河海大学工程材料不锈钢.ppt

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1、工工 程程 材材 料料 A A 第五章第五章 不不 锈锈 钢钢 机电工程学院机电工程学院1第第五五章章不不锈锈钢钢 1 1 概述概述 2 2 金属腐蚀金属腐蚀 3 3 不锈钢合金化原理不锈钢合金化原理 4 4 不锈钢种类与特点不锈钢种类与特点 25.1 概述概述第五章第五章 不锈钢不锈钢 特特殊殊性性能能钢钢是是指指以以某某些些特特殊殊物物理理、化化学学或或力力学学性性能能为为主主的的钢钢种种，其其类类型型很很多多，在在工工程程上上常常用用的主要有的主要有:不锈钢不锈钢 耐热钢耐热钢 耐磨钢耐磨钢 低温钢低温钢35.1 概述概述 不锈钢：不锈钢：具有抗腐蚀性能的钢种具有抗腐蚀性能的钢种 分类：

2、不锈钢分类：不锈钢（耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质）（耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质）耐酸钢耐酸钢（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质腐蚀）（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质腐蚀）用用途途：化化工工、石石油油、卫卫生生、食食品品、建建筑筑、航航空空、原原子能等行业。子能等行业。失效形式：失效形式：腐蚀腐蚀 第五章第五章 不锈钢不锈钢45.1 概述概述第五章第五章 不锈钢不锈钢化化工工管管道道的的腐腐蚀蚀裂解管裂解管内壁的内壁的高温腐高温腐蚀减薄蚀减薄55.2 金属腐蚀金属腐蚀一、金属腐蚀过程一、金属腐蚀过程1 1、腐蚀、腐蚀 介质作用下金属破坏现象介质作用下金属破坏现象2 2、种类、种类 化学腐蚀、电化学腐蚀化学腐

3、蚀、电化学腐蚀3 3、钝化、钝化 表面形成致密氧化膜表面形成致密氧化膜第五章第五章 不锈钢不锈钢65.2 金属腐蚀金属腐蚀“多相多相”易腐蚀，单相不易腐蚀易腐蚀，单相不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀(CrCr、NiNi提高基体电极电位提高基体电极电位)表面致密的氧化膜也耐腐蚀表面致密的氧化膜也耐腐蚀(AlAl2 2O O3 3、CrCr2 2O O3 3)第五章第五章 不锈钢不锈钢75.2 金属腐蚀金属腐蚀二、腐蚀种类二、腐蚀种类 1 1、一般腐蚀：、一般腐蚀：金属表面大面积均匀腐蚀金属表面大面积均匀腐蚀 2 2、晶界腐蚀：、晶界腐蚀：沿晶界腐蚀，降强度；晶界和晶内成分

4、沿晶界腐蚀，降强度；晶界和晶内成分或应力差别，造成电势差。或应力差别，造成电势差。3 3、应力腐蚀、应力腐蚀：腐蚀介质及拉应力作用破裂，沿晶或穿：腐蚀介质及拉应力作用破裂，沿晶或穿晶脆断晶脆断 4 4、点腐蚀：、点腐蚀：金属局域表面腐蚀，纵深发展穿裂金属金属局域表面腐蚀，纵深发展穿裂金属 5 5、腐蚀疲劳：、腐蚀疲劳：腐蚀介质和交变应力作用，腐蚀坑腐蚀介质和交变应力作用，腐蚀坑+裂裂纹，纹，防止防止腐蚀腐蚀措施：措施：1 1、单一相；、单一相；2 2、钝化层；、钝化层；3 3、减少电位差、减少电位差第五章第五章 不锈钢不锈钢5.2 金属腐蚀金属腐蚀8钢腐蚀钢腐蚀：基体电极电势低，产生微电池阳极

