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1、 高性能金屬結(jié)構(gòu)材料高性能金屬結(jié)構(gòu)材料 不銹耐蝕鋼不銹耐蝕鋼 李樹(shù)索李樹(shù)索(, 82314488北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院School of materials science and engineering, BUAA主要內(nèi)容主要內(nèi)容鋼的耐蝕性鋼的耐蝕性1不銹耐蝕鋼的組織不銹耐蝕鋼的組織2不銹耐蝕鋼的腐蝕特性不銹耐蝕鋼的腐蝕特性3鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼4奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼5馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼6高強(qiáng)度不銹鋼高強(qiáng)度不銹鋼7重點(diǎn)及基本要求Q掌握金屬腐蝕的概念、提高耐腐蝕的基本途徑、合掌握金屬腐蝕的概念、提高耐腐蝕的基本途徑、合金元素對(duì)耐
2、腐蝕性能的影響;金元素對(duì)耐腐蝕性能的影響;Q掌握常見(jiàn)各種不銹鋼的成分、熱處理、性能及用途掌握常見(jiàn)各種不銹鋼的成分、熱處理、性能及用途等特點(diǎn);等特點(diǎn);Q重點(diǎn)是合金元素對(duì)耐腐蝕性能的影響;重點(diǎn)是合金元素對(duì)耐腐蝕性能的影響;Q難點(diǎn)是不同合金元素對(duì)耐蝕鋼組織、性能的交互作難點(diǎn)是不同合金元素對(duì)耐蝕鋼組織、性能的交互作用。用。1 1、鋼的耐蝕性、鋼的耐蝕性 一、金屬腐蝕的基本概念 1、化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕 金屬和化學(xué)介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的腐蝕稱(chēng)金屬和化學(xué)介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的腐蝕稱(chēng)化學(xué)腐蝕?;瘜W(xué)腐蝕。 如鐵在高溫下的氧化:如鐵在高溫下的氧化: 4Fe+3O2Fe2O3 Fe+2H2OFe(OH)2+
3、H2 這種反應(yīng)不產(chǎn)生腐蝕電流,在反應(yīng)表面形成一層這種反應(yīng)不產(chǎn)生腐蝕電流,在反應(yīng)表面形成一層化學(xué)生成物?;瘜W(xué)生成物。2 2、 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕更重要更普遍的形式電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕更重要更普遍的形式,它是由于不同它是由于不同金屬或金屬的不同相之間,電極電位不同,構(gòu)成原電池而產(chǎn)金屬或金屬的不同相之間,電極電位不同,構(gòu)成原電池而產(chǎn)生的。生的。用硝酸酒精浸蝕碳鋼能顯示珠光體就是這一原理。由于用硝酸酒精浸蝕碳鋼能顯示珠光體就是這一原理。由于Fe3C的電極電位較高,的電極電位較高,-Fe的電極電位較低,當(dāng)有導(dǎo)線連通時(shí)即的電極電位較低,當(dāng)有導(dǎo)線連通時(shí)即構(gòu)成原電池,導(dǎo)線中有電流通過(guò)。這
4、時(shí)在陽(yáng)極上構(gòu)成原電池,導(dǎo)線中有電流通過(guò)。這時(shí)在陽(yáng)極上-Fe的原子的原子變成離子進(jìn)入溶液:變成離子進(jìn)入溶液: Fe Fe+3e 電子則通過(guò)導(dǎo)線到達(dá)陰極電子則通過(guò)導(dǎo)線到達(dá)陰極Fe3C。在陰極上。在陰極上Fe3C將電子傳導(dǎo)給將電子傳導(dǎo)給酸性介質(zhì)中的酸性介質(zhì)中的H+離子,變成氫氣逸出:離子,變成氫氣逸出: 3 H+3e=1.5H2 原電池不斷進(jìn)行的結(jié)果,是原電池不斷進(jìn)行的結(jié)果,是-Fe被腐蝕,被腐蝕,H+離子被還原,離子被還原,F(xiàn)e3C不被腐蝕。這種原電池腐蝕由于是在顯微組織之間產(chǎn)生不被腐蝕。這種原電池腐蝕由于是在顯微組織之間產(chǎn)生的,故稱(chēng)為微電池腐蝕。的,故稱(chēng)為微電池腐蝕。 電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn):電化學(xué)腐
