奧氏體不銹鋼專題

技術(shù)人員培訓(xùn)第四講：奧氏體不銹鋼專題技術(shù)本部2003-05-271.概述2.奧氏體不銹鋼的成分3.奧氏體不銹鋼的組織3.3碳化物〔氮化物〕的沉淀析出4.奧氏體不銹鋼的性能奧氏體不銹鋼1913年在德國問世，在不銹鋼中一直扮演著最重要的角色，其生產(chǎn)量和使用量約占不銹鋼總產(chǎn)量及用量的70%。鋼號(hào)也最多，當(dāng)今我國常用奧氏體不銹鋼的牌號(hào)就有40多個(gè)，最常見的就是18-8型。定義：常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。分類：Fe-Cr-Ni(主體)Fe-Cr-Mn國內(nèi)外牌號(hào)比照：類型Type

GB(中國)ASTM(美國)JIS(日本)DIN(德國)奧氏體型Austenite1Cr17Ni7301SUS301X12CrNi1771Cr18Ni9302SUS302X12CrNi1881Cr18Ni10303SUS303X12CrNiS1880Cr18Ni9304SUS304X5CrNi18900Cr19Ni10304LSUS304LX2CrNi1890Cr17Ni12Mo2316SUS316X5CrNiMo181000Cr17Ni14Mo2316LSUS316LX2CrNiMo18100Cr18Ni10Ti321SUS321X10CrNiTi1890Cr19Ni13Mo3317SUS317X2CrNiMo18162.奧氏體不銹鋼的成分在18-8型不銹鋼的成分根底上演變，主要有以下幾方面的重要開展：加Mo改善點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕降C或加Ti、Nb，減少晶間腐蝕傾向加Ni和Cr改善高溫抗氧化性和強(qiáng)度加Ni改善抗應(yīng)力腐蝕性能加S、Se改善切削性和構(gòu)件外表精度奧氏體不銹鋼成分系統(tǒng)圖3.奧氏體不銹鋼的組織F相的出現(xiàn)一般都對(duì)奧氏體不銹鋼的性能帶來不利的影響：如使熱加工產(chǎn)生裂紋的傾向性增大；鋼的耐點(diǎn)蝕性下降，在諸多腐蝕環(huán)境〔如尿素生產(chǎn)〕中耐蝕性劣化；在高溫下加長時(shí)間加熱時(shí)，F(xiàn)相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁嗍逛撟兇嗟鹊?。含量的粗略判定：圖4-2不銹鋼焊縫金屬的組織(a)Schaeffler圖(b)Delong圖圖4-3室溫下變形奧氏體不銹鋼的組織Creq×%Si+%Mo，Nieq=%Ni+30××%Mn根本的方法是提高鋼中奧氏體形成元素的含量。Ni是首選的元素，但是從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，Mn和N也受到人們的重視。特別是N，其抑制鐵素體形成的能力為Ni的30倍，同時(shí)又有改善耐蝕性和提高強(qiáng)度的作用，由Fe-Cr-Ni合金三元相圖可知，大局部常用鉻鎳奧氏體不銹鋼自高溫奧氏體狀態(tài)驟冷到室溫所得到的奧氏體基體組織都是亞穩(wěn)定的，在繼續(xù)冷卻或者經(jīng)受冷變形時(shí)會(huì)局部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。對(duì)于每種鋼都存在著兩個(gè)馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界溫度——Ms(冷卻中開始產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最高溫度)和Md〔冷變形誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變的最高溫度〕。馬氏體的兩種形態(tài)：α’馬氏體，體心立方結(jié)構(gòu)，鐵磁性ε馬氏體，密集六方結(jié)構(gòu)，非鐵磁性3.3碳化物〔氮化物〕的沉淀析出圖4-10碳在Fe-18Cr-10Ni奧氏體不銹鋼中的溶解度常見碳化物是M23C6型，其次還有MC和M6C型等。