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1、1,金属材料学,东北大学秦皇岛分校材料系 王彪 E-mail: 13780337986,2,五 特殊性能钢,3,特殊性能钢,含有特意添加的合金元素的或者用特殊方法生产的具有特殊的物理和化学性能的合金钢 用于制造除要求通常的力学性能外还要求具有耐磨蚀、耐高温、抗磨损或要求很高的强度或要求有一定磁性等特殊性能的钢制件 特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工钢及磁钢和无磁钢等 结构钢中的具有特殊的物理和化学性能的钢如耐火钢、耐候钢、低温钢等原则上也属于特殊性能钢,4,特殊性能钢的合金化,不同的特殊性能要求使得相应钢材的合金化出现明显区别 铬明显提高钢的耐蚀性 单相奥氏体组织具有很高的耐蚀性 高熔
2、点金属元素明显提高钢的耐热性 奥氏体基本无铁磁性 铁素体具有良好的铁磁性，而硅元素的加入可明显提高其磁学性能,5,特殊性能钢的钢号,特殊性能钢首先用1位数字表示碳含量，单位为0.1%，若碳含量大于或等于1%，则不予标注（即不会出现2位数字）；然后标注合金元素及其含量，单位为1%质量分数(四舍五入)，若含量为1%或小于1%，则省略数字(硅、锰省略数字时其含量为1%)；最后加注质量（特殊质量加注A） 特殊性能钢很多是超低碳钢，当碳含量小于0.08%时，用0表示；碳含量小于0.03%时，用00表示 个别情况下为确切表示某合金元素的含量是1%而非小于1%，以与其他钢号相区别，可以在合金元素后加数字1表
3、示含量 电工钢钢号前加DT 部分合金结构钢可作为特殊性能钢使用，仍保持其原钢号（即碳含量仍然采用2位数字标注）,6,特殊性能钢的钢号,0Cr18Ni9Ti：碳含量小于0.08%，铬含量18%，镍含量9%，钛含量小于或等于1%,7,耐蚀钢,在各种腐蚀性介质或腐蚀与力学因素并存的环境中表现出较强抵抗能力的钢 根据腐蚀介质的不同，可分为耐大气腐蚀钢（耐候钢）、耐海水腐蚀钢、耐酸钢、耐碱钢、不锈钢等,8,耐海水腐蚀钢,在海洋环境中耐腐蚀的钢，钢号表示按结构钢 钢在海洋环境中耐蚀性，不仅取决于钢的化学成分，还取决于海域、水深、流速、温度、气候条件以及海洋生物附着情况等许多因素 最早的耐海水腐蚀钢是称为马
4、丽那（Mariner）的低合金Ni-Cu-P钢，在海水飞溅地带具有优良的耐蚀性；但因磷含量高，焊接性不好，故主要用于钢板桩、钢管桩等非焊接结构 后来发展的可兼用于海水飞溅地带和海水全浸带的焊接用钢，主要有铬系、铜-铬系、铜-铬-钼系、铜-铬-硅系、铜-铬-硅-钼系、铜-铬-铝系以及铬-铝系等，这些钢的特点是：含铜与高磷的钢种耐浸腐蚀性好，含铬和铝的钢耐海水全浸腐蚀性好,9,耐酸钢与耐碱钢,在腐蚀性较强的酸性介质中耐腐蚀的钢。常称为不锈耐酸钢，简称不锈钢。按使用介质环境划分可将耐酸钢分为耐氧化性酸不锈钢、耐还原性酸不锈钢、耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐亚硫酸不锈钢、耐磷酸不锈钢、耐有机酸不锈钢、
5、耐液体金属腐蚀不锈钢和耐海水不锈钢等 在碱液介质中耐腐蚀作用的钢，属于不锈钢。在一定的应力下或在一定的低浓度碱液中，Cr18Ni12Mo2Ti等奥氏体不锈钢是耐碱腐蚀的；高纯铁素体不锈钢Cr26Mo1在强碱溶液中不会发生应力腐蚀破裂；高纯铁素体不锈钢Cr28Mo4Ni2既不会发生碱脆、又耐碱液的全面腐蚀；高纯铁素体不锈钢Cr30Mo钢在制碱工业的苛性钠介质中具有很好的耐蚀性,10,不锈钢,不锈钢是指具有抗腐蚀性能的一类钢种。通常所说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称。不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢同时又是不锈钢。所谓不锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀介质腐蚀的钢种。,11,5.1 钢的耐蚀性,12,一、金属
6、腐蚀的基本概念,1、化学腐蚀金属和化学介质直接发生化学反应造成的腐蚀称化学腐蚀。如铁在高温下的氧化： 4Fe+3O2Fe2O3 Fe+2H2OFe(OH)2+H2 这种反应不产生腐蚀电流，在反应表面形成一层化学生成物。,13,2、 电化学腐蚀 电化学腐蚀是金属腐蚀更重要更普遍的形式，它是由于不同金属或金属的不同相之间，电极电位不同，构成原电池而产生的。 用硝酸酒精浸蚀碳钢能显示珠光体就是这一原理。由于Fe3C的电极电位较高，-Fe的电极电位较低，当有导线连通时即构成原电池，导线中有电流通过。这时在阳极上-Fe的原子变成离子进入溶液： Fe Fe+3e 电子则通过导线到达阴极Fe3C。在阴极上F
