不锈钢性能与组织
发布时间:2019-02-08 05:36
今朝已知的化学元素有100多种,在财产中常常操作的钢铁材料中可以碰着的化学元素约二十多种。对于人们在与侵蚀现象作长久奋斗的实践而组成的不锈钢这一不凡钢系列来讲,最常常操作的元素有十几种,除了组成钢的根底元素铁以外,对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是:碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外,都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。 
现实上财产上操作的不锈钢都是同时存在几种甚至十几种元素的,当几种元素共存于不锈钢这一个同一体中时,它们的影响要比孤立存在时复杂很多,由于在这类景象下不单要考虑各元素本人的浸染,而且要正视它们彼此之间的影响,是以不锈钢的组织决定于各类元素影响的总和。 
1).各类元素对不锈钢的性能和组织的影响和浸染 
1-1.铬在不锈钢中的决定浸染:决定不锈钢性属的元素只有一种,这就是铬,每种不锈钢都含有必定数方针铬。迄今为止,还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决定不锈钢性能的重要元素,根柢的启事是向钢中添加铬作为合金元素往后,促使其内部的抵触步履向有益于抵当侵蚀破损的方面成长。这类转变可以从以下方面获得申明:
①铬使铁基固溶体的电极电位前进
②铬领受铁的电子使铁钝化
钝化是由于阳极反响被禁止而激发金属与合金耐侵蚀性能被前进的现象。组成金属与合金钝化的理论很多,重要有薄膜论、吸附论及电子列举论。
1-2. 碳在不锈钢中的两重性 
碳是财产用钢的重要元素之一,钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其散布的情势,在不锈钢中碳的影响尤其较着。碳在不锈钢中对组织的影响重要默示在两方面,一方面碳是不变奥氏体的元素,而且浸染的程度很大(约为镍的30倍),此外一方面由于碳和铬的亲和力很大,与铬组成-系列复杂的碳化物。所以,从强度与耐腐烛性能两方面来看,碳在不锈钢中的浸染是彼此抵触的。 
熟谙了这一影响的纪律,我们便可以从分歧的操作请求解缆,选择分歧含碳量的不锈钢。 
例如财产中操作最广泛的,也是最最少的不锈钢--0Crl3~4Cr13这五个钢号的标准含铬量规定为12~14%,就是把碳要与铬组成碳化铬的成分考虑出来往后才决定的,方针即在于使碳与铬连系成碳化铬往后,固溶体中的含铬量不致低于11.7%这一最低限度的含铬量。 
就这五个钢号来讲由于含碳量分歧,强度与耐侵蚀性能也是有辨此外,0Cr13~2Crl3钢的耐侵蚀性较好但强度低于3Crl3和4Cr13钢,多用于制作结构零件,后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制作弹簧、刀具等请求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18-8铬镍不锈钢的晶间侵蚀,可以将钢的含碳量降至0.03%以下,或者插手比铬和碳亲和力更大的元素(钛或铌),使之不组成碳化铬,再如当高硬度与耐磨性成为重要请求时,我们可以在增长钢的含碳量的同时适当地前进含铬量,做到既满足硬度与耐磨性的请求,又兼顾-定的耐侵蚀功效,财产上用作轴承、量具与刃存在不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢,含碳量虽高达0.85~0.95%,由于它们的含铬量也响应地前进了,所以仍保障了耐侵蚀的请求。 
总的来讲,今朝财产中获得操作的不锈钢的含碳量都是斗劲低的,大大都不锈钢的含碳量在0.1~0.4%之间,耐酸钢则以含碳0.1~0.2%的占大都。含碳量大于0.4%的不锈钢仅占钢号总数的一小部分,这是由于在大大都操作条件下,不锈钢总是以耐侵蚀为重要方针。此外,较低的含碳量也是出于某些工艺上的请求,如易于焊接及冷变形等。 
1-3. 镍在不锈钢中的浸染是在与铬配合后才阐扬出来的镍是精采的耐侵蚀材料,也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是组成奥氏体的元素,但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织,含镍量要达到24%;而只有含镍27%时才使钢在某些介质中的耐侵蚀性能较着转变。所以镍不能孤立组成不锈钢。可是镍与铬同时存在于不锈钢中时,含镍的不锈钢却存在很多可贵的性能。 