類型晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式形成環(huán)境在鋼中的作用防止M23C6復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞中含有92個(gè)金屬原子和24個(gè)碳原子①Cr23C6②鐵、鉬置換鉻形成：(Cr,Fe)23C6(Cr,Fe,Mo)23C6③主要集中在晶界不含或含少量鈦、鈮等強(qiáng)碳化物形成元素的不銹鋼①使鋼的耐蝕性特別是耐晶間腐蝕性能劣化②較多時(shí)影響力學(xué)性能，塑性和韌性降低①降C②參加Ti或Nb〔含量分別不少于碳含量的5倍和10倍〕MC或MN或M(CN)面心立方結(jié)構(gòu)，C原子在晶體點(diǎn)陣中占據(jù)八面體的位置①TiC、NbC②TiN、NbN③碳、氮互相取代形成Ti(CN)④呈顆粒狀彌散分布在晶內(nèi)用足量的鈦、鈮等元素穩(wěn)定化的不銹鋼①穩(wěn)定化處理時(shí)優(yōu)先沉淀，減少并推遲了M23C6沉淀，提高鋼的抗敏化能力②彌散分布提高鋼的蠕變強(qiáng)度圖4-14TiC在1Cr18Ni9Ti鋼中的溶解度金屬間相是指由鋼中的兩種或兩種以上的金屬元素構(gòu)成的金屬間化合物，簡稱為中間相。廣義地講，凡以元素周期表中B過渡族元素〔Mn、Fe、Co和Ni等〕為基體，含有A副族元素〔Ti、V和Cr等〕的合金系都能形成一系列金屬間相。常用奧氏體不銹鋼中出現(xiàn)的金屬間相主要有σ相、χ相和Laves相(η相)等。類型晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式形成環(huán)境對(duì)不銹鋼性能的影響影響金屬間相的因素σ體心正方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞含有30個(gè)原子①名義成分為FeCr，實(shí)際成分多為(FeNi)x(CrMo)y②主要在三晶粒交匯點(diǎn)和晶界處形成各種不銹鋼①導(dǎo)致合金明顯脆化②耐蝕性劣化①σ相②冷加工促進(jìn)σ相的形成χ體心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞含有58個(gè)原子①奧氏體鋼中多為(FeNi)36Cr18Mo4②主要出現(xiàn)在晶界、非共格孿晶界和晶內(nèi)位錯(cuò)處主要出現(xiàn)在含Mo的不銹鋼中導(dǎo)致不銹鋼耐蝕性下降及塑性、韌性的降低〔χ和Laves相總是與碳化物和σ相伴隨出現(xiàn)，所以其影響常被掩蓋〕①合金元素：Mo,Si,Ti促進(jìn)其形成，Ni,C,N有抑制作用②冷加工稍有促進(jìn)效果Laves六方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞含有12個(gè)原子①如Fe2Mo和Fe2Nb②主要為晶內(nèi)沉淀，并與奧氏體基體也保持一定的位向關(guān)系含有Mo、Nb等元素的不銹鋼中①電子空位數(shù)等于合金中各元素的電子空位數(shù)與該元素原子百分?jǐn)?shù)的乘積之和，即：電子空位數(shù)NV圖4-16σ相形成對(duì)奧氏體不銹鋼室溫沖擊韌性的影響4.奧氏體不銹鋼的性能奧氏體不銹鋼與鐵素體、馬氏體不銹鋼的特性比擬表不銹鋼的物理性能主要用以下幾方面來表示：

①比熱單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度改變1度所需要的熱量。②彈性模量當(dāng)施加力于單位長度棱柱的兩端能引起物體在長度上的單位變化時(shí)，單位面積上所需的力③熱膨脹系數(shù)因溫度變化而引起物質(zhì)量度的變化。膨脹系數(shù)是膨脹－溫度曲線的斜率，兩個(gè)指定的溫度之間的平均斜率是平均熱膨脹系數(shù)。通常是用長度表示。

