第五章-不銹鋼

第五章特殊鋼---不銹鋼1材料失效的主要形式磨損腐蝕疲勞疲勞：材料在應力或應變的反復作用下所發(fā)生的性能變化叫疲勞。磨損：材料接觸表面在相對運動中由于機械、間或伴有化學作用而產生的不斷損耗現(xiàn)象。腐蝕：是在外界介質的作用下使金屬逐漸受到破壞的過程。2每年被腐蝕破壞掉的鋼材占全球鋼年產量的1/10，因腐蝕而損失的金屬價值就占到全球生產總值的4％左右，這還不包括因為腐蝕造成設備失效引發(fā)的間接損失；

2006年全球鋼產量達到創(chuàng)紀錄的12.39億噸，中國的鋼產量達到4.18億噸，為全球第一大產鋼國；鞍本鋼鐵集團2255.76萬噸寶鋼集團有限公司2253.18萬噸廣州鋼鐵企業(yè)集團有限公司331.51萬噸3第一節(jié)金屬腐蝕的機理一、金屬腐蝕的種類:1.化學腐蝕金屬與介質(干燥氣體和非電解質溶液)發(fā)生化學反應而產生的腐蝕。

例如:高溫氧化、脫碳等?；瘜W腐蝕：4Fe+3O2＝2Fe2O3Fe+2H2O═Fe(OH)2+H24化學腐蝕的特點：不產生腐蝕電流，在反應表面形成一層化學生成物。氧化膜的形成及氧化膜的結構和性質是化學腐蝕的重要特征。致密的氧化物膜（鈍化膜）能阻止進一步的腐蝕；Al2O3，SiO2，Cr2O3不連續(xù)的或者多孔狀的氧化膜對基體金屬沒有保護作用。有些金屬氧化物，如Mo2O3、WO3在高溫下具有揮發(fā)性，完全沒有覆蓋基體的保護作用。因此要提高金屬耐化學腐蝕的能力，主要是通過合金化或其它方法，在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、完整的、致密的并與基體結合牢固的氧化膜（也稱鈍化膜）。5電化學腐蝕的特點：有液體電介質存在，不同金屬或不同相之間有電極電位差并連通或接觸，同時有腐蝕電流產生。在金屬材料中，電化學腐蝕是由金屬材料中不同相之間的電極電位的不同，在介質存在時構成原電池而產生的。在生產實際中遇到的腐蝕主要是電化學腐蝕。2.電化學腐蝕金屬與介質(電解質溶液,即酸、堿、鹽溶液)發(fā)生電化學反應而產生的腐蝕。電化學腐蝕：Fe-3e＝Fe3+

6H++6e=3H26電化學腐蝕過程示意圖78珠光體組織發(fā)生電化學腐蝕的示意圖鐵素體相的電極電位較負，成為陽極而被腐蝕；滲碳體相的電極電位較正，成為陰極而不被腐蝕a)珠光體的電化學腐蝕原理b)珠光體的微電池腐蝕c)珠光體組織的成像9均勻腐蝕：腐蝕發(fā)生在金屬裸露的整個表面上或零件使用的整個工作面上。又稱一般腐蝕或連續(xù)腐蝕。晶間腐蝕：晶界的電極電位低于晶內，導致晶界比晶內腐蝕程度大。二、鋼鐵材料腐蝕的基本類型10點腐蝕：在金屬表面上極局部區(qū)域由于氯離子或氯化物鹽引起的一種腐蝕破壞形式，它是由鈍化膜的局部破壞所引起的。又稱點蝕或孔蝕。應力腐蝕：在張應力狀態(tài)和特定的腐蝕介質（主要是氯化物鹽、堿的水溶液以及蒸汽介質）作用下，材料發(fā)生破裂的現(xiàn)象。氫脆：在張應力狀態(tài)作用下的金屬合金，發(fā)生腐蝕吸收陰極析出的氫（或其它氫）導致的脆化破裂。11腐蝕疲勞：在腐蝕介質和交變載荷共同作用下發(fā)生的破壞。磨損腐蝕：在同時存在著腐蝕和機械磨損時，兩者相互加速的腐蝕稱為磨損腐蝕。另外，由于宏觀電池作用也會產生腐蝕。例如，金屬構件中鉚釘與鉚接材料不同、異種金屬的焊接、船體與螺旋槳材料不同等因電極電位差別而造成的腐蝕。

