1、第五章第五章 不锈钢不锈钢全球不锈钢产量050010001500200025003000199519961997199819992000200120022003200420052006E 1950年的世界不锈钢产量还不到年的世界不锈钢产量还不到100万吨，万吨，2005年年全球不锈钢超量超过了全球不锈钢超量超过了2500万吨，万吨，2006年全球不锈年全球不锈钢生产量将超过钢生产量将超过2600万吨。万吨。55年来，不锈钢的年均年来，不锈钢的年均消费量增长消费量增长6.7%，不锈钢增长了，不锈钢增长了25倍。倍。世界主要金属增长率（19802004年）1.042.442.13.251.095.
2、765.60510铅铜锌铝钢（不含不锈钢）不锈钢塑料中国不锈钢消费 单位：万吨-100010020030040050060019901992199419961998200020022004不锈钢消费量不锈钢生产量线性(不锈钢消费量)不锈钢不锈钢 定义：“不锈钢不锈钢”是一种习惯叫法，我们所说的不锈钢实际包是一种习惯叫法，我们所说的不锈钢实际包括括“不锈钢不锈钢”和和“耐酸钢耐酸钢”。不锈钢在空气中耐腐蚀的钢在空气中耐腐蚀的钢。耐酸钢在各种侵蚀性较强的酸性介质中耐腐蚀的在各种侵蚀性较强的酸性介质中耐腐蚀的钢。钢。通常，我们把不锈钢和耐酸钢统称为不锈耐酸钢，习通常，我们把不锈钢和耐酸钢统称为不锈耐
3、酸钢，习惯上称为惯上称为“不锈钢不锈钢”。q不锈钢的发明是世界冶金史上的一重大成就。不锈钢的发明是世界冶金史上的一重大成就。q 2020世纪初，法国（世纪初，法国（1904-19061904-1906）发现了）发现了Fe-CrFe-Cr合金合金q 英国（英国（1909-19111909-1911）发现了）发现了Fe-Cr-NiFe-Cr-Ni合金合金q 同期德国提出了不锈性和钝化理论。同期德国提出了不锈性和钝化理论。发展历史发展历史q 40-5040-50年代，节年代，节NiNi的的Cr-Mn-NCr-Mn-N和和Cr-Mn-Ni-NCr-Mn-Ni-N不锈钢、超不锈钢、超低碳奥氏体不锈钢；低
4、碳奥氏体不锈钢；q 6060年代，年代，1 1：1 1的双相不锈钢和高纯铁素体以及马氏体的双相不锈钢和高纯铁素体以及马氏体时效不锈钢取得进展；时效不锈钢取得进展；q 随后，通过化学成分（随后，通过化学成分（C C、CrCr、NiNi）的调整和合金元）的调整和合金元素（素（MoMo、CuCu、SiSi、N N、MnMn、NbNb）的填加，降低夹杂物，改）的填加，降低夹杂物，改善其使用性能，适应不同环境的要求。善其使用性能，适应不同环境的要求。发展历史发展历史要求不锈钢要满足下列要求：要求不锈钢要满足下列要求：1.耐腐蚀性耐腐蚀性 2.有良好的力学性能有良好的力学性能 3.有良好的工艺性：有良好的
5、工艺性：热加工成型性热加工成型性 冷成型性冷成型性 切削加工性切削加工性 焊接性焊接性 4.良好的经济性良好的经济性 q按钢的组织结构分类可分为：奥氏体不锈钢、马按钢的组织结构分类可分为：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和沉淀氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。硬化不锈钢。奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢铁素体不锈钢铁素体不锈钢双相不锈钢双相不锈钢几种不锈钢的显微组织几种不锈钢的显微组织分类分类q按钢的化学成分分类可分为：按钢的化学成分分类可分为：CrCr不锈钢（不锈钢（400400系系）、）、Cr-NiCr-Ni不锈钢（不锈钢（300300系）、系）、Cr-Mn
6、-N-NiCr-Mn-N-Ni不锈钢不锈钢（200200系）、超低碳不锈钢、高纯不锈钢等。系）、超低碳不锈钢、高纯不锈钢等。q按钢的功能分类可分为：低温不锈钢、耐热不按钢的功能分类可分为：低温不锈钢、耐热不锈钢、耐磨不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢锈钢、耐磨不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢和超塑性不锈钢等和超塑性不锈钢等 。分类分类GF-2010-0814 不锈钢的分类方法很多，按主要化学成份可分为铬系不锈钢（俗称400 系）、铬镍不锈钢&铬镍钼不锈钢（俗称300 系）、铬锰氮不锈钢（俗称200 系）。近些年来，中国不锈钢粗钢产量中，200 系占比显著偏高。不锈钢按主要化学成份可分为不锈钢按主