④熱導(dǎo)率物質(zhì)導(dǎo)熱的速率的量度。在單位截面積物質(zhì)上建立單位長度上的1度的溫度梯度時(shí)，那么熱導(dǎo)率定義為單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量。表常用奧氏體不銹鋼的物理性能JIS比熱J/(kg·℃)彈性模量103MPa熱膨脹系數(shù)(20～100℃)μm/(m·℃)熱傳導(dǎo)率W/m·K301500194301L500194304500194304J1500194304L500194304N1500194304N2500194316500194316L500193321500194表常用奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能KS〔JIS)熱處理?xiàng)l件曲服強(qiáng)度(N/mm2)抗拉強(qiáng)度(N/mm2)延伸率〔%〕硬度HBHRBHV301S≥205≥520≥40≤207≤95≤218301LS≥215≥550≥45≤187≤90≤200304S≥205≥520≥40≤187≤90≤200304J1S≥155≥450≥40≤187≤90≤200304LS≥175≥480≥40≤187≤90≤200304N1S≥275≥550≥35≤217≤95≤200304N2S≥345≥690≥35≤248≤100≤260316S≥205≥520≥40≤187≤90≤200316LS≥175≥480≥40≤187≤90≤200321S≥205≥520≥40≤187≤90≤2004.2.2奧氏體不銹鋼的冷作強(qiáng)化：穩(wěn)定奧氏體和亞穩(wěn)定奧氏體：圖4-30301和310不銹鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線301(Cr17Ni7)——亞穩(wěn)定奧氏體310(Cr25Ni20)——穩(wěn)定奧氏體冷變形對(duì)301不銹鋼室溫力學(xué)性能的影響：圖4-120冷變形對(duì)301不銹鋼室溫力學(xué)性能的影響1〕電阻系數(shù)遠(yuǎn)大于低碳鋼，為其4倍，焊接時(shí)焊條〔或焊絲〕及焊接區(qū)的母材都比擬容易被加熱而融化，因此焊接標(biāo)準(zhǔn)要小于低碳鋼，電流是碳鋼的80%，并且盡可能使用較快的焊接速度。2〕膨脹系數(shù)大約是低碳鋼的1.35倍，導(dǎo)熱系數(shù)約為低碳鋼的1/3，所以奧氏體不銹鋼有較大的熱裂紋敏感性。1〕焊接熱過程圖4-43不銹鋼焊縫結(jié)晶和焊接熱循環(huán)曲線示意圖2〕多采用手工焊、埋弧自動(dòng)焊、TIG〔鎢極亞弧焊〕和MIG〔融化極亞弧焊〕氣體保護(hù)焊等方法。圖TIG和MIG的焊接原理3〕焊接過程中一般不發(fā)生組織變化，因此不必預(yù)熱。在某些情況下預(yù)熱是有害的，會(huì)引起碳化物析出或產(chǎn)生翹曲。4〕焊縫組織中含有適量的鐵素體可減少焊縫熱裂和微裂紋敏感性：鐵素體可以溶解Nb、Si、P、S等元素，防止焊縫產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶物，另外在結(jié)晶過程中，鐵素體首先結(jié)晶出來，增加了晶核，加快了一次組織方向性和細(xì)化晶粒，且鐵素體膨脹系數(shù)小，有利于減小焊縫的收縮應(yīng)力。鋼號(hào)化學(xué)成分母材填充金屬CSiMnP≤S≤CrNiMo304308LSi≤20—308L≤2010—30820—304L308LSi≤20—308L≤152010—316316LSi≤12316L≤316L≤316L316LSi≤12316L≤2.2奧氏體不銹鋼耐均勻腐蝕性能主要取決于鋼中Cr、Ni、Mo、Cu、Si等合金元素的含量。1Cr18Ni9在不同酸溶液中的等腐蝕曲線(a)HNO3(b)CH3COOH(c)H3PO4(d)H2SO4選材代表鋼種田園地域城市地域工業(yè)地域海岸地域ILMHILMHILMHILMH高耐蝕性STS○○○○○○○○○○○○○○○○STS316○○○○○○●●○●●○●◆■STS304●●●●●●●◆●◆◆■●◆■■○：優(yōu)秀●：良好◆：一般■：較差I(lǐng)：室內(nèi)環(huán)境