12腐蝕速度應取決于單位時間內從陽極上溶解的金屬離子數，即等于單位時間內導線中流過的電量。在腐蝕之后，陰、陽極的電位會發(fā)生變化，即向著電位差縮小的方向變化，使原電池的電動勢減小，這種電極電位的變化稱為極化。一、極化現(xiàn)象陽極電位向正的方向的變化稱為陽極極化。陰極電位向負的方向的變化稱為陰極極化。第二節(jié)極化與提高鋼耐蝕性能的途徑13產生陽極極化的原因主要是由于在腐蝕過程中形成有保護作用的鈍化膜阻礙了陽極金屬和溶液的直接接觸，使金屬形成離子的速度減慢，因而降低了陽極表面的電荷密度，從而升高了陽極的電極電位。產生陰極極化的原因主要是消耗電子的陰極過程受阻，使陰極的電子造成堆積，升高了陰極表面的電荷密度，從而導致陰極電位變負。1415常用的鐵、鉻、鎳、鈦等金屬的陽極極化過程具有獨特的極化形式（相同的規(guī)律）：隨著陽極極化電位升高，腐蝕電流不是均勻降低，而是先增加，然后減少到最小，并保持這個電流經一定的電位升高階段，然后電流再增加。這類極化曲線稱為具有活化鈍化轉變的陽極極化曲線。16極化的作用對提高金屬材料的耐蝕性意義很大：一切增強陽極極化或陰極極化的因素都能提高金屬材料的耐蝕性能；或者說一切去陽極極化或去陰極極化的因素都降低金屬材料的耐蝕性能。二、提高鋼耐蝕性能的途徑17從上述腐蝕機理和類型的分析可見，要解決金屬的電化學腐蝕問題，主要從以下幾個方面入手：提高鋼本身的耐蝕性能降低環(huán)境介質的腐蝕性改進結構設計18從提高鋼本身的耐蝕性能（即金屬材料的成分、組織設計）來說，可以有以下途徑：第三減少微電池的數量，如使金屬具有單相組織；第二提高金屬基體的電極電位，降低原電池的電動勢；第一使鋼對具體使用的介質能具有穩(wěn)定鈍化區(qū)的陽極極化曲線；第四使金屬表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，如鋼中加入硅、鋁、鉻等。19一、合金元素對鐵的極化和電極電位的影響1.合金元素對鐵的陽極極化曲線的影響第三節(jié)合金元素對不銹鋼的影響