7、要化学成份可分为400 系、系、300 系、系、200 系。系。中国不锈钢粗钢产量中中国不锈钢粗钢产量中200 系占比显著偏高。系占比显著偏高。资料来源：资料来源：Jindal Stainless、富宝金属、富宝金属GF-2010-08GF-2010-0816 300 系不锈钢含镍量最高，达到8%-10%，代表品种304 主要应用于医药、机械、餐具等领域；400 系不锈钢含镍量最低，含镍量不超过0.60%，代表品种430 主要应用于耐热器具、家电产品等；200 系不锈钢含镍量为3.5%-5.5%（也有部分国家如印度京德勒含镍量仅为1.5%），代表品种201 主要应用于照明设备等干燥环境下。资料
8、来源：资料来源：Jindal StainlessGF-2010-08GF-2010-08 一、金属腐蚀的基本概念一、金属腐蚀的基本概念腐蚀腐蚀是在外界介质的作用下使金属逐渐受到是在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的过程。破坏的过程。l腐蚀按照其化学原理可分为两类：腐蚀按照其化学原理可分为两类：电化学腐蚀：电化学腐蚀：Fe-3eFe3+6H+6e=3H2化学腐蚀：化学腐蚀：4Fe+3O22Fe2O3 Fe+2H2OFe(OH)2+H25.1 金属腐蚀类型与提高耐腐蚀性的途径金属腐蚀类型与提高耐腐蚀性的途径化学腐蚀的特点：化学腐蚀的特点：不产生腐蚀电流，在不产生腐蚀电流，在反应表面形成一层化学生
9、成物。反应表面形成一层化学生成物。氧化膜的形成及氧化膜的结构和性质氧化膜的形成及氧化膜的结构和性质是是化学腐蚀的重要特征。化学腐蚀的重要特征。l致密的氧化物膜（钝化膜）致密的氧化物膜（钝化膜）能阻止进一能阻止进一步的腐蚀；步的腐蚀；l不连续的或者多孔状的氧化膜不连续的或者多孔状的氧化膜对基体金对基体金属没有保护作用。属没有保护作用。l 例如，有些金属氧化物，如例如，有些金属氧化物，如Mo2O3、WO3在高温在高温下具有挥发性，完全没有覆盖基体的保护作用。下具有挥发性，完全没有覆盖基体的保护作用。因此要提高金属耐化学腐蚀的能力，主因此要提高金属耐化学腐蚀的能力，主要是通过合金化或其它方法，在金属
10、表要是通过合金化或其它方法，在金属表面形成一层稳定的、完整的、致密的并面形成一层稳定的、完整的、致密的并与基体结合牢固的氧化膜（也称钝化与基体结合牢固的氧化膜（也称钝化膜）。膜）。在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。腐蚀。钢的电化学腐蚀主要形式有均匀腐蚀、钢的电化学腐蚀主要形式有均匀腐蚀、点腐蚀、晶界腐蚀、应力腐蚀、磨损腐蚀点腐蚀、晶界腐蚀、应力腐蚀、磨损腐蚀等。等。二、钢铁材料腐蚀的基本类型二、钢铁材料腐蚀的基本类型 不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。电化学腐蚀的特点：电化学腐蚀的特点：有液体电介质存
11、在，有液体电介质存在，不同金属或不同相之间有电极电位差并连不同金属或不同相之间有电极电位差并连通或接触，同时有腐蚀电流产生。通或接触，同时有腐蚀电流产生。l在金属材料中，电化学腐蚀是由在金属材料中，电化学腐蚀是由金属材料金属材料中不同相之间的电极电位的不同，在介中不同相之间的电极电位的不同，在介质存在时构成原电池质存在时构成原电池而产生的。而产生的。l在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。腐蚀。均匀腐蚀：均匀腐蚀：腐蚀发生在金属裸露的整个表面上或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。又称一般腐蚀或连续零件使用的整个工作面上。又称一般腐蚀或连
12、续腐蚀。腐蚀。点腐蚀：点腐蚀：在金属表面上极局部区域由于氯离子或在金属表面上极局部区域由于氯离子或氯化物盐引起的一种腐蚀破坏形式，它是由钝化氯化物盐引起的一种腐蚀破坏形式，它是由钝化膜的局部破坏所引起的。又称点蚀或孔蚀。膜的局部破坏所引起的。又称点蚀或孔蚀。晶间腐蚀：晶间腐蚀：晶界的电极电位低于晶内，导致晶界晶界的电极电位低于晶内，导致晶界比晶内腐蚀程度大。比晶内腐蚀程度大。应力腐蚀：应力腐蚀：在张应力状态和特定的腐蚀介质（主在张应力状态和特定的腐蚀介质（主要是氯化物盐、碱的水溶液以及蒸汽介质）作用要是氯化物盐、碱的水溶液以及蒸汽介质）作用下，材料发生破裂的现象。下，材料发生破裂的现象。磨损腐