基于上面的景象可知,镍作为合金元素在不锈钢中的浸染,在于它使高铬钢的组织产生转变,从而使不锈钢的耐侵蚀性能及工艺性能获得某些改良。 
1-4. 锰和氮可以庖代铬镍不锈钢中镍 
铬镍奥氏体钢的好处当然很多,但近几十年出处于镍基耐热合金与含镍20%以下的热强钢的大批成长与操作,以及化学财产日趋成长对不锈钢的需要量愈来愈大,而镍的矿藏量较少且又集平散布在多数地区,是以在世界规模内闪现了镍在供和需方面的抵触。所以在不锈钢与很多其他合金规模(如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等)中,出格是镍 的本钱斗劲窘蹙的国家,广泛地睁开了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践,在这方面研究和操作斗劲多的是以锰和氮来庖代不锈钢与耐热钢中的镍。 
锰对于奥氏体的浸染与镍近似。但说得切当一些,锰的浸染不在于组成奥氏体,而是在于它降落钢的临界淬火速度,在冷却时增长奥氏体的不变性,按捺奥氏体的分化,使低温下组成的奥氏体得以连结到常温。在前进钢的耐侵蚀性能方面,锰的浸染不大,如钢中的 含锰量从0到10.4%转变,也不使钢在空气与酸中的耐侵蚀性能产生较着的转变。这是由于锰对前进铁基固溶体的电极电位的浸染不大,组成的氧化膜的防护浸染也很低,所以财产上虽有以锰合金化的奥氏体钢(如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等),但它们不能作为不锈钢操作。 锰在钢中不变奥氏体的浸染约为镍的二分之一,即2%的氮在钢中的浸染也是不变奥氏体,而且浸染的程度比镍还要大。例如,欲使含18%铬的钢在常温下获得奥氏体组织,以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢,今朝已在财产中获得操作,有的已成功地庖代了经典的18-8铬镍不锈钢。 
1-5.不锈钢中加钛或铌是为了不晶间侵蚀。 
1-6.钼和铜可以前进某些不锈钢的耐侵蚀性能。 
1-7.其他元素对不锈钢的性能和组织的影响 
以上重要的九种元素对不锈钢的性能和组织的影响,除这些元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外,不锈钢中还含有一些其他的元素。有的是和个别钢一样为常存杂质元素,如硅、硫、磷等.也有的是为了某些特定的方针而插手的,如钴、硼、硒、稀土元素等。从不锈钢的耐侵蚀性能这一重要性质来讲,这些元素相对已构和的九种元素,都是非重要方面的,当然如此,但也不能完整轻忽,由于它们对不锈钢的性能与组织一样也产生影响。 
硅是组成铁素体的元素,在个别不锈钢中为常存杂质元素。 
钴作为合金元素在钢中操作未几,这是由于钴的价格高及其在其它方面(如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等)有着更重要的用处。在个别不锈钢中加钴作合金元素的也未几,常常操作不锈钢如9Crl7MoVCo钢(含1.2-1.8%钴)加钴,方针实在不在于前进耐侵蚀性能而在于前进硬度,由于这类不锈钢的重要用处是制作切片机械刃具、铰剪及手术刀片等。 
硼:高铬铁素体不锈钢Crl7Mo2Ti钢中加0.005%硼,可使在沸腾的65%醋酸中的耐侵蚀性能前进。加微量的硼(0.0006~0.0007%)可使奥氏体不锈钢的热态塑性改良。少量的硼由于组成低熔点共晶体,使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的偏向增大,但含有较多的硼(0.5~0.6%)时,反而可防止热裂纹的产生。由于当含有0.5~0.6%的硼时,组成奥氏体-硼化物两相组织,使焊缝的熔点降落。熔池的凝固温度低于半熔解区时,母材在冷却时产生的张应力,由处于液态.固态的焊缝金属遭遇,此时是不致激发裂缝的,即便在近缝区组成了裂纹,也可感触处于液态-固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能财产中有着不凡的用处。
磷:在个别不锈钢中都是杂质元素,但其在奥氏体不锈钢中的风险性不像在个别钢中那样较着,故含量可答应高一些,若有的材料提出可达0.06%,以利于冶炼节制。个此外含锰的奥氏体钢的含磷量可达0.06%(如2Crl3NiMn9钢)甚至0.08%(如Cr14Mnl4Ni钢)。独霸磷对钢的强化浸染,也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素,PH17-10P钢(含0.25%磷)乃PH-HNM钢(含0.30磷)等。 
