第五章不锈耐蚀钢

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1、第五章第五章 不锈耐蚀钢不锈耐蚀钢序言序言 能抵抗大气或腐蚀介质中腐蚀的钢，腐蚀速度极慢，而非完全不腐蚀。不仅要耐蚀，还要有好的力学性能及加工性能。 按成份分为按成份分为：铬不锈钢和铬镍不锈钢按正火组织分按正火组织分：铁素体形不锈钢（F），马氏体形不锈钢（M），奥氏体型不锈钢（A）及奥氏体铁素体型不锈钢（A-F）及沉淀硬化型不锈钢。第一节第一节 钢的耐蚀性钢的耐蚀性钢腐蚀的本质：钢腐蚀的本质：原电池反应，p73，read together阳极的活化钝化曲线：阳极的活化钝化曲线：p73p73腐蚀过程的极化图，腐蚀过程的极化图，p73p73钢的耐蚀性钢的耐蚀性不锈钢不锈钢: :在大气及弱腐蚀介质中

2、耐蚀的钢。 完全耐蚀：小于0.01mm/a 耐蚀：小于0.1mm/a 不耐蚀：大于 0.1mm/a耐蚀钢：耐蚀钢：在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。 完全耐蚀：小于0.1mm/a 耐蚀：小于1.0mm/a 不耐蚀：大于 1.0mm/a钢的耐蚀性钢的耐蚀性 加入提高钢基体电极电位的元素Cr Cr 提高钢钝化膜的稳定性提高钢钝化膜的稳定性 w w（C C）1010时，时， n/8n/8规律，每次达到原子分数规律，每次达到原子分数1/81/8，2/8,3/82/8,3/8电极电位有突变电极电位有突变，所有不锈钢中，所有不锈钢中，CrCr的原子百的原子百分数分数12.5%12.5%以上以上。含含CrCr的钢

3、能耐氧化性腐蚀的钢能耐氧化性腐蚀介质的腐蚀介质的腐蚀钢的耐蚀性钢的耐蚀性 Ni Ni和和MnMn均能提高不锈钢在各种非氧化性酸、均能提高不锈钢在各种非氧化性酸、 有机酸中的耐蚀性，且有机酸中的耐蚀性，且MnMn比比NiNi更有效更有效 p75,figure5-5,figure 5-6 Mo Mo 提高钝化能力，扩大钝化介质范围。含提高钝化能力，扩大钝化介质范围。含MoMo的钝的钝 化膜稳定性高，能抗化膜稳定性高，能抗ClCl造成的点腐蚀造成的点腐蚀 不锈钢中加入不锈钢中加入CuCu、PtPt等贵金属，促进钝化。等贵金属，促进钝化。 figure 57 随着不锈钢中Ni，Mo，Cu含量的增加，钢

4、的耐蚀的硫酸浓度和温度范围显著扩大腐蚀介质对不锈钢耐蚀性的影响腐蚀介质对不锈钢耐蚀性的影响氧化性腐蚀介质中，不锈钢表面易钝化，氧化性腐蚀介质中，不锈钢表面易钝化，钝化时间短，钝化时间短，egeg，HNOHNO3 3中中非氧化性介质，含氧量低，钝化困难，钝非氧化性介质，含氧量低，钝化困难，钝化时间长，化时间长，eg. eg. 稀硫酸，盐酸，有机酸稀硫酸，盐酸，有机酸 当介质含氧量低到一定程度，不锈钢不能钝化，比碳钢腐蚀速度还快当介质含氧量低到一定程度，不锈钢不能钝化，比碳钢腐蚀速度还快腐蚀介质对不锈钢耐蚀性的影响腐蚀介质对不锈钢耐蚀性的影响H H使钝化困难，使钝化膜稳定性降低。使钝化困难，使钝化

5、膜稳定性降低。所以在稀硫酸等非氧化性酸中，所以在稀硫酸等非氧化性酸中，Cr18NiCr18Ni难达到钝化状态，是不耐蚀的，这类钢难达到钝化状态，是不耐蚀的，这类钢中须加入中须加入MoMo、CuCu促进钝化膜形成的元素。促进钝化膜形成的元素。 ClCl存在的腐蚀介质中，钢中必须含有存在的腐蚀介质中，钢中必须含有适量的适量的MoMo，形成，形成MoOClMoOCl2 2保护膜，防止点保护膜，防止点腐蚀腐蚀第二节第二节 不锈耐蚀钢的组织不锈耐蚀钢的组织 不锈耐蚀钢耐蚀性能比力学性能不锈耐蚀钢耐蚀性能比力学性能 和工艺和工艺 性能更重要性能更重要 单相铁素体钢、单相奥氏体钢，是不锈单相铁素体钢、单相奥

