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2023年10月2日星期一,1,工 程 材 料 A,第五章 不 锈 钢 机电工程学院,2023年10月2日星期一,2,第五章不锈钢,1 概述 2 金属腐蚀 3 不锈钢合金化原理 4 不锈钢种类与特点,2023年10月2日星期一,3,5.1 概述,第五章 不锈钢,特殊性能钢是指以某些特殊物理、化学或力学性能为主的钢种，其类型很多，在工程上常用的主要有:不锈钢 耐热钢 耐磨钢 低温钢,2023年10月2日星期一,4,5.1 概述,不锈钢：具有抗腐蚀性能的钢种 分类：不锈钢（耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质）耐酸钢（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质腐蚀）用途：化工、石油、卫生、食品、建筑、航空、原子能等行业。失效形式：腐蚀,第五章 不锈钢,2023年10月2日星期一,5,5.1 概述,不锈钢按其正火组织不同分类：马氏体型；铁素体型；奥氏体型；A-F双相型；沉淀硬化型；(奥氏体型不锈钢约占不锈钢总产量的70),第五章 不锈钢,2023年10月2日星期一,6,5.2 金属腐蚀,一、金属腐蚀过程1、腐蚀 介质作用下金属破坏现象2、种类 化学腐蚀、电化学腐蚀3、钝化 表面形成致密氧化膜,第五章 不锈钢,2023年10月2日星期一,7,5.2 金属腐蚀,“多相”易腐蚀，单相不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3),第五章 不锈钢,2023年10月2日星期一,8,5.2 金属腐蚀,二、腐蚀种类 1、一般腐蚀：金属表面大面积均匀腐蚀 2、晶界腐蚀：沿晶界腐蚀，降强度；晶界和晶内成分或应力差别，造成电势差。3、应力腐蚀：腐蚀介质及拉应力作用破裂，沿晶或穿晶脆断 4、点腐蚀：金属局域表面腐蚀，纵深发展穿裂金属 5、腐蚀疲劳：腐蚀介质和交变应力作用，腐蚀坑+裂纹，防止腐蚀措施：1、单一相；2、钝化层；3、减少电位差,第五章 不锈钢,5.2 金属腐蚀,2023年10月2日星期一,9,钢腐蚀：基体电极电势低，产生微电池阳极效应引起。防腐途径：1、提高金属基体电极电位（加Cr）；2、金属表面易于钝化；3、单相组织，均匀成分和纯度。,第五章 不锈钢,5.3 不锈钢的合金化原理,2023年10月2日星期一,10,一、不锈钢钝化钝化：金属表面在特殊介质中表面失去活性的现象。实质：改变金属表面状态，电极电位提高。钝化机理：A、氧化膜生成，且致密，降低金属的溶解速率，电极反应（阳极反应）受阻，金属的稳定性提高；B、钝化膜下面的及膜表面有氧吸附，吸附的氧能饱和金属表面原子的未饱和位，产生钝化，化学反应速率降低。,第五章 不锈钢,5.3 不锈钢的合金化原理,2023年10月2日星期一,11,合金元素Cr、Al、Si等加入：1、钢表面生成致密钝化膜，Cr2O3、Al2O3、SiO2，防腐；2、Mo、Cu等元素加入加剧钝化效果，提高抗钢氧化性和耐蚀性。,第五章 不锈钢,5.3 不锈钢的合金化原理,2023年10月2日星期一,12,二、合金元素对铁的电极电势影响1、Cr元素加入形成固溶体时，提高其电极电位，有一定加入量要求，产生电势突变；n/8规律2、最低含Cr量：11.7%。钢中有C，形成碳化物，即加Cr量最小为13%。,第五章 不锈钢,5.3 不锈钢的合金化原理,2023年10月2日星期一,13,三、合金元素对不锈钢基体组织的影响Me与Fe的相互作用的特点分类 A形成元素：C、N、Cu、Mn、Ni等；F形成元素：Cr、Si、Ti、Nb、Mo等。说明：A、Cr-Ni复合18%Cr-8%Ni，降单一元素含量，Ni30%，若节约Ni，加Mn、N等替代B、C作用大，扩大A区，形成碳化物，减低耐腐蚀性 对钢有硬度和耐腐蚀性要求时加大含量C、改善不锈钢切削性能，加入少量S、P元素D、RE有一定作用,第五章 不锈钢,5.3 不锈钢的合金化原理,2023年10月2日星期一,14,中国的不锈钢的分类和发展,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,15,不锈钢按其正火组织不同分类：马氏体型；铁素体型；奥氏体型；双相型；沉淀硬化型；,5.4 不锈钢种类和特点,第五章 不锈钢,一、马氏体不锈钢典型钢种：1Cr134Cr13、9Cr18特性：在氧化性气氛中，如大气、海水、氧化性酸，耐蚀性较好；在菲氧化性气氛中，如强酸、碱中，耐蚀性很低。