第六章不銹鋼

第六章不銹鋼

(STAINLESSSTEELS)

不銹鋼概述定義：在自然環境或一定介質中具有耐腐蝕性的鋼種。不銹鋼的主要性能指標：耐蝕性使用不銹鋼的目的：提高材料耐蝕性，減少消耗，延長使用壽命第一節金屬的腐蝕與防護一、金屬的化學腐蝕和電化學腐蝕腐蝕：金屬和合金由于外部介質的化學作用和電化學作用而引起的破壞。分為化學腐蝕和電化學腐蝕1.化學腐蝕：金屬在腐蝕過程中沒有電流流動，腐蝕產物在金屬表面產生，如金屬的高溫氧化。2.電化學腐蝕：腐蝕過程中有電流流動產生條件（1）金屬各部位或不同金屬間存在電極電位差；（2）電極電位不同的金屬相接觸或中間連接；（3）各部位金屬在同一電介質溶液中，且電介質相互聯通。二、金屬腐蝕破壞的基本類型均勻腐蝕晶間腐蝕點蝕應力腐蝕磨損腐蝕腐蝕疲勞應力腐蝕裂紋晶間腐蝕點蝕腐蝕第二節對不銹鋼性能要求及影響其耐蝕性因素一、不銹鋼工作條件及對性能的要求1.工作環境：

宇航，海洋，石化，動力等等環境中許多設備長期在腐蝕環境介質中工作，腐蝕是主要的失效原因之一。

2.性能要求：（1）對具體使用環境，應具有盡可能高的耐蝕性

某些不銹鋼在特定的介質中耐蝕，在其他的介質中可能不耐蝕（2）力學性能要求（3）工藝性能要求良好的冷熱成型，焊接性能等二、工作介質對不銹鋼耐蝕性的影響

金屬的耐蝕性與工作介質的種類、濃度、溫度、壓力等有關1.氧化性介質（HNO3）該介質含氧量較高，容易在鋼表面形成鈍化膜。2.

非氧化介質

（H2SO4，HCl，有機酸等）介質含氧量低，鈍化膜不易形成，甚至不能鈍化。三、提高不銹鋼耐蝕性途徑提高電極電位使金屬表面鈍化使鋼獲得單相組織，并有均勻的化學成分，和高的純凈度1.合金元素對不銹鋼的鈍化的影響鈍化：某些金屬在特定的環境下表面失去金屬活性，呈現與惰性金屬相似的特性鈍化機制：金屬表面與周圍介質生產一層極薄的氧化膜（鈍化膜），作為金屬與介質之間的一個屏障，降低金屬的腐蝕鈍化的作用：使金屬在一定條件下，陽極反應受阻，從而提高耐蝕性常用的鈍化元素：Cr，Al，Si(Mo，Cu)2合金元素對Fe電極電位的影響

一般講，金屬固溶體的電極電位比化合物低，所以在腐蝕過程中，金屬固溶體作為陽極被優先腐蝕。1）提高Fe基體的電極電位可提高耐蝕性2）Cr對Fe基體的電極電位影響的n/8規律Fe基固溶體的電極電位隨Cr含量達到Cr/Fe摩爾比的1/8,2/8,3/8…n/8時，Fe的電極電位會發生跳躍式升高，腐蝕顯著減弱的現象12.5%摩爾比＝12.5×52/(12.5×52+87.5×55.8）＝11.7％重量比……＝23.7％重量比……＝35.9％重量比因此，11.7％是不銹鋼Cr的最低含量，但由于鋼中有C的緣故，一部分碳與Cr形成碳化物，為使固溶體中的Cr量不少于11.7％，實際不銹鋼中含Cr量不低于13％。3）不銹鋼中的Cr含量3合金元素對不銹鋼基體組織的影響不銹鋼的基體組織是獲得所需力學性能和良好耐蝕性的保證，使鋼在室溫下得到單相組織（A，F），就可以減少微電池的數量，提高耐蝕性。