硫和硒:在个别不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0.2~0.4%的硫,可前进不锈钢的切削性能,硒也存在一样的浸染。硫和硒前进不锈钢的切削性能,是由于它们降落不锈钢的韧性,例如个别18-8铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含0.31%硫的18-8钢(0.084%C、18.15%Cr、9.25%Ni)的冲击值为1.8公斤/平方厘米;含0。22%硒的18-8钢(0.094%C、18.4%Cr、9%Ni)的冲击值为3.24公斤/平方厘米。硫与硒均降落不锈钢的耐侵蚀性能,所以现实操作它们作为不锈钢的合金化元素的很少。 
稀土元素:稀土元素操作于不锈钢,今朝重要在于改良工艺性能方面。如向Crl7Ti钢和Cr17Mo2Ti钢中加少量的稀土元素,可以消弭钢锭中因氢气激发的气泡和削减钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体-铁素体不锈钢中加0.02~0.5%的稀土元素(铈镧合金),可较着改良铸造性能。曾有一种含19.5%铬、23%镍以及钼铜锰的奥氏体钢,由于热加工工艺性能在畴昔只能生产铸件,加稀土元素后则可轧制成各类型材。 
2).按金相组织对不锈钢的分类及各类不锈钢的个别特点 
按化学成分(主若是含铬量)及用处,不锈钢分为不锈与耐酸两大类。财产上还按自低温(900-1100度)加热空气冷却后钢的基体组织的类型对不锈钢进行分类,这是基于我们上面所构和的碳及合金元素对不锈钢组织影响的特点决定的。 
财产上操作的不锈钢按金相组织可分为三大类:铁素体不锈钢,马氏体不锈钢,奥氏体不锈钢。可以把这三类不锈钢的特点归纳(以下表),但需要申明的是马氏体不锈钢实在不是都不成焊接,只是受某些条件的限制,如焊前应预热焊后应作低温回火等,而使焊接工艺斗劲复杂。现实生产中一些马氏体不锈钢如1Cr13,2Cr13以及2Cr13与45钢焊接还是斗劲多的。 
不锈钢的分类、重要成分及性能斗劲 
分类 概况成分 (%) 淬火性 耐蚀性 加工性 可焊接性 磁性
C Cr Ni 
铁素系统 0.35以下 16-27 - 无 佳 尚佳 尚可 有
马氏系统 1.20以下 11-15 - 自硬性 可 可 不成 有
奥氏系统 0.25以下 16以上 7以上 无 优 优 优 无
以上分类仅是按钢的基体组织分的,由于钢中不变奥氏体及组成铁素体的元素的浸染不能彼此平衡,以及由于大批的铬使平衡图S点左移,财产中操作的不锈钢的组织除了上面讲的三种根底类型以外,还有马氏体-铁素体,奥氏体-铁素体,奥氏体-马氏体等过渡型的复相不锈钢,以及存在马氏体-碳化物组织的不锈钢。 
2-1.铁素体钢 
含铬大于14%的低碳铬不锈钢,含铬大干27%的任何含碳量的铬不锈钢,以及在上述成分根底上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、、钨、钒等元素的不锈钢,化学成分中组成铁素体的元素占绝对上风,基体组织为铁素。这类钢在淬火(固溶)状态下的组织为铁素体,退火实时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化合物。 
属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25,Cr25Mo3Ti、Cr28等。铁素体不锈钢由于含铬量高,耐侵蚀性能与抗氧化性能均斗劲好,但机械性能与工艺性能较差,多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢操作。
2-2.铁素休-马氏体钢 
这类钢在低温时为y+a(或δ)两相状态,快冷时产生y-M转变,铁素体仍被保存,常温组织为马氏体和铁素体,由于成分及加热温度的分歧,组织中的铁素体量可在百分之几至几十的规模内转变。0Crl3钢,lCrl3钢,铬偏上限而碳偏下限的2Cr13钢,Cr17Ni2钢,Cr17wn4钢,以及在ICrl3钢根底上成长起来的很多改型12%铬热强钢(这类钢也叫做耐热不锈钢)中的很多钢号,如Cr11MoV,Cr12WMoV,Crl2W4MoV,18Crl2WMoVNb等均属干这一类。 