13、蚀：磨损腐蚀：在同时存在着腐蚀和机械磨损时，两在同时存在着腐蚀和机械磨损时，两者相互加速的腐蚀称为磨损腐蚀。者相互加速的腐蚀称为磨损腐蚀。对不锈钢来说，对不锈钢来说，晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀是是不允许发生的，凡是有其中一种腐蚀，即认为不锈不允许发生的，凡是有其中一种腐蚀，即认为不锈钢在该介质中是不耐蚀的。钢在该介质中是不耐蚀的。答案请你当医生请你当医生 格林太太是位漂亮、开朗、乐观的妇女。当她开怀大笑的时格林太太是位漂亮、开朗、乐观的妇女。当她开怀大笑的时候，人们可以发现她一口整齐洁白的牙齿中镶有两颗假牙：其中候，人们可以发现她一口整齐洁白的牙齿中镶有两颗假牙：其中
14、一颗是黄金的一颗是黄金的这是她富有的标志：另一颗是不锈钢的这是她富有的标志：另一颗是不锈钢的这是一这是一次车祸后留下的痕迹。次车祸后留下的痕迹。令人百思不解的是，自从车祸以后，格林太太经常头痛、夜间令人百思不解的是，自从车祸以后，格林太太经常头痛、夜间失眠、心情烦躁失眠、心情烦躁医生绞尽了脑汁，格林太太的病情仍未有好医生绞尽了脑汁，格林太太的病情仍未有好转转 一位年轻的化学家来看望格林太太，并为她揭开了病因。一位年轻的化学家来看望格林太太，并为她揭开了病因。化学家发现了什么？你能为格林太太开一个药方吗？化学家发现了什么？你能为格林太太开一个药方吗？真相永远只有一个：真相永远只有一个：由于金与铁
15、（钢的主要成分）是活动由于金与铁（钢的主要成分）是活动性不同的两种金属，唾液中含有电解性不同的两种金属，唾液中含有电解液，故构成了原电池，产生了微小的液，故构成了原电池，产生了微小的电流，使得格林太太头疼，因此必须电流，使得格林太太头疼，因此必须换掉其中的一颗假牙换掉其中的一颗假牙。从上述腐蚀机理和类型的分析可见，要解从上述腐蚀机理和类型的分析可见，要解决金属的电化学腐蚀问题，主要从以下几决金属的电化学腐蚀问题，主要从以下几个方面入手：个方面入手：提高钢本身的耐蚀性能提高钢本身的耐蚀性能降低环境介质的腐蚀性降低环境介质的腐蚀性采用机械保护或覆盖层采用机械保护或覆盖层提高钢的耐蚀性能的途径提高钢
16、的耐蚀性能的途径 从从提高钢本身的耐蚀性能提高钢本身的耐蚀性能（即金属材料（即金属材料的成分、组织设计）来说，可以有以下途径：的成分、组织设计）来说，可以有以下途径：第三第三使钢获得单相组织，降低微电池的数量；使钢获得单相组织，降低微电池的数量；第二第二是提高不锈钢固溶体的电极电位或形成稳定的是提高不锈钢固溶体的电极电位或形成稳定的钝化区，降低微电池的电动势；钝化区，降低微电池的电动势；第一第一使钢的表面形成稳定的保护膜，使钢的表面形成稳定的保护膜，如钢中加入硅如钢中加入硅、铝、铬等、铝、铬等；不锈钢的钝化不锈钢的钝化n 钝化是指某些金属在特殊的环境下失去了金属活性，呈现与惰性金属相似的特性。
17、钝化可改变金属表面状态，使电极电势升高。n 向钢中加入铬、铝、硅等元素，可在钢表面生成Cr2O3、Al2O3和SiO2等致密的钝化膜，起到防腐蚀作用。其中铬是最有效的元素，这就是不锈钢中加入铬元素的主要作用之一。n 另外，合金元素钼的加入可以进一步增强不锈钢的钝化作用，因此能提高钢在氧化性及非氧化性介质中的耐蚀性。合金元素对铁的电极电位的影响合金元素对铁的电极电位的影响 一般说来，合金固溶体的电极电位总是比其它合一般说来，合金固溶体的电极电位总是比其它合金化合物的电极电位低，因此在电化学腐蚀过程金化合物的电极电位低，因此在电化学腐蚀过程中，中，合金固溶体总是作为阳极而被腐蚀合金固溶体总是作为阳
18、极而被腐蚀。研究表明，研究表明，钢中加入钢中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高等元素均能提高铁的电极电位铁的电极电位。但实用中由于。但实用中由于Ni较缺，而较缺，而Si的大的大量加入会使钢变脆，因此只有量加入会使钢变脆，因此只有Cr才是显著提高铁才是显著提高铁基固溶体电极电位的常用合金元素基固溶体电极电位的常用合金元素。Cr对对Fe-Cr合金电极合金电极电势的影响电势的影响(n(Q)为铬与铁的物质为铬与铁的物质的量比的量比)Tammann定律：定律：铁基固溶体中铁基固溶体中Cr含量含量达达12.5%原子比（即原子比（即1/8）时，电极电位）时，电极电位有一个突跃升高；当有一个突跃升高；当Cr的
19、含量提高到的含量提高到25%原子比（即原子比（即2/8）时，铁基固溶体）时，铁基固溶体的电极电位又有一个突跃的升高。这一的电极电位又有一个突跃的升高。这一现象称为现象称为二元合金固溶体电位的二元合金固溶体电位的n/8规规律律。许多二元合金固溶体合金中存在这。许多二元合金固溶体合金中存在这种规律。种规律。Me对不锈钢组织和力学性能的影响对不锈钢组织和力学性能的影响Me对铁基固溶体即钢的基体组织的影响对铁基固溶体即钢的基体组织的影响 首先取决于所加入的合金元素是首先取决于所加入的合金元素是相稳定元素；相稳定元素；还是还是相稳定元素。相稳定元素。l 相稳定元素占优势时可获得单相相稳定元素占优势时可获
