不銹鋼知識(shí)講解學(xué)習(xí)資料

2025/1/61不銹鋼

(StainlessSteel)2025/1/621.鋼種簡(jiǎn)介

(1)不銹鋼之涵義

不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼系指耐大氣、蒸汽和水等弱介質(zhì)腐蝕的鋼，耐酸鋼則指耐酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。不銹鋼不一定耐酸，而耐酸鋼一般均具有不銹性。

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不銹鋼具有不銹和耐蝕特性，其主要原因是由于鋼表面形成富鉻氧化膜而鈍化。研究表明，鋼中鉻含量大于12%以后引起耐蝕性突變，因此，不銹鋼中含鉻量一般應(yīng)大于12%。國(guó)內(nèi)外都曾試圖開發(fā)節(jié)鉻和無鉻的不銹鋼，除特殊情況外，迄今尚未獲得有效的進(jìn)展。2025/1/64

不銹鋼的發(fā)明是世界冶金史上的一項(xiàng)重大進(jìn)展。研究開發(fā)始于1904年，1908～1911年蒙納爾茲(P.Monnartz)于德國(guó)提出了不銹性和鈍化理論，開辟了工業(yè)用不銹鋼的先河，到50年代各種不銹鋼系列已具雛形，60年代不銹鋼的冶煉技術(shù)得到了突破性進(jìn)展，1950年全世界不銹鋼總產(chǎn)量不足100萬噸，到1990年增至1100萬噸，40年間增長(zhǎng)了10倍以上。2025/1/65(2)不銹鋼的分類

不銹鋼鋼種很多，性能各異，常見分類方法有：按鋼的組織結(jié)構(gòu)分類：如馬氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼；奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼，等。按鋼中主要化學(xué)元素或特征元素分類：如鉻不銹鋼，鉻鎳不銹鋼、鉻鎳鉬不銹鋼、超低碳不銹鋼；高鉬不銹鋼，等。按鋼的性能特點(diǎn)和用途分類：如高強(qiáng)度不銹鋼、耐應(yīng)力腐蝕不銹鋼；耐硝酸不銹鋼，耐硫酸不銹鋼，耐點(diǎn)蝕不銹鋼，等。按鋼的功能特點(diǎn)分類：如低溫不銹鋼、無磷不銹鋼，易切削不銹鋼，等。2025/1/67不銹鋼的強(qiáng)化機(jī)制

不銹鋼的強(qiáng)化機(jī)制廣泛地采用固溶強(qiáng)化，此外還有相變強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、細(xì)化晶粒強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等。圖為在8～10％Ni奧氏體不銹鋼中各種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

圖中顯示了在不銹鋼中，固溶強(qiáng)化是重要的強(qiáng)化機(jī)制，而晶粒細(xì)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大。2025/1/68馬氏體不銹鋼具有較好的綜合機(jī)械性能，即較高的強(qiáng)度和一定的延展性；鐵素體＋奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度較高、延展性也較好；鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度性能相近，但后者的延展性遠(yuǎn)較其他各類不銹鋼為高。在所有的不銹鋼中奧氏體不銹鋼塑性最好，沉淀硬化不銹鋼的強(qiáng)度最高。2025/1/69(3)不銹鋼可加工成各類形狀，常見有：扁平材：熱軋板、帶卷、冷軋板、帶卷、表面加工和涂層板、帶卷。長(zhǎng)型材：熱軋棒材冷拔棒材冷拔絲、極細(xì)絲熱軋管冷拔管、極細(xì)管鑄件：閥門、管件2025/1/6102.不銹鋼冶煉的技術(shù)核心不銹鋼冶煉的技術(shù)核心可歸納為四個(gè)字：脫碳保鉻在一般不銹鋼的成份范圍內(nèi)，可認(rèn)為在Fe-Cr-C-O構(gòu)成的四元體系中基本的反應(yīng)式為：

Cr3O4(s)+4[C]=3[Cr]+4{CO}(g)2025/1/611若取一氧化碳的分壓為一個(gè)大氣壓，即Pco=1atm，實(shí)用的熱力學(xué)計(jì)算式為：其中：T為絕對(duì)溫度K

[%Cr]和[%C]分別為熔池中Cr和C的重量百分濃度。2025/1/612

相應(yīng)的有下圖?？梢钥闯觯簩?duì)于Cr=18%的不銹鋼，若使C降至0.12%以下，溶池溫度可達(dá)到1825℃，爐襯將很快毀壞。這就是單爐法冶煉的基本困難。2025/1/613在飽和氧的熔池中鉻、碳和溫度的關(guān)系2025/1/614

考慮到Pco

的影響，熱力學(xué)計(jì)算式為

其中Pco

為氣相中一氧化碳的分壓，單位為(atm)。由此式得到減壓操作有利于不銹鋼冶煉的啟示：降低氣相中的Pco

－－稀釋AOD降低氣相總壓強(qiáng)－－真空VOD

2025/1/61518%Cr鋼C%－溫度－Pco的關(guān)系A(chǔ)：吹氧法操作條件B：降低Pco法操作條件2025/1/616AOD－ArgonOxygenDecarburization