6、氏体钢，是不锈 钢中耐蚀性较好的两类钢。钢中耐蚀性较好的两类钢。 单相比双相更耐蚀单相比双相更耐蚀 不锈钢的基本组织不锈钢的基本组织 ，五大类，五大类 p7879 高高Cr不锈钢中的不锈钢中的475脆性脆性 第三节第三节 不锈耐蚀钢的腐蚀特性不锈耐蚀钢的腐蚀特性均匀腐蚀均匀腐蚀 均匀腐蚀又称一般腐蚀或连续腐蚀.在均匀腐蚀中，腐蚀发生在金属裸露的整个表面上或零件使用的整个工作面上，均匀腐蚀会使零件受力的有效面积不断减小，直到完全破坏。均匀腐蚀在工业设备管理中容易察觉或可预测到, 故一般不致带来危险的失效事故。常见的金属腐蚀类型有下列几种：常见的金属腐蚀类型有下列几种：金属腐蚀类型金属腐蚀类型晶间

7、腐蚀晶间腐蚀 一般晶界较晶内具有较大的活性，当这种活性又被夹杂物或某一种合金元素的减少(或增多)进一步活化时，晶界的电位进一步降低，晶界、晶内电位差加大，这时则会引起晶界的深腐蚀，称为晶间腐蚀。 晶间腐蚀是一种危害很大的，容易造成设备事故的腐蚀破坏形式。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢晶间腐蚀：奥氏体不锈钢晶间腐蚀：不锈钢在550800C 长时间停留，会导致, p79，Cr23C6奥氏体晶界析出解决方法：解决方法：生产超低碳不锈钢，w（C）0.03% 则无晶间腐蚀；如00Cr18Ni10；加入强碳化物形成元素Ti，Nb，固定钢中的C，形成稳定的TiC，NbC等，降低奥氏

8、体中的C溶解量至0。03以下，消除了奥氏体晶间腐蚀的碳浓度条件（p79，Nb和Ti的浓度条件）不锈钢的应力腐蚀不锈钢的应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀 应力腐蚀指不锈钢在静拉伸应力和腐蚀介质共同作用下，材料发生破裂的现象, 应力腐蚀破裂是处于张应力状态下的合金在特定的腐蚀介质 (中,沿某种显微路径发生腐蚀而导致的破坏。腐蚀介质的作用是在钢内裂纹尖端处阳极溶解时促进裂纹的形成和扩展。主要是氯化物盐、碱的水溶液、某些硝酸盐和部分化合物的溶液，以及蒸气介质)应力腐蚀机理：应力腐蚀机理： p81， read together应力腐蚀应力腐蚀含含ClCl、H H的介质诱发应力腐蚀，含的介质诱发应力腐蚀，含ClC

9、l更甚；更甚；应力因素：只有张应力引发应力腐蚀；张应力越大，应力因素：只有张应力引发应力腐蚀；张应力越大，越敏感越敏感 p81p81，figure 5figure 51414温度因素：越高，越敏感温度因素：越高，越敏感不锈钢组织和成分不锈钢组织和成分 铁素体钢不敏感，奥氏体钢敏感；铁素体钢不敏感，奥氏体钢敏感； SiSi， CuCu提高应力腐蚀抗力，提高应力腐蚀抗力，p81p81，figure 5figure 51515 Ni Ni，C C降低敏感性，降低敏感性，N N促进敏感促进敏感影响应力腐蚀的因素：影响应力腐蚀的因素：应力腐蚀应力腐蚀采用含Si、Cu的钢种，降低N含量及有害杂质，提高钢的

