不銹鋼 晶間腐蝕

1、材料腐蝕與防護(hù)結(jié)課作業(yè)304奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕報告 班級：成型1303班姓名：趙旭男學(xué)號：20132336304奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼，鋼中含Cr約18%、含Ni約8%、C約0.1%時，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。它是一種很常見的不銹鋼材料，業(yè)內(nèi)也叫做18/8不銹鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過相變使之強(qiáng)化，僅能通過冷加工進(jìn)行強(qiáng)化，具有良好的易切削性。304奧氏體不銹鋼的防銹性能比200系列的不銹鋼材料要強(qiáng)，密度為7.93 g/cm3。它在耐高溫方面也比較好，最高可承受10001200。它具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能，加工性

2、能好且韌性高，被廣泛應(yīng)用。適用于食品的加工儲存、家庭用品、汽車配件、醫(yī)療器具、化學(xué)建材，農(nóng)業(yè)船舶部件等。 304奧氏體不銹鋼中最為重要的元素是Ni和Cr，但是又不僅限于這兩種元素。對于304奧氏體不銹鋼來說，其成分中的Ni元素十分重要，直接決定著它的抗腐蝕能力。它正是因為有足夠含量的鉻，其保護(hù)性氧化膜是自愈性的。當(dāng)其薄膜破壞時，Cr3+重新形成新的保護(hù)性氧化薄膜。致使它能進(jìn)行機(jī)械加工也不失去抗氧化性能。然而當(dāng)金屬含鉻量不夠或某些原因造成不銹鋼晶界貧鉻，就不能形成保護(hù)性氧化膜。這就說明不銹鋼之所以不銹，關(guān)鍵在于要有足夠的鉻和足夠的氧。此外，Ni與Cr配合，在不銹鋼中發(fā)揮著重要作用。Ni在不銹鋼中

3、的主要作用在于其改變了鋼的晶體結(jié)構(gòu)，形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，從而改善和加強(qiáng)Cr 的鈍化機(jī)理，其抗晶間腐蝕能力得到提高。表1CSiMnPS CrNiN3040.0101.02.00.0450.0318.0/20.08.00/10.00.103470.081.02.00.0450.0317.0/19.09.00/13.0 0.103210.081.02.00.0450.0317.0/19.09.00/12.00.10304、347、321鋼的化學(xué)成分表格1(%) 奧氏體不銹鋼在許多介質(zhì)環(huán)境中容易發(fā)生晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等腐蝕類型。在其中加入不同元素可得到不同特性，加Mo改善點

4、蝕和耐縫隙腐蝕，降低C含量或加入Ti和Nb可減少晶間腐蝕傾向，加Ni和Cr可改善高溫抗氧化性和強(qiáng)度，加Ni改善抗應(yīng)力腐蝕性能。我查閱了晶間腐蝕的相關(guān)資料，因為以前在金屬學(xué)與熱處理里接觸過晶間腐蝕，而且在材料腐蝕與防護(hù)的課堂上，自己對晶間腐蝕也更感興趣。 晶間腐蝕是一種常見的局部腐蝕，遭受這種腐蝕的不銹鋼，表面看來還很光亮，但只要輕輕敲擊便會破碎成細(xì)粒。由于晶間腐蝕不易檢查，會造成設(shè)備突然破壞，所以危害性極大。奧氏體不銹鋼是工業(yè)中應(yīng)用最廣的不銹鋼之一，多半在約427816的敏化溫度范圍內(nèi)，在特定的腐蝕環(huán)境中易發(fā)生晶間腐蝕，晶間腐蝕也會加快整體腐蝕。 圖1 圖2晶間腐蝕的示意圖1和顯微鏡下的圖片2

