合金元素对不锈钢组织和性能的影响.docx

不锈钢的分类1、按化学成分可分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢、铬镍钼不锈钢以及超低碳不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等。2、按金相组织可分为：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体一铁素体不锈钢等。3、按钢的性能特点和用途分：如耐硝酸（硝酸级）不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力不锈钢、高强度不锈钢等。4、按钢的功能特点分：如低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢，超塑性不锈钢等。不锈钢钢种的发展过程如下图所示合金元素对不锈钢组织和性能的影响注：口强作用，中等作用，弱作用提高不锈钢的耐蚀性的途径(1)使不锈钢对具体使用的介质具有稳定钝化区的阳极极化曲线。(2)提高不锈钢基体的电极电位，降低腐蚀原电池的电动势。(3)使钢具有单相组织，减少微电池的数量。(4)在钢表面生成稳定的保护膜，如钢中加硅、铝、铬等，在许多腐蚀和氧化的场合能形成致密的保护膜，提高钢的耐蚀性。(5)减少或消除钢中各种不均匀现象也是提高钢耐蚀性的重要措施。在钢中加入合金元素是实现提高耐腐蚀性的主要方法，加入不同的合金元素，可以通过一条途径或几条途径同时产生作用，使钢的耐腐蚀性提高。合金元素对铁的极化和电极电位的影响合金元素的种类及含量直接影响不锈钢的耐腐蚀性，合金元素的作用首先是对铁的极化性能和电极电位的影响。01合金元素对铁的极化性能的影响常用的Fe、Cr、Ni、Ti等金属的阳极极化过程具有独特的极化形式。阳极通路后，阳极电位升高，阳极电流(腐蚀速度)随之变化，几乎有着相同的规律，极化曲线的典型形式如下图所示。随着阳极极化电位的升高，腐蚀电流不是均匀的降低，而是先增加，然后减少到最小，并保持这个电流经一定的电位升高阶段，然后电流再增加。这类极化曲线称为具有活化、钝化转变的阳极极化曲线，并把这类曲线分为3个区域：活化区（A）、钝化区（B）、过钝化区（T）。图具有活化、钝化转变金属的阳极极化曲线极化作用对提高金属的耐腐蚀性意义很大，增强阳极极化或阴极极化的因素，都能提高金属的耐腐蚀性；去阳极极化或去阴极极化的因素，都将降低金属的耐腐蚀性。不同的合金元素对铁的极化性能影响不同。扩大钝化区的元素，即降低Ecp、P区电位和升高Er点电位的元素都提高钢的耐蚀性；凡使钝化性能增强，即Icp、I1点位置左移的元素，都会减小腐蚀电流，改善耐蚀性。凡使Er点电位升高的元素都有降低点腐蚀倾向，因为Er点电位低时，当电位在过钝化电位附近波动时，容易导致钝化膜局部击穿，产生点蚀。钢中常用的合金元素中，Cr元素能够强烈地提高纯铁的钝化性能，可以使Ecp、Ep、Er点电位升高，Icp、I1点位置左移，Cr是改善铁的耐蚀性最有效的元素。合金元素Ni、Si、Mo等也能不同程度的扩大钝化区，增强钝化性能。Mo不仅能增强铁的钝化性能，还能升高Er点的电位，从而提高铁的抗点蚀性能。02对铁的电极电位的影响一般金属固溶体的电极电位总是比其他化合物的电极电位低，所以在腐蚀过程中，金属固溶体总是作为阳极而被腐蚀。提高铁的电极电位，即可提高耐蚀性。研究表明，当Cr加入铁中形成固溶体时，铁固溶体的电极电位能显著提高，如下图所示。材料电极电位的提高，可使材料的耐蚀性得到明显改善。图铬对Fe-Cr合金电极电位的影响由于铬对铁钝化性能和电极电位的良好作用，使铬成为各种不锈钢的主要合金化元素。合金元素对不锈钢耐蚀性和基体组织的影响 不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和工艺性能的保证，而更重要的是具有良好的耐蚀性的保证。单相铁素体钢、单相奥氏体钢是不锈钢中耐蚀性较好的两类钢。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()稳定剂还是奥氏体（）稳定剂。稳定剂的元素占优势可获得单相不锈钢；反之则获得单相不锈钢。01合金元素对不锈钢耐腐蚀性的影响1铬铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，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，耐蚀性也随之提高。铬元素是稳定化元素。铬的氧化物比较致密，可形成耐蚀的保护膜。