沉淀硬化不锈钢ppt课件.ppt

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1、金属材料学不锈钢（Stainless Steel）,制作者：詹载雷,不锈钢的简要概述,影响不锈钢的组织和性能的因素,沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢的应用举例及展望,不锈钢的简要概述,不锈钢的简要概述,一.定义：广义：不锈钢是对在自然环境或一定介质中具有耐蚀性的一类钢种的统称。狭义：在大气和酸、碱、盐等腐蚀性介质中呈现钝态、耐蚀而不生锈的高铬(一般为12%30%)合金钢。 目前通常把能够抵抗大气或者弱腐蚀介质的钢叫做不锈钢，而把能够抵抗强腐蚀介质的钢叫做耐酸钢，因此不锈钢按耐蚀性可以分为不锈钢和耐酸钢。耐蚀性也成为不锈钢最主要的性能指标。,不锈钢的简要概述,二.不锈钢的分类 铁素体不锈钢 马氏体

2、不锈钢按金相组织分类 奥氏体不锈钢 沉淀硬化不锈钢 铁素体-奥氏体双相不锈钢等 按主要化学成分分类：铬不锈钢、镍铬不锈钢 按主要节约元素分类：节镍不锈钢、无镍不锈钢等 按化学成分分类 按特征组成元素分类：高硅不锈钢、高钼不锈钢等 按C、N和杂质元素的控制含量分类：普通不锈钢、 低碳不锈钢和超低碳不锈钢、高纯不锈钢,按使用介质和环境分类：耐硝酸不锈钢、耐 硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等 按耐蚀性能分类：耐应力腐蚀不锈钢、耐点 按用途和特点分类 蚀不锈钢、耐磨蚀不锈钢等 按功能特点分类：无磁不锈钢、易切削不锈 钢、高强度不锈钢、低温不锈钢、超低温 锈钢、超塑性不锈钢等,不锈钢的简要概述,不锈钢的简要概

3、述,三.不锈钢的牌号2008年，我国发布了不锈钢的新牌号标准。新牌号与旧牌号在标识上基本没有太大的变动，主要的化学元素标识都没有变动，只有碳含量标识和个别钢种里面的化学元素发生了变动。旧牌号 含碳量以千分之几表示。如果Wc0.08为低碳，标识为“0”，如0Cr18Ni9；Wc0.03为超低碳，表示为“00”，如Cr17Ni14Mo2。 新牌号 含碳量以万分之几表示。022Cr17Ni12Mo2钢中的碳质量分数为0.022，其它标识基本不变。,不锈钢的简要概述,四.金属腐蚀的本质与基本类型金属腐蚀是其表面在介质中的直接化学反应或电化学反应的结果。钢在高温下氧化称为化学腐蚀。钢在电解质的作用下，不

4、同部位之间，如不同的相之间、同一相的晶界和晶内之间由于电极电位不同而构成的原电池腐蚀称为电化学腐蚀。金属腐蚀的本质金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化合物。金属腐蚀的基本类型 均匀腐蚀均匀腐蚀（uniformcorrosion）指在接触腐蚀介质的全表面或大部分表面均匀进行的腐蚀。是最常见的腐蚀形态。其过程可以是化学腐蚀，也可以是电化学腐蚀。均匀腐蚀也称全面腐蚀。结果是使金属变薄，最后的破坏是使结构穿孔或发生类似于超载引起的破坏。均匀腐蚀时金属的腐蚀损耗最为严重，但其技术与安全管理的难度最小，因为可以方便地估计寿命，经常测厚，可以避免安全事故。,不锈钢的简要概述

5、,点腐蚀 点腐蚀又称为孔蚀，是发生在金属表面局部区域的一种腐蚀形式，它往往是由于造成不锈钢表面钝化膜的局部破坏所引起的，另外，不锈钢的表面缺陷如疏松、非金属夹杂物等也是引起点腐蚀的重要原因。这种腐蚀破坏多数出现在含Cl和氯化盐的溶液中，孔蚀一旦形成，变迅速向金属厚度的深处发展，直至金属穿透。因此，点腐蚀也是一种危害性较大且常见的腐蚀破坏形式。其腐蚀倾向大小一般用单位面积上的腐蚀坑数量及最大深度来评定。晶间腐蚀晶间腐蚀是沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的腐蚀。主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后金属和合

