不锈钢及耐热合金化原理应力腐蚀机理.ppt

不锈钢及耐热合金 不锈钢的合金化原理 不锈钢应力腐蚀机理 耐热合金的合金化方法 不锈钢简介 不锈钢是耐大气和酸、碱、盐等介质腐蚀的合金钢总称。 不锈钢的广义型定义还包括不锈耐热钢； 其中称耐大气、蒸汽和水腐蚀的钢为“不锈钢”； 称抗酸、碱、盐等强介质腐蚀的钢为“耐酸钢”。 不锈钢具有良好综合性能 尤其是奥氏体不锈钢因良好的耐蚀性和焊接性，优良的热强性和冷、热加工性能以及冷形变后又具有强度、塑性和韧性。 用途 在石油、化工、宇航和核工业等领域中被广泛应用。 不锈钢是动力堆的主要结构材料，主管道、堆内构件、堆内仪表外壳、多是由各种不同类型的不锈钢制成的。 不锈钢的合金化原理 腐蚀机理 钢的腐蚀是因金属表面及/或其内部在腐蚀介质中发生化学或电化学反应而引起的； 金属内部腐蚀是指金属基体中不同相之间或同一相的晶粒与晶界之间形成的原电池腐蚀。 合金化目的 对化学腐蚀：在钢的表面若能形成一层致密、牢固的氧化膜，将能防止高温下的钢被氧化。 对电化学腐蚀：若能通过调整合金成分使基体呈单相组织，或者使铁的电极电位由负变正，即能起到减小电化学腐蚀的作用。 添加Cr元素对铁合金的影响 当钢中含Cr量增加到12.5％原子比时，铁的阳极电位由－0.6V突然跃升到 0.2V。这意味着： 钢中的铁素体和碳化物之间的电位差明显减小，从而可显著降低基体中微电池的电化学腐蚀速率。 同时，大量Cr使金属表面生成了一层致密、薄而牢固的FeO·Cr2O3钝化膜(尖晶石结构)，从而起到了隔绝腐蚀介质、保护金属表面的作用。 Crystal structure of spinel 铬钢 美国不锈钢手册称含12％铬的铁基合金为不锈钢。 为了减少不同相之间的原电池腐蚀，根据有关相图发展了单相铁素体和单相奥氏体不锈钢，尤其在后者基础上通过降碳或添加Ti，Mo，Nb与提高Cr，Ni含量等，又进一步发展了具有全面耐蚀性能和良好力学性能的一系列不锈钢 。 不锈钢的分类 按成分分类： 主要有铬不锈钢和铬镍不锈钢，分别以Cr13和Cr18Ni8为代表。 按组织分类： 奥氏体型、铁素体型、马氏体型和奥氏体+铁素体与沉淀硬化型不锈钢。 不锈钢组织主要决定于钢中C，Cr，Ni三元素的各自含量与相互配比。 不锈钢成分特点 （1）马氏体不锈钢的形成区在13％－17％Cr和2％Ni范围内； （2）铁素体不锈钢形成区处于13％－30％Cr和2％－3％Ni区间； （3）当Ni＞3%，Cr＞18％后，二者按比例相应增加可获得奥氏体+铁素铁双相不锈钢； （4）当Ni＞8％，Cr在18％－27％范围内可获得单相奥氏体不锈钢； （5）沉淀硬化型不锈钢主要有马氏体型和半奥氏体型，所以其成分范围处于奥氏体与马氏体及双相不锈钢之间。 奥氏体不锈钢 典型代表是在18%Cr钢加 8%Ni，通常称此钢为18-8钢： 具有良好的耐蚀性和焊接性以及优良的强度、塑性和韧性的综合性能。 碳在室温奥氏体中的溶解度仅有0.03％，而18-8除超低碳外，一般规定碳为0.10％左右，因此钢缓冷到图中的SK线之下的平衡组织为γ＋α＋C，即奥氏体+铁素体+合金碳化物[( Cr，Fe)23C6]。 18-8钢中的单相γ是介稳相，是钢加热ES线之上经固溶后快冷得到的，因此含有过饱和的碳。 抗辐照的核级钢需要超低碳奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢的显微组织 奥氏体不锈钢的成分特点 1）低碳（~0.1%C）、高Cr、Ni是此类钢的成分特点，有较高的耐蚀性。钢中的C易与Cr在晶界处形成碳化物Cr23C6，造成近晶界区域贫铬而使抗蚀性降低，发生晶间腐蚀。 2）钢中加入Ti、Nb等碳化物形成元素，是为了消除所含碳引起的晶间腐蚀。因而奥氏体不锈钢均含碳量很低。加入的Ti、Nb比Cr更易形成稳定的碳化物，避免形成Cr23C6 ，从而消除了晶间腐蚀。 3）为进一步提高奥氏体稳定性，以获得更高的耐蚀性和抗热性，可将钢的成分从18-8型过渡到23-13型以及23-28型不锈钢。 4）为节省稀缺昂贵的Ni，国内外都发展了一些低Ni或无Ni的钢种，即用Mn、N代替部分或全部Ni，我国列入国家标准的有0Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N等。 铁素体不锈钢 这类钢的含Cr量在12％以上，通常13~17% Cr含量高，钝化性能好，具有良好的耐蚀性和抗氧化性 其强度和抗应力腐蚀性能以及导热率和热膨胀率均比奥氏体不锈钢好； 缺点： 因475oC富Cr的α相（FeCr金属间化合物）析出使铁素体不锈钢具有析出脆性； 在高温下晶粒长大和C，N化合物析出，导致高温脆性； 焊接性能差 对晶间腐蚀比较敏感。 马氏体不锈钢 当铁素体不锈钢中碳含量高时， 碳在体心立方铁素体中形成过饱和固溶体，成为马氏体不锈钢： 强度、硬度和耐磨性高； 但焊接性、耐蚀性和热加工性能以及塑韧性比较