10、纯度；采用铁素体钢或奥氏体铁素体复相钢消除应力腐蚀：消除应力腐蚀：金属腐蚀类型金属腐蚀类型点腐蚀点腐蚀 点蚀又称缝隙腐蚀、孔蚀，是发生在金属制件上极局部区域的一种腐蚀形式，它是由不锈钢的钝化膜局部破坏所引起的。这种破坏多数是由于溶液中含氯离子或氯化物盐引起的。蚀孔一旦形成，便迅速发展，直至穿透构件，点蚀也是危害较大和较常见的腐蚀破坏形式。不锈钢的点腐蚀不锈钢的点腐蚀 不锈钢在含不锈钢在含ClCl介质中介质中 夹杂物、晶界析出相、晶界等处是点腐蚀的夹杂物、晶界析出相、晶界等处是点腐蚀的 易发地易发地 应尽量维持钝化膜的连续性和稳定性，所以提高Cr 的含量和加Mo第四节第四节 不锈钢的强化与脆化不

11、锈钢的强化与脆化一、铁素体不锈钢一、铁素体不锈钢成分特点：低C 0.25%，仍以Cr为主要合金元 素，Ni几乎不加入；耐蚀特点：A）氧化性腐蚀介质中，抗腐蚀能力 很强，B）加入合金元素Mo， 在有机酸或Cl- 的介质中抗腐蚀 能力典型的铁体不锈钢有Cr17型，Cr25型，Cr28型铁素体不锈钢铁素体不锈钢缺点：缺点：低韧性、高脆性低韧性、高脆性 p83 figure 516晶粒粗大晶粒粗大：p82 钢钢体原子扩散快，粗化温度低，体原子扩散快，粗化温度低， 粗化速度大粗化速度大，无相变，不能用重结晶细化晶粒，可加 入Ti控制晶粒长大；475475脆性：脆性：CrCr原子有序化形成富原子有序化形成

12、富CrCr的的”相相， 立方点阵与母相共格，畸变和内应力大立方点阵与母相共格，畸变和内应力大。 要避免400-500内停留。 可通过700-800短时加热，然后迅速冷却来消除。 Ti Nb Si Mo A1等 475脆性，N 该脆性相脆性，相脆性，FeCrFeCr中间化合物中间化合物，550-850550-850长期停留长期停留 的结果，体积变化，及其在晶界分布的结果，体积变化，及其在晶界分布 引起脆性。引起脆性。已产生的加热致850以上，迅速冷 即可除。 不同组织的不锈钢在200C以下稳定的冲击功和韧脆转化温度范围铁素体不锈钢铁素体不锈钢工艺性能：工艺性能：A）无相变，无法用热 处理强化，B

13、）较好的热加 工性能及一定的冷加工性 能用途用途：化工厂，硝酸，氮肥等的设 备和管道（耐蚀要求高而强度 要求低） 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢成分：含成分：含C C量量0.1%0.1%耐蚀特点：耐蚀特点：CrCr的作用主要是产生钝化，增加耐蚀性NiNi的作用主要是扩大奥氏体区，降低Ms，使钢在室温有单相的 组织。另外增加钝化能力，非氧化性酸，稀盐酸、稀硫酸中的耐蚀能力。Cr,NiCr,Ni共同作用，共同作用，进一步改善钢的腐蚀性加入加入TiTi或或NbNb， 可抑制Cr23C6的晶界析出，晶间腐蚀抗力，但C不能太多，0.08%克服了铁素体不锈钢脆性大的缺点，增加了耐腐蚀介质的范围奥氏体不锈钢奥氏体

14、不锈钢工艺性能：工艺性能：易于加工成形，良好的 可焊接性，无法相变强化力学性能：力学性能：强度硬度低，塑性韧性好应用：应用：生产硝酸，硫酸等化工设备构 件，冷冻工业低温设备（低脆 性转变温度） 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢的强化固溶强化奥氏体不锈钢的强化固溶强化 p83， figure 517奥氏体不锈钢的奥氏体不锈钢的强化强化形变强化形变强化 不能热处理强化，而形变强化，冷作硬化与形变诱发马氏体转变效应叠加，强度大大提高 p84 figure 518， 变形温度越高，单位变形量引起的抗拉强度的增加越小奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 热处理：提高抗腐蚀能力，而非强度热处理：提高抗腐蚀能力，而