6、金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化, 不能经受敲击，所以是一种很危险的腐蚀。,不锈钢的简要概述,应力腐蚀应力腐蚀是指处于拉应力状态下的金属在特定的腐蚀介质中，沿某些显微路径发生腐蚀而导致的破坏。随着拉应力的增大，发生破裂的时间缩短，当取消应力时，钢的腐蚀量很小，并且不发生破裂。 应力腐蚀破坏的特征是裂纹与拉应力的方向垂直，断口呈脆性破坏，断口附近有许多裂纹，裂纹的显微路径有沿晶界分布和穿晶分布或两种形态兼有的特征。金属应力腐蚀断裂是具有选择性的，一定的金属在一定的介质中才会产生。例如：低碳钢在浓的碱液中（称为碱脆）；奥氏体不锈钢在热浓氯化物溶

7、液中（称为氯脆）等。d) 磨损腐蚀金属中同时存在着腐蚀和机械磨损，两者互相加速的腐蚀叫着磨损腐蚀。除了机械运动外，腐蚀介质流体和金属表面间的相互运动也能引起这种腐蚀。另外，气泡腐蚀也是磨损腐蚀的一种特殊形式，例如运动的螺旋桨、叶轮可使液体压力降低，从而使液体蒸发形成气泡，当叶轮使压力再次升高时，则会使气泡破裂。破裂的冲击波使金属表面的保护膜破坏，加剧了腐蚀，最后导致气泡腐蚀破坏。,不锈钢的简要概述,腐蚀疲劳腐蚀疲劳是在交变应力作用下金属在腐蚀介质中的腐蚀破坏。化工设备中许多金属材料构件都工作在腐蚀的环境中，同时还承受着交变载荷的作用。与惰性环境中承受交变载荷的情况相比，交变载荷与侵蚀性环境的联

8、合作用往往会显著降低构件疲劳性能，这种疲劳损伤现象称为腐蚀疲劳。（主要因为金属受到酸碱的腐蚀，一些部位的应力就比其他部位高得多，从而。）,不锈钢的简要概述,五.不锈钢的性能要求耐蚀性要求 耐蚀性是不锈钢的最重要的性能指标，这里耐蚀性是对具体工作介质而言的。某些不锈钢在某种介质中具有耐蚀性，而在另一种介质中不一定耐蚀，在工程中可根据使用的工作介质的不同来选择不同的不锈钢。力学性能要求 力学性能是对金属材料的基本要求，不锈钢也不例外。在使用中可根据工作载荷形式或应力大小来选择不锈钢的类型及所能达到的不同强度、硬度、塑形及韧性等水平。工艺性能要求 不锈钢有板材、型材、管材等各种类型，需要冷、热加工成

9、形，许多构件还要经过切削加工，还要许多构件需要焊接连接，因此对不锈钢也有一定的工艺性能要求。,不锈钢的简要概述,六.提高金属材料耐腐蚀性的途径就钢本身的耐腐蚀性而言，提高钢耐腐蚀性能的途径主要有如下几种：使不锈钢表面能形成稳定的保护膜，合金元素Cr、Al、Si是比较有效的。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。Cr、Ni、Si是主要的合金元素。但Ni是贵而紧缺的元素，Si元素容易使钢脆化，所以Cr是比较理想的合金元素。使钢获得单相组织，如加入Ni、Mn元素含量可使钢得到单相奥氏体组织，可降低微电池的数量。采用机械保护措施或覆盖层，如电镀、发蓝、涂漆等方法。,影响不锈

10、钢的组织和性能的因素,影响不锈钢的组织和性能的因素,一.合金元素对不锈钢组织和性能的影响铬元素的作用 Cr、Fe的原子半径分别为0.256nm、0.25nm，二者非常接近。 Cr、Fe的电负性分别为1.6、1.8，也相差不多。所以他们可以形成无限固溶体。Cr是奥氏体不锈钢中最重要的合金元素，Cr是提高钢钝化膜稳定性的必要元素。奥氏体不锈钢的不锈耐蚀性的获得主要是由于在介质的作用下，Cr促进了钢的钝化并使钢保持钝态的结果。 A. Cr是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区。随着Cr含量的增加，奥氏体钢中可能出现铁素体组织，故为了稳定奥氏体通常加入Ni元素。Cr含量的提高可使马氏体转变温度下降

11、，从而提高奥氏体基体组织的稳定性，且Cr是强碳化物元素。 B. Cr是决定钢耐蚀性的主要元素。少量的Cr可以提高抗蚀性，但不能使其不锈。Cr使固溶体的电极电位提高，形成致密的氧化膜。（提高耐蚀性的表现主要有3点，课后大家自寻翻阅）镍元素的作用 Ni是奥氏体不锈钢的主要合金元素，其主要作用就是稳定奥氏体（扩大奥氏体相区），使钢获得完全奥氏体组织，从而使钢具有良好的强度和塑形、韧性的配合，并具有优良的冷、热加工性等。,影响不锈钢的组织和性能的因素,Ni会降低Ms温度，甚至是钢在很低温度下可不出现马氏体转变。Ni含量的增加会降低C、N在奥氏体钢中的溶解度，从而有利于碳氮化合物的析出。Ni还可以显著的