鉻能強烈地提高鐵的鈍化性能，它能明顯降低C、D點電位，升高F點電位，并使C、D、F點左移，因此鉻是改善鐵耐蝕性的最有效的合金元素。圖1-23(b)合金元素對純鐵在硫酸中極化曲線特性點位置的影響規(guī)律20鎳、硅、鉬等也不同程度地擴大鈍化區(qū)，增強鈍化性能，所以它們也是不銹鋼合金化的有效合金元素；同時鉬不僅能增強鈍化能力，而且還可升高F點電位的元素，說明鉬的鈍化能夠提高鋼抗點蝕的性能。212.合金元素對鐵的電極電位的影響一般說來，合金固溶體的電極電位總是比其它合金化合物的電極電位低，因此在電化學腐蝕過程中，合金固溶體總是作為陽極而被腐蝕。研究表明，鋼中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高鐵的電極電位。但實用中由于Ni較缺，而Si的大量加入會使鋼變脆，因此只有Cr才是顯著提高鐵基固溶體電極電位的常用合金元素。22Cr含量對Fe-Cr合金電極電位的影響23Tammann定律：鐵基固溶體（鋼基體）中Cr含量達12.5%原子比（即1/8）時，電極電位有一個突躍升高；當Cr的含量提高到25%原子比（即2/8）時，鐵基固溶體的電極電位又有一個突躍的升高。這一現(xiàn)象稱為二元合金固溶體電位的n/8規(guī)律。許多二元合金固溶體合金中存在這種規(guī)律。按n/8規(guī)律，1/8值時鉻不銹鋼最低的鉻含量應為11.7%（12.5%原子比等于11.7%重量比）241.Me對鐵基固溶體即鋼的基體組織的影響首先取決于所加入的合金元素是α相穩(wěn)定元素還是γ相穩(wěn)定元素。α相穩(wěn)定元素占優(yōu)勢時可獲得單相α基固溶體合金；γ相穩(wěn)定元素占優(yōu)勢時可獲得單相γ基固溶體合金。二、Me對不銹鋼組織和力學性能的影響252.為了減少微電池的數量，可將金屬材料設計成單相組織不銹鋼的基體組織不僅是獲得所需力學性能和工藝性能的保證，還是不銹鋼具有良好耐蝕性能的組織保證。單相鐵素體鋼、單相奧氏體鋼是不銹鋼中耐蝕性能好的兩類鋼。263.主要合金元素對不銹鋼組織的影響碳作為不銹鋼中的合金元素，對不銹鋼的組織和性能都有重要的影響。碳是穩(wěn)定奧氏體的合金元素，穩(wěn)定奧氏體的能力約為鎳含量的三十倍。強化不銹鋼的主要元素；形成鉻碳化物，消耗鉻含量為什么Cr12不是不銹鋼，而1Cr13是不銹鋼？27鉻是不銹鋼的主加合金元素，而鉻又是穩(wěn)定鐵素體的元素。當碳含量較低，含鉻量在13%時，就可獲得鐵素體不銹鋼；當含鉻量從13%增加到27%時，由于含鉻量的增加，穩(wěn)定鐵素體的能力增加，故鋼中碳含量可增加到0.05%~0.2%，仍能保持鋼的鐵素體組織。28當鉻含量在12%~18%時，一定的碳和鎳等γ相穩(wěn)定元素可使鋼在加熱時形成較多的或完全的γ相；同時又由于γ相穩(wěn)定元素含量不是很多，使得MS點在室溫以上，所以這類鋼淬火能產生馬氏體，即為馬氏體不銹鋼。29鎳是不銹鋼中三個重要的元素（鉻、碳、鎳）之一，鎳除能提高耐蝕性能外，還是γ相穩(wěn)定元素，是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進奧氏體相形成的主要元素。單獨使用鎳的低碳鎳鋼，只有當鎳的含量達到24%時才能獲得單相奧氏體組織；30鎳和鉻的配合使用時，如當含鎳量高于3%，鉻含量高于18%以后，鉻、鎳按比例地增加，可以獲得鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼；當含鎳量高于8%后，鉻含量在18%~27%的范圍內使不銹鋼獲得單相奧氏體組織。鎳還能有效地降低MS點，使奧氏體能保持到-50℃以下。31其它元素對不銹鋼組織的影響，可以應用Schaeffler組織圖來分析。鐵素體形成元素折合成鉻的作用—鉻當量，奧氏體形成元素折合成鎳的作用—鎳當量。Cr當量=(Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W)Ni當量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C)

32不銹鋼的組織圖（確定焊縫區(qū)組織的Schaeffler圖）334.合金元素對不銹鋼力學性能的影響主要取決于不銹鋼的強化機制：強化：鉻、硅、碳等合金元素提供了基體的固溶強化、相變強化、細化晶粒強化、第二相（δ鐵素體）強化、沉淀強化及亞結構強化等強化機制均可使不銹鋼獲得大幅度強化。34不銹鋼的力學性能，除沉淀硬化型外，馬氏體不銹鋼具有較好的綜合力學性能；鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼的強度和延展性也較好；單相的鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的強度性能相近，但前者屈服強度較高，而后者的延展性較好。