2碳和氮碳能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力约为Ni的30倍；同时，又是不锈钢强化的主要元素；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；同时碳会使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏，使铁素体不锈钢变脆，因此在不锈钢的生产中和开发中，碳的应用和控制是一项重要的工作。碳和铬的配合对形成不锈钢组织的影响如下图所示。图中表明，在含碳量较低，含铬量较高时，会获得铁素体组织;当含碳量较高，含铬量较低时，会得到马氏体组织。在铬不锈钢中，当含铬量在17%以下时，随着含碳量的增加，可以获得基体为马氏体的不锈钢。当含碳量较低，含铬量在13%时，就可以获得铁素体不锈钢。当含铬量从13%增加到27%时，由于铬含量增加，稳定铁素体的能力增加，钢中碳含量相应的增加（从0.05%到0.2%），仍能保持铁素体基体。图碳和铬的配合对不锈钢组织的影响3镍镍是不锈钢中3个重要元素之一，镍能够提高不锈钢的耐蚀性；镍还是相稳定化元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体形成的主要元素。镍能有效地降低Ms点，使奥氏体能保持到很低的温度（-50以下）不发生马氏体转变。镍含量的增加会降低C、N在奥氏体钢中的溶解度，从而使碳氮化合物脱溶析出的倾向增加。随着镍含量的提高，产生晶间腐蚀的临界含碳量降低，即钢的晶间腐蚀敏感性增加。镍对奥氏体不锈钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀的影响并不显著。此外，镍还可以提高奥氏体不锈钢的高温抗氧化性能，这主要与镍改善铬的氧化膜的成分、结构和性能有关，但镍的存在会降低钢的抗高温硫化性能。4锰锰是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体组织的作用。锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni，2%Mn相当1%Ni。锰也能提高铬不锈钢在有机酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐蚀性，而且比镍更有效。当钢中Cr含量大于14%时，仅靠加入Mn无法获得单一的奥氏体组织。由于不锈钢中Cr含量大于17%时才有比较好的耐蚀性，因此工业上已应用的Mn代Ni的奥氏体不锈钢主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型钢，如12Cr18Mn9Ni5N等，而无镍的Fe-Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的用量较少。5氮氮元素在早期主要用于Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢中，以节约Ni元素。近年来氮已经成为Cr-Ni奥氏体不锈钢的重要合金元素。在奥氏体不锈钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织，提高强度、耐腐蚀性能，特别是局部耐腐蚀性能，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。在普通低碳、超低碳奥氏体不锈钢中，可以改善抗晶间腐蚀性能，其原因是氮影响敏化处理时碳化铬的析出过程，提高了晶界的铬浓度。在高纯奥氏体不锈钢中，没有碳化铬的沉淀析出。此时氮的作用有：一是氮增加钝化膜的稳定性，降低平均腐蚀率；二是含氮高的钢中虽有氮化铬析出，但氮化铬的沉淀速度很慢，敏化处理不会造成晶间贫铬，对晶间腐蚀影响很小。氮对磷在晶界偏聚有抑制作用，可以提高钢的耐晶间腐蚀作用。目前应用的含氮奥氏体不锈钢主要以耐腐蚀为主，同时具有较高的强度；可以分为控氮型、中氮型和高氮型3种类型。控氮型是在超低碳（C0.02%0.03%）Cr-Ni奥氏体不锈钢中加入0.05%0.10%N，用以提高钢的强度，同时优化钢的耐晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能；中氮型含有0.10%0.50%N，在正常大气压条件下冶炼和浇注；高氮型氮含量在0.40%以上，一般在增加压力的条件下冶炼和浇注，主要在固溶态或半冷加工态下使用，既具有高强度，又有耐腐蚀性。目前氮含量达到0.8%1.0%水平的高氮奥氏体钢已获得实际应用并开始工业化生产。6钛、铌、钼及稀土元素钛和铌是强碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。