12、降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。（原因？）同时Ni有利于奥氏体不锈钢的冷加工成型性能。此外Ni对钢的热稳定性方面，晶间腐蚀方面都有影响，这里不一一介绍。氮和碳的作用 不锈钢中的含碳量越高，耐蚀性就可能下降，但是钢的强度随着碳含量的增加 而提高。对于不锈钢来说，耐蚀性是主要的，另外还应该考虑钢的冷变形性、焊接性等工艺因素，所以在不锈钢中，碳的含量应尽可能低。 奥氏体不锈钢中加入N，可以稳定奥氏体组织、提高强度，并且提高耐腐蚀性能，尤其是耐局部腐蚀。奥氏体不锈钢敏化态晶间腐蚀的机理主要是贫Cr理论，非敏化态晶间腐蚀机理主要是杂质元素的偏聚理论。N的加入改善普通低碳、超低碳奥氏体不锈钢耐敏化态晶间

13、腐蚀性能，其本质是N影响敏化处理时碳化铬沉淀的析出过程，来达到提高晶界贫铬的铬浓度。 （补充：敏化处理就是指使金属（通常是合金）的晶间腐蚀敏感 性明显提高的热处理。）（450800）,影响不锈钢的组织和性能的因素,4. 其它元素的作用 Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体组织的作用。 为了节约镍，仅靠加入Mn是无法获得单一的奥氏体组织，而需要Mn、N复合加入才能克服这一缺点。 钛和铌是强碳化物形成元素，它们是作为形成稳定的碳化物，从而防止晶界腐蚀而加入不锈钢中的。 钼能提高不锈钢的钝化能力，扩大其钝化介质范围，如在热硫酸、稀盐酸、和有机酸中，含钼不锈钢可以形成含钼钝化膜。这种含钼

14、钝化膜在许多强腐蚀介质中具有很高的稳定性，不易溶解。Cl半径很小，它可以穿过许多致密度不够高的钝化膜，形成可溶性的腐蚀产物，而在钢的表面造成点腐蚀。由于钼钝化膜致密而稳定，可防止Cl对膜的破坏，所以含钼不锈钢具有较好的抗点腐蚀的能力。,影响不锈钢的组织和性能的因素,二.腐蚀介质对钢耐蚀性的影响金属的耐蚀性与介质的种类、浓度、温度和压力等环境条件有密切的关系，而介质的氧化能力影响最大，所以必须根据工作介质的特点来正确的选择不锈钢的钢种。 对于大气、水、水蒸汽等弱腐蚀介质，只要不锈钢固溶体中的Cr含量13%，就可以保证不锈钢的耐蚀性。 在氧化性介质中，如硝酸根离子具有强氧化性，不锈钢表面氧化膜容易

15、形成，钝化时间也短。在非氧化性介质中，如稀硫酸、盐酸、有机酸中，含氧量低，钝化所需时间要延长。当氧含量低到一定程度后，不锈钢就不能钝化。如在稀硫酸中铬不锈钢的腐蚀速度竟然比碳钢还要快。,影响不锈钢的组织和性能的因素,在稀硫酸等非氧化性酸中，由于介质中SO42不是氧化剂，而溶于介质中氧含量比较低，基本上没有使钢钝化的能力，因而是不耐蚀的。在这类介质中需要加入提高钢钝化能力的元素，如钼、铜等元素。在强有机酸中，由于介质中的含氧量低，又含有H的存在，一般铬和铬镍不锈钢难以钝化，必须向钢中加入钼，铜，锰等元素，以提高不锈钢耐蚀性。在含有Cl的介质中， Cl容易破坏不锈钢表面的氧化膜，穿过氧化膜并与钢表

16、面起作用，是钢产生点腐蚀。目前为止，还没有找到一种不锈钢可以抵抗所有介质的腐蚀。所以在实践中要结合具体条件选择合适的不锈钢。,沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢,一.定义基体为奥氏体或马氏体组织，并能通过时效硬化处理使其强化的不锈钢。经过适当的热处理后，可发生马氏体相变，并在马氏体基体上析出金属间化合物，产生沉淀强化。这类钢属于高强度或者超高强度不锈钢，如:05Cr17Ni4Cu4Nb、 07Cr17Ni7Al、 09Cr17Ni5Mo3N等。,沉淀硬化不锈钢,不锈钢的沉淀硬化处理通常描述为三个阶段。具体热处理步骤和马氏体钢、碳钢及合金钢类似。事实上，沉淀硬化型不锈钢就是在普通的不锈钢的基础上加以