5、效：基体电极电势低，产生微电池阳极效应引起。应引起。防腐途径：防腐途径：1 1、提高金属基体电极电位（加、提高金属基体电极电位（加CrCr）；）；2 2、金属表面易于钝化；、金属表面易于钝化；3 3、单相组织，均匀成分和纯度。、单相组织，均匀成分和纯度。第五章第五章 不锈钢不锈钢5.3 不锈钢的合金化原理不锈钢的合金化原理9一、不锈钢钝化一、不锈钢钝化钝化：钝化：金属表面在特殊介质中表面失去活性的现象。金属表面在特殊介质中表面失去活性的现象。实质：实质：改变金属表面状态，电极电位提高。改变金属表面状态，电极电位提高。钝化机理：钝化机理：A、氧化膜生成，且致密，降低金属的溶解速率，电、氧化膜生成

6、，且致密，降低金属的溶解速率，电极反应（阳极反应）受阻，金属的稳定性提高；极反应（阳极反应）受阻，金属的稳定性提高；B、钝化膜下面的及膜表面有氧吸附，吸附的氧能饱、钝化膜下面的及膜表面有氧吸附，吸附的氧能饱和金属表面原子的未饱和位，产生钝化，化学反应和金属表面原子的未饱和位，产生钝化，化学反应速率降低。速率降低。第五章第五章 不锈钢不锈钢5.3 不锈钢的合金化原理不锈钢的合金化原理10合金元素合金元素CrCr、AlAl、SiSi等等加入：加入：1 1、钢表面生成致密钝、钢表面生成致密钝化膜，化膜，CrCr2 2O O3 3、AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2，防腐；，防腐；2 2、

7、MoMo、CuCu等元素加入等元素加入加剧钝化效果，提高加剧钝化效果，提高抗钢氧化性和耐蚀性。抗钢氧化性和耐蚀性。第五章第五章 不锈钢不锈钢5.3 不锈钢的合金化原理不锈钢的合金化原理11二、合金元素对铁的电极电势影二、合金元素对铁的电极电势影响响1 1、CrCr元素加入形成固溶体时，元素加入形成固溶体时，提高其电极电位，有一定加入提高其电极电位，有一定加入量要求，产生电势突变；量要求，产生电势突变；n/8n/8规律规律2 2、最低含、最低含CrCr量：量：11.7%11.7%。钢中有。钢中有C C，形成碳化物，即加，形成碳化物，即加CrCr量最量最小为小为13%13%。第五章第五章 不锈钢不

8、锈钢5.3 不锈钢的合金化原理不锈钢的合金化原理12三、合金元素对不锈钢基体组织的影响三、合金元素对不锈钢基体组织的影响MeMe与与FeFe的相互作用的特点分类的相互作用的特点分类 A A形成元素：形成元素：C C、N N、CuCu、MnMn、NiNi等；等；F F形成元素：形成元素：CrCr、SiSi、TiTi、NbNb、MoMo等。等。说明：说明：A A、Cr-NiCr-Ni复合复合18%Cr-8%Ni18%Cr-8%Ni，降单一元素含量，降单一元素含量，Ni30Ni30%，若节约，若节约NiNi，加，加MnMn、N N等替代等替代B B、C C作用大，扩大作用大，扩大A A区，形成碳化物

9、，减低耐腐蚀性区，形成碳化物，减低耐腐蚀性 对钢有硬度和耐腐蚀性要求时加大含量对钢有硬度和耐腐蚀性要求时加大含量C C、改善不锈钢切削性能，加入少量、改善不锈钢切削性能，加入少量S S、P P元素元素D D、RERE有一定作用有一定作用第五章第五章 不锈钢不锈钢5.3 不锈钢的合金化原理不锈钢的合金化原理13中国的不锈钢中国的不锈钢的分类和发的分类和发展展第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢不锈钢种类和特点种类和特点14不锈钢按其正火组织不同分类：不锈钢按其正火组织不同分类：马氏体型；铁素体型；奥氏体型；双相型；沉淀硬化型；马氏体型；铁素体型；奥氏体型；双相型；沉淀硬化型；5.4 不锈钢种

