第六章不銹鋼

第六章不銹鋼

(STAINLESSSTEELS)

不銹鋼概述定義：在自然環(huán)境或一定介質(zhì)中具有耐腐蝕性的鋼種。不銹鋼的主要性能指標(biāo)：耐蝕性使用不銹鋼的目的：提高材料耐蝕性，減少消耗，延長(zhǎng)使用壽命第一節(jié)金屬的腐蝕與防護(hù)一、金屬的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕腐蝕：金屬和合金由于外部介質(zhì)的化學(xué)作用和電化學(xué)作用而引起的破壞。分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕1.化學(xué)腐蝕：金屬在腐蝕過(guò)程中沒(méi)有電流流動(dòng)，腐蝕產(chǎn)物在金屬表面產(chǎn)生，如金屬的高溫氧化。2.電化學(xué)腐蝕：腐蝕過(guò)程中有電流流動(dòng)產(chǎn)生條件（1）金屬各部位或不同金屬間存在電極電位差；（2）電極電位不同的金屬相接觸或中間連接；（3）各部位金屬在同一電介質(zhì)溶液中，且電介質(zhì)相互聯(lián)通。二、金屬腐蝕破壞的基本類型均勻腐蝕晶間腐蝕點(diǎn)蝕應(yīng)力腐蝕磨損腐蝕腐蝕疲勞應(yīng)力腐蝕裂紋晶間腐蝕點(diǎn)蝕腐蝕第二節(jié)對(duì)不銹鋼性能要求及影響其耐蝕性因素一、不銹鋼工作條件及對(duì)性能的要求1.工作環(huán)境：

宇航，海洋，石化，動(dòng)力等等環(huán)境中許多設(shè)備長(zhǎng)期在腐蝕環(huán)境介質(zhì)中工作，腐蝕是主要的失效原因之一。

2.性能要求：（1）對(duì)具體使用環(huán)境，應(yīng)具有盡可能高的耐蝕性

某些不銹鋼在特定的介質(zhì)中耐蝕，在其他的介質(zhì)中可能不耐蝕（2）力學(xué)性能要求（3）工藝性能要求良好的冷熱成型，焊接性能等二、工作介質(zhì)對(duì)不銹鋼耐蝕性的影響

金屬的耐蝕性與工作介質(zhì)的種類、濃度、溫度、壓力等有關(guān)1.氧化性介質(zhì)（HNO3）該介質(zhì)含氧量較高，容易在鋼表面形成鈍化膜。2.

非氧化介質(zhì)

（H2SO4，HCl，有機(jī)酸等）介質(zhì)含氧量低，鈍化膜不易形成，甚至不能鈍化。三、提高不銹鋼耐蝕性途徑提高電極電位使金屬表面鈍化使鋼獲得單相組織，并有均勻的化學(xué)成分，和高的純凈度1.合金元素對(duì)不銹鋼的鈍化的影響鈍化：某些金屬在特定的環(huán)境下表面失去金屬活性，呈現(xiàn)與惰性金屬相似的特性鈍化機(jī)制：金屬表面與周圍介質(zhì)生產(chǎn)一層極薄的氧化膜（鈍化膜），作為金屬與介質(zhì)之間的一個(gè)屏障，降低金屬的腐蝕鈍化的作用：使金屬在一定條件下，陽(yáng)極反應(yīng)受阻，從而提高耐蝕性常用的鈍化元素：Cr，Al，Si(Mo，Cu)2合金元素對(duì)Fe電極電位的影響

一般講，金屬固溶體的電極電位比化合物低，所以在腐蝕過(guò)程中，金屬固溶體作為陽(yáng)極被優(yōu)先腐蝕。1）提高Fe基體的電極電位可提高耐蝕性2）Cr對(duì)Fe基體的電極電位影響的n/8規(guī)律Fe基固溶體的電極電位隨Cr含量達(dá)到Cr/Fe摩爾比的1/8,2/8,3/8…n/8時(shí)，F(xiàn)e的電極電位會(huì)發(fā)生跳躍式升高，腐蝕顯著減弱的現(xiàn)象12.5%摩爾比＝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％是不銹鋼Cr的最低含量，但由于鋼中有C的緣故，一部分碳與Cr形成碳化物，為使固溶體中的Cr量不少于11.7％，實(shí)際不銹鋼中含Cr量不低于13％。3）不銹鋼中的Cr含量3合金元素對(duì)不銹鋼基體組織的影響不銹鋼的基體組織是獲得所需力學(xué)性能和良好耐蝕性的保證，使鋼在室溫下得到單相組織（A，F(xiàn)），就可以減少微電池的數(shù)量，提高耐蝕性。

