《金属材料工程概论（第2版）》5不锈钢和耐热钢课件

5不锈钢和耐热钢材料腐蚀是材料受环境介质的化学作用、电化学作用而遭受退化与破坏的现象。5.1金属的腐蚀5.1.1腐蚀的分类所采用的标准不一样，可以有不同的分类。例如，依据环境介质可将腐蚀分为：(1)自然环境腐蚀；(2)工业环境腐蚀。自然环境腐蚀又可再分为大气、土壤、海水腐蚀三种;工业环境腐蚀也可依据工业环境介质的特性分为(1)金属腐蚀；(2)非金属材料腐蚀。依据腐蚀机理分为：(1)化学腐蚀；(2)电化学腐蚀。环境介质的不同，可将腐蚀分为：(1)气体腐蚀；(2)非电解质溶液中腐蚀；(3)大气腐蚀；(4)土壤腐蚀；(5)电解质溶液中腐蚀5.1金属的腐蚀5.1.2金属腐蚀的基本过程腐蚀能否进行，取决于金属能否离子化；而金属离子化的趋势，可以用金属的标准电极电位(εº)来表示：Fe→Fe2+＋2εº

＝-0.44(V)εº是Fe2+的活度都是1时的电极电位。在25℃时，从电化学得到：ε＝-0.44+0.0295Lg[Fe2＋]大部分金属的腐蚀属于电化学腐蚀。当两种电极电位不同的金属互相接触，并且有电解质存在时，便形成微电池，使得电极电位较低的金属成为阳极而不断被腐蚀。

在钢中加入大量的铬、镍等元素，起到以下作用：

（1）铬能在金属表面形成一层致密的Cr203氧化膜，使钢与外界隔绝，从而阻止其进一步氧化。（2）铬能够使钢中的铁素体、奥氏体、马氏体的电极电位提高，从而提高金属抵抗电化学腐蚀的能力。（3）铬与镍能使钢形成单相铁素体、奥氏体，有效地避免了微电池的形成。这样，就成功研制了一系列的不锈钢钢种和耐热钢钢种。

不锈耐酸钢(或简称为不锈钢)是指一些在空气，水，盐水、酸及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢类。

有时仅把能够抵抗大气腐蚀的钢叫做不锈钢，而把在一些腐蚀性强烈的介质中，能够抵抗腐蚀的钢叫耐酸钢。因此，不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢却同时又是不锈钢。不锈耐酸钢是化肥，石油、化工，国防等工业部门中广泛使用的材料。5.2常用不锈钢对不锈钢的性能要求：（1）对具体使用环境，应有尽可能高的耐蚀性；（2）良好的机械性能；（3）良好的工艺性能；（4）好的经济性。钢铁材料常见的腐蚀类型：（1）均匀腐蚀；（2）晶间腐蚀；（3）点腐蚀、缝隙腐蚀；（4）应力腐蚀和氢脆；（5）磨损腐蚀。5.2常用不锈钢提高不锈钢耐蚀性的途径：（1）使不锈钢对具体使用的介质能具有稳定钝化区的阳极曲线；（2）提高不锈钢基体的电极电位，来降低原电池电动势；（3）使不锈钢具有单相组织，减少微电池的数量；（4）使钢表面生成稳定的致密的氧化物保护膜。不锈钢按组织可分为：

奥氏体不锈钢、奥氏体一铁素体复相不锈钢、铁素体不锈钢，马氏体不锈钢及沉淀硬化型不锈钢等类型。其中以奥氏体、铁素体、马氏体等三个类型应用最广。5.2常用不锈钢5.2.1奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢属铬镍钢，碳含量为0.08％～0.15％。含铬、镍量很高，分别为15％～24％Cr，3.5％～22％Ni，由于镍的加入，扩大了γ相区而获得单相奥氏体组织；钢中的铬提高了钢的电极电位，又在钢表面形成致密的Cr2O3保护膜，故有很好的耐蚀性及耐热性。常见的奥氏体不锈钢的类型主要为18-8型，即0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti，其它奥氏体不锈钢钢种是在18-8型基础上调整合金元素而获得。如1Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti。5.2.1奥氏体不锈钢

图5-11Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织，OM奥氏体不锈钢的组织由奥氏体晶粒组成，晶粒内部存在孪晶。5.2.2铁素体不锈钢铁素体不锈钢含碳量低于0．12％，含铬量为11.5％~32％。属于高铬不锈钢。如0Cr13，2Cr13，1Cr17等。由于铬元素对γ区的影响作用，这类钢呈单相铁素体组织，从室温加热到960℃～1100℃，其组织也无显著变化。常见的铁素体不锈钢有以下三种类型：1）Cr13型