35韌化：不銹鋼的韌性不僅取決于基體組織，而且還受鋼中碳、氮以及雜質元素氧、硫、磷、錳、硅等的影響。鐵素體不銹鋼具有較低的沖擊韌性和較高的韌-脆轉變溫度；而鐵素體不銹鋼中含有奧氏體相時，其沖擊韌性得到改善，韌脆轉變溫度很快下降到了-50℃以下；36奧氏體不銹鋼具有很高的沖擊韌性和很低的韌脆轉變溫度，所以，奧氏體不銹鋼是很好的低溫用鋼。鋼中的碳、氮及雜質元素氧、硫、磷、錳、硅等的含量愈低，不銹鋼的韌脆轉變溫度愈低。因此，工程上對不銹鋼中雜質元素的凈化具有重要的適用意義。

37不銹鋼合金化概括*低碳:耐蝕性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:主加Cr。輔加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等。38第四節(jié)常用不銹鋼

a、鐵素體型不銹鋼

b、馬氏體型不銹鋼

c、奧氏體不銹鋼39一、鐵素體型不銹鋼1.化學成分特點:Wc=0.1%左右

WCr=17%牌號:Cr13型;Cr16~19型（亦稱Cr17型）Cr25~28型（亦稱Cr28型）4041熱處理特點:不能進行熱處理強化。鐵素體不銹鋼的脆性鐵素體不銹鋼的主要缺點是韌性低、脆性大。引起脆性的原因主要有：粗晶脆性、σ相脆性和475℃脆性。粗晶脆性—鑄態(tài)下的粗大晶粒組織不能通過相變重結晶來細化，壓力加工當溫度超過850℃~900℃以上，再結晶晶粒發(fā)生顯著粗化。

σ相脆性—高含量Cr在820℃開始形成σ相。由于σ相具有高的硬度（68HRC以上），常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促進晶間腐蝕。對于已形成的σ相的鋼，重新加熱到820℃以上保溫σ相重新溶入δ鐵素體，隨后快冷，從而消除σ相脆性，恢復鋼的韌性。475℃脆性—高鉻鋼中，Cr含量大于15%時，在400℃~525℃溫度范圍內長時間加熱后或在此溫度范圍內緩慢冷卻時，鋼在室溫下變得很脆，這個現(xiàn)象尤以475℃加熱最甚，故這種脆性稱為475℃脆性。產生475℃脆性原因是475℃加熱時，鐵素體內固溶的Cr原子有序化，形成富Cr的體心立方點陣α′′相（80%Cr、20%Fe），α′′相在{100}晶面族上或位錯處析出，并度增加，韌性下降?？刹扇?00-800℃短時加熱快冷予以消除。42硝酸生產裝置合成氨生產裝置用途:化工設備中要求耐蝕性高、塑性好、強度低的容器、管道等。431．馬氏體不銹鋼的鉻含量在12%~18%之間，和鐵素體不銹鋼相比，除鉻的上限含量較低外，還含有一定量的C和Ni等γ相穩(wěn)定元素，使這類鋼在加熱時有較多的γ或完全的γ相出現(xiàn)；又因γ穩(wěn)定化元素含量不多，Ms在室溫以上，淬火可以得到馬氏體，故此稱為馬氏體不銹鋼。

2.馬氏體不銹鋼的化學成分根據馬氏體不銹鋼中鉻和碳的含量，可以將馬氏體不銹鋼分為三類：低碳及中碳的13%Cr鋼；高碳的18%Cr鋼；低碳的17%Cr-2%Ni鋼二、馬氏體型不銹鋼4445二、馬氏體型不銹鋼熱處理及應用0Cr13~4Cr13淬透性高空冷便得M而得名。0Cr13~2Cr13含C量低具有良好的綜合機械性能，可進行深沖、卷邊、焊接等，制不銹鋼結構中（如汽輪機葉片等）淬火+高溫回火3Cr13、4Cr13硬度度、焊接性差，耐蝕工件，醫(yī)療工具，不銹軸承，淬火+低回。弱腐蝕介質：大氣、海水、淡水、水蒸汽。46三、奧氏體型不銹鋼化學成分特點:Wc=0.08～0.14%、WCr=17～19%、WNi=8～11%、Cu、Ti、Mo等。加工特點:不能進行熱處理強化,只能冷塑性變形強化。0Cr18Ni91Cr18Ni90Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti含C量在0.1%以下，通常為單相A，比馬氏體不銹鋼的耐蝕性好，好的