合金元素影響：

1)一類是擴(kuò)大奧氏體形成元素：C，N，Mn，Ni,Cu等

2)一類是F形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，Mo等第三節(jié)、不銹鋼分類按耐蝕性分類按金相組織分類按化學(xué)成分分類一、按耐蝕性分類按平均腐蝕深度或腐蝕失重來(lái)評(píng)級(jí)和分類：二、按金相組織分類按不銹鋼在900-1100℃加熱并在空氣中冷卻后的基體組織分類：鐵素體不銹鋼奧氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼F－A雙相鋼沉淀硬化不銹鋼F形成元素占優(yōu)勢(shì)：F

奧氏體形成元素占優(yōu)勢(shì)：A奧氏體形成元素不足不以使馬氏體轉(zhuǎn)變Ms點(diǎn)降至室溫以下：M

……

……

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

F形成元素【Cr】=1×Cr＋1×Mo＋1.5Si＋0.5

Nb；三、按化學(xué)成分分類Cr不銹鋼Cr-Ni不銹鋼Cr-Mn-N不銹鋼Cr-Mn-Ni-N不銹鋼

第四節(jié)鐵素體、馬氏體不銹鋼F，M不銹鋼一般都是含Cr量較高的Fe-Cr-C合金Cr<12時(shí)，通過(guò)加熱可以獲得單一的奧氏體，在冷卻過(guò)程中通過(guò)淬火可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，發(fā)生γα

Cr>13，為單相的F，無(wú)αγ轉(zhuǎn)變。

12<Cr<13僅發(fā)生部分αγ，稱F-M鋼一、F不銹鋼1.F不銹鋼化學(xué)成分，種類和組織（1）化學(xué)成分Cr：13～30％（提高電極電位，鈍化）C：低碳：0.08-0.15％輔加元素：Ti，N，Mo，Si，AlTi：穩(wěn)定碳，防止高Cr鐵素體不銹鋼晶間腐蝕N：細(xì)化鑄態(tài)組織Mo，Al，Si進(jìn)一步強(qiáng)化鈍化膜，提高在非氧化介質(zhì)中的耐蝕性鐵素體不銹鋼制品用作受力不大的耐酸和抗氧化結(jié)構(gòu)件（2）鐵素體不銹鋼的種類Cr13型：0Cr13Al(新牌號(hào)06Cr13Al)0Cr11Ti（06Cr11Ti）Cr17型：1Cr17（10Cr17），1Cr17Mo（10Cr17Mo）Cr25～Cr28型：2Cr25N（16Cr25N）00Cr27Mo（008Cr27Mo）(3)鐵素體不銹鋼的組織F＋碳化物2.鐵素體不銹鋼的脆性晶粒粗大脆性σ相析出脆性

475℃脆性高溫脆性鐵素體不銹鋼的主要缺點(diǎn)：脆性大（1）晶粒粗大脆性

F不銹鋼鑄態(tài)組織晶粒粗大、脆性大，并且不能通過(guò)熱處理消除，只能通過(guò)壓力加工碎化，通過(guò)添加少量Ti消除（2）σ相析出脆性

σ相是一種Fe，Cr的金屬間化合物，HRC在68以上。鐵素體不銹鋼在550～850℃長(zhǎng)時(shí)間加熱，從δ鐵素體中析出σ相，使鋼材變脆。而σ相通常沿晶界析出，可引起晶間腐蝕。鋼中σ相（3）475℃脆性

Cr>15%時(shí)，在400－525℃長(zhǎng)時(shí)間加熱，或在此溫度范圍內(nèi)緩冷，鋼在室溫下將變得很脆，特別是在475℃脆化最為明顯，稱為475℃脆性。原因是：475℃加熱時(shí)，F(xiàn)內(nèi)的Cr原子趨于有序化，形成許多富Cr的小區(qū)域（80％Cr＋20％Fe）并與母相共格，引起點(diǎn)陣畸變和內(nèi)應(yīng)力，造成脆性，可通過(guò)在高于475℃加熱，隨后快冷消除。（4）高溫脆性

F不銹鋼在加熱900-1100℃以上，冷卻到室溫，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重脆化，抗蝕性能也大大降低，稱為高溫脆性。