20、得单相基固溶体合金；基固溶体合金；l 相稳定元素占优势时可获得单相相稳定元素占优势时可获得单相基固溶体合金。基固溶体合金。为了减少微电池的数量，可将金属材料设为了减少微电池的数量，可将金属材料设计成单相组织计成单相组织l不锈钢的基体组织不仅是获得所需不锈钢的基体组织不仅是获得所需力学力学性能性能和和工艺性能工艺性能的保证，还是不锈钢具的保证，还是不锈钢具有良好有良好耐蚀性能耐蚀性能的组织保证。的组织保证。l单相铁素体钢、单相奥氏体钢是不锈钢单相铁素体钢、单相奥氏体钢是不锈钢中耐蚀性能好的两类钢。中耐蚀性能好的两类钢。三、合金元素对不锈钢基体组织的影响三、合金元素对不锈钢基体组织的影响n 不锈钢
21、的基体组织在室温下获得单相的组织(如单相铁素体和单相奥氏体)就可以减少微电池数目，这样钢的耐蚀性就得提高。n 当当Cr的质量分数达到的质量分数达到12.7时，它能封闭时，它能封闭相区，形成单一相区，形成单一铁素体组织。铁素体组织。n 为了获得单一奥氏体组织，若单独加镍元素，其加入为了获得单一奥氏体组织，若单独加镍元素，其加入Cr的的质量分数必须达到质量分数必须达到30以上；若镍与铬复合加入，则可减以上；若镍与铬复合加入，则可减小钢中小钢中Cr的质量分数。因此，应对合金成分加以适当搭配的质量分数。因此，应对合金成分加以适当搭配,普通奥氏体不锈钢中普通奥氏体不锈钢中Cr-Ni的搭配为：的搭配为：主
22、要合金元素对不锈钢组织的影响主要合金元素对不锈钢组织的影响l碳碳作为不锈钢中的合金元素，对不锈作为不锈钢中的合金元素，对不锈钢的组织和性能都有重要的影响。碳钢的组织和性能都有重要的影响。碳是奥氏体的合金元素，稳定奥氏体的是奥氏体的合金元素，稳定奥氏体的能力约为镍含量的三十倍。能力约为镍含量的三十倍。n 但碳与铬的亲和力很大，能形成一系列的复杂的碳、铬化合物，钢中C的质量分数越大，钢的耐蚀性越低。因此，不锈钢中C的质量分数一般比较小，大多数不锈钢中w(C)=0.1-0.2，C的质量分数不超过0.4，只有在少数情况下，为了获得高硬度、高耐磨性(如轴承、弹簧等)，才将C的质量分数增大；为了保证钢的耐
23、蚀性，Cr的质量分数相应也要增大，如9Cr18钢。l铬铬是不锈钢的主加合金元素，而铬又是稳定是不锈钢的主加合金元素，而铬又是稳定铁素体的元素。铁素体的元素。u当碳含量当碳含量较低较低，含铬量在，含铬量在13%时，就可获得时，就可获得铁素体不锈钢铁素体不锈钢；u当含铬量从当含铬量从13%增加到增加到27%时，由于含铬量时，由于含铬量的增加，稳定铁素体的能力增加，故钢中的增加，稳定铁素体的能力增加，故钢中碳碳含量可增加到含量可增加到0.05%0.2%，仍能保持钢的，仍能保持钢的铁素体组织铁素体组织。u当铬含量在当铬含量在12%18%时，一定的碳和时，一定的碳和镍等镍等相稳定元素可使钢在加热时形成相
24、稳定元素可使钢在加热时形成较多的较多的或或完全的完全的相相；同时又由于；同时又由于相稳相稳定元素含量不是很多，使得定元素含量不是很多，使得MS点在室点在室温以上，所以这类钢淬火能产生马氏体温以上，所以这类钢淬火能产生马氏体，即为马氏体不锈钢。，即为马氏体不锈钢。l镍镍是不锈钢中三个重要的元素（铬、碳、镍）是不锈钢中三个重要的元素（铬、碳、镍）之一，镍除能提高耐蚀性能外，还是之一，镍除能提高耐蚀性能外，还是相稳定元相稳定元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体相形成的主要元素。相形成的主要元素。u单独使用镍的低碳镍钢单独使用镍的低碳镍钢，只有当镍的含量达
25、到，只有当镍的含量达到24%时才能获得时才能获得单相奥氏体组织单相奥氏体组织；u镍和铬的配合使用时镍和铬的配合使用时，如当含镍量高于，如当含镍量高于3%，铬，铬含量高于含量高于18%以后，铬、镍按比例地增加，可以以后，铬、镍按比例地增加，可以获得获得铁素体铁素体-奥氏体双相不锈钢奥氏体双相不锈钢；u当含镍量高于当含镍量高于8%后后，铬含量在，铬含量在18%27%的范的范围内使不锈钢获得围内使不锈钢获得单相奥氏体组织单相奥氏体组织。镍还能有效。镍还能有效地降低地降低MS点，使奥氏体能保持到点，使奥氏体能保持到-50以下。以下。合金元素对不锈钢力学性能的影响合金元素对不锈钢力学性能的影响主要取决于
26、不锈钢的强化机制：主要取决于不锈钢的强化机制：l强化强化：铬、硅、碳等合金元素提供了铬、硅、碳等合金元素提供了基体的基体的固溶强化固溶强化、相变强化相变强化、细化晶细化晶粒强化粒强化、第二相（第二相（铁素体）强化铁素体）强化、沉沉淀强化淀强化及及亚结构强化亚结构强化等强化机制均可使等强化机制均可使不锈钢获得大幅度强化。不锈钢获得大幅度强化。l不锈钢的力学性能，除沉淀硬化型外，不锈钢的力学性能，除沉淀硬化型外，u马氏体不锈钢马氏体不锈钢具有较好的综合力学性能具有较好的综合力学性能；u铁素体铁素体+奥氏体双相不锈钢奥氏体双相不锈钢的强度和延展性的强度和延展性也较好也较好；u单相的铁素体不锈钢单相的