铁素体-马氏体钢可以部分地领受淬火强化,故可获得较高的机械性能。但它们的机械性能与工艺性能在很大程度上受组织中铁素体的含量及散布形态的影响。这类钢按成分中的含铬量分属12~14%与15~18%两个系列。前者存在抵当大气及弱侵蚀性介质的能力,而且存在精采的减震性及较小的线膨胀系数;后者的耐侵蚀性能与不异含铬量的铁素体耐酸钢相当,但在必定程度上也保存着高铬铁素体钢的某些短处毛病。 
2-3.马氏体钢 
这类钢在正常淬火温度下处在y相区,但它们的y相仅在低温时不变,M点个别在3OO℃摆布,故冷却时改酿成马氏体。 
这类钢搜罗2Cr13,2Cr13Ni2,3Cr13以及部分改型12%铬热强钢,如13Cr14NiWVBA,Cr11Ni2MoWVB钢等。马氏体不锈钢的机械性能、耐侵蚀性能、工艺性能与物感性能,均和含铬12~14%的铁素体-马氏体不锈钢四周。由于组织中没有游离的铁素体,机械性能比上述钢要高,但热措置时的过热敏感性较低。 
2-4.马氏体-碳化物钢 
Fe-C合金的并析点的含碳为0.83%,在不锈钢中由于铬使S点左移,含12%铬和大于0.4%碳的钢,以及含18%铬和大于0.3%碳的钢均属于过共析钢。这类钢在正常淬火温度加热,次生碳化物不能完整溶于奥氏体,是以淬火后的组织为马氏体和碳化物组成。 
属于这一类的不锈钢商标未几,却是一些含碳斗劲高的不锈钢,如4Crl3、9Cr18、9Crl8MoV 、9Crl7MoVCo钢等,含碳量偏上限的3Crl3钢在较低的温度下淬火,也可能闪现这样的组织。由于含碳量高,上述9Cr18等三个钢号中虽含有较多的铬,但其耐侵蚀性能仅与含12~14%锗的不锈钢相当。这类钢的重要用处是请求高硬及耐磨的零件,如切削工具、轴承、弹簧及医疗器械等。 
2-5.奥氏体钢 
这类钢含有较多扩大y区和不变奥氏体的元素,在低温时为均为y相,冷却时由于Ms点在室温以下,所以在常温下存在奥氏体组织。 18-8, 18-12、25-20、20-25Mo等铬镍不锈钢,以锰庖代部分镍并加氮的低镍不锈钢如Cr18Mnl0Ni5,Cr13Ni4Mn9,Cr17Ni4Mn9N,Cr14Ni3Mnl4Ti钢等均属于这一类。 
奥氏体不锈钢存在前已述及的很多好处,当然机械性能也斗劲低,和铁素体不锈钢-样不能热措置强化,但可以经过过程冷加工变形的编制,独霸加工硬化浸染前进它们的强度。 这类钢的短处毛病是对晶间侵蚀及应力侵蚀斗劲敏感,需经过过程适当地合金添加剂及工艺编制消弭。
2-6.奥氏体-铁素体钢 
这类钢因扩大y区和不变奥氏体元素的浸染程度,不足以使钢在常温或很高的温度下存在纯奥氏体组织,是感触奥氏体-铁素体复相状态,其铁素体量也因成分及加热温度分歧而可在较大的规模内转变。 
属于这一类的不锈钢很多,如低碳的18-8铬镍钢,加钛、铌、钼的18-8铬镍钢,出格是在铸钢的组织中都可见到铁素体,此外含铬大于14~15%而碳低于0.2%的铬锰不锈钢(如Cr17Mnll),以及今朝研究的和已获得操作的大大都铬锰氮不锈钢等。与纯奥氏体不锈钢斗劲,这类钢的好处很多,如屈就强度较高,抗晶间侵蚀的能力较高,应力侵蚀的敏感性低,焊接时产生热裂纹的偏向小,铸造勾当性好等等。短处毛病是压力加工性能较差,点侵蚀偏向较大,易产生c相脆性,在强磁场浸染下默示出弱磁性等。所有这些好处和短处毛病均来历于组织中的铁素体。 
2-7.奥氏钵-马氏体钢 
这类钢的Ms点低于室温,固溶措置往后为奥氏体组织,易于成形和焊接。凡是可用两种工艺编制使之产生马氏体转变。一是固溶措置往后经700~800度加热,奥氏体因析出碳化铬而改酿成介不变状态,Ms点升高至室温以上,冷却时改酿成马氏体;二是固溶措置往后直接冷却至Ms与Mf点之间,使奥氏体改酿成马氏体。后一编制可获得较高的耐侵蚀性能,但固溶措置往后至深冷的间隔时刻不宜太久,否则会因奥氏体的陈化不变浸染而使深冷的强化效应降落。经上述措置往后钢再经400~500度时效,使析出金属间化合物进-步强化。这类钢的范例钢号有17Cr一7Ni一A1、15Cr-9Ni-A1,17Cr-5Ni-Mo、15Cr-8Ni-Mo一A1等等。这类钢也称为奥氏体-马氏体时效不锈钢,并由于现实上这些钢的组织中除奥氏体和马氏体以外,还存在分歧数方针铁素体,故也称为半奥氏体沉淀硬化不锈钢。 
这类钢是50年月后期成长和操作的新型不锈钢,它们总的特点是强度高(C可达100一150)及热强性好,但由于含铬量较低并在热措置时有碳化铬析出,是以耐侵蚀性能比标准的奥氏体不锈钢要低一些。也能够说这类钢的高强度是在就义一部分耐侵蚀性能与其他性能(如非磁性)的景象下获得的,今朝这类钢重要用于航空财产及火箭导弹生产方面,个别机械制作中操作尚不广泛,而且在分类上也有把它们纳为超高强度钢的一个系列。