合金元素影響：

1)一類是擴大奧氏體形成元素：C，N，Mn，Ni,Cu等

2)一類是F形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，Mo等第三節、不銹鋼分類按耐蝕性分類按金相組織分類按化學成分分類一、按耐蝕性分類按平均腐蝕深度或腐蝕失重來評級和分類：二、按金相組織分類按不銹鋼在900-1100℃加熱并在空氣中冷卻后的基體組織分類：鐵素體不銹鋼奧氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼F－A雙相鋼沉淀硬化不銹鋼F形成元素占優勢：F

奧氏體形成元素占優勢：A奧氏體形成元素不足不以使馬氏體轉變Ms點降至室溫以下：M

……

……

(F-M，A-M)A氏體形成元素【Ni】=1×Ni＋0.5Mn＋30(C＋N)；

F形成元素【Cr】=1×Cr＋1×Mo＋1.5Si＋0.5

Nb；三、按化學成分分類Cr不銹鋼Cr-Ni不銹鋼Cr-Mn-N不銹鋼Cr-Mn-Ni-N不銹鋼

第四節鐵素體、馬氏體不銹鋼F，M不銹鋼一般都是含Cr量較高的Fe-Cr-C合金Cr<12時，通過加熱可以獲得單一的奧氏體，在冷卻過程中通過淬火可以轉變為馬氏體，發生γα

Cr>13，為單相的F，無αγ轉變。

12<Cr<13僅發生部分αγ，稱F-M鋼一、F不銹鋼1.F不銹鋼化學成分，種類和組織（1）化學成分Cr：13～30％（提高電極電位，鈍化）C：低碳：0.08-0.15％輔加元素：Ti，N，Mo，Si，AlTi：穩定碳，防止高Cr鐵素體不銹鋼晶間腐蝕N：細化鑄態組織Mo，Al，Si進一步強化鈍化膜，提高在非氧化介質中的耐蝕性鐵素體不銹鋼制品用作受力不大的耐酸和抗氧化結構件（2）鐵素體不銹鋼的種類Cr13型：0Cr13Al(新牌號06Cr13Al)0Cr11Ti（06Cr11Ti）Cr17型：1Cr17（10Cr17），1Cr17Mo（10Cr17Mo）Cr25～Cr28型：2Cr25N（16Cr25N）00Cr27Mo（008Cr27Mo）(3)鐵素體不銹鋼的組織F＋碳化物2.鐵素體不銹鋼的脆性晶粒粗大脆性σ相析出脆性

475℃脆性高溫脆性鐵素體不銹鋼的主要缺點：脆性大（1）晶粒粗大脆性

F不銹鋼鑄態組織晶粒粗大、脆性大，并且不能通過熱處理消除，只能通過壓力加工碎化，通過添加少量Ti消除（2）σ相析出脆性

σ相是一種Fe，Cr的金屬間化合物，HRC在68以上。鐵素體不銹鋼在550～850℃長時間加熱，從δ鐵素體中析出σ相，使鋼材變脆。而σ相通常沿晶界析出，可引起晶間腐蝕。鋼中σ相（3）475℃脆性

Cr>15%時，在400－525℃長時間加熱，或在此溫度范圍內緩冷，鋼在室溫下將變得很脆，特別是在475℃脆化最為明顯，稱為475℃脆性。原因是：475℃加熱時，F內的Cr原子趨于有序化，形成許多富Cr的小區域（80％Cr＋20％Fe）并與母相共格，引起點陣畸變和內應力，造成脆性，可通過在高于475℃加熱，隨后快冷消除。（4）高溫脆性