27、铁素体不锈钢和和奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢的强度的强度性能相近，但前者性能相近，但前者屈服强度较高屈服强度较高，而后者的，而后者的延展性较好延展性较好。l韧化韧化：不锈钢的韧性不仅取决于基体组不锈钢的韧性不仅取决于基体组织，而且还受钢中碳、氮以及杂质元素氧、织，而且还受钢中碳、氮以及杂质元素氧、硫、磷、锰、硅等的影响。硫、磷、锰、硅等的影响。u铁素体不锈钢铁素体不锈钢具有较低的冲击韧性具有较低的冲击韧性和较和较高的韧高的韧-脆转变温度；而铁素体不锈钢中脆转变温度；而铁素体不锈钢中含有奥氏体相时，其冲击韧性得到改善，含有奥氏体相时，其冲击韧性得到改善，韧脆转变温度很快下降到了韧脆转变温度很快下降到
28、了-50以下；以下；u奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢具有很高的冲击韧性具有很高的冲击韧性和和很低的韧脆转变温度，所以，奥氏体不很低的韧脆转变温度，所以，奥氏体不锈钢是很好的低温用钢。锈钢是很好的低温用钢。u钢中的碳、氮及杂质元素氧、硫、磷、钢中的碳、氮及杂质元素氧、硫、磷、锰、硅等的含量愈低，不锈钢的韧脆转锰、硅等的含量愈低，不锈钢的韧脆转变温度愈低。变温度愈低。u因此，工程上对不锈钢中杂质元素的因此，工程上对不锈钢中杂质元素的净化具有重要的适用意义。净化具有重要的适用意义。根据不锈耐蚀钢的基本组织根据不锈耐蚀钢的基本组织,可分为可分为:马氏体不锈钢马氏体不锈钢 Cr13型不锈钢型不锈钢,高温加热高
29、温加热 淬火后淬火后基体为马氏体；基体为马氏体；铁素体不锈钢铁素体不锈钢 如如0Cr17Ti、1Cr25Ti等；等；奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 具有单相奥氏体组织，有铬镍奥具有单相奥氏体组织，有铬镍奥氏体钢、铬锰镍奥氏体钢和铬锰氮奥氏体三种，氏体钢、铬锰镍奥氏体钢和铬锰氮奥氏体三种，如如 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti；奥氏体奥氏体-铁素体复相不锈钢铁素体复相不锈钢 具有奥氏体加铁素体具有奥氏体加铁素体复相组织，如复相组织，如1Cr21Ni5Ti；沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢 在马氏体基体上析出金属间化在马氏体基体上析出金属间化合物，产生沉淀强化，合物，产生沉淀强化，0Cr17Ni7Al
30、。5.4 5.4 不锈钢的组织与分类不锈钢的组织与分类马氏体不锈钢马氏体不锈钢一、一、马氏体不锈钢的成分和组织特点马氏体不锈钢的成分和组织特点 分类：分类：Cr13型型 如如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、高碳高铬钢，高碳高铬钢，如如9Cr18 低碳低碳17%Cr-2%Ni钢，钢，如如1Cr17Ni2 较高的强度和耐磨性；较高的强度和耐磨性；重要成分为碳和铬。重要成分为碳和铬。为了提高耐蚀性，的含碳量都控制在很低的含量范围，一般不超过0.4%。含碳量越低，钢的耐蚀性就越好，而含碳量越高，基体中的含碳量就越高，则钢的强度和硬度就越高,含碳量越高，形成铬的碳化物量也就越多，其耐蚀性
31、就变得越差一些。由此不难看出，4Cr13的强度、硬度指标优于1Cr13，但其耐蚀性却不如1Cr13。主要是主要是Cr13型不锈钢型不锈钢 钢号为钢号为1Cr134Cr13 随含碳量提高，强度、随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下硬度提高，耐蚀性下降降.1Cr13、2Cr13 使用状态下的组织使用状态下的组织:S回回不锈钢棒不锈钢棒 1Cr13、2Cr13具有具有耐大气耐大气、蒸汽腐蚀蒸汽腐蚀能力及良好的综合能力及良好的综合力学性能。力学性能。用于要求塑韧性用于要求塑韧性较高的耐蚀件，较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等如汽轮机叶片等.汽轮机叶片汽轮机叶片透平转轮透平转轮 3Cr13、4Cr13 热处