10、类和特点不锈钢种类和特点第五章第五章 不锈钢不锈钢一、马氏体不锈钢一、马氏体不锈钢典型钢种：典型钢种：1Cr131Cr134Cr134Cr13、9Cr189Cr18特性：特性：在氧化性气氛中，在氧化性气氛中，如大气、海水、氧化性如大气、海水、氧化性酸，耐蚀性较好；在菲酸，耐蚀性较好；在菲氧化性气氛中，如强酸、氧化性气氛中，如强酸、碱中，耐蚀性很低。碱中，耐蚀性很低。15化学成分化学成分牌号牌号（含义）（含义）热处理工艺热处理工艺 淬火淬火+回火回火机械性能机械性能用途用途5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点第五章第五章 不锈钢不锈钢16说明：说明：1 1、1Cr131Cr13：低碳，不预热

11、可弯曲、焊接，卷边等；：低碳，不预热可弯曲、焊接，卷边等；2Cr132Cr13：焊接预热，冷变形不预热；：焊接预热，冷变形不预热；2 2、M M不锈钢：酸性介质中氢脆断裂；中性介质阳极溶不锈钢：酸性介质中氢脆断裂；中性介质阳极溶解造成应力腐蚀开裂；同时提供冶炼质量（提高纯度、解造成应力腐蚀开裂；同时提供冶炼质量（提高纯度、降夹杂物含量等）；降夹杂物含量等）；3 3、M M中含中含CrCr，淬透性好，锻后缓冷，防形成，淬透性好，锻后缓冷，防形成M M；工件获得工件获得M M后，高温回火，降硬度便于机加工；后，高温回火，降硬度便于机加工；4 4、M M不锈钢，淬火后通常高温回火；高硬度、耐磨性不锈

12、钢，淬火后通常高温回火；高硬度、耐磨性场合，低温回火；场合，低温回火；5 5、M M不锈钢有回火脆性，回火后快冷；不锈钢有回火脆性，回火后快冷；400-600400-600回火回火易出现应力腐蚀开裂。易出现应力腐蚀开裂。5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点第五章第五章 不锈钢不锈钢17二、铁素体不锈钢：二、铁素体不锈钢：碳碳0.25%0.25%、Cr13Cr133030，耐蚀性优于马氏体耐蚀性优于马氏体钢。钢。Cr Cr铁素体形成元素，此类钢从室温到高温铁素体形成元素，此类钢从室温到高温(1000(1000左右左右)均为单相铁素体；均为单相铁素体；性能：性能：塑性加工、切削加工和焊接性较优

13、。塑性加工、切削加工和焊接性较优。用途：用途：对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。常见：常见：0 0Cr13Cr13、1Cr171Cr17、1Cr281Cr28等。等。5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点第五章第五章 不锈钢不锈钢18化学成分化学成分 类型类型 Cr17Cr17、Cr25Cr25、Cr28Cr28型型牌号牌号（含义）（含义）热处理工艺热处理工艺 固溶处理固溶处理+回火回火 或退火或退火+快冷快冷第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点19铁素体不锈钢

14、铁素体不锈钢的缺点：的缺点：韧性低、脆性大韧性低、脆性大原因原因：1 1、无相变，晶粒粗大，控锻温度，加、无相变，晶粒粗大，控锻温度，加TiTi抑制抑制2 2、475 475 脆性脆性400-525400-525长时间加热或此区间缓冷，塑长时间加热或此区间缓冷，塑韧性下降，强度升高韧性下降，强度升高 机理机理：F F中中CrCr有序化，富有序化，富CrCr的的BCCBCC相生成，与基体共相生成，与基体共格，点阵畸变，内应力增加；格，点阵畸变，内应力增加；TiTi、NbNb、MoMo、SiSi加强，加强，NiNi降低其倾向降低其倾向 消除消除：700-800 700-800 加热，快冷通过即可加

15、热，快冷通过即可3 3、相脆性相脆性 -550-850-550-850区间长时间停留，区间长时间停留，F F中析出中析出相；相；MnMn、SiSi、W W、V V、AlAl促进产生促进产生 相相：FeCrFeCr生成，其体积畸变，晶界分布；造成材生成，其体积畸变，晶界分布；造成材料脆性、晶界腐蚀料脆性、晶界腐蚀 消除消除：加热到：加热到820820以上，溶解后快冷以上，溶解后快冷第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点20第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点215.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点第五章第五章 不锈钢不锈钢用途：用途：

