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1、第六章 不锈钢 l概述 l不锈钢的合金化原理 l不锈钢的种类和特点 l不锈钢的发展 第一节 概述 l不锈钢是指在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢种。 l通常所说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称。 （1）所谓不锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀介质弱腐蚀 介质腐蚀的钢种。腐蚀速度0.01mm/年者为“完全耐蚀” ，腐蚀速度0.1mm/年者为“耐蚀”。 （2）所谓的耐酸钢是指在各种强腐蚀介质中能耐蚀的 钢，腐蚀速度0.1mm/年者为“完全耐蚀”，腐蚀速度 1mm/年者为耐蚀。 不锈钢 l性能要求： （1）对具体使用环境，应有尽可能高的耐蚀性 （2）良好的力学性能 （3）良好的工艺性能 （4）好的经济性 l不锈钢按
2、正火组织分：铁素体型不锈钢、马氏体型不 锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体铁素体型不锈钢、沉 淀硬化型不锈钢。 化工管道 的腐蚀 裂解管内 壁的高温 腐蚀减薄 （1）化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。 如铁在高温下的氧化：4Fe+3O22Fe2O3 Fe+2H2OFe(OH)2+H2 （2）电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与 作用的腐蚀。 金属的腐蚀 l腐蚀：在外界介质的 作用下使金属逐渐受 破坏的现象。 l金属的腐蚀按化学原 理分化学腐蚀和电化 学腐蚀。 l不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池 。 l防止电化学腐蚀的措施： l 获得均匀的单相组织。 l 提高合金的电极电位
3、。 l 使表面形成致密的钝化膜。 l工业发达国家每年金属腐蚀 造成的直接经济损失占GNP 的4%左右。中国每年腐蚀 的损失至少到400亿元以上. Zn Zn Zn-Cu原电池示意图 珠光体腐蚀示意图 电解液 腐蚀类型 l一般腐蚀 l晶间腐蚀 l应力腐蚀 l点腐蚀 l腐蚀疲劳 l一般腐蚀：又称为均匀腐蚀，金属裸露表面发生大面积的 较为均匀的腐蚀 在宏观上容易发现，故危害性不大。 均匀腐蚀常用腐蚀速度单位面积金属单位时间内的失重 来表示。 l晶间腐蚀：指沿晶界进行的腐蚀，使晶粒的连接遭到破坏 。 这种腐蚀的危害性最大 奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式 检验不锈钢晶界腐蚀的方法是在晶界腐蚀敏感的温度范围
4、内进行晶界腐蚀灵敏化处理，工业上称为敏化处理。 晶间腐 蚀破坏 304不锈钢 消火栓 齿轮架 l点腐蚀：点腐蚀是发生在金属表面局部区域的一种腐蚀破 坏形式。 点腐蚀形成后能迅速地向深处发展，最后穿透金属。 点腐蚀危害性很大，尤其是对各种容器是极为不利的。 点腐蚀产生的原因：在介质的作用下，金属表面钝化膜受 到局部损坏而造成的。或者在含有氯离子的介质中，材料表 面缺陷、疏松及非金属夹杂物等都可引起点腐蚀 。 点腐蚀的评定一般是用单位面积上的腐蚀坑数量及最大深 度来评价不锈钢点腐蚀的倾向大小。 l应力腐蚀：金属在腐蚀介质及拉应力（外加应力或内应力）的共 同作用下产生破裂现象。 断裂方式主要是沿晶的
5、，也有穿晶的，这是一种危险的低应力脆 性断裂。 不锈钢应力腐蚀试验是将加上一定载荷的试样放入某种腐蚀介质 中进行的，按试样腐蚀后出现裂纹的时间来评定钢材应力腐蚀破坏 敏感性的大小。 l腐蚀疲劳：金属在腐蚀介质及交变应力作用下发生的破坏。 其特点是产生腐蚀坑和大量裂纹，显著降低钢的疲劳强度，导致 过早断裂。 第二节 不锈钢的合金化原理 l提高钢的耐蚀性的途径 l不锈钢的钝化 l合金元素对铁的电极电位的影响 l合金元素对不锈钢基体组织的影响 l主要合金化元素及其主要作用 提高钢的耐蚀性的途径 l1、使不锈钢对具体的介质能有稳定钝化区的阳极极 化曲线； l2、提高不锈钢基体的电极电位，来降低原电池电