5、蝕的特點(diǎn):Q有液體介質(zhì)、金屬或相之間有電位差、并連通或接有液體介質(zhì)、金屬或相之間有電位差、并連通或接觸、有電流產(chǎn)生,陽(yáng)極金屬溶解。觸、有電流產(chǎn)生,陽(yáng)極金屬溶解。 Q在腐蝕開(kāi)始后,由于在陽(yáng)極形成鈍化膜,在陰極產(chǎn)在腐蝕開(kāi)始后,由于在陽(yáng)極形成鈍化膜,在陰極產(chǎn)生電子堆積。陽(yáng)極電位向正方向變化,產(chǎn)生陽(yáng)極極生電子堆積。陽(yáng)極電位向正方向變化,產(chǎn)生陽(yáng)極極化;陰極電位向負(fù)的方向變化,產(chǎn)生陰極極化,這化;陰極電位向負(fù)的方向變化,產(chǎn)生陰極極化,這種電極電位的變化稱(chēng)為極化。種電極電位的變化稱(chēng)為極化。Q一切增強(qiáng)陽(yáng)極極化或陰極極化的因素,都提高金屬一切增強(qiáng)陽(yáng)極極化或陰極極化的因素,都提高金屬的耐蝕性。的耐蝕性。金屬電化學(xué)
6、腐蝕的形式金屬電化學(xué)腐蝕的形式不銹鋼不銹鋼:指在:指在大氣及弱腐蝕介質(zhì)中耐蝕大氣及弱腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。的鋼。n腐蝕速度小于腐蝕速度小于0.01mm/a,完全耐蝕;腐蝕速度小于,完全耐蝕;腐蝕速度小于0.1mm/a,耐蝕;腐蝕速度大于,耐蝕;腐蝕速度大于0.1mm/a,不耐蝕。,不耐蝕。耐蝕鋼耐蝕鋼:指在:指在各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。中耐蝕的鋼。n腐蝕速度小于腐蝕速度小于0.1mm/a,完全耐蝕;腐蝕速度小于,完全耐蝕;腐蝕速度小于1.0mm/a,耐蝕;腐蝕速度大于耐蝕;腐蝕速度大于1.0mm/a,不耐蝕。,不耐蝕。. . 均勻腐蝕均勻腐蝕 晶間腐蝕晶間腐蝕 點(diǎn)腐蝕點(diǎn)腐蝕 應(yīng)力
7、腐蝕應(yīng)力腐蝕均勻腐蝕均勻腐蝕晶間腐蝕晶間腐蝕點(diǎn)腐蝕點(diǎn)腐蝕穿晶腐蝕穿晶腐蝕二、成分和環(huán)境對(duì)鋼耐蝕性的影響 1 1、提高鋼的耐蝕性途徑、提高鋼的耐蝕性途徑提高基體的電極電位,來(lái)降低原電池電動(dòng)勢(shì);提高基體的電極電位,來(lái)降低原電池電動(dòng)勢(shì); 使鋼具有單相組織,減少微電池的數(shù)量;使鋼具有單相組織,減少微電池的數(shù)量; 使鋼表面生成穩(wěn)定的表面保護(hù)膜,如鋼中加硅、使鋼表面生成穩(wěn)定的表面保護(hù)膜,如鋼中加硅、鋁、鉻等。鋁、鉻等。2 2、成分對(duì)鋼耐蝕性的影響、成分對(duì)鋼耐蝕性的影響(1 1)碳)碳 Q 碳能強(qiáng)烈地穩(wěn)定奧氏體,穩(wěn)定奧氏體的能力為鎳的碳能強(qiáng)烈地穩(wěn)定奧氏體,穩(wěn)定奧氏體的能力為鎳的30倍;倍;Q 碳與鉻能形成一
8、系列碳化物,使不銹鋼耐蝕性受到嚴(yán)重影響;碳與鉻能形成一系列碳化物,使不銹鋼耐蝕性受到嚴(yán)重影響; (2 2)鉻是提高鋼鈍化膜穩(wěn)定性的必要元素)鉻是提高鋼鈍化膜穩(wěn)定性的必要元素u 鋼中加入鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過(guò)1012%,合金的鈍化能力有顯著提高;u 當(dāng)鉻的摩爾分?jǐn)?shù)量每次達(dá)到12.5%、25、37.5%時(shí),合金在硝酸中的腐蝕速度都相應(yīng)有一個(gè)突然的降低(1/8定律)。u 研究表明,當(dāng)鋼中鉻含量達(dá)到10后,鈍化膜中才富集了鉻的氧化物。在不銹鋼中,這種富鉻的復(fù)合氧化膜的厚度在1.02.0nm,并具有尖晶石結(jié)構(gòu),在許多介質(zhì)中有很高的穩(wěn)定性。(3)鎳)鎳Q 提高鋼的耐蝕性,在非氧化性的硫酸中更為顯著。提高鋼
9、的耐蝕性,在非氧化性的硫酸中更為顯著。摩爾分?jǐn)?shù)為12.5%和25%時(shí),耐蝕性明顯提高。Q 鎳是鎳是穩(wěn)定化元素,鎳能有效地降低穩(wěn)定化元素,鎳能有效地降低Ms點(diǎn),使奧氏體能保持點(diǎn),使奧氏體能保持到很低的溫度。到很低的溫度。 (4)錳)錳提高鉻不銹鋼提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸如醋酸、甲酸等中的耐蝕性,比鎳更有效。,比鎳更有效。錳是錳是鎳的代用品,是,是穩(wěn)定化元素;錳在奧氏體不銹鋼中部分穩(wěn)定化元素;錳在奧氏體不銹鋼中部分替代替代Ni,2%Mn相當(dāng)相當(dāng)1Ni。 (5)鉬)鉬Q 提高不銹鋼的鈍化作用和耐蝕性,可阻止點(diǎn)蝕。提高不銹鋼的鈍化作用和耐蝕性,可阻止點(diǎn)蝕。 (6)硅)硅提高鋼在鹽酸、硫酸和高濃度硝酸中的耐
