1、化工机械及设备不锈钢材料性能第1页，共23页。目前，已知的化学元素有100多种，在工业中常用的钢铁材料中可以遇到的化学元素约二十多种。对于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践而形成的不锈钢这一特殊钢系列来说，最常用的元素有十几种，除了组成钢的基本元素铁以外，对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是：碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、氮、铜、钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外，都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的，当几种元素共存于不锈钢这一个统一体中时，它们的影响要比单独存在时复杂得多，因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用，而且要注意它们互相之
2、间的影响，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。概述第2页，共23页。v碳是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。碳在不锈钢中具有两重性 第3页，共23页。v碳是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢
3、中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。碳在不锈钢中具有两重性 第4页，共23页。v例如:0Cr134Cr13这五个钢号,由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有区别的，0Cr132Cr13钢的耐腐蚀性较好但强度低于3Cr13和4Cr13钢，多用于制造结构零件，后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服188铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03%以
4、下，或者加入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时，我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾定的耐腐蚀功能，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢，含碳量虽高达0.850.95%，由于它们的含铬量也相应地提高了，所以仍保证了耐腐蚀的要求。碳在不锈钢中具有两重性 第5页，共23页。v总的来讲，目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.10.4%之间，耐酸钢则以含碳0.10.2%的居多。含碳量大于0.4%的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为
5、在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。碳在不锈钢中具有两重性 第6页，共23页。v铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的最基本元素铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的最基本元素。在氧化性介质中，铬能使钢的表面很快形成一层实际为腐蚀介质不能透过和不溶解的富铬的氧化膜，这层氧化膜很致密，并与金属基本结合得很牢固，保护钢免受外界介质进一步氧化浸蚀；铬还能有效地提高钢的电极电位。当含铬量不低当含铬量不低于于12.5%原子时原子时,可使钢的电极电位发生突变可使钢的电极电位发生突变,由负电位由负电位升到正的电极电位。因而可显著提高钢的耐蚀性。铬升到正
6、的电极电位。因而可显著提高钢的耐蚀性。铬的含量越高，钢的耐蚀性能越好。当含铬量达到的含量越高，钢的耐蚀性能越好。当含铬量达到25%、37.5%原子时，会发生第二次第三次的突变，使钢具原子时，会发生第二次第三次的突变，使钢具有更高的耐腐蚀性能有更高的耐腐蚀性能。铬构成不锈钢的基本元素 第7页，共23页。v铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素，根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后，促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以下方面得到说明：铬使铁基固溶体的电极电位提高 铬吸收铁的电子使铁钝化。注：钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属与