如0Cr13、0Cr13Al、0Cr11Ti等，常用作耐热钢如汽车排气阀等。2）Cr16-19型

如Cr17、Cr17Ti、Cr18Mo2Ti等，可耐大气、淡水、稀硝酸等介质腐蚀。3）Cr25-28型

如Cr25、Cr25Ti、Cr28、Cr28Mo4等，是耐强腐蚀介质的腐蚀钢。5.2.2铁素体不锈钢图5-2高铬1Cr13钢的组织图5-2为1Cr13钢的组织，图（a）为退火状态，为粒状珠光体和铁素体的整合组织。图（b）为1000℃淬火，300℃回火。其中白色的铁素体，呈现带状形貌，灰色条带状组织为回火马氏体。5.2.3马氏体不锈钢

马氏体不锈钢含碳量为0.08％～1.2％，铬含量为12.5％～18％，属于铬不锈钢。随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度、耐磨性提高，但耐蚀性下降。因碳与铬形成铬的合金碳化物，会降低铁素体中含铬量，使其电极电位不能跃升。常见的马氏体不锈钢有（1）低碳及中碳的13%Cr钢，如1Cr13、4Cr13；（2）高碳的18%Cr钢，如9Cr18；（3）低碳的17%-2%Ni钢，如1Cr17Ni2。5.2.4奥氏体－铁素体复相不锈钢该类钢具有奥氏体加铁素体复相组织，如Cr21Ni5Ti，00Cr18Ni5Mo3Si2，含有铁素体50％～70％。该类钢的缺点是不能在350～850℃范围长期使用，因为在该温度区域产生脆性。这类双相不锈钢通常采用1000～1100℃淬火韧化，可获得60%左右铁素体及奥氏体组织。5.2.4奥氏体－铁素体复相不锈钢图5-300Cr17Mn14Mo2钢的α＋γ组织，OM图5－3为00Cr17Mn14Mo2钢的组织形貌。该钢经1060℃固溶处理，得到奥氏体和不规则的条带状的铁素体。00Cr17Mn14Mo2不锈钢属于以Mn、N代镍的无镍α＋γ不锈钢。5.2.5

奥氏体-马氏体型沉淀硬化不锈钢这类钢含碳量为0.04%～0.13%，含铬量在13%以上，钢中加入的其它元素有镍、锰、钼、铝、硅、钛、铌、铜、钴等。成分特点是：除保证耐蚀性、具有奥氏体→马氏体转变外，可控制成分调整Ms点，使Ms点在室温以下或所需要的温度处，还含有产生金属间化合物实现沉淀硬化的元素。这类钢的强化处理工艺流程是：950～1050℃（固溶处理）→奥氏体→冷处理/调节处理/冷塑性变形→马氏体（35%～45%）（时效沉淀）→沉淀强化。5.3抗氧化钢在高温下工作的钢叫耐热钢。耐热钢应具有两方面的性能，即高温化学稳定性和高温强度。耐热钢包括抗氧化钢(又称为不起皮钢)和热强钢。抗氧化钢是在高温下具有较好的抗氧化性能和一定强度的钢种，多用于制造锅炉用零件和热交换器等，它在高温工作时受力较小。热强钢是指在高温下具有一定抗氧化能力和较高强度的钢种，多用以制造汽轮机叶片，内燃机的进、排气阀等零件，它在高温工作时对强度要求较高。5.3.1抗氧化腐蚀抗氧化钢，也称为不起皮钢。抗氧化钢中加中金元素铬、铝、硅等，它们与氧亲和力大，形成一层致密的、高溶点的并牢固地覆盖于钢表面尖晶石类型的氧化膜，如FeO．Cr203，FeO．A1203。含硅钢中形成FeSi04，这种膜也有良好的保护性5.3抗氧化钢5.3.2钢种及应用耐热钢分为铁素体型耐热钢、奥氏体型耐热钢，此外还有耐热合金等。1）铁素体抗氧化钢具有类似铁素体不锈钢的特点，有晶粒长大倾向，韧性较低，不宜做承受冲击负荷的零件，但抗氧化性强，在含硫的气氛中有好的耐蚀性，适宜制作各种承受应力不大的炉用构件，如过热器吊架，退火炉罩，热交换器等。1A13Mn2MoWTi钢是一种不含镍、铬的铁素体抗氧化钢。2）奥氏体抗氧化钢3Crl8Ni25Si2是一种常用的奥氏体抗氧化钢，它可以在1000~1150℃固溶处理后空冷使用，也可不经热处理在热压力加工后直接应用，因为它是奥氏体钢，所以在室温下能承受冲压与轧制。5.3抗氧化钢5.3.2钢种及应用3）铬-锰-氮及铬-锰-镍-氮系抗氧化钢当碳、氮、铬、锰适当配合时可以获得奥氏体钢。3Cr18Mnl2Si2N钢广泛用做中温箱式炉炉底板，可稳定地使用一年以上，虽然寿命低于3Crl8Ni25Si2，但成本低。5Cr21Mn9Ni4N、2Cr20Mn9Ni2Si2N钢由于其中加入了镍，提高了铬、硅含量，而降低了锰含量，使高温持久强度、抗氧化性、抗渗碳性都比铬-锰-氮钢有所提高。5.3抗氧化钢5.3.2钢种及应用3）铬-锰-氮及铬-锰-镍-氮系抗氧化钢图5－45Cr21Mn9Ni4N钢固溶－时效组织，OM图5－4为5Cr21Mn9Ni4N钢经1180℃固溶处理，750℃时效后的组织，由奥氏体晶粒、颗粒状碳化物和铬氮化合物组成。5.4热强钢热强钢在高温服役时能够保持较高的强度。热强钢在高的工作温度下，不仅要有良好的热稳定性而且还要有足够的热强度，才能满足一些零件的性能要求。作为热强钢必须要有两个特点：一是熔点要尽可能高；二是再结晶温度也尽可能高。根据组织状态，热强钢主要包括：珠光体型热强钢、铁素体型热强钢、马氏体型热强钢、奥氏体型热强钢和沉淀硬化型耐热钢。5.4.1影响热强性的因素承受应力的金属材料在高温下抵抗蠕变的能力，称为热强度。热强度取决于材料的化学成分，冶炼方法及热处理方法等，归纳起来主要有以下几个方面：(1)基体的固溶强化(2)晶界强化