5、典型的奧氏體不銹鋼一般是在固溶處理狀態(tài)下使用，于常溫下腐蝕介質(zhì)中工作，它的耐蝕性能是基于鈍化作用。奧氏體不銹鋼含有較高的鉻，鉻易氧化形成致密的氧化膜，能提高鋼的電極電位，因此具有良好的耐蝕性能。當(dāng)含鉻量18%、含鎳量8%時，能得到均勻的奧氏體組織，且含鉻和鎳量越高，奧氏體組織越穩(wěn)定，耐蝕性能就越好，故通常沒有晶間腐蝕現(xiàn)象。但如果再次加熱到450850或在此溫度區(qū)間工作，且鋼中含碳量超過0.020.03，又缺少Ti、Nb 等能控制碳的元素時，處于腐蝕介質(zhì)中往往就可以見到晶間腐蝕現(xiàn)象。這說明，晶間腐蝕和鋼的成分（碳和碳化物形成元素）有關(guān)，還與加熱條件有關(guān)?，F(xiàn)已有一些學(xué)說對晶間腐蝕現(xiàn)象做了解釋，其中

6、腐蝕機(jī)理主要有“貧Cr理論”和“晶界雜質(zhì)選擇性溶解理論”等。貧Cr理論：C在奧氏體中的飽和溶解度小于0.102%，一般不銹鋼的碳含量都高于這個數(shù)值。當(dāng)不銹鋼從固溶溫度冷卻下來時，C處于過飽和狀態(tài)，受到敏化處理時，C和Cr形成碳化物(主要為Cr23C6)在晶界析出。由于Cr23C6含Cr量很高，而Cr在奧氏體中擴(kuò)散速率很低，這樣就在晶界兩側(cè)形成了貧Cr區(qū)。即晶界區(qū)和晶粒本體有了明顯的差異，晶粒與晶界構(gòu)成活態(tài)-鈍態(tài)的微電偶結(jié)構(gòu)，造成晶界腐蝕。晶界雜質(zhì)選擇性溶解理論：在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中不銹鋼也會發(fā)生晶間腐蝕，但晶間腐蝕不是發(fā)生在經(jīng)過敏化處理的不銹鋼上，而是發(fā)生在經(jīng)固溶處理的不銹鋼上。對于這類晶間腐蝕顯

7、然不能用貧Cr理論來解釋，而要用晶界雜質(zhì)選擇性溶解理論來解釋。當(dāng)晶界上析出了相(FeCr金屬間化合物)，或是有雜質(zhì)偏析，在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中便會發(fā)生選擇性溶解，從而造成晶間腐蝕。而敏化加熱時析出的碳化物有可能使雜質(zhì)不富集或者程度減輕，從而消除或減少晶間腐蝕傾向。另外，晶間腐蝕的機(jī)理還有“晶界吸附理論”、“亞穩(wěn)沉淀相理論”等等。這些理論，彼此并不矛盾，互為補(bǔ)充。晶間腐蝕機(jī)理的研究十分重要，可以應(yīng)用現(xiàn)代檢測技術(shù)，研究晶間原子結(jié)構(gòu)的改變、斷口形貌、化學(xué)成分的變化、腐蝕的過程、腐蝕產(chǎn)物的成分以及晶界合金元素的相互影響等，進(jìn)一步解釋晶間腐蝕現(xiàn)象。在研究304奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的腐蝕機(jī)理后，進(jìn)一步探討不銹鋼

8、腐蝕的影響因素化學(xué)成分、晶粒尺寸和熱處理工藝，而化學(xué)成分的影響主要分為以下四點。（1）C元素的影響：C含量是影響304不銹鋼晶間腐蝕主要的因素，304不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，會隨著含碳量的降低而升高。C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好低于0.08%，這時晶界中能夠析出C的數(shù)量較少。在晶界形成碳化物Cr23C6機(jī)會也隨之減少，不易在晶界處會形成貧鉻區(qū)。如果C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.08%，產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向就會大大增加。（2）Cr元素的影響：在奧氏體不銹鋼中，Cr含量的增加，在低敏化溫度區(qū)會加速晶間腐蝕；在高敏化溫度區(qū)，則會延長產(chǎn)生晶間腐蝕的時間。一般認(rèn)為，在低于550是受Cr的擴(kuò)散控制，而高于此溫度是受碳化物的生成速

