的影响和作用的程度，将其分为两大类：一类是形成或稳定奥氏体的元素：C、Ni、Mn、N和Cu等；另一类是缩小或封闭奥氏体区即形成铁素体的元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、V、W和Al等。能力知识点1锈钢的类型不锈钢实际上是不锈钢和耐（酸）蚀钢的总称。在空气或弱介质中能抵抗侵蚀的钢称为不锈钢；在某些强腐蚀介质中能抵抗侵蚀的钢称为耐蚀钢。不锈钢不一定能耐（酸）腐蚀，而耐蚀钢一定具有良好的耐蚀性。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段不锈钢按其金相组织可分为铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、双相不锈钢（包括奥氏体－铁素体型、奥氏体－马氏体型）、沉淀硬化不锈钢等。1．铁素体不锈钢室温组织为铁素体铬的质量分数ｗCr在11.5％～32.0％的范围内。随ｗCr增加，其耐酸性能提高；加入钼后，则可以提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。典型牌号有00Cr12、1Cr17、00Cr17Mo、00Cr30Mo2等主要用于制造硝酸化工设备的吸收塔、热交换器、储运和运输硝酸用的槽罐以及制造不承受冲击载荷的其它零部件和设备。根据C和N的总含量，铁素体不锈钢分为普通纯度和超高纯度两个系列。（1）普通纯度铁素体不锈钢其碳的质量分数wc为0.1％左右，并含有少量的氮，其典型的牌号为1Cr17、1Cr17Mo等。与奥氏体不锈钢相比，缺点是材质较脆，焊接性较差。其主要原因是其中碳和氮的总质量分数较高、在高温加热条件下造成钢的脆性转变温度升高。（2）超高纯度铁素体不锈钢通过真空或保护气体精炼技术炼出超低碳和超低氮含量（C+N总的质量分数≤0.025％～0.035％）的超高纯度铁素体不锈钢，其典型牌号有00Cr18Mo2和00Cr27Mo等。这类钢不论在韧性、耐蚀性还是焊接性等方面均优于普通纯度的铁素体不锈钢，并得到了广泛的应用。2．马氏体不锈钢室温组织为马氏体铬的质量分数ｗCr在11.5％～18.0％范围内，碳的质量分数ｗC最高可达1.0％。马氏体不锈钢具有一定的耐酸腐蚀性和较好的热稳定性及热强性。主要用于力学性能要求较高、且在弱腐蚀介质中工作的零件和工具，也可作为温度在700℃以下长期工作的耐热钢使用，如汽轮机的叶片、内燃机排气阀和医疗器械等。这类钢的焊接性较差，其典型牌号的钢板有1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2等。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段3．奥氏体不锈钢室温组织为奥氏体它是在高铬不锈钢中加入适当的镍（镍的质量分数wNi为8％～25％）而形成的。奥氏体不锈钢是以Cr18Ni9铁基合金为基础，在此基础上随着用途的不同，发展了六大系列奥氏体不锈钢：1）在0Cr18Ni9的基础上降低碳的质量分数，获得00Cr19Ni10等超低碳不锈钢，耐蚀性提高；在此基础上加入Mo、Cu、Ti，获得00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Ni14Mo2Cu2Ti等，抗还原性酸的能力提高；2）在0Cr18Ni9的基础上增加碳的质量分数，获得1Cr18Ni9等，强度提高；3）在0Cr18Ni9基础上加入Ti、Nb等稳定碳化物元素，获得0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb等，抗晶间腐蚀的能力提高；4）在0Cr18Ni9的基础上加入Mo、Cu、Ti等元素，获得1Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti、0Cr18Ni12Mo2Cu2等，抗还原酸腐蚀的能力和抗晶间腐蚀的能力提高；5）在0Cr18Ni9基础上加入Cr、Ni等元素，可获得1Cr23Ni13、1Cr25Ni20等，耐热性提高；6）在0Cr18Ni9基础上用Mn、N代Ni，节约了Cr、Ni，获得1Cr17Mn6Ni5N、1Cr18Mn8Ni5N，成本降低。奥氏体不锈钢属于耐蚀钢，在氧化性、中性及弱还原性介质中有良好的耐蚀性，是应用最广泛的不锈钢，其中以18-8型不锈钢最具有代表性，它具有较好的力学性能，便于机加工、冲压和焊接。在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能；但对溶液中含有氯离子（Cl-）的介质特别敏感，易于发生应力腐蚀。18-8型不锈钢按其化学成分中的碳的含量不同，可分为三个等级：一般含碳量（wc≤0.15%）、低碳级（wc≤0.08%）和超低碳级（wc≤0.03%）。如1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9三种钢材分别属于上述三个等级。部分奥氏体不锈钢可作为耐热钢使用填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段4.