16、制造生产酸类的化工设备，低温设备构件制造生产酸类的化工设备，低温设备构件冷变形后的不锈钢零件（发条等）冷变形后的不锈钢零件（发条等）化学成分化学成分 类型类型 Cr18-Ni8Cr18-Ni8型型 牌号牌号(含义含义):):1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及及0Cr18Ni9等等热处理工艺热处理工艺 固溶处理固溶处理(单相单相)、稳定化处理、去应力处理、稳定化处理、去应力处理22第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈不锈钢种类和钢种类和特点特点奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢的成分、性能的成分、性能和热处理和热处理23 奥氏体奥氏体不锈钢不锈钢的成分、的成分、性能和性能和热处理热处理（续）（续）

17、第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点24热处理工艺：热处理工艺：A A、固溶处理、固溶处理1060115010601150保温水淬，熔碳化物于保温水淬，熔碳化物于A A中，中，提高耐蚀性提高耐蚀性B B、稳定化处理、稳定化处理-固溶处理后进行，应用于含固溶处理后进行，应用于含TiTi、NbNb的的18-818-8钢；加热钢；加热850-880850-880保温空冷，熔保温空冷，熔CrCr化物，保留化物，保留TiTi化物，消除晶界腐蚀化物，消除晶界腐蚀C C、去应力处理、去应力处理-钢焊接或冷变形的残余应力，加热钢焊接或冷变形的残余应力，加热300-350300-3

18、50回火，不含回火，不含TiTi、NbNb元素钢稳定小于元素钢稳定小于450 450，防析出防析出CrCr化物，晶界腐蚀化物，晶界腐蚀第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点25 奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：但抗局部腐蚀方面问题：1 1、A A不锈钢晶界腐蚀不锈钢晶界腐蚀 450-850 450-850 保温或缓冷，晶界腐蚀，保温或缓冷，晶界腐蚀，C%C%高严重高严重 机理：机理：晶界析出晶界析出Cr23C6Cr23C6，周边基体贫，周边基体贫CrCr，产生腐蚀电，产生腐蚀电池。池。措施：措施：A A、降低、降

19、低C%C%，防析出，防析出CrCr化物化物 B B、加、加TiTi、NbNb，与，与C C析出化合物，防止析出化合物，防止CrCr化物析出化物析出 C C、调整合金元素形成、调整合金元素形成A+FA+F组织组织 D D、改变热处理工艺（前述）、改变热处理工艺（前述）第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点26 奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：但抗局部腐蚀方面问题：2 2、A A不锈钢的应力腐蚀不锈钢的应力腐蚀 应力与腐蚀综合作用下的材料开裂，简称应力与腐蚀综合作用下的材料开裂，简称SCCSCC 易在含易在含ClCl

20、离子腐蚀介质中产生离子腐蚀介质中产生措施：措施：加入加入SiSi元素，降低元素，降低P P、SbSb、BiBi、PbPb等含量等含量3 3、A A不锈钢的点腐蚀不锈钢的点腐蚀 在酸性介质或碱性介质中腐蚀在酸性介质或碱性介质中腐蚀第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点27 奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：但抗局部腐蚀方面问题：3 3、A A不锈钢的点腐蚀不锈钢的点腐蚀 机理：机理：阴离子阴离子ClCl在氧化膜上吸附后离子穿过钝化膜所致；在氧化膜上吸附后离子穿过钝化膜所致；措施：措施：均匀成分、组织，减少夹杂物数量；