6、动 势； l3、使钢具有单相组织，减少微电池的数量； l4、使钢表面生成稳定的致密的表面保护膜。 在钢中加入合金元素是实现这四条途径的主要方法 不锈钢的钝化 l不锈钢具有良好的耐蚀性是由于它的表面能产生钝化。 l钝化是指某些金属在特殊环境下失去了金属活性，呈现与惰性 金属相似的特性。 l钝化可改变金属表面状态，使电极电势升高。 l钝化机制：金属与周围介质生成一层极薄的氧化膜钝化膜 金属与介质的屏障降低金属溶解速率 l加入Cr、Al、Si等元素，在钢表面生成Cr2O3、Al2O3 、SiO2等 致密的钝化膜，起到防腐蚀作用。 l其中Cr是最有效的元素。 l加入Mo可进一步增强不锈钢的钝化作用，提
7、高钢在氧化性及非 氧化性介质中的耐蚀性。 l加入少量的Cu，也可促进钢钝化。 Cr对铁的电极电位的影响 l电极电位随铬含量变化的规律是在铬量达12.5 原子比（即1/8）时（质量分数11.7），电 位有一个突跃升高。当铬含量提高到25（即 2/8）时，电位又有一个突跃升高，这一现象称 为二元固溶体电位的n/8规律，也称为Tammann 定律。 ln/8的含量是指钢中固溶体内含有的n/8 Cr量。 合金元素对基体组织的影响 l合金元素对基体组织的影响首先取决于合金元素是铁素体形成元 素还是奥氏体形成元素。 铁素体形成元素：Cr、Mo、Si、Ti、Nb等 奥氏体形成元素：C、N、Ni、Mn、Cu等
8、 l当这两类作用不同的元素同时加入到钢中时，不锈钢的组织就取 决于它们综合作用。 把铁素体形成元素的作用折算成铬的作用，称为铬当量Cr。 把奥氏体形成元素的作用折算成镍的作用，称为镍当量Ni 。 l根据铬当量和镍当量制成图来表示钢的实际成分和所得到的组织 状态Schaeffler图见下图 合金元素对组织的影响 lNi当量Ni %Ni30%(C+N)0.5%Mn%Co+0.3Cu lCr当量Cr %Cr2%Si1.5%Mo5%V1.5Ti+1.75Nb+5.5Al 不锈钢组织状态不锈钢组织状态 主要合金化元素及其主要作用 l1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。 l2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成
9、稳定致密的Cr2O3氧化膜. Cr含量大于13%时，形成单相铁 素体组织。 提高基体电极电位(n/8规律) l3、Ni：获得单相奥氏体组织。 l4、Mo：耐有机酸腐蚀，提高抗点蚀 的性能。 l5、Ti、 Nb: 防止奥氏体钢晶间腐蚀. l晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大. l它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降 到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀作用下发生强烈腐蚀。 l加 Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化 物, 避免晶界贫Cr。 奥氏体不锈钢晶界的奥氏体不锈钢晶界的CrCr23 23 C C6 6 析出析出晶间腐蚀 晶间腐 蚀破坏 304不锈钢
10、消火栓 齿轮架 第三节 不锈钢种类和特点 l马氏体型不锈钢 l铁素体型不锈钢 l奥氏体型不锈钢 l奥氏体铁素体型不锈钢 l奥氏体马氏体型不锈钢 双相不锈钢双相不锈钢 第三节 不锈钢种类和特点 1、马氏体不锈钢 l主要是Cr13型不锈钢 钢号为1Cr134Cr13 l随含碳量提高，强度、硬 度提高，耐蚀性下降. 1Cr13、2Cr13 l热处理: 淬火+高温回火 l使用状态下的组织: S回 不锈钢棒 l1Cr13、2Cr13具有 耐大气、蒸汽腐蚀能 力及良好的综合力学 性能。 用于要求塑韧性 较高的耐蚀件， 如汽轮机叶片等. 汽轮机叶片 透平转轮 3Cr13、4Cr13 l热处理：淬火+低温回火