F不銹鋼在加熱900-1100℃以上，冷卻到室溫，會出現嚴重脆化，抗蝕性能也大大降低，稱為高溫脆性。

主要原因：一是C，N較多的F不銹鋼冷卻時，會在晶界處或位錯處析出高Cr碳化物和氮化物引起脆性；二是高溫時，C，N在晶界吸附，使晶界區穩定A元素濃度增高，形成一層包圍F晶粒的奧氏體層，在冷卻時轉變為M，造成脆性3.F不銹鋼的壓力加工及熱處理(1)鍛軋高Cr鐵素體不銹鋼晶粒粗大，熱加工時，一般采用較低的始鍛溫度（1040-1120℃）＆終鍛溫度（700-800℃）(2)熱處理為消除壓力加工應力和獲得成分均勻的F組織，鍛軋后需淬火或退火。加熱溫度一般不超過900℃，為防止σ相析出脆性和475℃脆性，淬火、退火保溫時間不能太長（1h）退火至600℃，快冷。二、M不銹鋼（一）特點：可熱處理強化，較高的力學性能，但耐蝕性、塑性和焊接性能較其他不銹鋼差。（二）化學成分和種類化學成分：12～18％Cr0.1～0.9％C輔加一定的Ni，Mo種類：

（1）低中碳

13％Cr型：0Cr13（06Cr13），1Cr13(12Cr13)，2Cr13(20Cr13)，3Cr13(30Cr13)，4Cr13(40Cr13)

（2）高碳

Cr18型：9Cr18(95Cr18)，9Cr18MoV(90Cr18MoV)（3）低碳17％Cr＋2%Ni:1Cr17Ni2(14Cr17Ni2)壓縮機轉子，船舶尾軸（三）Cr13型馬氏體不銹鋼1.Cr13型馬氏體不銹鋼室溫平衡組織F＋碳化物2.特點αγ但由于Cr％較高，過冷奧氏體穩定性高，淬透性高，空冷即可獲得馬氏體，所以又根據空冷的金相組織可以Cr13型馬氏體不銹鋼分為：0Cr13，1Cr13：M＋F鋼2Cr13，3Cr13：M鋼4Cr13：M＋碳化物鋼軟化處理：降低硬度，有利切削，消除鍛軋應力防止開裂

1）高溫回火：700-800℃，2-6h空冷，得到回火索氏體

2）完全退火：840-900℃，2-4h，≤25℃/h冷至600℃空冷，組織為：F＋碳化物

3.Cr13型馬氏體不銹鋼熱處理軟化處理，淬火，回火(2)淬火淬火溫度：1000-1050℃3Cr13，4Cr13含碳量高，溫度高些淬火后組織：0Cr13，1Cr13：F＋M2Cr13：M＋少量A’3Cr13：M＋少量A’4Cr13：M＋碳化物＋A’Cr13型馬氏體不銹鋼淬火后，硬度高，內應力大，易開裂，必須回火。回火方式：低溫回火：要求高硬度，高耐磨性時回火溫度：200-250℃3Cr13，4Cr13多采用低溫回火：得到回火M＋碳化物＋A’高溫回火：要求綜合力學性能的零件回火溫度：650-700℃1Cr13，2Cr13常采用回火后的組織：回火索氏體不宜中溫回火(400～600)：475℃脆性

(3)回火（4）Cr13馬氏體不銹鋼主要用途價格最低的不銹鋼0Cr13，1Cr13，2Cr13主要制作要求塑性、韌性高與受沖擊載荷的零件，如汽輪機葉片，水壓機閥，螺栓等，常溫下耐蝕介質的的容器3Cr13，4Cr13

主要用于要求高硬度又具有耐蝕性要求的零件或工具，如醫療器械，閥門，滾珠軸承等（四）1Cr17Ni馬氏體不銹鋼化學成分：1Cr17基礎上添加2％的Ni17％Cr＋2％Ni＋0.1％C優點：具有1Cr17的耐蝕性，又具有Cr13型不銹鋼的的力學性能，在海水及HNO3中具有好的耐蝕性，用在船舶尾軸，壓縮機轉子等場合。熱處理：軟化退火同Cr13型淬火：980-1000℃，油冷，M＋F＋A’回火：低溫回火：275-350，回火M＋F

高溫回火：600-700，回火索氏體＋F因475℃脆性，不宜在350-550℃回火第五節奧氏體不銹鋼不銹鋼中用量最大的一種，約占不銹鋼的2/3優點：較好的耐蝕性，冷加工成型性，可焊性缺點：強度低，不能淬火強化，易受晶間腐蝕，應力腐蝕分類（按化學成分分）：Cr－Ni，Cr－Mn－N，Cr－Mn－Ni－N一、Cr－Ni型A不銹鋼（一）Cr－Ni型(18-8)奧氏體不銹鋼型奧氏體不銹鋼的鋼種，成分和組織