(3)沉淀强化(4)提高再结晶温度

(5)热处理热强钢采用铬、镍、钼、钨、硅等元素，它们除具有提高高温强度的作用外，还可提高高温抗氧化性。常用的热强钢按正火状态组织主要分为：珠光体、奥氏体、马氏体、沉淀硬化型等类型。5.4热强钢5.4.2低碳珠光体热强钢铁素体－珠光体耐热钢中，合金元素一般不超过5％。退火后的组织为铁素体＋珠光体组织。钢种如15CrMo，12Cr1MoV。这类钢受空气、水蒸气、燃气等腐蚀介质的作用，必须抗氧化和耐气体腐蚀。15CrMo可以应用于制造水蒸气温度达到530℃的高压锅炉的过热管等零件。。5.4.2低碳珠光体热强钢图5-5为15CrMo钢的金相组织。在940℃淬火，680℃回火，得到回火托氏体＋铁素体组织（白色部分）图5-515CrMo钢的金相组织5.4.2低碳珠光体热强钢锅炉过热器和蒸汽导管等管子是处于高温和压力的长期作用下工作的，同时管子在高温烟气和水蒸汽的作用下还将发生氧化与腐蚀。为了使管子在长期工作条件下安全可靠，对管子用钢一般有如下要求：

(1)足够的高温强度和良好的持久塑性(2)足够的抗氧化性能和耐腐蚀性能(3)足够的组织稳定性（4）良好的工艺性能

锅炉管子用珠光体热强钢，常见的有：15CrMo、12CrMoV、12MoVWBSiRe等。5.4.3奥氏体耐热钢

这类钢在600℃～700℃范围内使用，推荐钢号有：3Crl8Mnl2Si2N钢、2Cr20Mn9Ni2Si2N钢等属于奥氏体不锈钢，同时又有高的抗氧化性(700℃-900℃)，并在600℃有足够的强度。常用于有较高热强度和一定的抗氧化性，并有较好的抗硫及抗增碳性的零件，如吊挂支架、渗碳炉构件、加热炉传送带、料盘、炉爪、盐浴坩锅和热炉管道等。5.4.4马氏体耐热钢

这类钢在小于620℃范围内使用。如4Cr9Si2、4Crl0Si2Mo、8Cr20Si2Ni、1Crl3Mo、lCrllM2W2MoV等。其中，1Crl3Mo适合制作汽轮机叶片，高温高压用机械部件；4Cr9Si2与4Crl0Si2Mo用来制造有