17、改进，是其耐蚀性、韧性和加工性能进一步改善。第一个阶段 使钢奥氏体化，以便在冷却过程中形成马氏体。而对于沉淀硬化钢，这一阶段还需要铜及合金碳化物溶解，形成时效硬化（沉淀硬化）条件。,沉淀硬化不锈钢,第二阶段 将钢迅速地从奥氏体温度冷至27以下。第三阶段时效硬化（因为铜及合金碳化物的析出又叫沉淀硬化）阶段。这一阶段进一步增加马氏体的强度和硬度。时效温度不可太高，以免材料发生过“时效”现象，即材料塑性增加，强度下降。正是这一阶段，通过适当的加热和冷却可以改变合金的性能这一事实，使得沉淀硬化处理成为可能。,沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化钢的共同特征是在高温固溶处理，使材料由奥氏体单相构成。当然，这种奥氏体

18、有可能在继冷却到室温时发生相变。为了帮助理解沉淀硬化阶段发生了哪些变化，首先来考虑最简单的情况，即基体金属在固态不发生相变的情况。此时，基本的热处理时高温退火或固溶处理，将要沉淀的元素融入基体。再将该固溶体在淬火时迅速冷却，以便将溶质原子保留在基体相或主要组成相中，形成过饱和固溶体。形成过饱和固溶体时，硬度略有增加。再使其中的溶质原子以弥散粒子的形式沉淀析出，则材料的硬度将大幅度提高。一些情况下，可像Al合金那样，通过室温下时效来使沉淀发生，而其他情况下，则必须将温度升高到一定程度，使沉淀发生。,沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢高强度的原因对于半奥氏体钢和沉淀硬化不锈钢，由于溶质原子在奥氏体中的

19、固溶度比在低温相中的固溶度大的多，因此可通过冷却过程中，基体发生奥氏体向马氏体的相变来产生过饱和。此种情况下，可获得很大的过饱和度。沉淀硬化和相变硬化的共同作用使这种钢的强度有大幅度的提高，故而我们通常将这种钢材料发展为超高强度钢。（补充：对于什么是超高强度目前还没有一致的规定，但一般认为屈服强度超过1500MPa以上可称为超高强度钢）沉淀是通过溶解度曲线下某温度进行热处理来实现的。温度低，时效时间长，沉淀颗粒细，机械性能好。因此，时效温度的选择既要考虑材料性能又要考虑时间。,沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化的作用受到沉淀相尺寸、特征、空间分布及与基体相的位相关系影响。沉淀相的数量可通过材料成分调整和

20、时效工艺改变来控制。时效前冷却变形可增加形核率，从而影响沉淀相分布。冷变形还增加结构中的能量，提高扩散速度，因此可加速沉淀过程。这一点在此类钢中的使用具有很大的实际意义。可以在成型加工后再进行时效处理。必须注意，即使整体材料有足够的塑性，冷变形时也可能使变形处强度增加，使得进一步的变形困难，甚至破坏。因此，此类钢的合金成分及各种冷热处理操作都必须给予足够的重视。而铁素体不锈钢尚无有效的沉淀硬化方法，因此具有足够的塑性。,沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢命名由于PH不锈钢的热处理种类很多，为了简单明了起见。通常用代号表示热处理状态，代号多采用英文名词的第一个字母。下面说明这些代号表示的热处理状态和

21、代号来源。A-固溶处理（austenite conditioning）T-相变处理（transformation treatment）C-冷加工（cold working）R-冷处理（refrigiration treatment）H-（沉淀）硬化处理（harding treatment）在这些字母后加的数字表示进行这种处理的华氏温度，如A1900表示在1900（1040）温度下的固溶处理。,沉淀硬化不锈钢,对于AM350、PH14-8Mo等PH不锈钢的热处理常用以下代号。SCT-深冷+回火（subzero cool and temper）DA-双重时效（double age）CRT-冷轧+回

22、火（cold rolled and temper）SZC-冷处理（subzero cool）SRH-固溶+深冷+时效硬化（solution treat ，refrigiration and harding）L-低温固溶处理（low temperature solution treatment）H-高温固溶处理（high temperature solution treatment）DADF-为了提高抗应力腐蚀开裂，在SCT处理之后做进一步的冷处理。XH-通过高度冷变形和回火，获得超高强度。BCHT-同钎焊配合的热处理（braze cycle heat treatment）,沉淀硬化不锈钢,表1