奥氏体-铁素体型双相不锈钢室温组织为奥氏体+铁素体与含碳量相同的奥氏体不锈钢相比，具有较小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，且韧性比铁素体不锈钢好。同时，由于少量铁素体的存在，还有利于奥氏体不锈钢在焊接过程中防止热裂纹的形成。当铁素体的体积分数在30％～60％时，不锈钢具有特殊的抗点蚀、抗应力腐蚀的性能，如00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr26Ni5Mo2等牌号，这类钢的屈服点约为一般奥氏体不锈钢的两倍。广泛应用于化肥厂和化工厂等设备装置，其机械加工、冷冲压和焊接性能良好，且具有较好的耐蚀性能。５．沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性能的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、弹簧、阀等零件以及高强度压力容器、化工处理设备和航空航天设备等。能力知识点2不锈钢的性能1．不锈钢的物理性能奥氏体不锈钢的线膨胀系数比低碳钢大将近50％，而热导率仅为低碳钢的1/3左右；铁素体不锈钢钢和马氏体不锈钢钢的线膨胀系数与低碳钢相近，而热导率仅为低碳钢的1/2左右。由于奥氏体不锈钢的特殊物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种钢焊接时，由于两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差别，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。奥氏体不锈钢通常是非磁性的，当冷加工硬化产生马氏体相变时，将产生磁性，可用热处理方法来消除马氏体和磁性。2．不锈钢的力学性能各类不锈钢的力学性能见表4-2（教材P67）奥氏体不锈钢的综合性能最好，既有足够的强度，又有极好的塑性，同时硬度也不高。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段奥氏体不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服点和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小；并具有较高的冷加工硬化性。马氏体不锈钢在退火状态下，硬度最低；可通过淬火硬化；正常使用时回火状态的硬度又稍有下降。铁素体不锈钢的特点是常温塑性低。当在高温长时间加热时，可能导致475℃脆化，σ脆性相产生或晶粒粗大等，使力学性能进一步恶化。３．不锈钢的耐蚀性能不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面腐蚀）、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀破裂等五种。（1）均匀腐蚀均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。由于不锈钢中铬的质量分数在12.5％以上，在氧化性介质中容易在表面形成富铬氧化膜，该膜能够阻止金属的离子化而产生钝化作用，同时还能提高基体的电极电位，因此提高了不锈钢的耐均匀腐蚀性能。（2）晶间腐蚀晶间腐蚀是起源于金属表面沿金属晶界发生的有选择的深入金属内部的腐蚀。该种腐蚀是一种局部腐蚀，能够导致晶粒间的结合力丧失，使材料强度几乎消失。所以在所有的腐蚀形式中，晶间腐蚀的危害性最大，容易造成设备突然破坏，而在金属外形上没有任何变化。奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢均会产生晶间腐蚀。（3）点蚀点蚀是指在金属表面产生的尺寸约小于1.0㎜的穿孔性或蚀坑性的宏观腐蚀。主要是由材料表面钝化膜的局部破坏所引起的，经试验研究表明，材料的阳极电位值越高，抗点蚀能力越好。超低碳高铬镍含钼奥氏体不锈钢和超高纯度含钼高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点蚀性能。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段（4）缝隙腐蚀缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑，常发生在垫圈、铆接、螺钉连接缝、搭接的焊接接头等部位。主要是由介质的电化学不均匀性引起的。0Cr18Ni9及00Cr17Ni14Mo2型奥氏体不锈钢、铁素体及马氏体不锈钢在海水中均有缝隙腐蚀的倾向。适当增加铬、钼含量可以改善抗缝隙腐蚀的能力。实际上只有采用钛、高钼镍基合金和铜合金等才能有效地防止缝隙腐蚀的发生。因此，改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。（5）应力腐蚀破裂应力腐蚀破裂是指在拉伸应力与电化学介质的共同作用下，因阳极溶解过程而引起的断裂。其产生的条件如下：1）引起应力腐蚀破裂的介质条件应力腐蚀的最大特点之一是在腐蚀介质与材料的组合上有选择性。在此特定组合以外