7、合金钝化的理论很多，主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。铬构成不锈钢的基本元素 第8页，共23页。v镍对不锈钢耐腐蚀的影响，只有它与铬配合时才能镍对不锈钢耐腐蚀的影响，只有它与铬配合时才能充分显示出来充分显示出来。因为，低炭镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量需达24%；要使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变，含镍量需在27%以上。所以，镍不能单独构成不镍不能单独构成不锈钢锈钢18%的钢中加入的钢中加入9%的镍，就能使钢在常温下获的镍，就能使钢在常温下获得单一奥氏体组织，并可以提高钢对非氧化性介质得单一奥氏体组织，并可以提高钢对非氧化性介质（如：稀硫酸、盐酸、磷酸等）的耐蚀性，（如：稀硫酸、盐酸、磷酸
8、等）的耐蚀性，并能改善钢的焊接和冷弯等的工艺性能。镍单独不能构成不锈钢 第9页，共23页。v锰对于奥氏体的作用与镍相似。锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的含锰量从0到104%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN等），但它们不能作为不锈钢使用。锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍
9、的二分之一，即2%的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18%铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与原镍的铬锰氮不锈钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。锰和氮可代替铬镍不锈钢中镍 第10页，共23页。v不锈钢加热到450800时，常常由于在晶界析出铬的碳化物而使晶界附近的含铬量下降形成贫铬区，导致晶界附近的电极电位下降引起电化学腐蚀。这种腐蚀叫做晶间腐蚀。常见的如在焊缝附近的热影响区内发生的晶间腐蚀。而钛和铌是强碳化物形成元素，它与碳的亲和力比铬大得多，钢中加入钛或铌，就能使钢中的碳首先与钛或铌形成碳化物，而
10、不与铬形成碳化物，从而保证晶界附近不致因贫铬而产生晶间腐蚀。因此，钛和铌常用来固定钢中的碳，提高不锈钢抗晶间腐蚀的能力，并改善钢的焊接性能。钛或铌的加入量要根据含碳量而定，一般为：钛的加入量为含碳量的5倍，铌为碳的8倍。钛和铌防止不锈钢的晶间腐蚀 第11页，共23页。v钼和铜能提高不锈钢对硫酸、醋酸等腐蚀介质的耐蚀能力。钼还能显著提高对含氯离子的介质（如盐酸）以及有机酸中的耐蚀能力。但含钼的不锈钢不宜在硝酸中应用，含钼的不锈钢在沸腾的65%硝酸中的腐蚀速度比不含钼的增加一倍；铜加入铬锰氮不锈钢中，会加速不锈钢的晶间腐蚀。v钼对钢获得单一奥氏体组织有不利影响，因此在含钼钢中，为了使钢在热处理后具
11、有单一的奥氏体组织。镍在锰等元素的含量要相应的提高。钼和铜提高部分不锈钢对某些介质的耐腐蚀性能 第12页，共23页。v硅对提高铬钢抗氧化能力的作用很显著，含5%铬及1%硅的钢，抗氧化的能力可与12%铬钢相等。如使钢在1000能抵抗氧化，含0.5%硅时需要22%的铬，如加入2.53%的硅以后，只需要12%的铬就可以了。有资料显示，向Cr15Ni20的铬镍钢中加2.5%的硅，抗氧化性能可相当Cr15Ni60的铬镍合金。v向高铬钢中加铝也能使抗氧化性能显著提高，它的作用与加硅的功能相仿。向高铬钢中加硅和铝的目的：一是为了进一步提高钢的抗氧化性能，二是为了节约用铬。硅和铝对提高铬钢抗氧化性能的作用虽然
12、很大，但也有很多缺点。最主要的是它使钢的晶粒粗化和脆性倾向增大。硅和铝提高不锈钢抗氧化能力 第13页，共23页。v高铬铁素体不锈钢Cr17Mo2Ti钢中加0005%硼，可使在沸腾的65%醋酸中的耐腐蚀性能提高。加微量的硼（0.00060.0007%）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善。少量的硼由于形成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大，但含有较多的硼（0506%）时，反而可防止热裂纹的产生。因为当含有0506%的硼时，形成奥氏体硼化物两相组织，使焊缝的熔点降低。熔池的凝固温度低于半溶化区时，母材在冷却时产生的张应力，由处于液态固态的焊缝金属承受，此时是不致引起裂缝的，即使在近缝区形