32、理：热处理：淬火淬火+低温回火低温回火。使用状态下的组织：使用状态下的组织：M回回。具有较高强度、硬度具有较高强度、硬度。用于要求耐蚀、耐磨件，用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。医疗器械、量具等。医疗器械医疗器械不锈不锈钢刀钢刀二、马氏体不锈钢热处理特点二、马氏体不锈钢热处理特点 软化处理软化处理 空冷条件下易发生马氏体转变，所以空冷条件下易发生马氏体转变，所以应缓慢冷却，并及时进行软化处理；分为应缓慢冷却，并及时进行软化处理；分为高温高温回火回火和和完全退火完全退火两种方法。两种方法。调质处理调质处理 获得高的综合力学性能；淬火后及时获得高的综合力学性能；淬火后及时回火，注意防止回火脆
33、性。（回火，注意防止回火脆性。（1Cr13、2Cr13）淬火淬火+低温回火低温回火 要求有一定的耐腐蚀性故采用要求有一定的耐腐蚀性故采用淬火低温回火；淬火组织为马氏体和碳化物，淬火低温回火；淬火组织为马氏体和碳化物，少量奥氏体。少量奥氏体。（3Cr13、4Cr13）铁素体不锈钢铁素体不锈钢一、常用铁素体不锈钢及特点一、常用铁素体不锈钢及特点 Cr13型型 如如0Cr13、0Cr13Al、0Cr11Ti Cr17型型 如如1Cr17、0Cr17Ti、0Cr17Mo Cr25-30型型 如如1Cr28、1Cr25Ti 碳含量碳含量0.25%;在硝酸、氨水等介质中有较好在硝酸、氨水等介质中有较好的耐
34、蚀性和抗氧化性；的耐蚀性和抗氧化性；力学性能和工艺性比较差力学性能和工艺性比较差,脆性大；脆性大；加热冷却过程基本无同素异构转变，多在退火加热冷却过程基本无同素异构转变，多在退火软化态下使用。软化态下使用。二、铁素体不锈钢的脆性二、铁素体不锈钢的脆性 铁素体不锈钢铁素体不锈钢具有较低的冲击韧性具有较低的冲击韧性和较高的韧和较高的韧-脆转变温度，高铬脆转变温度，高铬铁素体铁素体不锈钢的缺点是脆性大：不锈钢的缺点是脆性大：u粗大的原始晶粒粗大的原始晶粒u475 脆性脆性u金属间化合物金属间化合物 相的形成相的形成钢中钢中相相粗大的原始晶粒。粗大的原始晶粒。475脆化：脆化：加热到加热到450550
35、停留或缓慢冷却时，停留或缓慢冷却时，铁素体中的铁素体中的Cr原子有序化，形成原子有序化，形成相，产生脆化。相，产生脆化。再加热到再加热到600快冷可消除。快冷可消除。相脆化：相脆化：在在550 850长长期加热时，析期加热时，析出硬而脆的出硬而脆的 相相。1Cr17削片刀削片刀典型钢号如典型钢号如0Cr13、1Cr17等。等。成分：成分：高铬低高铬低碳碳l 无无相变，不能相变，不能进行热处理强化。进行热处理强化。l 组织：单相铁素体组织：单相铁素体三、铁素体不锈钢的热处理三、铁素体不锈钢的热处理 加热过程中有加热过程中有碳化物碳化物的溶解和析出；热的溶解和析出；热轧退火状态，组织为富铬的铁素体
36、和碳轧退火状态，组织为富铬的铁素体和碳化物。化物。为获得为获得成分均匀成分均匀的铁素体组织和减少碳的铁素体组织和减少碳化物量，消除化物量，消除晶界腐蚀晶界腐蚀倾向，在热轧后倾向，在热轧后采用采用淬火和退火淬火和退火两种热处理工艺。两种热处理工艺。具体工艺为：具体工艺为：870-950870-950的淬火水冷；的淬火水冷；560-800560-800退火。退火。用途用途 广泛用于硝酸和氮肥工广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。业的耐蚀件。硝酸生产装置硝酸生产装置铁素铁素体不体不锈钢锈钢制品制品 在含18%Cr的钢中加入811%Ni，就是的奥氏体不锈钢。如1Cr18Ni9是最典型的钢号。这类钢由于镍的
37、加入，扩大了奥氏体区域，从而在室温下就能得到亚稳的单相奥氏体组织。由于含有较高的铬和镍，并呈单相的奥氏体组织，因而具有比铬不锈钢更高的化学稳定性，有更好的耐腐蚀性，是目前。主要是主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。）型不锈钢。性能特点：性能特点：具有很高的耐蚀性，具有很高的耐蚀性，高的塑韧性高的塑韧性,l冷热加工性及冷热加工性及可焊性可焊性。韧度好，无磁性。韧度好，无磁性。l缺点：缺点：价格较贵；价格较贵；切削加工较困难；线切削加工较困难；线膨胀系数高，导热性膨胀系数高，导热性差。差。不锈钢带不锈钢带一、成分特点一、成分特点主要成分为主要成分为:18%Cr和和 8%Ni 18%Cr和和
38、8%Ni是世界各国是世界各国奥氏体不锈钢的典型奥氏体不锈钢的典型成分成分.增加增加Cr和和Ni的含量可以提高钢的钝化性能的含量可以提高钢的钝化性能,增加增加奥奥氏体氏体组织的稳定性组织的稳定性,提高钢的提高钢的固溶强化效应固溶强化效应,耐腐耐腐蚀蚀性能更为优良；性能更为优良；Ti、Nb稳定碳化物，提高抗晶间腐蚀的能力；稳定碳化物，提高抗晶间腐蚀的能力；Mo增加不锈钢钝化作用，防止点腐蚀倾向，提增加不锈钢钝化作用，防止点腐蚀倾向，提高钢在有机酸中的耐腐蚀性；高钢在有机酸中的耐腐蚀性；Cu提高在硫酸中的耐腐蚀性；提高在硫酸中的耐腐蚀性；Si使钢的抗应力腐蚀断裂能力提高。使钢的抗应力腐蚀断裂能力提高