10、蝕性。提高鋼在鹽酸、硫酸和高濃度硝酸中的耐蝕性。在不銹鋼中加入在不銹鋼中加入2-4%的的Si,提高耐蝕性。,提高耐蝕性。(7)鈦、鈮)鈦、鈮 Q 鈦和鈮是強(qiáng)的碳化物形成元素,可優(yōu)先于鉻同碳形成碳化鈦和鈮是強(qiáng)的碳化物形成元素,可優(yōu)先于鉻同碳形成碳化物,防止晶間腐蝕,提高耐蝕性。物,防止晶間腐蝕,提高耐蝕性。 3 3、環(huán)境對(duì)不銹鋼耐蝕性的影響、環(huán)境對(duì)不銹鋼耐蝕性的影響Q 大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì),固溶體中大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì),固溶體中Cr含量含量10-12%,就能保證不銹。就能保證不銹。Q 氧化性酸如硝酸等,氧化性酸如硝酸等,Cr含量含量16%的鋼,才有較高的鈍化能的鋼,才有較高的鈍化
11、能力。力。Q 非氧化性酸如稀硫酸等,需要加入非氧化性酸如稀硫酸等,需要加入Ni、Mo、Cu等,提高耐蝕等,提高耐蝕性。性。Q 鹽酸中不銹耐蝕鋼也不耐蝕,一般采用鹽酸中不銹耐蝕鋼也不耐蝕,一般采用Ni-Mo合金。合金。Q 強(qiáng)有機(jī)酸中,一般強(qiáng)有機(jī)酸中,一般Cr和和Cr-Ni不銹鋼難以鈍化,加入不銹鋼難以鈍化,加入Mo、Cu、Mn等,提高耐蝕性。等,提高耐蝕性。Q 在含在含Cl的介質(zhì)中,加的介質(zhì)中,加Mo提高抗點(diǎn)蝕的能力。提高抗點(diǎn)蝕的能力。 2 2 不銹耐蝕鋼的組織不銹耐蝕鋼的組織 一、一、Cr-Mn系不銹鋼系不銹鋼1、Fe-Cr-Mn相圖相圖1000時(shí),單相時(shí),單相相區(qū)僅溶解相區(qū)僅溶解14%Cr。
12、2 Cr-Mn-C-N鋼中的組織:鋼中的組織:要獲得單相要獲得單相,所需最少的,所需最少的C、N于鋼中于鋼中Cr之間的關(guān)之間的關(guān)系為:系為: C+N=0.078Cr-12.5N在鋼中的溶解度取決于氮化物形成元素在鋼中的溶解度取決于氮化物形成元素Cr和和Mn在在鋼中的含量:鋼中的含量: N=1/100Cr+Mn二、二、Cr-Ni系不銹鋼系不銹鋼Q 更多的合金元素可歸納為鉻更多的合金元素可歸納為鉻,鎳當(dāng)量對(duì)不銹鋼組織的影響。鎳當(dāng)量對(duì)不銹鋼組織的影響。 Q 鉻鉻,鎳當(dāng)量可由下列公式計(jì)算:鎳當(dāng)量可由下列公式計(jì)算: Q 鉻當(dāng)量由鐵素體形成元素來(lái)確定:鉻當(dāng)量由鐵素體形成元素來(lái)確定: Cr當(dāng)量當(dāng)量 = (C
13、r)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+5.5(Al)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W) 鎳當(dāng)量由奧氏體形成元素確定:鎳當(dāng)量由奧氏體形成元素確定: Ni當(dāng)量當(dāng)量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C) 以上各元素均為重量百分比。以上各元素均為重量百分比。 Q 根據(jù)上述計(jì)算式算出的鉻根據(jù)上述計(jì)算式算出的鉻,鎳當(dāng)量數(shù),在鎳當(dāng)量數(shù),在下圖下圖中求得其交點(diǎn),中求得其交點(diǎn),根據(jù)交點(diǎn)所在相區(qū),確定鋼的相組成。根據(jù)交點(diǎn)所在相區(qū),確定鋼的相組成。三、不銹鋼的分類(lèi)三、不銹鋼的分類(lèi) 1、按化學(xué)成分分、按化學(xué)成分分 鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼、鉻錳不銹鋼等。鉻不銹鋼
14、、鉻鎳不銹鋼、鉻錳不銹鋼等。 2、按金相組織分、按金相組織分 馬氏體、鐵素體、奧氏體、奧氏體馬氏體、鐵素體、奧氏體、奧氏體-鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。和沉淀硬化不銹鋼。 3 3 不銹耐蝕鋼的腐蝕特性不銹耐蝕鋼的腐蝕特性 一、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕一、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕 奧氏體不銹鋼在熱硝酸(濃度奧氏體不銹鋼在熱硝酸(濃度50-65%)、含銅鹽和氧化鐵)、含銅鹽和氧化鐵的硫酸溶液、熱有機(jī)酸中產(chǎn)生晶間腐蝕。的硫酸溶液、熱有機(jī)酸中產(chǎn)生晶間腐蝕。1、晶間腐蝕產(chǎn)生的原因、晶間腐蝕產(chǎn)生的原因(1 1)由鋼中的碳引起的)由鋼中的碳引起的Q如如下圖下圖。在。在550-800范圍內(nèi)停留會(huì)引起