氬氧脫碳法，現(xiàn)今世界范圍內(nèi)最主要的不銹鋼冶煉手段。美國(guó)聯(lián)合碳化物公司(UCC-UnionCarbideCorporation)于1954年開始研究，最初是研究鉻鐵生產(chǎn)的脫碳保鉻方法，于1968年在美國(guó)喬斯林鋼公司(JoslynSteel)成功用于生產(chǎn)。第一臺(tái)AOD爐容量為15t?，F(xiàn)專利權(quán)為普萊克斯(PRAXAIR)公司所持有，已向全世界發(fā)放許可證一百多臺(tái)，其爐容量為3t~175t。我國(guó)自制第一臺(tái)AOD是太原鋼鐵公司的6噸爐，為1978年投產(chǎn)。2025/1/617主要裝備：爐體供氣(O2

、Ar、N2)供料除塵2025/1/6182025/1/619VOD－VacuumOxygenDecarburization

真空吹氧脫碳法，現(xiàn)今世界范圍內(nèi)第二位的不銹鋼冶煉手段，冶煉超低碳、高難度、高純度的不銹鋼更為有效。為原西德維騰特殊鋼廠(EdelstahlwerkWitten)于1967年所發(fā)明，第一臺(tái)容量為50t?，F(xiàn)全世界共有近百臺(tái)，其容量為5t~150t。我國(guó)第一臺(tái)為13t，在大連鋼廠1982年投產(chǎn)。2025/1/620

主要裝備有：鋼桶真空罐氧槍加料系統(tǒng)取樣測(cè)溫真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)2025/1/6212025/1/622一般來說，金屬(固溶體)的電極電位總是比其他化合物的電極電位低，所以在腐蝕過程中，金屬(固溶體)總是作為陽極而被腐蝕。提高鐵的電極電位，即可提高其耐蝕性。研究表明，當(dāng)鉻加人鐵中形成固溶體時(shí)，鐵固溶體的電極電位得到顯著的提高.3合金元素對(duì)不銹鋼基體組織和耐蝕性的影響2025/1/623電極電位隨鉻含量變化的規(guī)律是：在鉻量達(dá)到12.5%原子比(即1/8)時(shí)，電位有一個(gè)突躍升高。當(dāng)鉻量提高到25％原子比(2/8)時(shí)，鐵的固溶體的電位又有一次突躍升高，這一現(xiàn)象稱為二元合金固溶體電位的n/8規(guī)律。假如鋼中雖含有12.5%原子比的鉻量，但因一部分鉻和鋼中的碳化合,固溶體中實(shí)際含鉻量低于12.5%,則鋼的耐蝕性就不能得到突躍的提高。鉻對(duì)于鐵鈍化性能和提高電極電位的良好作用,使鉻成為各種不銹鋼的主要合金化元素。n/8規(guī)律2025/1/624不銹鋼的基體組織是獲得所需力學(xué)性能和工藝性能的保證，而更重要的是具有良好的耐蝕性的保證。

單相鐵素體鋼、單相奧氏體鋼，是不銹鋼中耐蝕性較好的兩類鋼。合金元素對(duì)基體組織的影響首先取決于合金元素是α穩(wěn)定劑還是γ穩(wěn)定劑。α穩(wěn)定劑的元素占優(yōu)勢(shì)可獲得單相α不銹鋼；反之則獲得單相γ不銹鋼。2025/1/6252025/1/6262025/1/6272025/1/6281)鉻：鉻是決定不銹鋼耐蝕性的主要元素

當(dāng)鉻含量(原子比)達(dá)到1/8,2/8…時(shí)，鐵的電極電位就跳躍式地增加，耐蝕性也隨之而提高。

鉻元素是α穩(wěn)定化元素。

鉻的氧化物比較致密，可形成耐蝕的保護(hù)膜。2)碳:碳能強(qiáng)烈地穩(wěn)定奧氏體，穩(wěn)定奧氏體的能力均為鎳的30倍；

同時(shí)，又是不銹鋼強(qiáng)化的主要元素；

碳與鉻能形成一系列碳化物，使不銹鋼的耐蝕性受到嚴(yán)重影響；同時(shí)碳使不銹鋼的加工性能和焊接性能變壞。2025/1/6293)鎳：鎳是不銹鋼中的一種重要元素，能提高耐蝕性；

鎳是γ穩(wěn)定化元素，鎳能有效地降低Ms點(diǎn)，使奧氏體能保持到很低的溫度.4)錳：錳是鎳的代用品，是γ穩(wěn)定化元素；

錳在奧氏體不銹鋼中部分替代Ni,2%Mn相當(dāng)1％Ni.5)鈦、鈮：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。2025/1/6306)鉬：鉬提高不銹鋼的鈍化作用和耐蝕性，可阻止點(diǎn)蝕。