23、：主要的PH不锈钢的化学成分,沉淀硬化不锈钢,PH钢的钢种分类及介绍由上面的表1也可以看出除了几种个别钢种以外，沉淀硬化不锈钢包括两种，一种以Cr18Ni9钢为基础发展起来的奥氏体-马氏体型沉淀硬化不锈钢；另一种是以Cr13型马氏体不锈钢为基础发展起来的低碳马氏体型沉淀硬化不锈钢。这两种钢都是在最后形成的马氏体的基础上经过时效处理，产生沉淀强化而得到超高强度的。双相不锈钢（补充）双相不锈钢是20世纪70年代发展起来的新型不锈钢。根据组成相的种类可以分为奥氏体-马氏体双相不锈钢（沉淀硬化型）和奥氏体-铁素体双相不锈钢。,沉淀硬化不锈钢,奥氏体-铁素体双相不锈钢奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能较低，而铁

24、素体不锈钢抗应力腐蚀能力较强。如果在奥氏体中引进铁素体，则双相奥氏体-铁素体不锈钢的抗应力腐蚀能力有了明显的提高。其次，双相钢又兼有奥氏体钢和铁素体钢的特征，即奥氏体的存在降低了高Cr铁素体钢的脆性，提高了可焊性、韧性，降低了晶粒长大的倾向。再次，铁素体相的存在又提高了奥氏体钢的屈服强度、抗晶间腐蚀能力。奥氏体-铁素体双相不锈钢也会有一定的脆性倾向，尤其是在焊接区。因此在工程上可以利用沉淀取决于时间的特性，在沉淀之前进行加工和热处理，并使组织稳定。,沉淀硬化不锈钢,奥氏体-马氏体双相不锈钢（沉淀硬化型）奥氏体-马氏体双相不锈钢也称为半奥氏体沉淀硬化型不锈钢，是在18-8奥氏体不锈钢的基础上发展

25、起来的。F-M型不锈钢含碳量低，在室温下主要是不稳定的奥氏体组织，有较好的塑性和压力加工性能以及焊接性能。这类钢在成分设计时使Ms点略低于室温，以便通过各种处理使不稳定奥氏体转变为低碳马氏体，然后再通过时效沉淀析出金属间化合物以提高强度。设计思想：使钢在室温时基体为奥氏体；在加工成型后，通过低温处理将奥氏体转变为马氏体，变形要小；然后通过较低温度的沉淀硬化处理，使钢进一步得到强化；,沉淀硬化不锈钢,成分设计：碳含量为0.04%0.13%，比较低，为了保值良好的耐蚀性、焊接性和加工性；Cr含量在13%以上可以满足耐蚀性；Ni含量使钢在高温固然处理后具有亚稳定奥氏体组织；通过Cr、Ni和Mo、Al

26、、N等元素的综合作用，可将马氏体相变点调整在室温-78之间，以便通过冷处理或塑形变形产生马氏体相变；Cu、Mo等元素能析出金属间化合物等第二相，这些沉淀相与马氏体呈共格关系，从而产生了显著的沉淀强化效应。,沉淀硬化不锈钢,优缺点简述：F-M沉淀硬化不锈钢可用热处理方法来控制钢的马氏体相变温度，使钢在室温成型或制造零件过程中处于奥氏体状态。室温下的奥氏体不温度，在成分设计的时候Ms点略低于室温，以便以后通过适当的热处理时奥氏体转变为马氏体，在低碳马氏体的基础上在通过时效产生沉淀硬化而提高强度。奥氏体和马氏体组织的比例决定了钢的强度等性能，因此该钢的特点是工艺和组织的可变性较大，可通过热处理工艺控

27、制奥氏体和马氏体的相对数量，从而达到强度和韧度的合理配合。缺点是化学成分和热处理温度的控制范围很窄，热处理工艺复杂，性能波动性较大。,沉淀硬化不锈钢,三种重要的热处理工艺（以0Cr17Ni7Al为例）：高温固溶（1050）+塑性变形+低温调节处理（750，90min，空冷）+时效（550575，90min） 低温调节处理能使马氏体相变温度点升高，在750空冷至室温时获得一定量的马氏体，而后通过时效进一步强化。这种处理工艺比较简单，但沿奥氏体晶界有碳化物析出，塑形较低，为了弥补这一缺陷，所以采用较高的时效温度。,沉淀硬化不锈钢,2 . 高温固溶（1050）+塑性变形+高温调节处理（950，90m

28、in，空冷）+冷处理（-70，8h）+时效（550575，90min） 高温调节处理能使奥氏体晶界没有碳化物析出，奥氏体（也即冷处理后的马氏体）的含碳量和合金化程度 增加，通过冷处理获得必要的马氏体量，时效后具有良好的塑性和较高的强度。,沉淀硬化不锈钢,3.高温固溶（1050）+（高温）成型的塑性变形+高温调节处理（950，90min，空冷）+室温下的塑性变形+时效（475500,1h） 此法通过室温下的塑性变形来获得必要数量的马氏体。高温调节处理也是为了使钢的马氏体转变温度点位于室温附近。由于冷塑性变形不仅能导致马氏体的形成，而且本身还起着细化镶嵌块的作用，因此可以获得更高的性能。,沉淀硬化

