不锈钢基础入门培训教材

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1、不锈钢基础入门培训,讲师：吴洪涛,2015年3月21日,公司课件：请各位不要外传,第一章 不锈钢的发展和历史,不锈钢自二十世纪初问世以来，已有100年的历史，不锈钢的发明是世界冶金史上的一项伟大成就，不仅为现代工业的建立、发展和科技进步奠定了物质基础，而且在民用领域的广泛应用也显著提高了人们的生活质量。 不锈钢是一种特殊的材料，兼有功能材料和结构材料两者的特征，是金属材料中的佼佼者，它具有许多优良的性能，如耐蚀性、耐低温性、好的加工性能等。不锈钢外观精美，寿命周期长，成本价低，可以百分之百的回收利用，因此，在各工业及民用领域得到了广泛和大量的使用，是一种非常好的结构和功能材料。 随着我国改革开

2、放和经济建设的深入发展，不锈钢与不锈钢制品在石油化工工业、国防工业和民用工业等领域的应用日渐普及和扩大，不锈钢制品的数量、品种、规格稳步增加。而且，随着技术的引进，国外的不少不锈钢的品种和牌号、新材料、新技术、新工艺、新制品在国内市场所占的比重逐步增加。,前言,第一章 不锈钢的发展和历史,前言,不锈钢的诞生和大多数科研成果一样，并不是个人的研究结果，而是许多冶金工作者长期努力、互相借鉴、不断研究的结果。最后20世纪初，在社会具备一定的物质生产条件（主要是指低碳铬铁的生产）以及理论研究的进展（主要是铬铁合金中碳含量对腐蚀性的影响），在产业部门需要的情况下，不锈钢才应运而生。从开始研究不锈钢到初步

3、研究成功经历了整整一个世纪。不锈钢的研究与开发大致可以分成三个阶段。,第一章 不锈钢的发展和历史,不锈钢的发展,第一章 不锈钢的发展和历史,这一阶段从1787年到1873年，经历了八十多年的时间。 铬金属是法国分析化学家L.N.Vauqulin于1787年从西班牙的红铅矿中首次发现的一种元素，次年根据希腊语中表示颜色的词Chroma（闪耀的、光亮的）而命名的Chrome也叫Chromium。 1820年，英国皇家研究所的学者M.Farafay，致力于研究将贵重金属熔于钢中炼成合金，制作出难氧化（难生锈）的新型刀具钢，当时主要添加的金属包括Ni、Ag、Pt、等。1820年他和刀具师J.Stoda

4、rt成功的在还原铬矿石加入铁，制成了Fe-Cr合金。他们联名发表的论文中记述了所制作的刀具钢中熔入了1%Cr及3%Cr，但是并没有关于耐腐蚀的报告。但是此后关于Fe-Cr合金的研究逐渐增多。 1838年Mallet提出了“铬含量增加使得Fe-Cr合金的耐腐蚀性增强”的报告 1872年Woods和Clark提出含有3035%铬的铁，耐酸性和耐腐蚀性显著增加的论点。,第一阶段 早期研究探索,当时不能在不锈钢研制方面取得突破的原因主要是： 当时所用的Fe-Cr合金含碳量过高，影响了铬发挥提高钢抗腐蚀性的有力作用。 大部分研究者所选用的铬含量过低，过低的铬含量只能改善热处理性能，而不能提高抗腐蚀性。

5、当时金属腐蚀方面的理论研究远未成熟，这使得对腐蚀及抗腐蚀性的看法绝对化；不少研究者试图研制出一种能耐各种酸、碱、盐腐蚀的类似铂金或金的耐腐蚀合金，其结果必然是要失败的。 理论上的不成熟导致腐蚀试验方法也不是完全合适，这也掩盖了某些真实的情况。,第一章 不锈钢的发展和历史,第一阶段 早期研究探索,1895年德国的Goldschmidt用铝热法还原铬矿石，制得了低碳铬铁。有了低碳铬铁就可以配置出含碳量很低的Fe-Cr合金，从而为不锈钢的诞生奠定了必要的物质基础。 1898年，Carnot和Goutal在Fe-Cr合金抗腐蚀性研究中发现了含碳量高的有害作用，从而澄清了Hadfield的影响，揭开了不