7、e3C将电子传导给酸性介质中的H+离子，变成氢气逸出： 3 H+3e=1.5H2 原电池不断进行的结果，是-Fe被腐蚀，H+离子被还原，Fe3C不被腐蚀。这种原电池腐蚀由于是在显微组织之间产生的，故称为微电池腐蚀。,14,（1）电化学腐蚀的特点,有液体介质、金属或相之间有电位差、并连通或接触、有电流产生，阳极金属溶解。 在腐蚀开始后，由于在阳极形成钝化膜，在阴极产生电子堆积。阳极电位向正方向变化，产生阳极极化；阴极电位向负的方向变化，产生阴极极化，这种电极电位的变化称为极化。一切增强阳极极化或阴极极化的因素，都提高金属的耐蚀性。,15,（2）金属电化学腐蚀的形式,有一般腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀和
8、应力腐蚀等。 对不锈钢来说，后三者是不允许的。 对于一般腐蚀，根据不同使用条件对耐腐蚀性提出不同指标：不锈钢：在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢。腐蚀速度0.01mm/年，完全耐蚀；腐蚀速度0.1mm/年，耐蚀；腐蚀速度0.1mm/年，不耐蚀。耐蚀钢：在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。腐蚀速度0.1mm/年，完全耐蚀；腐蚀速度1.0mm/年，耐蚀；腐蚀速度1.0mm/年，不耐蚀。,16,不锈钢的腐蚀类型,(1)一般腐蚀金属裸露表面发生大面积的较为均匀的腐蚀。虽降低构件受力有效面积及其使用寿命，但比局部腐蚀的危害性小。又称为均匀腐蚀。,17,不锈钢的腐蚀类型,(2)晶间腐蚀 指沿晶界进行的腐蚀，使晶粒的连接
9、遭到破坏。这种腐蚀的危害性最大，它可以使合金变脆或丧失强度，敲击时失去金属声响，易造成突然事故。晶间腐蚀为奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式，这是由于晶界区域与晶内成分或应力有差别，引起晶界区城电极电位显著降低而造成的电极电位的差别所致。检验不锈钢晶界腐蚀敏感的温度范围内进行晶界腐蚀灵敏化处理，工业上称为敏化处理。,18,不锈钢的腐蚀类型,(3)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，也有穿晶的，这是一种危险的低应力脆性断裂。在氮化物、碱性氮氧化物或其他水溶性介质中常发生应力腐蚀，在许多设备的事故中占相当大的比例。,19,不锈钢的腐蚀类型,(
10、4)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。出现点腐蚀后应及时磨光或涂漆，以避免腐蚀加深。点腐蚀是由于在介质的作用下，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。,20,不锈钢的腐蚀类型,(5)磨损腐蚀 在腐蚀介质中同时有磨损，腐蚀和磨损相互促进、相互加速的现象称为磨损腐蚀。,21,二、成分和环境对钢耐蚀性的影响,1、提高钢的耐蚀性途径
11、 提高基体的电极电位，来降低原电池电动势； 使钢具有单相组织，减少微电池的数量； 使钢表面生成稳定的表面保护膜，如钢中加硅、铝、铬等。 采用机械保护措施或覆盖层,22,2、成分对钢耐蚀性的影响,合金元素对不锈钢组织的影响分： 铁素体形成元素：如铬、钼、硅、钛、铌等 奥氏体形成元素：碳、氮、镍、锰、铜等,23,2、成分对钢耐蚀性的影响 （1）碳 碳能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力为镍的30倍； 碳与铬能形成一系列碳化物，使不锈钢的耐蚀性受到严重影响； （2）铬 是提高钝化膜稳定性的必要元素：Cr10-12%，合金的钝化能力显著提高；摩尔分数量提高到12.5%、25%、37.5%，合金在硝酸中
12、的腐蚀速度都相应有一个突然降低。 当铬含量(原子比)达到1/8,2/8时，铁的电极电位就跳跃式地增加，耐蚀性也随之而提高。,24,（3）镍 提高钢的耐蚀性，在非氧化性的硫酸中更为显著。摩尔分数为12.5%和25%时，耐蚀性明显提高。 镍是稳定化元素，镍能有效地降低Ms点，使奥氏体能保持到很低的温度。 （4）锰 提高铬不锈钢在有机酸如醋酸、甲酸等中的耐蚀性，比镍更有效。 锰是镍的代用品，是稳定化元素；锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni，2%Mn相当1Ni。,25,（5）钼 提高不锈钢的钝化作用和耐蚀性，可阻止点蚀。 （6）硅 提高钢在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中的耐蚀性。 在不锈钢中加入2-4%的Si，