,2023年10月2日星期一,16,化学成分牌号（含义）热处理工艺 淬火+回火机械性能用途,5.4 不锈钢种类和特点,第五章 不锈钢,2023年10月2日星期一,17,说明：1、1Cr13：低碳，不预热可弯曲、焊接，卷边等；2Cr13：焊接预热，冷变形不预热；2、M不锈钢：酸性介质中氢脆断裂；中性介质阳极溶解造成应力腐蚀开裂；同时提供冶炼质量（提高纯度、降夹杂物含量等）；3、M中含Cr，淬透性好，锻后缓冷，防形成M；工件获得M后，高温回火，降硬度便于机加工；4、M不锈钢，淬火后通常高温回火；高硬度、耐磨性场合，低温回火；5、M不锈钢有回火脆性，回火后快冷；400-600回火易出现应力腐蚀开裂。,5.4 不锈钢种类和特点,第五章 不锈钢,2023年10月2日星期一,18,二、铁素体不锈钢：碳0.25%、Cr1330，耐蚀性优于马氏体钢。Cr铁素体形成元素，此类钢从室温到高温(1000左右)均为单相铁素体；性能：塑性加工、切削加工和焊接性较优。用途：对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。常见：0Cr13、1Cr17、1Cr28等。,5.4 不锈钢种类和特点,第五章 不锈钢,2023年10月2日星期一,19,化学成分 类型 Cr17、Cr25、Cr28型牌号（含义）热处理工艺 固溶处理+回火 或退火+快冷,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,20,铁素体不锈钢的缺点：韧性低、脆性大原因：1、无相变，晶粒粗大，控锻温度，加Ti抑制2、475 脆性400-525长时间加热或此区间缓冷，塑韧性下降，强度升高 机理：F中Cr有序化，富Cr的BCC相生成，与基体共格，点阵畸变，内应力增加；Ti、Nb、Mo、Si加强，Ni降低其倾向 消除：700-800 加热，快冷通过即可3、相脆性-550-850区间长时间停留，F中析出相；Mn、Si、W、V、Al促进产生 相：FeCr生成，其体积畸变，晶界分布；造成材料脆性、晶界腐蚀 消除：加热到820以上，溶解后快冷,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,21,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,三、奥氏体不锈钢：在Cr18Ni8(18-8)基础上发展起来的，低碳(0.12)、高铬(1725)和较高镍(829)；性能：具有最佳的耐蚀性（价高）；优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性和无磁性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大,2023年10月2日星期一,22,5.4 不锈钢种类和特点,第五章 不锈钢,用途：制造生产酸类的化工设备，低温设备构件冷变形后的不锈钢零件（发条等）,化学成分 类型 Cr18-Ni8型 牌号(含义):1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等热处理工艺 固溶处理(单相)、稳定化处理、去应力处理,2023年10月2日星期一,23,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,奥氏体不锈钢的成分、性能和热处理,2023年10月2日星期一,24,奥氏体不锈钢的成分、性能和热处理（续）,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,25,热处理工艺：A、固溶处理10601150保温水淬，熔碳化物于A中，提高耐蚀性B、稳定化处理-固溶处理后进行，应用于含Ti、Nb的18-8钢；加热850-880保温空冷，熔Cr化物，保留Ti化物，消除晶界腐蚀C、去应力处理-钢焊接或冷变形的残余应力，加热300-350回火，不含Ti、Nb元素钢稳定小于450，防析出Cr化物，晶界腐蚀,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,26,奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：1、A不锈钢晶界腐蚀 450-850 保温或缓冷，晶界腐蚀，C%高严重 机理：晶界析出Cr23C6，周边基体贫Cr，产生腐蚀电池。