主要原因：一是C，N較多的F不銹鋼冷卻時(shí)，會(huì)在晶界處或位錯(cuò)處析出高Cr碳化物和氮化物引起脆性；二是高溫時(shí)，C，N在晶界吸附，使晶界區(qū)穩(wěn)定A元素濃度增高，形成一層包圍F晶粒的奧氏體層，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镸，造成脆性3.F不銹鋼的壓力加工及熱處理(1)鍛軋高Cr鐵素體不銹鋼晶粒粗大，熱加工時(shí)，一般采用較低的始鍛溫度（1040-1120℃）＆終鍛溫度（700-800℃）(2)熱處理為消除壓力加工應(yīng)力和獲得成分均勻的F組織，鍛軋后需淬火或退火。加熱溫度一般不超過(guò)900℃，為防止σ相析出脆性和475℃脆性，淬火、退火保溫時(shí)間不能太長(zhǎng)（1h）退火至600℃，快冷。二、M不銹鋼（一）特點(diǎn)：可熱處理強(qiáng)化，較高的力學(xué)性能，但耐蝕性、塑性和焊接性能較其他不銹鋼差。（二）化學(xué)成分和種類化學(xué)成分：12～18％Cr0.1～0.9％C輔加一定的Ni，Mo種類：

（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)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，船舶尾軸（三）Cr13型馬氏體不銹鋼1.Cr13型馬氏體不銹鋼室溫平衡組織F＋碳化物2.特點(diǎn)αγ但由于Cr％較高，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性高，淬透性高，空冷即可獲得馬氏體，所以又根據(jù)空冷的金相組織可以Cr13型馬氏體不銹鋼分為：0Cr13，1Cr13：M＋F鋼2Cr13，3Cr13：M鋼4Cr13：M＋碳化物鋼軟化處理：降低硬度，有利切削，消除鍛軋應(yīng)力防止開裂

1）高溫回火：700-800℃，2-6h空冷，得到回火索氏體

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

3.Cr13型馬氏體不銹鋼熱處理軟化處理，淬火，回火(2)淬火淬火溫度：1000-1050℃3Cr13，4Cr13含碳量高，溫度高些淬火后組織：0Cr13，1Cr13：F＋M2Cr13：M＋少量A’3Cr13：M＋少量A’4Cr13：M＋碳化物＋A’Cr13型馬氏體不銹鋼淬火后，硬度高，內(nèi)應(yīng)力大，易開裂，必須回火?；鼗鸱绞剑旱蜏鼗鼗穑阂蟾哂捕?，高耐磨性時(shí)回火溫度：200-250℃3Cr13，4Cr13多采用低溫回火：得到回火M＋碳化物＋A’高溫回火：要求綜合力學(xué)性能的零件回火溫度：650-700℃1Cr13，2Cr13常采用回火后的組織：回火索氏體不宜中溫回火(400～600)：475℃脆性

(3)回火（4）Cr13馬氏體不銹鋼主要用途價(jià)格最低的不銹鋼0Cr13，1Cr13，2Cr13主要制作要求塑性、韌性高與受沖擊載荷的零件，如汽輪機(jī)葉片，水壓機(jī)閥，螺栓等，常溫下耐蝕介質(zhì)的的容器3Cr13，4Cr13

主要用于要求高硬度又具有耐蝕性要求的零件或工具，如醫(yī)療器械，閥門，滾珠軸承等（四）1Cr17Ni馬氏體不銹鋼化學(xué)成分：1Cr17基礎(chǔ)上添加2％的Ni17％Cr＋2％Ni＋0.1％C優(yōu)點(diǎn)：具有1Cr17的耐蝕性，又具有Cr13型不銹鋼的的力學(xué)性能，在海水及HNO3中具有好的耐蝕性，用在船舶尾軸，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子等場(chǎng)合。熱處理：軟化退火同Cr13型淬火：980-1000℃，油冷，M＋F＋A’回火：低溫回火：275-350，回火M＋F

高溫回火：600-700，回火索氏體＋F因475℃脆性，不宜在350-550℃回火第五節(jié)奧氏體不銹鋼不銹鋼中用量最大的一種，約占不銹鋼的2/3優(yōu)點(diǎn)：較好的耐蝕性，冷加工成型性，可焊性缺點(diǎn)：強(qiáng)度低，不能淬火強(qiáng)化，易受晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕分類（按化學(xué)成分分）：Cr－Ni，Cr－Mn－N，Cr－Mn－Ni－N一、Cr－Ni型A不銹鋼（一）Cr－Ni型(18-8)奧氏體不銹鋼型奧氏體不銹鋼的鋼種，成分和組織