29、不锈钢,从上述的分析可以看出，奥氏体-马氏体型沉淀硬化不锈钢具有较大的优越性，固溶后奥氏体钢的优点易于加工成型，随后经强化处理有具有马氏体钢的优点，并且热处理温度不高，没有变形氧化等缺点，是制造飞行器蒙皮、化工压力容器等较好的材料。但在使用温度高于315时，由于金属间化合物继续沉淀会使材料变脆，所以使用温度应该定在315以下。,沉淀硬化不锈钢,在“十二五”规划教材赵乃勤主编的热处理原理和工艺书中对于沉淀硬化和时效有这样定义：过饱和固溶体大多数是亚稳定的，在室温放置或加热到一定的温度下保持一定时间，将发生某种程度的分解，析出第二相或形成溶质原子偏聚区以及亚稳定过渡相，这一过程称为脱溶。脱溶过程中

30、使得溶质原子在固溶体点阵中的一定区域内析出、聚集并形成新相，将引起合金组织性能的变化，称为时效。合金硬度或强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强化，也可以称为沉淀硬化或沉淀强化。能够发生时效现象的合金称为时效型合金。 故这里我时效不锈钢也作为沉淀硬化不锈钢内容 的一 部分,沉淀硬化不锈钢,马氏体型沉淀硬化不锈钢目前以马氏体型硬化不锈钢（代号为17-4PH）和半奥氏体（奥氏体-马氏体）型沉淀硬化不锈钢（代号为17-7PH）及0Cr15Ni7Mo2Al（相当于PH15-7Mo）为代表，简称PH不锈钢。20世纪60年代开始，我国发展了奥氏体型、半奥氏体型、马氏体型沉淀硬化不锈钢和马氏体时效钢。

31、其中半奥氏体型沉淀硬化不锈钢我们在上面已经给大家简要而具体的讲述过了，下面我将对其它几类中重要的马氏体时效不锈钢和马氏体型沉淀硬化不锈钢做简要讲解。,沉淀硬化不锈钢,马氏体时效不锈钢,沉淀硬化不锈钢,马氏体时效不锈钢由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加而强化的高强度不锈钢。是20世纪60年代中期发展起来的新钢类。它具有马氏体时效钢的全部优点，又具有马氏体时效钢所不具备的不锈性，同时还对沉淀硬化不锈钢的某些性能进行了改进。因而用马氏体时效不锈钢逐步代替沉淀硬化不锈钢是高强度不锈钢发展的重要趋势,沉淀硬化不锈钢,马氏体时效不锈钢设计要点(1)钢中碳含量一般小于或等于0.03%，最好是小于

32、或等于0.01%(这是与马氏体沉淀硬化不锈钢的主要区别之一)，使形成的超低碳马氏体基体具有良好的韧性和塑性。同时，极低的碳含量还可改善钢的耐蚀性、焊接性和加工性。(2)足够含量的奥氏体稳定化元素(镍、氮、钴等)，一方面为了避免或限制一铁素体的形成，另一方面使钢不会形成过多的残余奥氏体。(3)添加适量的强化元素，例如镍、铝、钛、钼、铌、铍、铜等，这些强化元素能形成细小弥散分布的金属间化合物(Nis，ri、Ni3Al、Ni3Mo、Fe2Mo、NiTi、NiAl、TiN和AlN等)，它们分布于马氏体基体的位错线上，从而得到满意的强化效果。细小、高度弥散的逆转变奥氏体也有强化效果。,沉淀硬化不锈钢,马

33、氏体时效不锈钢设计要点(4)铬含量应大于12%，至少不低于10%，以保证钢具有满意的不锈性和耐蚀性。(5)合金元素的配比应使钢的马氏体相变开始温度控制在200左右，马氏体相变基本完成温度控制在室温以上50，最低不低于-73，以使固溶或简单低温处理能得到完全的板条马氏体组织。(6)钢中气体(氢、氧、氮)、夹杂(硫、磷以及氧化物硅酸盐、硫化物等)以及硅、锰等元素的含量应尽量低，以便大幅度改进钢的韧性和可焊性。,沉淀硬化不锈钢,马氏体时效不锈钢马氏体时效不锈钢的成分通常为C0.03%，Cr=10%15%，Ni=6%11%(或C0=10%20%)并添加钼及适量钛、铝、铜等元素强化。钢的组织为板条状马氏