15、非强度固溶处理：加热至高温，使各元素溶入，快速冷却Cr23C6析出稳定化处理，固溶处理后，加热至一定温度，Cr、C化物完全溶解，TiC不溶解，空气中冷却充分析出，晶间腐蚀去应力处理（去除冷加工或焊接后残余应力，300-350回火）高强度不锈钢高强度不锈钢在马氏体基础上经时效处理产生沉淀强化而得到超高强度两类， 这两类钢既能保持 Cr18Ni9 钢的优良的焊接性能，又具有马氏体钢的高强度，是航空和宇航中超高强度钢的主要钢种。与前面所学的与前面所学的“高合金超高强度结构钢高合金超高强度结构钢”比较：比较： 两者强化的机理相同，都是通过合金元素的固溶强化和Ni与Ti，Mo，Nb形成的金属间化合物Ni

16、3Ti，Ni3Mo，Ni3Al，Fe2Mo等强化马氏体得到高强度等， 成分上后者不含有Cr，并且含C量要求高，必须小于0。03，这样不会存在Cr和C带来的相关问题，有很好的强度和韧性的结合马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢Cr13Cr13型马氏体不锈钢基础发展起来型马氏体不锈钢基础发展起来 Cr13型马氏体不锈钢中加入Mo. W. No. Ti等，时效中析出一系列金属间化合物，Fe2Mo、Fe2Ti Fe2Nb 等而强化A）成分： 在Cr13型基础上加入上述元素，体系出现铁素体。 加入 Ni Co等元素使形成单一奥氏体组织B）组织：室温下为不稳定的组织，（加入Ni， Co以降低Ms点），

17、经过处理得到马氏体（固溶处理），再时效强化用途：航空航天事业中，由于价格昂贵，目前主要用于制作火箭和导弹的蒙皮材料。 奥氏体奥氏体马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢A A）成分：）成分： Cr17-Ni7 为基础，成分设计使Ms略低于室温低C 合金元素： Al,Ti,Mo均为了时效沉淀强化，但又是铁素体形成元素；Ni,Mn,Cu, 为了得到单一奥氏体，成份设计使Ms略低于室温B B）性能：）性能：（组织为不稳定的奥氏体组织）室温下有较好的塑性，焊接性能（在奥氏体钢上发展起来，与奥氏体钢一样，有优良的焊接性能）在在Cr18-Ni8 Cr18-Ni8 基础上发展起来基础上发展起来奥氏体奥氏体

18、马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢C C）马氏体转变和沉淀强化）马氏体转变和沉淀强化 即固溶与时效（时效处理、沉淀析出、金属间化合物Ni3A1等） 淬火到低于室温，淬火到低于室温，1001005050D D）用途：用途：应用于航空和宇航事业，制造飞机薄板结构和蒙皮，火箭发动机外壳，高压容器等。但使用温度低于315。第五节第五节 不锈耐蚀钢钢种不锈耐蚀钢钢种不同腐蚀环境下和不同力学性能要求时不锈钢钢种的选择（自学）。不锈耐蚀钢的组织不锈耐蚀钢的组织1、铬： 铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素 当铬含量(原子比)达到1/8,2/8时，铁的电极电位就跳跃式地增加，耐蚀性也随之而提高。 铬元素是稳定

19、化元素。铬的氧化物比较致密，可形成耐蚀的保护膜。2、碳: 碳能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力均为镍的30倍； 同时，又是不锈钢强化的主要元素； 碳与铬能形成一系列碳化物，使不锈钢的耐蚀性受到严重影响； 同时碳使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏。 不锈耐蚀钢的组织不锈耐蚀钢的组织 3、镍：镍是不锈钢中的一种重要元素，能提高耐蚀性； 镍是稳定化元素，镍能有效地降低Ms点，使奥氏体能保持到很低的温度. 4、锰 ：锰是镍的代用品，是稳定化元素； 锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni, 2%Mn相当1Ni. 不锈耐蚀钢的组织不锈耐蚀钢的组织 5、钛、铌： 钛和铌是强的碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物

20、，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。 6、钼：钼提高不锈钢的钝化作用和耐蚀性，可阻止点蚀。 不锈耐蚀钢的组织不锈耐蚀钢的组织更多的合金元素可归纳为铬,镍当量对不锈钢组织的影响。 铬,镍当量可由下列公式计算： 铬当量：由铁素体形成元素来确定： Cr当量 =(Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+5.5(Al) +1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W) 同样，镍当量由奥氏体形成元素确定： Ni当量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C) 以上各元素均为重量百分比. 根据上述计算式算出的铬,镍当量数，在图中求得其交点，根据交点所在相区，确定钢的相组成。 不锈耐蚀钢的组织不锈耐蚀钢的组织