6、锈钢研制的新篇章。 1904年Leon Guillet作了低碳Fe-Cr合金的研究，并发表了一系列论文。他们研制的低碳铬钢的含碳量是0.0431.0%，不锈钢的含碳量是0.020.1%，其中有的相当于今天的AISI410、420、430等钢种。1906年Guillet发表了对Fe-Cr-Ni系钢抗腐蚀性的研究结果。他研制的不锈钢成分与现在的Cr-Ni系不锈钢相差无几，可以说是最早的奥氏体不锈钢。他提出把不锈钢分成“铁素体不锈钢”、“马氏体不锈钢”和“奥氏体不锈钢”三大类，这是不锈钢发展史上的成果，一直沿用至今。 1908年，P.Monnartz和W.Borchers从碳对含铬钢的耐腐蚀性的影响

7、出发，对铬钢的耐腐蚀性问题进行了系统的研究。1911年他们发表了铁铬合金的抗氧化性研究一文，首次把不锈钢的耐腐蚀性与钝化现象结合起来，揭示了不锈钢的本质。 1909年,W.Giesen发表了关于铬镍奥氏体不锈钢中的高铬不锈钢，同年，A.M.Portevin发表了关于铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的研究成果。,第一章 不锈钢的发展和历史,第二阶段 中期研究进展,至此，我们说建立了不锈钢的基础理论，研究了不锈钢的三种组织状态分类，他们的机械性能和物理性能，对“耐腐蚀性”这样一个重要的课题也有了初步的认识，即结合了铬钢中碳的作用，确立了不锈钢耐腐性的基础，即： 含铬钢的耐腐蚀性是以含Cr12为界限的，在

8、这个值的两边腐蚀速度显著加大。这种现象在氧化性酸（如HNO3）中特别显著，在水中和大气中也是如此。 耐蚀性是以提高“钝化”现象为基本原因的。 “钝化”与氧化性条件及腐蚀环境中的氧化剂含量有关，用电化学的观点来说，是与电池一端的结合条件有关。 耐腐蚀性和含碳量这个条件密切相关，铁铬合金中过剩的碳十分有害。 碳的稳定化十分重要，对耐侵蚀性影响显著。稳定碳的方法是加入适量易形成碳化物的元素，如Nb、Ti等。 当时的研究尽管还不能从根本上弄清楚不锈钢的抗腐蚀性机理，但是还是揭示了几种不锈钢的大致的成分范围及主要的合金元素的影响和作用，这就为以后的研究指明了方向，从而为研制符合使用要求的具体钢种奠定了基

9、础。,第一章 不锈钢的发展和历史,第二阶段 中期研究进展,在二十世纪初，由于理论的进展和工业发展的需要，几乎在同时好几个国家都研制成功了不锈钢。 1913年H.Brearley在研制舰载炮炮筒用钢时发明了可硬化的不锈钢，这就是具有淬硬性那一系列被称为“马氏体不锈钢”的不锈钢。他们的研究结果表明，这种钢的成分范围是： C0.7%，Cr=916%，其中0.35%C、13%Cr的钢主要用于旨在刀具，即现在的3Cr13（AISI420）钢。 1911年C.Dantsizen在从事电阻丝研究时研制了一种同H.Brearley钢相同，但是碳含量更低，硬度稍低的材料。1914年，他提出钢的成分范围应该为0.

10、070.15%C，1416%Cr。这是一种低碳铁素体不锈钢，其成分与目前的1Cr13相似。 1924年F.M.Beeket研制了一种含铬更高的（含2527%Cr）的不锈钢，相当于目前的铁素体不锈钢AISI446。 1909年1912年，E.Maurer和B.Strauss在研究热电偶保护套管用钢时，对高铬钢及Cr-Ni钢进行了对比分析，结果在1912年将耐腐蚀性很高的Cr-Ni不锈钢的商品化。,第一章 不锈钢的发展和历史,第三阶段不锈钢的进一步研究不锈钢的诞生和实用化,1910年1914年，作为现代不锈钢的基础：1Cr134Cr13、Cr1728、18-8等马氏体、铁素体、奥氏体不锈钢先后问世

11、，可以说经历了一百多年的研究，人类终于找到了具有工业实用性的不锈钢雏形。从此以后的研究只是在腐蚀理论方面不断地深入，并按日益增多的使用要求，对成分作了适当的调整，从而又发展了不少的新品种；当总体来说，并没有越出上世纪初确定的这几个大的范畴。因此可以认为，不锈钢诞生于19101914年，近一百年只是在此基础上不断的发展完善。,第一章 不锈钢的发展和历史,1910年1914年诞生的组织分别为马氏体、铁素体和奥氏体的不锈钢，从化学成分来看，主要属于Fe-Cr和Fe-Cr-Ni两大体系。从第一次世界大战到第二次世界大战结束的近三十年间（1919年1945年），随着各种工业的发展，不锈钢为适应各种工作条