措施：A、降低C%，防析出Cr化物 B、加Ti、Nb，与C析出化合物，防止Cr化物析出 C、调整合金元素形成A+F组织 D、改变热处理工艺（前述）,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,27,奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：2、A不锈钢的应力腐蚀 应力与腐蚀综合作用下的材料开裂，简称SCC 易在含Cl离子腐蚀介质中产生措施：加入Si元素，降低P、Sb、Bi、Pb等含量3、A不锈钢的点腐蚀 在酸性介质或碱性介质中腐蚀,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,28,奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：3、A不锈钢的点腐蚀 机理：阴离子Cl在氧化膜上吸附后离子穿过钝化膜所致；措施：均匀成分、组织，减少夹杂物数量；合金化加Cr、Mo、N等元素，主加Mo元素 主加Mo原因元素：Mo与Cl形成MoCl2化合物保护膜，防止Cl离子穿过钝化膜,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,29,奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：4、A不锈钢的形变强化 良好的冷变形性能，大量变形强度提高 原因：冷作硬化，形变诱发M转变 冷变形热处理工艺：形变后再结晶温度随变形量而改变，如60%变形，再结晶温度650,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,30,四、奥氏体铁素体双相不锈钢成分：A不锈钢基础上，增加Cr含量，减少Ni含量，并固溶处理得A+F双相组织 典型钢：0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、0Cr21Ni6Mn2Ti特点：焊接性较好，焊后不需热处理，晶界腐蚀、应力腐蚀倾向小 因含Cr高，易形成相,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,31,五、沉淀硬化不锈钢（超高强度钢）种类：1、Cr18Ni9基础上发展的A+M沉淀硬化不锈钢 2、Cr13基础上发展的低碳M沉淀硬化不锈钢特点：均为形成低碳M组织+时效处理（沉淀硬化）所得的超高强度钢应用：良好焊接性，宇航和航空技术上使用,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,32,牌号和化学成分,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,33,1、A+M沉淀硬化不锈钢成分：低C、A组织不稳定、良好加工性能、Ms略高、A组织不稳定部分转变M，再时效处理析出金属间化合物强化元素：Al、Ti、Mo和Ni、Mn、Cu热处理：A、两次时效：1050 固溶+750*1.5h（控Ms点）得M+510-560*0.5h时效析出,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,34,B、冷处理加时效 1050固溶+950*1.5h（控Ms点）得部分M+-73*8h冷处理+510*1h时效析出C、冷加工加时效 1050固溶+室温冷塑性变形获得M+450*1h时效析出机械性能：43-50HRC，b=1400-1850MPa,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,35,2、M沉淀硬化不锈钢成分：Cr13型M不锈钢基础上加Mo、W、Ti、Nb等，降低Ms点热处理：1050 固溶形成M+400-650时效析出金属化合物机械性能：硬度较高，机加工较差应用：火箭或导弹蒙皮材料,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,2023年10月2日星期一,36,六、不锈钢的发展（自学）,第五章 不锈钢,5.4 不锈钢种类和特点,