9、度控制。因此在溫度低時，低C不銹鋼也易于敏化。奧氏體不銹鋼中Cr的含量應(yīng)超過13%，如果更低，則會嚴(yán)重降低抗晶間腐蝕的能力。（3）Ni元素的影響：在不銹鋼中加入Ni，使鋼獲得完全奧氏體組織。奧氏體不銹鋼中，隨著Ni含量的增加，殘余的鐵素體可完全消除，使鋼材本身沒有形成微電池的能力，這也是避免不銹鋼被腐蝕的主要原因。但隨Ni含量的增加，會降低C在奧氏體不銹鋼中的溶解度，從而使碳化物Cr23C6析出傾向增強(qiáng)，所以Ni含量的增加，會增大晶間腐蝕的敏感性。（4）Ti、Nb元素的影響：如在不銹鋼中的加入Ti、Nb 等與C的結(jié)合能力比Cr 更強(qiáng)的元素，能夠與C結(jié)合合成穩(wěn)定的碳化物，可以避免在奧氏體中形成貧

10、鉻區(qū)。Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，可形成穩(wěn)定的TiC，可降低基體的碳含量，穩(wěn)定Cr含量，最主要的作用是使鋼中的C優(yōu)先與Ti形成穩(wěn)定的TiC，而無法形成Cr的碳化物，避免出現(xiàn)晶界貧鉻現(xiàn)象，增強(qiáng)晶間抗蝕能力。晶粒尺寸的影響:隨著晶粒尺寸的減小，晶間腐蝕速率降低。這是因為晶粒越大，單位體積的晶界面積越大，形成Cr的碳化物越多，貧Cr越嚴(yán)重，因而晶間腐蝕速率更大。另外，晶界的形貌也會影響奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕的敏感性。熱處理工藝的影響固溶處理和穩(wěn)定化處理。（1）固溶處理：為了保證304奧氏體不銹鋼具有最好的耐蝕性，必須使其具有單相奧氏體組織，因此對奧氏體不銹鋼進(jìn)行固溶化處理。固溶處理，就是將奧氏體不銹鋼加

11、熱到1100左右，使碳化物相全部或基本溶解，C固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使C達(dá)到過飽和狀態(tài)。強(qiáng)化固溶體，并提高韌性及抗腐蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工或成型，這樣就不會在晶界處形成“貧鉻區(qū)”，也就會降低發(fā)生晶間腐蝕的幾率。不銹鋼在加熱過程中，在敏化溫度區(qū)停留時間越短，發(fā)生晶間腐蝕的機(jī)會越小。經(jīng)過固溶處理后，鋼中碳化物全部溶于奧氏體組織，然后采取水淬快冷，不讓奧氏體在冷卻過程中有析出或發(fā)生相變。這樣在室溫狀態(tài)下，可以獲得單相奧氏體組織，消除晶間腐蝕傾向。固溶化處理技術(shù)條件是：加熱850900，保溫6h，隨爐冷卻。（2）穩(wěn)定化處理：穩(wěn)定化處理通常為固溶處理的后續(xù)處理工藝，一般針對含

12、Ti、Nb 的鋼種。將這種鋼再加熱到850900保溫一定時間，在該溫度下Cr23C6 幾乎全部溶解，而TiC和NbC只是部分溶解。而后緩冷，在冷卻過程中，鋼中的C充分地與Ti、Nb 等結(jié)合，而析出TiC、NbC，而不析出Cr23C6，提高抗晶間腐蝕性能。如果不進(jìn)行穩(wěn)定化處理，在敏化溫度區(qū)間（450850），Cr23C6 依然會優(yōu)先沉淀出來，這就是穩(wěn)定化處理的必要性。對304奧氏體不銹鋼其穩(wěn)定化處理的工藝條件為：將工件加熱到850900，保溫足夠長的時間，快速冷卻。 通過304奧氏體不銹鋼晶間腐蝕機(jī)理、腐蝕影響因素的了解，可以總結(jié)出不銹鋼晶間腐蝕的防護(hù)措施。（1）嚴(yán)格控制含碳量：碳是造成晶間腐蝕