39、。二、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀二、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀晶间腐蚀晶间腐蚀1.1.现象现象 奥氏体不锈钢焊接后奥氏体不锈钢焊接后,焊缝及热影响区焊缝及热影响区(550-800(550-800）在）在许多介质中产生晶间腐蚀。许多介质中产生晶间腐蚀。介质：热浓硝酸（介质：热浓硝酸（50-65%50-65%）、含铜盐和氧化铁的硫酸）、含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等溶液、热有机酸等2.2.形成原因形成原因 贫铬理论贫铬理论 奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出网状富铬的网状富铬的CrCr2323C C6 6引起晶界周围基体产生贫铬区引起晶界周围基体产生贫铬区，贫铬
40、区的宽度约，贫铬区的宽度约1010-5-5cmcm，Cr12%Cr35%35%）；）；3 3）采用高纯度采用高纯度15-25%15-25%F F不锈钢；不锈钢；4 4）采用奥氏体和铁素体（）采用奥氏体和铁素体（50-70%50-70%）双相钢。双相钢。四、奥氏体不锈钢的点腐蚀四、奥氏体不锈钢的点腐蚀1.1.现象现象 不锈钢在含不锈钢在含ClCl-离子离子介质中表面会出现点状凹坑腐蚀，称为介质中表面会出现点状凹坑腐蚀，称为点腐蚀。点腐蚀。2.2.主要原因主要原因 主要是表面钝化膜的稳定性受到破坏所致。主要是表面钝化膜的稳定性受到破坏所致。3.3.影响因素影响因素 1 1）含有）含有ClCl-、B
41、r Br 等，易于产生点腐蚀等，易于产生点腐蚀;去极化作用的阳离去极化作用的阳离子子FeFe3+3+、CuCu2+2+等，有加速点腐蚀作用等，有加速点腐蚀作用 2 2）夹杂物（）夹杂物（MnSMnS）、晶界析出相（）、晶界析出相（相）、晶界等容易发相）、晶界等容易发生点腐蚀生点腐蚀-易破坏钝化膜的均匀性易破坏钝化膜的均匀性 。4.4.预防措施预防措施1 1）尽可能降低介质中的）尽可能降低介质中的Cl-浓度浓度;2 2）选用）选用高高CrCr和含和含MoMo钢种，钝化膜稳定性提高钢种，钝化膜稳定性提高,如如 Cr22Ni26Mo5Ti;Cr26Mo1;Cr26Mo4Cr22Ni26Mo5Ti;C
42、r26Mo1;Cr26Mo4 有时用有时用Cr%+Mo%Cr%+Mo%量来衡量抗点蚀指标量来衡量抗点蚀指标3 3）加入（提高）加入（提高）NiNi，也可提高抗点蚀能力。也可提高抗点蚀能力。4 4）含）含N N不锈钢的击穿电位不锈钢的击穿电位 B B值较正，当钢中值较正，当钢中N0.3%N0.3%，不不 发生点腐蚀。如发生点腐蚀。如 00Cr18Ni12Mo2.5N00Cr18Ni12Mo2.5N五、热处理五、热处理固溶处理固溶处理 一般加热到一般加热到10001000使碳化物溶解后水冷；使碳化物溶解后水冷；对于非稳定奥氏体不锈钢，常用对于非稳定奥氏体不锈钢，常用10501050固溶处理后退火。
43、固溶处理后退火。稳定化处理稳定化处理 只在含只在含TiTi、NbNb的的奥氏体奥氏体不锈钢中使用；不锈钢中使用；工艺原则：高于碳化铬的溶解温度而低于碳化钛的溶解工艺原则：高于碳化铬的溶解温度而低于碳化钛的溶解温度。温度。去应力处理去应力处理 消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺。消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺。四、四、FA双相不锈钢双相不锈钢 近几十年发展起来的新钢种近几十年发展起来的新钢种 组织：组织：AF 成分：成分：18-26Cr4-7NiMn，Mo，Cu，Ti，W，N等等 特点：特点：兼具兼具F不锈钢和不锈钢和A不锈钢的特性不锈钢的特性1.A的存在降低了钢的脆性，
44、提高了钢的可焊性和韧性的存在降低了钢的脆性，提高了钢的可焊性和韧性2.F的存在提高了钢的屈服强度，抗应力腐蚀敏感性，的存在提高了钢的屈服强度，抗应力腐蚀敏感性，AF降低了钢晶间腐蚀的倾向降低了钢晶间腐蚀的倾向3.存在脆性倾向，尤其是在焊接区，主要是存在脆性倾向，尤其是在焊接区，主要是，相沉淀相沉淀和和相析出引起。相析出引起。热处理：热处理：1000-1100淬火得到淬火得到60F40A五、沉淀硬化不锈钢（超高强度钢）五、沉淀硬化不锈钢（超高强度钢）分类分类1.以以1Cr18Ni9钢为基础发展而来的钢为基础发展而来的奥氏体马氏体沉淀硬奥氏体马氏体沉淀硬化不锈钢化不锈钢2.以以Cr13型马氏体不锈