1.鋼種和牌號(hào)GB/T-1220-20072.18-8型奧氏體不銹鋼成分特點(diǎn)低碳（超低碳）高Cr（18％），高Ni（9％）：18-8（1）為使18％Cr鋼獲得單相奧氏體，Ni必須達(dá)到9％（2）18％＋9％Ni接近n/8規(guī)律的n＝2時(shí)的電極電位值，鋼的耐蝕性達(dá)到較高水平適當(dāng)添加Ti，Nb，Mo等元素，消除晶間腐蝕，提高抗點(diǎn)蝕能力3.18－8不銹鋼組織平衡組織：A＋F＋M23C6

緩冷沿ES線析出碳化物緩冷至SK線以下，還要發(fā)生部分γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料鄪W氏體不銹鋼是經(jīng)淬火熱處理得到：?jiǎn)我籄加熱到ES線以上，碳化物溶于A中，經(jīng)淬火，高溫狀態(tài)的碳等元素的過(guò)飽和固溶體保持到室溫，得到單一的奧氏體組織d0Cr18Ni10Ti（06Cr18Ni11Ti）固溶狀態(tài)組織（二）18－8不銹鋼冷、熱加工熱加工：18－8具有良好的熱塑性，但由于鋼在高溫加熱時(shí)易產(chǎn)生δ鐵素體，其會(huì)降低不銹鋼的熱塑性冷變形加工：良好的冷變形能力，可以以此強(qiáng)化鋼材。但塑性大大下降，原因一是點(diǎn)陣畸變，二是形變誘發(fā)馬氏體焊接：焊接性好，但有熱裂問(wèn)題熱裂焊接熱裂：是出現(xiàn)在焊縫金屬或接近母材的焊縫熱影響區(qū)的一種裂紋失效行為。產(chǎn)生原因：焊縫金屬或與熔融金屬接觸的母材的晶界有低熔點(diǎn)液態(tài)夾雜存在有關(guān)；單相奧氏體鋼焊縫組織是粗大的柱狀晶，有方向性，低熔點(diǎn)夾雜物分布其中，容易在凝固收縮時(shí)引起裂紋，裂紋可沿凝固晶界擴(kuò)展。防止方法：采用γ＋δ復(fù)相組織的焊縫可消除（δ+Lγ）；降低s、C，夾雜。（三）18－8的熱處理固溶處理：（1050-1150℃＋水冷）加熱到單項(xiàng)A區(qū)，快冷使A保持到室溫。最低的強(qiáng)度，硬度，最高的耐蝕性。鋼焊接，熱加工，冷加工等應(yīng)力消除。

敏化處理18-8型奧氏體不銹鋼固溶處理后再加熱到400-800℃，鋼中的Cr的碳化物析出強(qiáng)烈，使鋼對(duì)晶間腐蝕更為敏感，不管是否有意為之，均稱為敏化處理。如焊接熱影響區(qū)。消除方法：固溶處理來(lái)消除奧氏體不銹鋼晶界的Cr23C6析出消除應(yīng)力處理（1）消除冷加工后的內(nèi)應(yīng)力，250-450℃，1-2h，空冷（2）消除冷加工對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性及焊接應(yīng)力：>850℃保溫，對(duì)于不含Ti，Nb的不銹鋼加熱后快冷到540℃空冷（躲過(guò)Cr23C6的析出溫區(qū)），含Ti，Nb的不銹鋼直接空冷穩(wěn)定化處理針對(duì)含Ti，Nb的18－8奧氏體不銹鋼而設(shè)計(jì)的熱處理工藝，加Ti，Nb目的是與鋼中碳反應(yīng)生成TiC＆NbC，而不生成Cr23C6，就可以防止應(yīng)力腐蝕。穩(wěn)定化處理就是讓鋼中的C只與Ti，Nb反應(yīng)，而不和Cr反應(yīng)，就是加熱到高于Cr23C6分解溫度以上，但低于TiC和NbC的溶解溫度保溫幾個(gè)小時(shí)，再冷卻到室溫，就可以實(shí)現(xiàn)不形成或少生成Cr23C6。工藝：850-900℃，2-4h空冷二、Cr-Mn，Cr-Mn-N，Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼由于Ni在全球都是稀缺資源，為了節(jié)省Ni，我國(guó)研制了很多節(jié)Ni和無(wú)Ni的奧氏體不銹鋼。大約有三種：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奧氏體不銹鋼代表：1Cr17Mn9組織：因Mn穩(wěn)定A的能力不如Ni,故Cr－Mn奧氏體不銹鋼不能形成單一的A組織，而是兩相(F+A)組織耐蝕性：僅取決于Cr應(yīng)用：一般的非強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，如食品工業(yè)2.Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼N也是穩(wěn)定A元素，一般無(wú)Ni不銹鋼以N代Ni，一般含量為：0.3～0.5％。太高，鋼中易出現(xiàn)N以N2形式析出而形成氣孔，而且易于與Ti結(jié)合成TiN夾雜物代表：0Cr17Mn13Mo2N，我國(guó)研制的一種雙相（A＋F）不銹鋼，雖然冷熱加工性能差些，但耐蝕性不錯(cuò)，能部分代替1Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni2Mo2Ti等應(yīng)用：化肥，化纖，印染等行業(yè)3.

Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼用Mn，N完全代替Ni，很難得到單一的A，但鋼中少加點(diǎn)Ni就能得到單相A組織。代表：1Cr18Mn8Ni5N(12Cr18Mn8Ni5N)性能：良好的耐蝕性，較高的強(qiáng)度，塑性和可焊性應(yīng)用：化肥，磷酸，醋酸等工業(yè)的耐蝕構(gòu)件三、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)蝕

晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)蝕是奧氏體不銹鋼使用過(guò)程中最為普遍的破壞形式，也是其使用的主要缺點(diǎn)。1.晶間腐蝕敏化處理后的奧氏體不銹鋼，在許多腐蝕環(huán)境中會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，這是由于晶界貧Cr造成的，在許多石油化工行業(yè)中常見。消除方法（1）固溶處理；（2）降低含碳量，（3）加Ti，Nb穩(wěn)定化處理（4）改變晶界上碳化物析出數(shù)量及分布形態(tài)，減少在晶界的析出奧氏體不銹鋼晶界的Cr23C6析出晶間腐蝕2.應(yīng)力腐蝕奧氏體不銹鋼易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。即在特定合金-環(huán)境體系中，應(yīng)力與腐蝕共同作用引起的破壞。應(yīng)力腐蝕易在含Clˉ的介質(zhì)中發(fā)生，裂紋為樹枝狀。18－8型不銹鋼強(qiáng)度低，易發(fā)生滑移，當(dāng)位錯(cuò)到達(dá)表面時(shí)，使鈍化膜發(fā)生破壞。防止方法：從應(yīng)力、介質(zhì)和材料出發(fā)。

發(fā)生應(yīng)力腐蝕奧氏體不銹鋼管道內(nèi)壁應(yīng)力腐蝕裂紋3.點(diǎn)蝕（孔蝕）腐蝕性陰離子在氧化膜表面吸附后穿過(guò)鈍化膜所致。防止辦法：加入Cr，Mo，N等第六節(jié)F－A雙相不銹鋼近幾十年發(fā)展起來(lái)的新鋼種組織：A＋F成分：18-26％Cr＋4-7％Ni＋Mn，Mo，Cu，Ti，W，N等特點(diǎn)：兼具F不銹鋼和A不銹鋼的特性1.A的存在降低了鋼的脆性，提高了鋼的可焊性和韌性2.F的存在提高了鋼的屈服強(qiáng)度，抗應(yīng)力腐蝕敏感性，A＋F降低了鋼晶間腐蝕的傾向3.存在脆性傾向，尤其是在焊接區(qū)，主要是σ，χ，η相沉淀和α’相析出引起。熱處理：1000-1100℃淬火得到60％F＋40％A第七節(jié)沉淀硬化不銹鋼（超高強(qiáng)度鋼）分類以1Cr18Ni9鋼為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的奧氏體－馬氏體沉淀硬化不銹鋼以Cr13型馬氏體不銹鋼發(fā)展而來(lái)馬氏體沉淀硬化不銹鋼特點(diǎn)：在形成馬氏體基礎(chǔ)上，經(jīng)時(shí)效處理產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，而得到超高強(qiáng)度。所以既具有Cr18Ni9鋼優(yōu)良的焊接性能，有具有馬氏體鋼的高強(qiáng)度應(yīng)用：航空，宇航領(lǐng)域代表鋼種：0Cr17Ni7Al(07Cr17Ni7Al)0Cr15Ni7Mo2Al(07Cr15Ni7Mo2Al)組織特點(diǎn)：室溫下是不穩(wěn)定的A性能特點(diǎn)：較好的塑性和加工性能，焊接性能熱處理：含碳量低，成分設(shè)計(jì)上使Ms點(diǎn)略低于室溫，以便通過(guò)各種處理使不穩(wěn)定的A轉(zhuǎn)變成低碳馬氏體，然后在通過(guò)時(shí)效沉淀析出金屬間化合物提高強(qiáng)度沉淀元素：Al，Ti，Mo一.奧氏體-馬氏體沉