15、晶間腐蝕,以范圍內(nèi)停留會(huì)引起晶間腐蝕,以650左右最敏感。左右最敏感。Q在晶界上析出連續(xù)網(wǎng)狀富鉻的在晶界上析出連續(xù)網(wǎng)狀富鉻的Cr23C6引起晶界周?chē)w產(chǎn)生引起晶界周?chē)w產(chǎn)生貧碳區(qū),貧碳區(qū),Cr低于低于12%,在許多介質(zhì)中沒(méi)有鈍化能力,貧鉻區(qū),在許多介質(zhì)中沒(méi)有鈍化能力,貧鉻區(qū)成為微陽(yáng)極而發(fā)生腐蝕。成為微陽(yáng)極而發(fā)生腐蝕。(2 2)相在晶界析出也會(huì)造成晶間腐蝕相在晶界析出也會(huì)造成晶間腐蝕Q 固溶的固溶的Mo和和Ti促進(jìn)促進(jìn)相在晶界析出,在晶界產(chǎn)生貧鉻區(qū)。相在晶界析出,在晶界產(chǎn)生貧鉻區(qū)。(3 3)鋼中氮含量)鋼中氮含量Q N0.16%,沿晶界析出,沿晶界析出Cr2N,增加晶間腐蝕傾向。,增加晶間腐
16、蝕傾向。(4 4)在氧化性介質(zhì)中,奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理也會(huì))在氧化性介質(zhì)中,奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理也會(huì)發(fā)生晶間腐蝕發(fā)生晶間腐蝕Q 在熱的濃硝酸加重鉻酸鹽溶液中,經(jīng)在熱的濃硝酸加重鉻酸鹽溶液中,經(jīng)1050固溶處理后,雜質(zhì)固溶處理后,雜質(zhì)元素元素P和和Si在晶界偏聚。在晶界偏聚。2、消除晶間腐蝕的方法、消除晶間腐蝕的方法(1)在敏化溫度范圍長(zhǎng)期加熱,通過(guò)鉻的擴(kuò)散消除貧鉻區(qū)。)在敏化溫度范圍長(zhǎng)期加熱,通過(guò)鉻的擴(kuò)散消除貧鉻區(qū)。(2)降低奧氏體不銹鋼中的碳含量。)降低奧氏體不銹鋼中的碳含量。C0.03%,沒(méi)有晶間腐,沒(méi)有晶間腐蝕發(fā)生。如蝕發(fā)生。如00Cr18Ni10鋼。鋼。(3)加入強(qiáng)碳化物形成元素)
17、加入強(qiáng)碳化物形成元素Ti和和Nb,形成穩(wěn)定的,形成穩(wěn)定的TiC或或NbC。Ti或或Nb在鋼中的含量分別為:在鋼中的含量分別為:0.8%Ti5(C-0.02)1.0%Nb10(C-0.02)(4)鋼中有)鋼中有10-50%體積的體積的鐵素體,可改善奧氏體不銹鋼鐵素體,可改善奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向。的晶間腐蝕傾向。 鐵素體在鐵素體在500-800發(fā)生相間沉淀,發(fā)生相間沉淀,Cr23C6在在/相界相界一側(cè)析出呈點(diǎn)狀,排除了在奧氏體晶界析出一側(cè)析出呈點(diǎn)狀,排除了在奧氏體晶界析出Cr23C6,且,且相內(nèi)鉻的擴(kuò)散系數(shù)比相內(nèi)鉻的擴(kuò)散系數(shù)比相內(nèi)高相內(nèi)高1000倍,不致產(chǎn)生貧鉻區(qū)。倍,不致產(chǎn)生貧鉻區(qū)。二、不
18、銹鋼的應(yīng)力腐蝕二、不銹鋼的應(yīng)力腐蝕1、不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)特點(diǎn)、不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)特點(diǎn)Q 引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)特點(diǎn)是含有氯離子。引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)特點(diǎn)是含有氯離子。隨隨Cl-濃度升高,應(yīng)力腐蝕破斷時(shí)間縮短。濃度升高,應(yīng)力腐蝕破斷時(shí)間縮短。Q 在微酸性在微酸性FeCl2、MgCl2溶液中,氧促進(jìn)應(yīng)力腐蝕;在溶液中,氧促進(jìn)應(yīng)力腐蝕;在PH4-5的酸性介質(zhì)中,的酸性介質(zhì)中,H+濃度愈高,應(yīng)力腐蝕破斷時(shí)間縮濃度愈高,應(yīng)力腐蝕破斷時(shí)間縮短;在短;在PH4-5時(shí),加入時(shí),加入NO3-、I-及醋酸鹽可抑制應(yīng)力腐及醋酸鹽可抑制應(yīng)力腐蝕。蝕。2 2、應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響、應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕的