45、钢发展而来型马氏体不锈钢发展而来马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢特点：在形成马氏体基础上，经时效处理产生沉淀强化特点：在形成马氏体基础上，经时效处理产生沉淀强化，而得到超高强度。所以既具有，而得到超高强度。所以既具有Cr18Ni9钢优良的焊接钢优良的焊接性能，有具有马氏体钢的高强度性能，有具有马氏体钢的高强度应用：航空，宇航领域应用：航空，宇航领域 代表钢种：代表钢种：0Cr17Ni7Al(07Cr17Ni7Al)0Cr15Ni7Mo2Al(07Cr15Ni7Mo2Al)组织特点：室温下是不稳定的组织特点：室温下是不稳定的A 性能特点：较好的塑性和加工性能，焊接性能性能特点：较好的塑性
46、和加工性能，焊接性能 热处理：含碳量低，成分设计上使热处理：含碳量低，成分设计上使Ms点略低于室温，以点略低于室温，以便通过各种处理使不稳定的便通过各种处理使不稳定的A转变成低碳马氏体，然后在转变成低碳马氏体，然后在通过时效沉淀析出金属间化合物提高强度通过时效沉淀析出金属间化合物提高强度 沉淀元素：沉淀元素：Al，Ti，Mo一一.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 获得马氏体和进一步沉淀方法获得马氏体和进一步沉淀方法1.两次时效法两次时效法 钢经钢经1050固溶处理后，在固溶处理后，在750 保温保温1.5小时并空冷得小时并空冷得到马氏体；在经过到马氏体；在经过510-56
47、0 时效时效30分钟析出分钟析出Ni3Al强化强化相相2.冷处理时效冷处理时效 1050固溶处理后，在固溶处理后，在950保温保温1.5小时并空冷至室温小时并空冷至室温，得到部分马氏体，再冷到，得到部分马氏体，再冷到-73 进行冷处理，停留进行冷处理，停留8小小时得到马氏体，最后在时得到马氏体，最后在510 时效时效1小时，沉淀析出强化小时，沉淀析出强化3.冷加工时效冷加工时效 1050 固溶，在室温进行塑性变形获得马氏体，最后在固溶，在室温进行塑性变形获得马氏体，最后在480 时效时效1小时小时 力学性能力学性能 经上述处理后，钢材的抗拉强度经上述处理后，钢材的抗拉强度b可达可达1400-1
48、850MPa。硬度。硬度HRC43-50 时效后组织：时效后组织：A15-30F 应用：飞机蒙皮，火箭外壳应用：飞机蒙皮，火箭外壳 使用注意事项：使用温度低于使用注意事项：使用温度低于315，否则金属间化合，否则金属间化合物继续析出使钢材变脆物继续析出使钢材变脆马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢 在在Cr13马氏体不锈钢中添加马氏体不锈钢中添加Mo，W，Ti，Nb在时效中沉在时效中沉淀析出一系列金属间化合物（淀析出一系列金属间化合物（Fe2Mo，Fe2Ti，Fe2Nb等等）而强化的）而强化的 为使为使Ms点降低，添加点降低，添加Ni，和，和CoCo控制在控制在10-20，Ni控制在控制在
49、4左右左右 代表钢种：代表钢种：174PH（0Cr17Ni4CuNb）特点：价高特点：价高 应用：飞机，火箭蒙皮应用：飞机，火箭蒙皮第八节第八节 不锈钢的发展不锈钢的发展 超纯化，多元化，微合金化超纯化，多元化，微合金化 现在发展的新一代不锈钢可分为三类：现在发展的新一代不锈钢可分为三类：1.超纯铁素体不锈钢超纯铁素体不锈钢2.超低碳，高超低碳，高Mo高性能奥氏体不锈钢高性能奥氏体不锈钢3.超低碳，超细晶粒超低碳，超细晶粒AF双相不锈钢双相不锈钢 特点特点 良好的抗蚀性，可取代部分的良好的抗蚀性，可取代部分的Ni基合金和钛合金基合金和钛合金1.超纯铁素体不锈钢超纯铁素体不锈钢 通过精炼技术（如
50、，通过精炼技术（如，AOD氩氧炉脱碳精炼法）的发展氩氧炉脱碳精炼法）的发展，生产出超纯，生产出超纯F不锈钢，克服了不锈钢，克服了F不锈钢脆性的大弱点不锈钢脆性的大弱点 成分：超低碳，高成分：超低碳，高Cr，含，含Mo.性能：力学性能，焊接性能，耐蚀性能良好性能：力学性能，焊接性能，耐蚀性能良好 应用：化工，食品，石油加工，水处理等领域应用：化工，食品，石油加工，水处理等领域2.新型奥氏体不锈钢新型奥氏体不锈钢 抗应力腐蚀断裂的新型奥氏体不锈钢：钢中添加抗应力腐蚀断裂的新型奥氏体不锈钢：钢中添加Mo，Si，Cu等合金元素，降低等合金元素，降低C，P，N等有害元素，如等有害元素，如00Cr25Ni