L：輕腐蝕環(huán)境

M：一般環(huán)境

H：惡劣腐蝕環(huán)境防止措施：降碳添加穩(wěn)定化元素Ti、Nb等固溶處理：在1050～1150℃可得到完全均勻的奧氏體組織，然后快速冷卻，防止在晶界析出連續(xù)的網(wǎng)狀碳化物。選材：304L、316L等〔低碳〕，321、347等〔添加Ti/Nb〕點(diǎn)蝕一般發(fā)生在特定腐蝕介質(zhì)中，特別是含有Cl－(包括Br－，I－)離子的介質(zhì)。圖點(diǎn)蝕反響模型圖影響奧氏體不銹鋼點(diǎn)蝕的因素：合金元素：Cr、Mo、N提高耐點(diǎn)蝕性M.B.Rockel研究了一系列常用不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性，得出合金對(duì)點(diǎn)蝕的影響如下列圖：圖4-74合金對(duì)點(diǎn)蝕的影響鋼的顯微組織：硫化物、δ-鐵素體、σ相一般對(duì)耐點(diǎn)蝕性有害鋼的外表狀態(tài)：提高光潔度和均勻性提高耐點(diǎn)蝕性能選材：316、316L等(添加Mo)鋼種特性用途301

17Cr-7Ni-低碳與304鋼相比，Cr、Ni含量少，冷加工時(shí)抗拉強(qiáng)度和硬度增高，無磁性，但冷加工后有磁性。列車、航空器、傳送帶、車輛、螺栓、螺母、彈簧、篩網(wǎng)是在301鋼根底上，降低C含量，改善焊口的抗晶界腐蝕性；通過添加N元素來彌補(bǔ)含C量降低引起的強(qiáng)度缺乏，保證鋼的強(qiáng)度。鐵道車輛構(gòu)架及外部裝飾材料304

18Cr-8Ni作為一種用途廣泛的鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性；沖壓、彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象〔無磁性，使用溫度-196℃~800℃〕。家庭用品〔1、2類餐具、櫥柜、室內(nèi)管線、熱水器、鍋爐、浴缸〕，汽車配件〔風(fēng)擋雨刷、消聲器、模制品〕，醫(yī)療器具，建材，化學(xué)，食品工業(yè)，農(nóng)業(yè)，船舶部件304L

18Cr-8Ni-低碳作為低C的304鋼，在一般狀態(tài)下，其耐蝕性與304剛相似，但在焊接后或者消除應(yīng)力后，其抗晶界腐蝕能力優(yōu)秀；在未進(jìn)行熱處理的情況下，亦能保持良好的耐蝕性，使用溫度-196℃~800℃。應(yīng)用于抗晶界腐蝕性要求高的化學(xué)、煤炭、石油產(chǎn)業(yè)的野外露天機(jī)器，建材耐熱零件及熱處理有困難的零件因添加Cu其成型性，特別是拔絲性和抗時(shí)效裂紋性好，故可進(jìn)行復(fù)雜形狀的產(chǎn)品成形；其耐腐蝕性與304相同。保溫瓶、廚房洗滌槽、鍋、壺、保溫飯盒、門把手、紡織加工機(jī)器。304N1

18Cr-8Ni-N在304鋼的根底上，減少了S、Mn含量，添加N元素，防止塑性降低，提高強(qiáng)度，減少鋼材厚度。構(gòu)件、路燈、貯水罐、水管304N2

18Cr-8Ni-N與304相比，添加了N、Nb，為結(jié)構(gòu)件用的高強(qiáng)度鋼。構(gòu)件、