19、影響Q 只有張應(yīng)力才會(huì)引發(fā)應(yīng)力腐蝕。在溫度恒定時(shí),應(yīng)力愈只有張應(yīng)力才會(huì)引發(fā)應(yīng)力腐蝕。在溫度恒定時(shí),應(yīng)力愈大,則破斷時(shí)間愈短。如大,則破斷時(shí)間愈短。如下圖下圖。Q 實(shí)際應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值愈大,應(yīng)力腐蝕敏感度愈高。實(shí)際應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值愈大,應(yīng)力腐蝕敏感度愈高。3、溫度對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響、溫度對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響Q 溫度愈高,應(yīng)力腐蝕破斷時(shí)間愈短。溫度愈高,應(yīng)力腐蝕破斷時(shí)間愈短。 含含Cl-的水溶液中,的水溶液中,80以以上才有應(yīng)力腐蝕。上才有應(yīng)力腐蝕。4、組織對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響、組織對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響Q Cr=15-28%的鐵素體不銹鋼對(duì)的鐵素體不銹鋼對(duì)Cl-引起的應(yīng)力腐蝕不敏感。引起的應(yīng)力腐蝕不敏感
20、。Q Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感。型奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感。Q 含鐵素體的復(fù)相不銹鋼有低的應(yīng)力腐蝕敏感度。含鐵素體的復(fù)相不銹鋼有低的應(yīng)力腐蝕敏感度。Q 在不穩(wěn)定奧氏體不銹鋼中,形變引起的馬氏體對(duì)應(yīng)力腐蝕有害。在不穩(wěn)定奧氏體不銹鋼中,形變引起的馬氏體對(duì)應(yīng)力腐蝕有害。5、化學(xué)成分對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響、化學(xué)成分對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響Q Ni(Ni45%不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕)、不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕)、C、Si(2-4%)、)、Cu(2%)降低應(yīng)力腐蝕敏感度;)降低應(yīng)力腐蝕敏感度;Q N(0.04%)、)、Cr、Mo、P、As、Sb、Bi、Al、S促進(jìn)應(yīng)促進(jìn)應(yīng)力腐蝕敏感度。力腐蝕敏感度。 6、應(yīng)力腐蝕的機(jī)
21、理、應(yīng)力腐蝕的機(jī)理Q 應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕共同作用的結(jié)果,是滑移溶解機(jī)應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕共同作用的結(jié)果,是滑移溶解機(jī)制。制。Q 張應(yīng)力引起位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)移出表面,形成滑移臺(tái)階,破壞張應(yīng)力引起位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)移出表面,形成滑移臺(tái)階,破壞了表面鈍化膜,裸露的臺(tái)階若來(lái)不及修補(bǔ)成完整的鈍化膜,就了表面鈍化膜,裸露的臺(tái)階若來(lái)不及修補(bǔ)成完整的鈍化膜,就會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溶解,形成蝕坑,并繼續(xù)發(fā)展,形成腐蝕裂縫,最會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溶解,形成蝕坑,并繼續(xù)發(fā)展,形成腐蝕裂縫,最后導(dǎo)致穿晶斷裂。后導(dǎo)致穿晶斷裂。Q 層錯(cuò)能影響位錯(cuò)滑移方式,從而影響應(yīng)力腐蝕敏感度。層錯(cuò)能層錯(cuò)能影響位錯(cuò)滑移方式,從而影響應(yīng)力腐蝕敏感