12、件而发生了细化，即在原来的两大体系三种组织状态的基础上，通过增减含碳量和添加多种合金元素而衍生出了许多新型的不锈钢。从二次世界大战结束到目前六十多年，主要是为适应抗海水、酸、碱、盐类腐蚀、吸收辐射、获得高强度、耐高温、节镍等需求而开发了抗点蚀、核工业、沉淀硬化不锈钢和锰氮代镍不锈钢。今年随着汽车工业的发展和为了解决奥氏体不锈钢晶间腐蚀以及应力腐蚀的问题，又发展了超低碳不锈钢和超纯铁素体不锈钢。目前不锈钢的牌号也已经多达数百种，经常使用的也在50种左右。,第一章 不锈钢的发展和历史,不锈钢钢种的发展,不容易生锈的钢就是不锈钢 不锈钢（Stainless Steel）是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸

13、汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢；而将耐化学介质腐蚀（酸、碱、盐等化学浸蚀）的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐腐蚀性不同，普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀，而耐酸钢则一般均具有不锈性。 “不锈钢”一词不仅仅是单纯指一种不锈钢，而是表示一百多种工业不锈钢，所开发的每种不锈钢都在其特定的应用领域具有良好的性能。成功的关键首先是要弄清用途，然后再确定正确的钢种。,第二章 什么是不锈钢,生锈是一种化学反应，本质上是金属的氧化反应。最常见的生锈现象是铁制品长期暴露在空气中和氧气发生了氧化反应，或者是被水中的氧元素侵蚀成为氧化物。 金属材料与周围的环境，空气、水、气体介质

14、、高温等发生氧化反应，使金属材料表面或基体被氧化发生腐蚀，失去光泽，降低强度的过程。表面产生的物质 “锈”是铁的氧化物。,第二章 什么是不锈钢,什么是生锈,金属腐蚀是金属表面和介质发生的化学或电化学反应造成的，故有化学腐蚀及电化学腐蚀之分。 化学腐蚀是因为金属表面与介质发生化学作用而引起的，它的特点是在腐蚀过程中没有电流产生。 电化学腐蚀是指金属与电解质溶液作用发生的腐蚀。它的特点是在腐蚀过程中有电流产生，这是金属表面发生原电池作用的结果。通常在电化学腐蚀中规定电极电位较低的金属为阳极，阳极不断失去电子并将自己的离子投入到溶液而被腐蚀，阴极金属仅起传递电子的作用，本身没有发生腐蚀。,第二章 什

15、么是不锈钢,腐蚀的机理,主要有以下防腐方法： 1、加入合金元素，改变组织结构，从而提高钢的抗蚀性能。 2、使金属形成表面转化层和“永久层”包括： 化学及电化学覆层通过氧化、磷化、铬酸盐化、氟化等 表面合金化通过氮化、渗铬、渗铝、渗氮等 金属覆层电镀金属、喷镀金属、化学镀、气相镀等 非金属涂层覆盖搪瓷、陶瓷、橡胶、塑料、油漆等 3、阴极保护，即使金属成为阴极。 4、“暂时性”的防腐措施。,第二章 什么是不锈钢,怎样不生锈,提到不锈钢，就必须要提到一种非常重要的金属铬。将铬熔于钢中进行合金化，当铬含量达到1112%时，在空气中就很难生锈。 在不锈钢的表面形成了Cr2O3氧化膜，这层氧化膜有以下的几

16、个特点： 透明 致密 快速自我修复功能,第二章 什么是不锈钢,不锈钢不生锈的原理,Cr2O3,Fe+Cr+C,Cr 是比 Fe更容易氧化的金属 Cr 与空气中的O2 反应生成铬的氧化层 稳定的氧化膜要求Cr 12%,厚度12nm,第二章 什么是不锈钢,不锈钢不生锈的原理,D=1nm,D=4mm,D=1.27万公里,4109倍,3.14109倍,第二章 什么是不锈钢,不锈钢不生锈的原理,第二章 什么是不锈钢,不锈钢不生锈的原理,45nm 单核1G,20nm 4核1.4G,14nm 28核3.0G,35m 10-6m,第二章 什么是不锈钢,神奇的铬,按不锈钢在9001100加热，并在空气冷却到室温的机体组织分类。分为铁素体不锈钢（F）、奥氏体不锈钢（A）、马氏体不锈钢（M）、双相不锈钢（F-A）和沉淀硬化不锈钢。美国钢铁学会最早是用三位数字来标示各种标准级的不锈钢的，其中： 奥氏体不锈钢用200和300系列的数字标示，例如，某些较普通的奥氏体不锈钢是以201、 304、 3