13、提高耐蚀性。 （7）钛、铌 钛和铌是强的碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。,26,3、环境对不锈钢耐蚀性的影响,大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质，固溶体中Cr含量10-12%，就能保证不锈。 氧化性酸如硝酸等，Cr含量16%的钢，才有较高的钝化能力。 非氧化性酸如稀硫酸等，需要加入Ni、Mo、Cu等，提高耐蚀性。 盐酸中不锈耐蚀钢也不耐蚀，一般采用Ni-Mo合金。 强有机酸中，一般Cr和Cr-Ni不锈钢难以钝化，加入Mo、Cu、Mn等，提高耐蚀性。 在含Cl的介质中，加Mo提高抗点蚀的能力。,27,5.2 不锈耐蚀钢分类,28,1、按化学成分分 铬不锈钢、铬镍不锈
14、钢、铬锰不锈钢等。 2、按金相组织分马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体-铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。,29,5.3 不锈耐蚀钢的腐蚀特性,30,一、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀,奥氏体不锈钢在热硝酸（浓度50-65%）、含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸中产生晶间腐蚀。 1、晶间腐蚀产生的原因 （1）由钢中的碳引起的。 如图5-12。在550-800范围内停留会引起晶间腐蚀，以650左右最敏感。 在晶界上析出连续网状富铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫碳区，Cr低于12%，在许多介质中没有钝化能力，贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。,31,32,（2）相在晶界析出也会造成晶间腐蚀。 固溶的Mo和Ti促进
15、相在晶界析出，在晶界产生贫铬区。 （3）钢中氮含量。 N0.16%，沿晶界析出Cr2N，增加晶间腐蚀倾向。 （4）在氧化性介质中，奥氏体不锈钢经固溶处理也会发生晶间腐蚀。 在热的浓硝酸加重铬酸盐溶液中，经1050固溶处理后，杂质元素P和Si在晶界偏聚。,33,2、消除晶间腐蚀的方法 （1）在敏化温度范围长期加热，通过铬的扩散消除贫铬区。 （2）降低奥氏体不锈钢中的碳含量。C0.03%，没有晶间腐蚀发生。如00Cr18Ni10钢。 （3）加入强碳化物形成元素Ti和Nb，形成稳定的TiC或NbC。 Ti或Nb在钢中的含量分别为： 0.8%Ti5（C-0.02） 1.0%Nb10（C-0.02）,3
16、4,（4）钢中有10-50%体积的铁素体，可改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。铁素体在500-800发生相间沉淀，Cr23C6在/相界一侧析出呈点状，排除了在奥氏体晶界析出Cr23C6，且相内铬的扩散系数比相内高103倍，不致产生贫铬区。,35,二、不锈钢的应力腐蚀,1、不锈钢应力腐蚀的介质特点 引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质特点是含有氯离子。随Cl-浓度升高，应力腐蚀破断时间缩短。 在微酸性FeCl2、MgCl2溶液中，氧促进应力腐蚀；在PH4-5的酸性介质中，H+浓度愈高，应力腐蚀破断时间缩短；在PH4-5时，加入NO3-、I-及醋酸盐可抑制应力腐蚀。,36,2、应力对应力腐蚀的影响 只有张应力才会引发应力腐蚀。在温度恒定时，应力愈大，则破断时间愈短。 实际应力与屈服强度的比值愈大，应力腐蚀敏感度愈高。,37,3、温度对应力腐蚀的影响温度愈高，应力腐蚀破断时间愈短。含Cl-的水溶液中，80以上才有应力腐蚀。 4、组织对应力腐蚀的影响 Cr=15-28%的铁素体不锈钢对Cr引起的应力腐蚀不敏感。 Cr18Ni9型奥氏体不锈钢对应力腐蚀敏感。 含铁素体的复相不锈钢有低的应力腐蚀敏感度。 在不稳定奥氏体不锈钢中，形变引起的马氏体对应力腐蚀有害。,