11、。 l使用状态下的组织：M回。 l具有较高强度、硬度。 l用于要求耐蚀、耐磨件，医 疗器械、量具等。 医疗器械 不锈钢刀 1Cr17削片刀 铁素体不锈钢水加热器铁素体不锈钢水加热器 2、铁素体不锈钢 l典型钢号如0Cr13、 1Cr17等。 l 成分：高铬低碳 l 无相变，不能 进行热处理强化。 l 组织：单相铁素体 钢中相 l 性能特点 l耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向： l 475脆化：加热到450550停留，产生脆化. 再加热到600 快冷可消除。 l 相脆化： 在600 800长 期加热时，析出 硬而脆的相。 l 用途 l广泛用于硝酸和氮肥工 业的耐蚀件。 合成氨厂合成氨厂
12、 硝酸生产装置 铁素体不 锈钢制品 3、奥氏体不锈钢 l主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。 l 性能特点： 具有良好的耐蚀性; 良好的冷热加工性及可焊性； 高的塑韧性，无磁性。 l 热处理：采用固溶处理 。即加热到1100使碳化 物溶解后水冷。 l组织为单相奥氏体 不锈钢带 l 常用钢种 为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 广泛用于化工设备及管道. 反应釜 (316L) 大型化工储罐(304) 热交换器(316L) l 应力腐蚀 l奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环 境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐 蚀易在含Cl的介质中发生，裂纹为树枝状。 发生应力腐蚀
13、奥氏 体不锈钢管道内壁 应力腐蚀裂纹 4、双相不锈钢 l广义指奥氏体、铁素体或马氏体中任何两相组成基体组织的不 锈钢，但通常指奥氏体-铁素体型双相不锈钢 l含有较高的铬（1828%）和一定量的镍（57%），大多含有 一定量的钼和氮。根据铬含量可分为Cr18型、Cr21型和Cr25型 l双相不锈钢的特点为：线胀系数和导热率居于奥氏体不锈钢和 铁素体不锈钢之间，由于含铁素体相因而具有磁性；比奥氏体不锈 钢的强度特别是屈服强度要高；耐海水腐蚀性、耐有机酸及其它特 殊介质的腐蚀性能优良；具有良好的焊接性 l双相不锈钢广泛用于海水处理的化学装置及泵、管等结构件， 接触磷酸、硫酸铵、氯化铵等以及醋酸等有机
14、酸的设备和构件，以 及可能发生点蚀、应力腐蚀的设备和构件等。 5、其它类型不锈钢 l沉淀硬化不锈钢 l稳定化不锈钢 l超低碳不锈钢 l经济型不锈钢 l含氮不锈钢 l抗菌不锈钢 沉淀硬化不锈钢 l通过加入沉淀硬化元素并经沉淀硬化处理，使得从钢 的基体固溶体中析出沉淀硬化相产生沉淀硬化作用，而 获得高强度、高韧性、高耐蚀性的不锈钢 l根据基体组织可分为：马氏体沉淀硬化不锈钢、马氏 体时效不锈钢、半奥氏体型即过渡型沉淀硬化不锈钢、 奥氏体沉淀硬化不锈钢 l由于具有高强度、高韧性、高耐蚀性、高抗氧化性和 良好的成型性、焊接性，广泛应用于国防军工及具有较 高性能要求的民用工业部门 稳定化不锈钢 l不锈钢
15、中存在的间隙固溶元素碳容易偏析于晶 界上，晶界附近的铬往往会扩散到晶界上与之结 合生成铬的碳化物，由此使晶界附近的铬贫化从 而导致晶间腐蚀 l加入适量钛或铌使之优先与碳结合从而有效抑 制晶间腐蚀现象的不锈钢称为稳定化不锈钢 超低碳不锈钢 l通常指碳含量小于0.03%的奥氏体不锈钢或碳含量小于0.01% 的铁素体不锈钢 l超低碳不锈钢的晶间腐蚀敏感性很低，但避免出现晶间腐蚀的 临界碳含量不是绝对的，而是相对于具体钢种成分、介质条件、 钢材热历史等因素而改变的，故超低碳不锈钢的碳含量控制范围 必须根据具体情况而确定 l采用氩氧脱碳（AOD）和真空氧脱碳（VOD）精炼法可以生 产超低碳不锈钢 l超低
16、碳不锈钢的耐蚀性明显提高，但由于超低碳原料特别是铁 合金价格较高，故其生产成本及价格也随之提高 经济型不锈钢 l铬、镍含量较低的铬锰氮系、铬镍锰氮系不锈钢 l铬、镍含量较低可明显节约相对稀缺的镍资源，同时 导致其价格较便宜，故称为资源节约型不锈钢或经济型 不锈钢 l经济型不锈钢尽管耐蚀性略低，但在很多实际工业或 民用器件上完全可满足耐蚀性的要求，同时可大幅度降 低钢材价格，因而具有广泛的发展和应用前景 含氮不锈钢 l加入一定量的氮元素以适当降低钢中镍含量并由此明显提高强度 的不锈钢 l氮是扩大奥氏体区元素，钢中加入氮可降低镍的加入量；氮能降 低铬在钢中的活性从而提高耐蚀性；加氮可以明显提高钢的强度 l一般将奥氏体不锈钢中加入0.050.10%氮称为控氮奥氏体不锈钢 ，加0.10.4%氮称为含氮奥