7)鉻,鎳當(dāng)量可由下列公式計(jì)算：鉻當(dāng)量：由鐵素體形成元素來確定：Cr當(dāng)量

=(Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+5.5(Al)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W)

同樣，鎳當(dāng)量由奧氏體形成元素確定：Ni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.2025/1/631合金元素可歸納為鉻,鎳當(dāng)量對(duì)不銹鋼組織的影響，見圖.8)各種元素對(duì)不銹鋼組織的影響根據(jù)上述計(jì)算式算出的鉻,鎳當(dāng)量數(shù)，在Schaefflerdiagram圖中求得其交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)所在相區(qū)，確定鋼的相組成。2025/1/632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。1）

A不銹鋼體系4奧氏體不銹鋼2025/1/633MicrographofAISI316austeniticstainlesssteelshowingamicrostructureconsistingof100%austenite.Thestraight-edgedareas(markedbyarrows)withinthegrainsareannealingtwins.Electrolyticallyetchedin60partsnitricacidin40partswater,stainlesssteelcathode,at6Vdirectcurrent.2002）

A不銹鋼組織2025/1/6343）A不銹鋼的晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼焊接后，在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)，在離焊縫不遠(yuǎn)處會(huì)有嚴(yán)重的晶間腐蝕。這是由于焊接時(shí)焊縫周圍有一個(gè)溫度為450～800℃的過渡區(qū)，這一溫度導(dǎo)致沿晶界析出(Cr,Fe)23C6,從而使晶界產(chǎn)生貧鉻區(qū)。沿晶界析出Cr23C6過程可見圖

2025/1/635工程上為防止奧氏體鋼晶間腐蝕現(xiàn)象，可采取如下措施：①降低鋼中碳含量；②在鋼中加穩(wěn)定碳化物形成元素(Ti、Nb)，與碳結(jié)合析出特殊碳化物，消除晶間貧鉻區(qū)。③鋼經(jīng)1050～1100℃加熱淬火，保證固溶體中碳和鉻的含量。④對(duì)非穩(wěn)定性鋼進(jìn)行退火，使奧氏體成分均勻化，消除貧鉻區(qū)；對(duì)穩(wěn)定性鋼，將鉻的碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)殁?、鈮的特殊碳化物，保證耐蝕所需要的固溶體含鉻水平2025/1/636在鉻鎳鋼中,如果該鋼在450～800℃的溫度下工作,或人工在這溫度下進(jìn)行時(shí)效處理，也會(huì)得到由于焊接加熱而產(chǎn)生的同樣的效果。這種時(shí)效處理會(huì)導(dǎo)致不銹鋼晶間腐蝕的敏感性，所以又稱敏化處理。

敏化處理和敏感性關(guān)系通常用(Time-Temperature-Sensitivation)曲線來表示，

曲線1表示鋼開始產(chǎn)生晶間腐蝕傾向；曲線2表示此時(shí)由于時(shí)間充分晶間腐蝕傾向已不出現(xiàn)。4）敏化處理2025/1/6374）奧氏體不銹鋼的熱處理為了獲得均勻的單相奧氏體組織，需要進(jìn)行淬火處理；為了消除由于焊接、熱加工和其他工業(yè)操作中造成的應(yīng)力和晶間腐蝕傾向，通常采用淬火，再退火處理。淬火處理時(shí)淬火溫度必須高于碳化鉻的溶解溫度(Tp)一定溫度。因此鋼中碳量愈高，淬火溫度應(yīng)愈高.淬火后的鋼，即具有優(yōu)越的強(qiáng)度性能和耐蝕性的配合。對(duì)于不含鈦、鈮穩(wěn)定化元素的鋼進(jìn)行退火，可以提高奧氏體-碳化物晶界鉻的濃度，使鋼具有高的抗晶界腐蝕性。對(duì)于用鈦、鈮合金化的鋼進(jìn)行退火，能夠?qū)⑻蓟t轉(zhuǎn)變成特殊碳化物TiC或NbC,這樣也就消除了晶間腐蝕傾向.2025/1/6381）

F不銹鋼體系5

F不銹鋼由于鉻穩(wěn)定α相的作用，在鉻含量到達(dá)13％時(shí)，鐵鉻合金將無γ相變，從高溫到低溫一直保持α鐵素體鐵素體的耐蝕性(對(duì)硝酸氨水等)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。2025/1/6392）鐵素體不銹鋼的脆性σ相按Fe-Cr相圖，45％Cr在820℃開始形成σ相。但實(shí)際生產(chǎn)中，由于鉻鋼中的顯微偏析和其他穩(wěn)定α相合金元素的作用，17％Cr的不銹鋼就有可能形成σ相.σ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。

475℃脆性

高鉻鋼中，當(dāng)含Cr>15%時(shí)，在400～525℃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