13、成了裂纹，也可以为处于液态固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。但不锈钢中含硼会使钢的塑性和冲击韧性降低。硼在不锈钢中作用 介绍第14页，共23页。v钴作为合金元素在钢中应用不多，这是因为钴的价格高及其在其它方面（如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等）有着更重要的用途。在一般不锈钢中加钴作合金元素的也不多，常用不锈钢如9Cr17MoVCo钢（含1.2-1.8%钴）加钴，目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度，因为这种不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。钴 提高不锈钢的硬度第15页，共23页。v钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5
14、%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。v钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。v钨和钒加入钢中，其主要作用是提高钢的热强性。钒 和钨 提高不锈钢的热强性第16页，共23页。v稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。稀土 改
15、变不锈钢工艺性能第17页，共23页。v在一般不锈钢中都是杂质元素，但磷在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显著，故含量可允许高一些，如有的资料提出可达006%，以利于冶炼控制。个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达006%（如2Cr13NiMn9钢）。利用磷对钢的强化作用，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，PH1710P钢（含025%磷）。v向不锈钢中加0204%的硫和硒，可提高不锈钢的切削性能。硫和硒提高不锈钢的切削性能，是因为它们降低不锈钢的韧性，例如一般188铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含031%硫的188钢（0084%C、1815%Cr、925%Ni）的冲击值为18公斤
16、/平方厘米。硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能，所以实际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。磷、硫和硒不锈钢中的杂质第18页，共23页。v化学腐蚀是指金属与周围介质直接接触产生化学反应而产生的腐蚀。腐蚀过程中无电流产生，如金属在高温下的氧化，产生的腐蚀产物是氧化皮。金属被腐蚀产生的腐蚀产物一般沉积于表面，形成一层膜，使金属基体和介质隔离。如果膜是稳定的、很致密，与基体结合牢固，则该膜具有保护作用，称之为氧化膜。反之，将使金属逐渐被腐蚀直至破坏。因而，提高金属耐化学腐蚀的能力，主要通过合金化或其它方法，使金属表面形成一层钝化膜。腐蚀原理腐蚀原理 化学腐蚀化学腐蚀 第19页，共23页。v电化学腐蚀是
17、金属与电解溶液接触产生原电池作用引起的腐蚀现象。由阴极和阳极形成微电池，腐蚀过程中有电流产生，如钢在室温下的锈蚀主要属于电化学腐蚀。电极电位低的金属作为阳极而被腐蚀。v在同一种金属或合金中，也有可能产生电化学腐蚀。原因：主要是由于化学成分不均匀，组织状态和应力状态等的不同而引起的。同一金属内部、不同区域之间存在电极电位差，在电解质存在时，产生微电池作作引起腐蚀。例如，钢中珠光体由铁素体和渗碳体两相组成，铁素体的电极电位低于渗碳体。当电解质溶液（如硝酸酒精溶液）存在时，铁素体作为阳极被腐蚀。vF：阳极，电极电位低，失去电子被腐蚀；vFe3C：阴极，电极电位高，不腐蚀；腐蚀原理腐蚀原理 电化学腐蚀
18、电化学腐蚀 第20页，共23页。v主要是合金化，添加Cr、Ni、Si、Al、Mo、Ti、Nb等合金元素。其作用：v（1）加入Cr元素，提高基体的电极电位。当铬含量为12左右时，合金的电极电位由-0.56V 0.2V，不锈钢中铬的含量都在12以上。v（2）使钢在使用态为单相组织，避免形成微电池。v铁素体不锈钢中 WCr 17%，使用态为单相F；v奥氏体有锈钢中 WNi 9%，使用态为单相A。v（3）加入Cr、Si、AL等形成致密氧化膜，基体与环境隔绝，提高耐蚀性。主要有Cr2O3、SiO2、Al2O3。v（4）Ti、Nb等形成稳定碳化物或金属间化合物，避免晶界贫铬。防止措施防止措施 第21页，共
19、23页。（1）铁素体的即含铬不含镍的不锈钢。这类钢冷加工能使之硬化到某种程度，热处理则不能。这类钢总是有磁性的。v（2）马氏体的这类不锈钢除个别的钢号含有少量的镍外，大多数钢号只含有铬，其优点是热处理能使之硬化。这类钢总是带有磁性的。v（3）奥氏体的即含有铬镍或铬镍锰或铬锰氮等元素的不锈钢。这类钢只能冷加工使之硬化；热处理只能使之软化。在退火状态中是无磁性的。在冷加工后，有的会带有磁性的。v以上的三种分类仅是按钢的基体组织分的，由于钢中稳定奥氏体及形成铁素体的元素的作用不能互相平衡。因此，工业中实际用的不锈钢的组织还有：马氏体铁素体、奥氏体铁素体、奥氏体马氏体等过渡型的复相不锈钢，以及马氏体碳化物组织的不锈钢。不锈钢根据结构（金相组织）分类第22页，共23页。谢谢大家！第23页，共23页。