13、的主要元素，碳含量在0.08%以下時，能夠析出碳的數(shù)量少；碳含量在0.08%以上時，則析出碳的數(shù)量迅速增加。所以選用低碳和超低碳不銹鋼避免形成Cr的碳化物，使晶間腐蝕敏感性降低到最小值。當(dāng)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要降低到0.03%以下（所謂超低碳不銹鋼）， 便可避免晶間腐蝕，才能在最危險的敏化溫度下加熱1000 h，而不產(chǎn)生晶間腐蝕。降低不銹鋼中的C含量，這是防止不銹鋼晶間腐蝕的最重要的措施。（2）添加Ti、Nb 等合金元素：不銹鋼中加入鈦或鈮的目的是為了防止晶間腐蝕。鈦和鈮都是強(qiáng)碳化物形成元素，它們是作為形成穩(wěn)定的碳化物，從而防止晶間腐蝕而加入不銹鋼中的。一般認(rèn)為，晶間腐蝕是C從飽和的奧氏體中以Cr23

14、C6形態(tài)析出，造成晶界處奧氏體貧鉻所致，防止晶界貧鉻是防止晶間腐蝕的有效方法。將各種元素按與C的親和力排列，順序為：TiVNbWMoCrMn。Ti和Nb與C的親和力都比Cr大，把它們加入鋼中后，C優(yōu)先與它們結(jié)合生成TiC 或NbC，這樣就避免了析出Cr23C6 而造成晶界貧鉻。為了促使TiC或NbC的析出，含TiC或者NbC的不銹鋼必須經(jīng)過穩(wěn)定化處理。穩(wěn)定化處理一般是在固溶處理后進(jìn)行，含Ti、Nb的奧氏體不銹鋼，在固溶處理后，將鋼加熱到850900后保溫5小時然后空冷，此時Cr的碳化物完全溶解，Ti或Nb碳化物不完全溶解，且在冷卻過程中充分析出，使碳不可能再形成Cr的碳化物，因而有效地消除了晶

15、間腐蝕。（3）固溶淬火處理：把鋼加熱至9501150 左右，保溫一段時間，使碳化物和各種合金元素充分均勻地溶解于奧氏體中，然后快速淬火冷卻，碳及其它合金元素來不及析出或少量析出，從而起到防止晶間腐蝕的作用。（4）調(diào)整鋼中組織比例，形成雙相不銹鋼：通過調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體鐵素體雙相組織，其中鐵素體占5%12%。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕，這是因為鐵素體含鉻量高，能夠補(bǔ)充晶界因形成高鉻碳化合物所引起的貧鉻，所以具有良好的耐晶間腐蝕能力。又由于降低了鎳含量，比單純的奧氏體不銹鋼強(qiáng)高。雙相不銹鋼由于具有奧氏體和鐵素體的共同優(yōu)點，所以近年來發(fā)展較快，從分類方面講已經(jīng)成為一種新的不銹鋼種類。碳含量是影響奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的最主要因素，不銹鋼中的C含量小于0.03%，晶間腐蝕敏感性大大降低，其敏感性隨C含量的增加而增加；采用超低C 的不銹鋼時，減少鋼中雜質(zhì)的含量和固溶處理，是控制奧氏體不銹鋼晶間腐蝕最有效的措施；通過固溶后的穩(wěn)定化處理，可以顯著提高304奧氏體不銹鋼的耐蝕性能；適當(dāng)提高固溶溫度至1100, 再經(jīng)850900保溫的穩(wěn)定化處理，能穩(wěn)定提高不銹鋼的抗晶間腐蝕性能。由于奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能和成熟的加工制造工藝，所以應(yīng)用會