22、度。層錯(cuò)能高的鋼易于交滑移,引起滑移臺(tái)階小,鈍化膜不易破壞,應(yīng)力高的鋼易于交滑移,引起滑移臺(tái)階小,鈍化膜不易破壞,應(yīng)力腐蝕敏感度低。腐蝕敏感度低。Q 如如Ni和和C,增高層錯(cuò)能。,增高層錯(cuò)能。u鐵素體在形變時(shí)易發(fā)生交滑移,導(dǎo)致表面鈍化膜破鐵素體在形變時(shí)易發(fā)生交滑移,導(dǎo)致表面鈍化膜破壞少,易于修補(bǔ),因而降低不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性。壞少,易于修補(bǔ),因而降低不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性。防止應(yīng)力腐蝕的措施:l 采用硅含量為24或銅含量為2的鋼種;l 將鋼中氮含量降低到小于0.04,并盡量降低雜質(zhì)含量;l 采用高純度鐵素體不銹鋼;l 采用奧氏體鐵素體復(fù)相鋼,鐵素體體積含量控制在5070。三、不銹鋼的點(diǎn)腐蝕三、不
23、銹鋼的點(diǎn)腐蝕 不銹鋼在含Cl介質(zhì)中,表面會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀凹坑,稱(chēng)為點(diǎn)腐蝕。不銹鋼中的夾雜物、晶界析出相、晶界是點(diǎn)腐蝕容易發(fā)生的地方,這些地點(diǎn)表面鈍化膜的均勻性受到破壞,使得Cl易于穿透這些地點(diǎn)的脆弱的鈍化膜,并與鋼的基體發(fā)生作用,從而破壞了鈍化膜。 解決措施:鉻和鉬可提高鈍化膜的穩(wěn)定性,工業(yè)中可選用高鉻和含鉬的鋼種,如Cr22Ni26Mo5Ti鋼及w(N)在0.1%以上的鋼種如00Cr22Ni12Mo2.5N鋼,以及高純的Cr26Mo1、Cr26Mo4鋼。發(fā)展超低硫的鋼種,如超低硫Cr18Ni8MoN鋼,盡可能降低介質(zhì)中的Cl的濃度。4 4 鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼 由Fe-Cr相圖可知,由于鉻穩(wěn)定
24、相的作用,在鉻含量到達(dá)13時(shí),鐵鉻合金將無(wú)相變,從高溫到低溫一直保持鐵素體。又由于鉻量到達(dá)12能耐蝕,故這類(lèi)鐵素體鋼就成為鐵素體不銹鋼。 鐵素體不銹鋼的耐蝕性和抗氧化性均較好,特別是抗應(yīng)力腐蝕性能較好,但機(jī)械性能(屈服強(qiáng)度比奧氏體不銹鋼高,但沖擊韌性低。)及工藝性能較差,多用于受力不大的耐酸結(jié)構(gòu)和作抗氧化鋼使用。一、鐵素體不銹鋼的鋼種和類(lèi)型一、鐵素體不銹鋼的鋼種和類(lèi)型 (1)Cr13型型 如如0Cr13、0Cr13Al 等,常用作耐熱鋼;等,常用作耐熱鋼; (2)Cr16-19型型 如如Cr17、Cr17Ti、Cr17Mo1Nb等,可耐大氣、等,可耐大氣、淡水、稀硝酸介質(zhì)腐蝕。淡水、稀硝酸介質(zhì)
25、腐蝕。 (3)Cr25-28型型 如如Cr25Ti、Cr26Mo1、Cr28等,是耐強(qiáng)腐蝕介等,是耐強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的耐酸鋼。質(zhì)的耐酸鋼。 二、鐵素體不銹鋼的脆性二、鐵素體不銹鋼的脆性 高鉻鐵素體鋼的缺點(diǎn)是脆性大,其原因主要是:高鉻鐵素體鋼的缺點(diǎn)是脆性大,其原因主要是:(1)粗大的原始晶粒)粗大的原始晶粒Q 這類(lèi)鋼鑄態(tài)下組織粗大,不能通過(guò)加熱冷卻過(guò)程中的相變來(lái)細(xì)化,只能通過(guò)壓力加工來(lái)碎化;Q 鐵素體由于原子擴(kuò)散快,有低的晶粒粗化溫度和高的晶粒粗化速率;600以上開(kāi)始粗化,奧氏體不銹鋼為900。Q 解決辦法:生產(chǎn)中將終鍛溫度或終軋溫度控制在750或更低的溫度;向鋼中加少量鈦,以Ti(C、N)阻止晶粒長(zhǎng)
26、大;增加鐵素體不銹鋼中在高溫的奧氏體量,來(lái)控制晶粒粗化。 (2)相相Q 按Fe-Cr相圖,45Cr在820開(kāi)始形成相。但實(shí)際生產(chǎn)中,由于鉻鋼中的顯微偏析,17Cr的不銹鋼就有可能形成相。相具有高的硬度(HRC68以上),常常沿晶界分布,故引起很大的脆性,并可能促進(jìn)晶間腐蝕。 (3)475脆性脆性 Q 高鉻鋼中,當(dāng)含Cr15%時(shí),在400500溫度范圍長(zhǎng)時(shí)間加熱后或在此溫度范圍內(nèi)緩冷時(shí),鋼在室溫下變得很脆。這個(gè)現(xiàn)象尤以475加熱最甚,因而這種脆性被稱(chēng)為475脆性。 Q 475加熱時(shí),鐵素體內(nèi)的鉻原子趨于有序化,形成許多富鉻的鐵素體(80%Cr、20%Fe),它們與母相保持共格關(guān)系,引起晶格畸變和