34、体及微量的一铁素体，奥氏体及大量细小弥散分布的金属间化合物析出相。热处理(1)固溶处理。将钢加热到Ac3以上50左右(此时所有析出相溶解且晶粒又不剧烈长大)，然后空冷，获得均匀、细小的板条状马氏体组织。在此状态钢的硬度较低，可进行各种冷变形、焊接及切削加工；(2)时效处理。可分为最高强化的时效处理和过时效处理。前者温度一般为480左右，时效时间约3小时(不同钢号略有差别)，此时可使钢得到最好的强韧性配合，强度较高。过时效处理温度高于最强时效处理温度，此时强度稍低但具有较高的韧性。,沉淀硬化不锈钢,马氏体型沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢,马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体型沉淀硬化不锈钢钢通常以马氏体状

35、态（含体积分数低于10%的铁素体）供货。以代表钢种05Cr17Ni4Cu14Nb为例，其化学成分保证了经高温固溶处理后空冷到室温时为马氏体和少量铁素体组织。这种组织的沉淀硬化不锈钢的加工性能优于马氏体型不锈钢，但是不如奥氏体型沉淀硬化不锈钢，较难进行深度冷成型，再经过时效处理会产出沉淀硬化。,沉淀硬化不锈钢,马氏体型沉淀硬化不锈钢马氏体型沉淀硬化不锈钢，调整合金元素的含量，是其Ms和Mf点均在室温以上，用固溶处理（奥氏体化后空冷）即得到马氏体，而无奥氏体。在随后的时效过程中析出弥散第二相，达到沉淀硬化的目的。钢的力学性能和热处理状态有关，在低温状态，钢 的硬度较低，随着时效温度增加，硬度增加，

36、达到最大值后，逐渐下降，即为过时效。这一规律与其他时效合金是一致的。马氏体PH钢较早开发的钢号，如17-4PH，固溶处理后基体为马氏体加少量铁素体的两相组织。 铁素体可改善钢的焊接性能，并提高钢的塑性。但是铁素体由于加工变形，沿加工方向呈条状，导致 钢的横向性能降低。所以必须限制铁素体。,沉淀硬化不锈钢,马氏体型沉淀硬化不锈钢17-4PH钢（马氏体型沉淀硬化不锈钢）一般在1040固溶处理，其Ms点位132，Mf点位32，空冷即可获得马氏体。对于铸件，为了消除枝晶偏析和成分的不均匀性，在固溶处理之前进行1150的均匀处理。此时枝晶组织基本消除，铁素体量减少，并球化，钢的塑性和韧性大为提高，此时可

37、采用两次固溶处理。如果合金元素平衡不当，1040固溶处理后存在较多的残余奥氏体。为此，可把固溶处理温度降低。此时C、N等元素融入奥氏体量减少，奥氏体的稳定度降低，容易转变为马氏体，钢的强度也随之提高。也可以采用冷冻处理，消除残余奥氏体。,沉淀硬化不锈钢,马氏体型沉淀硬化不锈钢优点热处理工艺简单，通过改变时效处理温度，可在相当宽的范围内调整力学性能，其耐蚀性与18-8型不锈钢相似，优于普通马氏体不锈钢；焊接性能好，不需要焊前预热。缺点缺口敏感性大，当温度高于425时，强度明显下降。,沉淀硬化不锈钢,马氏体型沉淀硬化不锈钢与马氏体时效不锈钢的区别马氏体沉淀硬化不锈钢，含铬、镍量较低，但铬不少于12

38、%。经热处理后为马氏体组织。较典型的牌号有:17-4PH、PH13-8Mo等。这类钢热处理工艺简单，在航宇飞行器上应用较广。马氏体时效不锈钢是固溶处理后，冷至室温时总是以马氏体组织存在，由固溶态再进行时效处理产生析了相而强化。也有资料把这类钢分为马氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢，在固溶态下，前者在马氏体基体中含少量的铁素体（10%左右）和少量残余奥氏体，后者为马氏体基体中只有少量的残余奥氏体，后者的韧性相对较高。马氏体时效不锈钢:由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加而强化的高强度不锈钢。是20世纪60年代中期发展起来的新钢类。它具有马氏体时效钢的全部优点，又具有马氏体时效钢所不

39、具备的不锈性，同时还对沉淀硬化不锈钢的某些性能进行了改进。,沉淀硬化不锈钢,奥氏体沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢,奥氏体型沉淀硬化不锈钢奥氏体型沉淀硬化不锈钢的基体为非常稳定的奥氏体，即使大的冷变形或深冷处理液不会转变。钢中加入Al、Ti、P等沉淀硬化元素，时效析出弥散第二相，使钢的强度显著提高。这类钢中应用最多的是A-286.A-286钢经固溶处理和时效后，有很高的强度和韧性。同时还有良好的抗氧化性和耐蚀性，使用温度可达700，因此，它也属于铁基高温合金。常以锻件和铸件用于制造航空发动机的高温受力件。另外，它在低温有良好的韧性和抗蚀性。A-286一般采用两种固溶温度：980和900。采用油冷