钛和铌的加入必须与钢中的碳保持一定的比例。钼能提高不锈钢的钝化能力，扩大其钝化介质范围，如在热硫酸、稀盐酸、磷酸和有机酸中。含钼的钝化膜在许多介质中具有很高的稳定性，不易溶解。可防止Cl-对钝化膜的破坏，所以含钼不锈钢具有抗点腐蚀的能力。稀土元素如Ce、La、Y等加入到不锈钢中，可以微量固溶在基体中，净化晶界，变质夹杂物，均匀组织，减少析出物的析出及在晶界的偏聚，从而改善钢的耐腐蚀性和力学性能。02合金元素对不锈钢组织的影响合金元素对不锈钢基体组织的影响可分为两大类:铁素体形成元素，如铬、铂、硅、钛、铌等；奥氏体形成元素，如碳、氮、镍、锰、铜等。当这两类作用不同的元素同时加入钢中时，不锈钢的组织就取决于它们的综合作用。为简单处理，将铁素体形成元素的作用折算成铬的作用，称为铬当量Cr，而把奥氏体形成元素折成镍的作用，称为镍当量Ni。根据铬当量Cr和镍当量Ni制成图来表示钢的实际成分和所得到的组织状态，如下图所示。图不锈钢组织状态图由图可以看出12Cr18Ni9钢处于A相区，是奥氏体不锈钢；Cr28不锈钢处于铁素体相区，是铁素体不锈钢；30Cr13不锈钢处于马氏体相区，是马氏体不锈钢。要获得单相奥氏体组织，这两类合金元素必须达到某种平衡，否则钢中就会出现一定量的铁素体组织，成为复相组织。合金成分、组织对不锈钢机械性能的影响01不锈钢的强化机制不锈钢的强化机制广泛地采用固溶强化，此外还有相变强化、第二相强化、细化晶粒强化、沉淀强化和亚结构强化等。如下图所示为在8%10%Ni奥氏体不锈钢中各种强化机制对屈服强度的贡献。图中表面：铬、硅、碳提供了基体的固溶强化，使奥氏体基体的屈服应力提高数倍；其次是铁素体第二相的存在和晶粒尺寸的细化、沉淀相析出，均使奥氏体获得大幅度强化。图中显示了在奥氏体不锈钢中，固溶强化是重要的强化机制，而晶粒细化对强度的贡献最大。图影响奥氏体不锈钢强度的因素02各类不锈钢的强度和塑性各类不锈钢由于成分和组织状态不同，性能也不同，各类不锈钢的强度和塑性比较如下图所示。图各类不锈钢和纯铁的强度与塑性比较在所有的不锈钢中奥氏体不锈钢塑性最好，沉淀硬化不锈钢的强度最高。马氏体不锈钢具有较好的综合机械性能，即具有较高的强度和一定的延展性。铁素体+奥氏体双相不锈钢的强度较高、延展性也较好；铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢的强度性能相近，但后者的延展性远较其他各类不锈钢为高。(图中为了比较还列有纯铁的曲线)。腐蚀介质对不锈钢耐蚀性的影响 金属的耐蚀性不仅与金属材料本身有关，还与腐蚀介质的种类、浓度、温度及压力等腐蚀环境的条件有关。在实际的应用中，腐蚀介质的氧化能力影响最大，因此要根据工作介质的特点来正确选择使用不锈钢的钢种。在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质中，只要不锈钢基体固溶的Cr含量大于13%，就能够保证不锈钢的耐蚀性。如水压机阀门、蒸汽发电机透平叶片、水蒸气管道等部件。在氧化性介质中，如硝酸，硝酸的NO3-具有强的氧化性，不锈钢表面的氧化膜容易形成，钝化时间短。但酸中的H+是阴极去极化剂，随着H+浓度的增加，阴极的去极化作用加强，钝化所需要的铬含量也增加，因此只有含高铬的氧化膜在硝酸中才具有很好的稳定性。在沸腾的硝酸中，12Cr13不锈钢不耐蚀，铬含量为17%30%的Cr17、Cr30钢在浓度为0%65%范围内的硝酸中是耐蚀的。在非氧化性介质中，如稀硫酸、盐酸、有机酸，这类腐蚀介质的含氧量低，钝化所需时间要延长。当介质中含氧量低到一定程度时，不锈钢就不能钝化。如在稀硫酸中，由于介质中SO42-不是氧化剂，且溶于介质中的氧含量比较低，基本上没有使钢钝化的能力，铬不锈 钢的腐蚀速度甚至比碳钢还快，所以一般的Cr不锈钢或Cr-Ni不锈钢难以达到钝化状态，因而不耐腐蚀。因此，在这类介质中工作的不锈钢需要加入提高钢钝化能力的元素，如钼、铜等元素。盐酸也是非氧化性酸，不锈钢在其中也不耐腐蚀，一般需采用Ni-Mo合金，在合金表面生成稳定的保护膜，保证合金不被腐蚀。在强有机酸中，由于介质中氧含量低，同时又有H+存在，一般铬和铬镍不锈钢难以钝化，必须在钢中加入Mo、Cu、Mn等元素，提高不锈钢的钝化能力。所以选择Cr-Mn型不锈钢较好，在此基础上再加入一定量的Mo、Cu使钢容易钝化，耐腐蚀。在含有Cl-的介质中，Cl-容易破坏不锈钢表面的氧化膜，穿过氧化膜并与钢表面起作用，使钢产生点腐蚀。因此海水对不锈钢有很大的腐蚀性。实际上，还没有哪一种不锈钢能够抵抗所有介质的腐蚀。所以必须根据具体的腐蚀环境，结合各类不锈钢的特点，综合考虑选择不锈钢。