27、內(nèi)應(yīng)力,此時(shí),鋼的強(qiáng)度升高,沖擊韌性降低。(4)鋼中含有)鋼中含有C、N、O等雜質(zhì)及夾雜物。等雜質(zhì)及夾雜物。 三、鐵素體不銹鋼的熱處理三、鐵素體不銹鋼的熱處理 Q 鐵素體不銹鋼平衡組織為鐵素體鉻的碳化物。Q 碳化物析出時(shí)容易產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕,為了獲得成分均勻的鐵素體組織,減少碳化物析出,消除晶間腐蝕傾向,以及消除相析出和475脆性,鐵素體不銹鋼在熱軋后常采用淬火、回火或退火熱處理工藝。 5 5 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼Q 奧氏體不銹鋼是含有鉻和較多的穩(wěn)定奧氏體元素鎳、錳、氮,使用狀態(tài)為奧氏體的一種不銹鋼。Q 它耐蝕性高,而且具有高的塑性、韌性和低溫韌性,易于加工成形為各種形狀的鋼材,具有良
28、好的焊接性能、無(wú)磁性等。是用量最大的一類(lèi)不銹鋼,約占不銹鋼總產(chǎn)量的2/3。Q 奧氏體不銹鋼是以18Cr-8%Ni為典型成分而發(fā)展起來(lái)的。18Cr-8%Ni含量正好處于奧氏體有利于形成的成分范圍。 一、典型鋼種、性能及應(yīng)用一、典型鋼種、性能及應(yīng)用 1、Cr-Ni系不銹鋼系不銹鋼Q典型鋼種典型鋼種:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb、00Cr18Ni10、00Cr17Ni7Cu2、00Cr17Ni8SiCu2。Q含含Ni高的不銹鋼高的不銹鋼Ms點(diǎn)低,在極低溫下保持單相奧點(diǎn)低,在極低溫下保持單相奧氏體組織,具有良好的塑性和韌性,做液氮或更低氏體組織,具有
29、良好的塑性和韌性,做液氮或更低溫度液體的壓力容器。溫度液體的壓力容器。Q 影響Cr18Ni9型不銹鋼強(qiáng)度和斷面收縮率的表達(dá)式如下:s(MPa)=67.8+493N+354C+20Si+3.7Cr+14.5Mo+18.5V+4.5W+40Nb+26.2Ti+12.6Al+2.46+7.1d-1/2b(MPa)=447+847N+539C+37Si+1.7Ni+18.5Mo+77Nb+46.2Ti+18.5Al+2.2+12.6 t-1/2 元素為其質(zhì)量分?jǐn)?shù);為鐵素體的體積分?jǐn)?shù);d為晶粒平均截距(mm);t為孿晶間平均距離(mm)。Q 鐵素體形成元素的強(qiáng)化效應(yīng)大于奧氏體形成元素。(如下圖)Q =7
30、7+0.81Si+0.94Mn+1.3Cu+1.6Al-0.2Ni-6.6Nb+0.99 t-1/2-1.0 d-1/22、Cr-Mn-N系、系、Cr-Mn-Ni-N系不銹鋼系不銹鋼Q典型鋼種:典型鋼種:1Cr17Mn13N、1Cr18Mn8Ni5NQN的固溶強(qiáng)化使鋼具有較高的屈服強(qiáng)度、塑性和的固溶強(qiáng)化使鋼具有較高的屈服強(qiáng)度、塑性和韌性,性能優(yōu)于韌性,性能優(yōu)于Cr18Ni9型。適用于要求耐蝕的型。適用于要求耐蝕的同時(shí)又要求較高的屈服強(qiáng)度的零部件。同時(shí)又要求較高的屈服強(qiáng)度的零部件。3 3、亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼、亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼Q 典型鋼種:典型鋼種: 1Cr18Ni8、1Cr18Ni8Mo、Cr15
31、Mn14N。Q 在冷變形時(shí)發(fā)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變,使鋼在冷作硬化基礎(chǔ)上又在冷變形時(shí)發(fā)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變,使鋼在冷作硬化基礎(chǔ)上又加上馬氏體強(qiáng)化。加上馬氏體強(qiáng)化。Q 影響影響Ms和和Md點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方程為:點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方程為: Ms=1305-61.1Ni%-41.7Cr%-33.3Mn%-27.8Si%-1667(C+N) Md=413-9.5Ni%-13.7Cr%-8.1Mn%-9.2Si%-18.5Mo-462(C+N)Q 用來(lái)制作不銹彈簧,采用零下溫度軋制和低溫回火。用來(lái)制作不銹彈簧,采用零下溫度軋制和低溫回火。4、Cr-Ni-Mo-Cu系系v 典型鋼種:典型鋼種: 1Cr18Ni12Mo3Ti