1.鋼種和牌號GB/T-1220-20072.18-8型奧氏體不銹鋼成分特點低碳（超低碳）高Cr（18％），高Ni（9％）：18-8（1）為使18％Cr鋼獲得單相奧氏體，Ni必須達到9％（2）18％＋9％Ni接近n/8規律的n＝2時的電極電位值，鋼的耐蝕性達到較高水平適當添加Ti，Nb，Mo等元素，消除晶間腐蝕，提高抗點蝕能力3.18－8不銹鋼組織平衡組織：A＋F＋M23C6

緩冷沿ES線析出碳化物緩冷至SK線以下，還要發生部分γ相轉變為α相奧氏體不銹鋼是經淬火熱處理得到：單一A加熱到ES線以上，碳化物溶于A中，經淬火，高溫狀態的碳等元素的過飽和固溶體保持到室溫，得到單一的奧氏體組織d0Cr18Ni10Ti（06Cr18Ni11Ti）固溶狀態組織（二）18－8不銹鋼冷、熱加工熱加工：18－8具有良好的熱塑性，但由于鋼在高溫加熱時易產生δ鐵素體，其會降低不銹鋼的熱塑性冷變形加工：良好的冷變形能力，可以以此強化鋼材。但塑性大大下降，原因一是點陣畸變，二是形變誘發馬氏體焊接：焊接性好，但有熱裂問題熱裂焊接熱裂：是出現在焊縫金屬或接近母材的焊縫熱影響區的一種裂紋失效行為。產生原因：焊縫金屬或與熔融金屬接觸的母材的晶界有低熔點液態夾雜存在有關；單相奧氏體鋼焊縫組織是粗大的柱狀晶，有方向性，低熔點夾雜物分布其中，容易在凝固收縮時引起裂紋，裂紋可沿凝固晶界擴展。防止方法：采用γ＋δ復相組織的焊縫可消除（δ+Lγ）；降低s、C，夾雜。（三）18－8的熱處理固溶處理：（1050-1150℃＋水冷）加熱到單項A區，快冷使A保持到室溫。最低的強度，硬度，最高的耐蝕性。鋼焊接，熱加工，冷加工等應力消除。

敏化處理18-8型奧氏體不銹鋼固溶處理后再加熱到400-800℃，鋼中的Cr的碳化物析出強烈，使鋼對晶間腐蝕更為敏感，不管是否有意為之，均稱為敏化處理。如焊接熱影響區。消除方法：固溶處理來消除奧氏體不銹鋼晶界的Cr23C6析出消除應力處理（1）消除冷加工后的內應力，250-450℃，1-2h，空冷（2）消除冷加工對應力腐蝕的敏感性及焊接應力：>850℃保溫，對于不含Ti，Nb的不銹鋼加熱后快冷到540℃空冷（躲過Cr23C6的析出溫區），含Ti，Nb的不銹鋼直接空冷穩定化處理針對含Ti，Nb的18－8奧氏體不銹鋼而設計的熱處理工藝，加Ti，Nb目的是與鋼中碳反應生成TiC＆NbC，而不生成Cr23C6，就可以防止應力腐蝕。穩定化處理就是讓鋼中的C只與Ti，Nb反應，而不和Cr反應，就是加熱到高于Cr23C6分解溫度以上，但低于TiC和NbC的溶解溫度保溫幾個小時，再冷卻到室溫，就可以實現不形成或少生成Cr23C6。工藝：850-900℃，2-4h空冷二、Cr-Mn，Cr-Mn-N，Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼由于Ni在全球都是稀缺資源，為了節省Ni，我國研制了很多節Ni和無Ni的奧氏體不銹鋼。大約有三種：Cr-Mn，以Mn代NiCr-Mn-N，以Mn，N代NiCr-Mn-Ni-N，以Mn，N代替部分Ni1.Cr-Mn奧氏體不銹鋼代表：1Cr17Mn9組織：因Mn穩定A的能力不如Ni,故Cr－Mn奧氏體不銹鋼不能形成單一的A組織，而是兩相(F+A)組織耐蝕性：僅取決于Cr應用：一般的非強腐蝕介質環境中，如食品工業2.Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼N也是穩定A元素，一般無Ni不銹鋼以N代Ni，一般含量為：0.3～0.5％。太高，鋼中易出現N以N2形式析出而形成氣孔，而且易于與Ti結合成TiN夾雜物代表：0Cr17Mn13Mo2N，我國研制的一種雙相（A＋F）不銹鋼，雖然冷熱加工性能差些，但耐蝕性不錯，能部分代替1Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni2Mo2Ti等應用：化肥，化纖，印染等行業3.

Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼用Mn，N完全代替Ni，很難得到單一的A，但鋼中少加點Ni就能得到單相A組織。代表：1Cr18Mn8Ni5N(12Cr18Mn8Ni5N)性能：良好的耐蝕性，較高的強度，塑性和可焊性應用：化肥，磷酸，醋酸等工業的耐蝕構件三、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，應力腐蝕和點蝕

晶間腐蝕，應力腐蝕和點蝕是奧氏體不銹鋼使用過程中最為普遍的破壞形式，也是其使用的主要缺點。1.晶間腐蝕敏化處理后的奧氏體不銹鋼，在許多腐蝕環境中會發生晶間腐蝕，這是由于晶界貧Cr造成的，在許多石油化工行業中常見。消除方法（1）固溶處理；（2）降低含碳量，（3）加Ti，Nb穩定化處理（4）改變晶界上碳化物析出數量及分布形態，減少在晶界的析出奧氏體不銹鋼晶界的Cr23C6析出晶間腐蝕2.應力腐蝕奧氏體不銹鋼易發生應力腐蝕。即在特定合金-環境體系中，應力與腐蝕共同作用引起的破壞。應力腐蝕易在含Clˉ的介質中發生，裂紋為樹枝狀。18－8型不銹鋼強度低，易發生滑移，當位錯到達表面時，使鈍化膜發生破壞。防止方法：從應力、介質和材料出發。

發生應力腐蝕奧氏體不銹鋼管道內壁應力腐蝕裂紋3.點蝕（孔蝕）腐蝕性陰離子在氧化膜表面吸附后穿過鈍化膜所致。防止辦法：加入Cr，Mo，N等第六節F－A雙相不銹鋼近幾十年發展起來的新鋼種組織：A＋F成分：18-26％Cr＋4-7％Ni＋Mn，Mo，Cu，Ti，W，N等特點：兼具F不銹鋼和A不銹鋼的特性1.A的存在降低了鋼的脆性，提高了鋼的可焊性和韌性2.F的存在提高了鋼的屈服強度，抗應力腐蝕敏感性，A＋F降低了鋼晶間腐蝕的傾向3.存在脆性傾向，尤其是在焊接區，主要是σ，χ，η相沉淀和α’相析出引起。熱處理：1000-1100℃淬火得到60％F＋40％A第七節沉淀硬化不銹鋼（超高強度鋼）分類以1Cr18Ni9鋼為基礎發展而來的奧氏體－馬氏體沉淀硬化不銹鋼以Cr13型馬氏體不銹鋼發展而來馬氏體沉淀硬化不銹鋼特點：在形成馬氏體基礎上，經時效處理產生沉淀強化，而得到超高強度。所以既具有Cr18Ni9鋼優良的焊接性能，有具有馬氏體鋼的高強度應用：航空，宇航領域代表鋼種：0Cr17Ni7Al(07Cr17Ni7Al)0Cr15Ni7Mo2Al(07Cr15Ni7Mo2Al)組織特點：室溫下是不穩定的A性能特點：較好的塑性和加工性能，焊接性能熱處理：含碳量低，成分設計上使Ms點略低于室溫，以便通過各種處理使不穩定的A轉變成低碳馬氏體，然后在通過時效沉淀析出金屬間化合物提高強度沉淀元素：Al，Ti，Mo一.奧氏體-馬氏體沉