21、均匀成分、组织，减少夹杂物数量；合金化合金化加加CrCr、MoMo、N N等元素，主加等元素，主加MoMo元素元素 主加主加MoMo原因元素：原因元素：MoMo与与ClCl形成形成MoClMoCl2 2化合物保护膜，防止化合物保护膜，防止ClCl离子穿过钝化膜离子穿过钝化膜第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点28 奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，奥氏体不锈钢抗均匀腐蚀性能良好，但抗局部腐蚀方面问题：但抗局部腐蚀方面问题：4 4、A A不锈钢的形变强化不锈钢的形变强化 良好的冷变形性能，大量变形强度提高良好的冷变形性能，大量变形强度提高 原因：原因：冷作硬化，形变诱

22、发冷作硬化，形变诱发M M转变转变 冷变形热处理工艺：冷变形热处理工艺：形变后再结晶温度随变形量而改变，形变后再结晶温度随变形量而改变，如如60%60%变形，再结晶温度变形，再结晶温度650 650 第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点29四、奥氏体四、奥氏体铁素体双相不锈钢铁素体双相不锈钢成分：成分：A A不锈钢基础上，增加不锈钢基础上，增加CrCr含量，减少含量，减少NiNi含量，并固溶处理得含量，并固溶处理得A+FA+F双相组织双相组织 典型钢：典型钢：0Cr21Ni5Ti0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti1Cr21Ni5Ti、0Cr21Ni6Mn2

23、Ti0Cr21Ni6Mn2Ti特点：特点：焊接性较好，焊后不需热处理，晶界腐蚀、焊接性较好，焊后不需热处理，晶界腐蚀、应力腐蚀倾向小应力腐蚀倾向小 因含因含CrCr高，易形成高，易形成相相第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点30五、沉淀硬化不锈钢（超高强度钢）五、沉淀硬化不锈钢（超高强度钢）种类：种类：1 1、Cr18Ni9Cr18Ni9基础上发展的基础上发展的A+MA+M沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢 2 2、Cr13Cr13基础上发展的低碳基础上发展的低碳M M沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢特点：特点：均为形成低碳均为形成低碳M M组织组织+时效处理（沉淀硬化）时

24、效处理（沉淀硬化）所得的超高强度钢所得的超高强度钢应用：应用：良好焊接性，宇航和航空技术上使用良好焊接性，宇航和航空技术上使用第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点31牌牌号号和和化化学学成成分分第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点321 1、A+MA+M沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢成分：成分：低低C C、A A组织不稳定、良好加工性能、组织不稳定、良好加工性能、MsMs略高、略高、A A组织不稳定部分转变组织不稳定部分转变M M，再时，再时效处理析出金属间化合物强化效处理析出金属间化合物强化元素：元素：AlAl、TiTi、MoMo和和

25、NiNi、MnMn、CuCu热处理：热处理：A A、两次时效：、两次时效：1050 1050 固溶固溶+750*1.5h+750*1.5h（控（控MsMs点）点）得得M+510-560*0.5hM+510-560*0.5h时效析出时效析出第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点33B B、冷处理加时效、冷处理加时效 1050 1050固溶固溶+950*1.5h+950*1.5h（控（控MsMs点）得部分点）得部分M+-M+-73*8h73*8h冷处理冷处理 +510*1h+510*1h时效析出时效析出C C、冷加工加时效、冷加工加时效 1050 1050固溶固溶+室温

26、冷塑性变形获得室温冷塑性变形获得M+450*1hM+450*1h时效析出时效析出机械性能：机械性能：43-50HRC43-50HRC，b b=1400-1850MPa=1400-1850MPa第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点342 2、M M沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢成分：成分：Cr13Cr13型型M M不锈钢基础上加不锈钢基础上加MoMo、W W、TiTi、NbNb等，降低等，降低MsMs点点热处理：热处理：1050 1050 固溶形成固溶形成M+400-650M+400-650时时效析出金属化合物效析出金属化合物机械性能：机械性能：硬度较高，机加工较差硬度较高，机加工较差应用：火箭或导弹蒙皮材料应用：火箭或导弹蒙皮材料第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点35六、不锈钢的发展（自学）六、不锈钢的发展（自学）第五章第五章 不锈钢不锈钢5.4 不锈钢种类和特点不锈钢种类和特点36