32、、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti、0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti、00Cr18Ni14Mo2Cu2等。等。v 適用于在非氧化性酸中工作的部件。適用于在非氧化性酸中工作的部件。5、Cr-Ni-Mo-N系系v 典型鋼種:典型鋼種: 00Cr22Ni22Mo2.5N、00Cr22Ni6Mo3N、Cr22Ni26Mo5Ti、Cr26Mo4等。等。v 用于在含鹵族元素離子介質(zhì)中,抗點(diǎn)腐蝕的鋼,也用于耐海水用于在含鹵族元素離子介質(zhì)中,抗點(diǎn)腐蝕的鋼,也用于耐海水腐蝕的海洋設(shè)備上。腐蝕的海洋設(shè)備上。6、Cr-Ni-Si系系v 典型鋼種:典型鋼種: 0Cr18Ni14Si4v 用于抗應(yīng)力腐蝕用鋼。用于抗
33、應(yīng)力腐蝕用鋼。二、奧氏體不銹鋼的平衡組織及熱處理二、奧氏體不銹鋼的平衡組織及熱處理 Q 18-8型奧氏體不銹鋼平衡態(tài)組織為奧氏體鐵素體碳化物復(fù)相組織,實(shí)際的單相奧氏體是通過(guò)固溶處理獲得的。 Q 該類(lèi)鋼在高溫有一個(gè)含碳量較寬的奧氏體相區(qū),碳在奧氏體中溶解度隨溫度沿ES線變化。緩冷時(shí)沿ES線碳以合金碳化物的形式析出,主要為(Cr,Fe)23C6。緩冷至SK線以下還要發(fā)生相變,部分轉(zhuǎn)變?yōu)?,故平衡態(tài)時(shí)18-8奧氏體鋼在室 溫 下 的 組 織 是 + + C 。 當(dāng) 加 熱 到 E S 線 以 上 時(shí) ,(Cr,Fe)23C6等又可完全溶入奧氏體,經(jīng)淬火就可獲得碳、合金等元素在相中過(guò)飽和的固溶體。 Q
34、固溶處理時(shí)的加熱溫度必須高于碳化鉻的溶解溫度。 6 6 馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼 馬氏體不銹鋼含馬氏體不銹鋼含12-18Cr, 和鐵素體不銹鋼相比,和鐵素體不銹鋼相比,其成分特點(diǎn)是:其成分特點(diǎn)是:Q 鉻的上限含量較低;還含有一定量的碳和鎳等相穩(wěn)定化元素。這類(lèi)高鉻鋼在加熱時(shí)有較多或完全的相出現(xiàn);又因穩(wěn)定化元素含量不多,Ms點(diǎn)在室溫以上,故淬火冷卻能產(chǎn)生馬氏體, 因此稱(chēng)為馬氏體類(lèi)不銹鋼。 Q 這類(lèi)鋼的耐蝕性、塑性、焊接性較奧氏體、鐵素體不銹鋼要差,但由于它有較好的機(jī)械性能和耐蝕性的結(jié)合,所以是機(jī)械工業(yè)中廣泛使用的一類(lèi)鋼。用于制造機(jī)械零件、醫(yī)用手術(shù)工具、測(cè)量工具、不銹軸承、彈簧等。 一、典型鋼種、成
35、分和應(yīng)用一、典型鋼種、成分和應(yīng)用 1、低碳的13Cr鋼 如1Cr13、2Cr13,可用于制造汽輪機(jī)葉片、抗弱腐蝕介質(zhì)并承受沖擊的零件,如螺栓、螺母等機(jī)械結(jié)構(gòu)件。 2、低碳的17Cr-2%Ni鋼 如1Cr17Ni2等,可用于制造高強(qiáng)度耐蝕件。3、中碳的13Cr鋼 如3Cr13、4Cr13,可用于制造耐磨的零件如閥門(mén)零件、軸承、彈簧和醫(yī)用手術(shù)刀等。4、高碳的18Cr鋼 如9Cr18等,可用于制造軸承和手術(shù)工具等。v 典型馬氏體不銹鋼的牌號(hào)和成分如下表所示。 二、馬氏體不銹鋼的熱處理二、馬氏體不銹鋼的熱處理 1 1、軟化處理、軟化處理 鋼經(jīng)鍛軋后,由于空冷即會(huì)產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變,使鍛件變硬,在鍛件表面產(chǎn)
36、生裂紋,同時(shí)也不易切削加工。因此這類(lèi)鋼鍛后應(yīng)緩冷,并及時(shí)進(jìn)行軟化處理。v 高溫回火:將鍛件加熱到700800保溫2h6h后空冷,使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w,從而降低硬度。v 完全退火:將鍛件加熱到840900(常用860),保溫2h4h后,以小于25/h的冷卻速度冷卻(可控爐冷)到600以后在空冷,這時(shí)1Cr13、2Cr13的硬度可降低到170HB以下;3Cr13、4Cr13可降低到217HB以下。退火后的組織是鐵素體基體上分布著碳化物晶界上網(wǎng)狀分布著碳化物。 2 2、調(diào)質(zhì)處理、調(diào)質(zhì)處理一般不銹鋼結(jié)構(gòu)件(如1Cr13、2Cr13),常用調(diào)質(zhì)處理,以獲得高的綜合機(jī)械性能。Q 淬火加熱溫度:1Cr13: 9801050;2Cr13:9501150Q 對(duì)于小件、薄壁件,淬火冷卻可用空冷、風(fēng)冷;對(duì)于中小件可用油冷; 1Cr13淬火后的硬度約為43HRC;2Cr13為50HRC左右。Q 回火溫度:通常1Cr13為
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