40、或水冷，以避免冷却过程中发生析出。980固溶处理得到大晶粒，是为了得到良好的抗蠕变性能。900固溶处理得到细晶粒，可获得瞬时强度和塑性，韧性均好的综合性能。A-286钢的一个重要优点是热处理引起的尺寸变化小。,沉淀硬化不锈钢,奥氏体型沉淀硬化不锈钢A-286时效温度比其它PH型不锈钢高，一般在650760。时效发生4个反应：在基体中均匀析出相，它是时效硬化相， 相的溶解温度为860，故时效在860以下；析出Ni3Ti（ 相）；析出（Ti，Mo）C；析出M3B2；长时间时效或在高温长期使用会发生， 转变，相的强化效果差，却降低了钢的韧性。此外，还会生成G相（Ni13Ti8Si8）、M23C6、T

41、CP相，这些相使钢的性能变坏。,沉淀硬化不锈钢,奥氏体型沉淀硬化不锈钢A-286的主要缺点是焊接性能差，易产生焊接裂纹。它的改进型称为JBK-75.该钢基本上不含Mn和Si，降低了C和B量，增加了Ni。使强度和韧性均高于A-286，并有良好的焊接性能和对氢的相容性，即抗氢脆性能比A-286好，这是由于JBK-75的基体与 相的晶格错配应变小于A-286，降低氢在界面的溶解度。JBK-75在析出方面有下列特点：与A-286一样，均以为强化 相；因为Ti量没有减少，与A-286一样存在Ni3Ti；由于不含Si，不可能生成G（Ni13Ti8Si8）相；由于C含量减少，同时Ti与C的亲和力大于Cr，所

42、以生成（Ti，Mo）C，而不生成M23C6；由于Ni量增加，而Ni阻碍TCP相形成，而促进TCP相生成的Si在JBK-75中不存在，所以不生成TCP相。,沉淀硬化不锈钢,奥氏体型沉淀硬化不锈钢奥氏体型沉淀硬化不锈钢的钢种少，应用不如前面介绍过的钢广泛，逐渐被Fe-Ni基高温合金代替。这是因为A-286的相稳定性差，长期使用，钢的性能变坏。但是从节省贵重的Ni来说，工件在650以下工作时，JBK-75仍不失为理想的选择。此外在整个热处理过程中和结束后及室温状态下，基体都保持面向立方结构。这类钢需要大量合金元素来降低马氏体开始转变温度和保持足够的沉淀相数量来提高强度。因此，三类沉淀硬化钢中，这类钢

43、的实际意义最小，因为没有马氏体转变。这类钢室温强度最低，但这类钢在低温时具有极好的塑性和韧性和最高的高温强度。,沉淀硬化不锈钢的应用举例及展望,沉淀硬化不锈钢的应用举例及展望,超高强度不锈钢是在不锈钢的基础上发展起来的。而不锈钢要获得高的强度，通常采用在马氏体基体上产生沉淀强化的方法，即加入合金元素Ti、Mo、Al等，形成新的沉淀强化相，使其具有较高的抗拉强度和良好的耐蚀性。马氏体型沉淀硬化不锈钢是最早应用的超高强度不锈钢，其耐蚀性和焊接性比一般的马氏体不锈钢好，对氢脆有不敏感，热处理简单，适宜制作耐酸性高同时又要求强度高的零部件。比如05Cr17Ni4Cu4Nb钢，耐蚀性高于马氏体钢，热处理

44、简单，固溶温度1040，水冷，热处理后可获得单一板条状马氏体，切削性能也好，便用于模具的加工成型。半奥氏体型PH钢常用于制造飞机薄壁结构及各种化工设备用管道、容器等。,沉淀硬化不锈钢的应用举例及展望,马氏体型沉淀硬化不锈钢和半奥氏体型沉淀硬化不锈钢，从发展趋势看，均向高强度和高温度发展，已达到超高强度水平。例如AFC-77钢，正常热处理的室温拉伸强度达到1795MPa，屈服强度达到1450MPa，在540下的强度为1480MPa，经高度冷拉变形并回火的钢丝，其拉伸强度可达到3450MPa。但是，过分追求高强度往往伴随着韧性的下降和抗应力腐蚀能力的降低，为了使钢有足够的韧性，不得不在较低强度下使用。所以，今后的一个重要研究方向是在保持高强度的同时，如何提高钢的韧性。另一方面，如何提高钢在高温下的组织稳定性，选择合理的化学成分配比，微量元素的影响以及寻求最佳的时效硬化工艺都是重要的研究课题。,谢谢老师和同学,