合金元素對不銹鋼組織和性能的影響

CQI-9培訓,文末掃碼聯系老師

不銹鋼的分類

1、按化學成分可分為:鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼、鉻錳不銹鋼、鉻鎳鉬不銹鋼以及超低碳不銹鋼、高鉬不銹鋼、高純不銹鋼等。

2、按金相組織可分為:馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體一鐵素體不銹鋼等。

3、按鋼的性能特點和用途分:如耐硝酸(硝酸級)不銹鋼、耐硫酸不銹鋼、耐點蝕不銹鋼、耐應力不銹鋼、高強度不銹鋼等。

4、按鋼的功能特點分:如低溫不銹鋼、無磁不銹鋼、易切削不銹鋼,超塑性不銹鋼等。

不銹鋼鋼種的發展過程如下圖所示

合金元素對不銹鋼組織和性能的影響

註:口——強作用,⚪——中等作用,▲——弱作用

提高不銹鋼的耐蝕性的途徑

(1)使不銹鋼對具體使用的介質具有穩定鈍化區的陽極極化曲線。

(2)提高不銹鋼基體的電極電位,降低腐蝕原電池的電動勢。

(3)使鋼具有單相組織,減少微電池的數量。

(4)在鋼表面生成穩定的保護膜,如鋼中加矽、鋁、鉻等,在許多腐蝕和氧化的場合能形成致密的保護膜,提高鋼的耐蝕性。

(5)減少或消除鋼中各種不均勻現象也是提高鋼耐蝕性的重要措施。

在鋼中加入合金元素是實現提高耐腐蝕性的主要方法,加入不同的合金元素,可以通過一條途徑或幾條途徑同時產生作用,使鋼的耐腐蝕性提高。

合金元素對鐵的極化和電極電位的影響

合金元素的種類及含量直接影響不銹鋼的耐腐蝕性,合金元素的作用首先是對鐵的極化性能和電極電位的影響。

01

合金元素對鐵的極化性能的影響

常用的Fe、Cr、Ni、Ti等金屬的陽極極化過程具有獨特的極化形式。陽極通路後,陽極電位升高,陽極電流(腐蝕速度)隨之變化,幾乎有著相同的規律,極化曲線的典型形式如下圖所示。隨著陽極極化電位的升高,腐蝕電流不是均勻的降低,而是先增加,然後減少到最小,並保持這個電流經一定的電位升高階段,然後電流再增加。這類極化曲線稱為具有活化、鈍化轉變的陽極極化曲線,並把這類曲線分為3個區域:活化區(A)、鈍化區(B)、過鈍化區(T)。

圖具有活化、鈍化轉變金屬的陽極極化曲線

極化作用對提高金屬的耐腐蝕性意義很大,增強陽極極化或陰極極化的因素,都能提高金屬的耐腐蝕性;去陽極極化或去陰極極化的因素,都將降低金屬的耐腐蝕性。不同的合金元素對鐵的極化性能影響不同。擴大鈍化區的元素,即降低Ecp、P區電位和升高Er點電位的元素都提高鋼的耐蝕性;凡使鈍化性能增強,即Icp、I1點位置左移的元素,都會減小腐蝕電流,改善耐蝕性。凡使Er點電位升高的元素都有降低點腐蝕傾向,因為Er點電位低時,當電位在過鈍化電位附近波動時,容易導致鈍化膜局部擊穿,產生點蝕。鋼中常用的合金元素中,Cr元素能夠強烈地提高純鐵的鈍化性能,可以使Ecp、Ep、Er點電位升高,Icp、I1點位置左移,Cr是改善鐵的耐蝕性最有效的元素。合金元素Ni、Si、Mo等也能不同程度的擴大鈍化區,增強鈍化性能。Mo不僅能增強鐵的鈍化性能,還能升高Er點的電位,從而提高鐵的抗點蝕性能。

02

對鐵的電極電位的影響

一般金屬固溶體的電極電位總是比其他化合物的電極電位低,所以在腐蝕過程中,金屬固溶體總是作為陽極而被腐蝕。提高鐵的電極電位,即可提高耐蝕性。

研究表明,當Cr加入鐵中形成固溶體時,鐵固溶體的電極電位能顯著提高,如下圖所示。材料電極電位的提高,可使材料的耐蝕性得到明顯改善。

圖鉻對Fe-Cr合金電極電位的影響

由於鉻對鐵鈍化性能和電極電位的良好作用,使鉻成為各種不銹鋼的主要合金化元素。

合金元素對不銹鋼耐蝕性和基體組織的影響

不銹鋼的基體組織是獲得所需力學性能和工藝性能的保證,而更重要的是具有良好的耐蝕性的保證。單相鐵素體鋼、單相奧氏體鋼是不銹鋼中耐蝕性較好的兩類鋼。合金元素對基體組織的影響首先取決於合金元素是鐵素體(α)穩定劑還是奧氏體(γ)穩定劑。α穩定劑的元素占優勢可獲得單相α不銹鋼;反之則獲得單相γ不銹鋼。

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合金元素對不銹鋼耐腐蝕性的影響

1

鉻是決定不銹鋼耐蝕性的主要元素,當鉻含量(原子比)達到1/8、2/8….時,鐵的電極電位就跳躍式地增加,耐蝕性也隨之提高。鉻元素是α穩定化元素。鉻的氧化物比較致密,可形成耐蝕的保護膜。

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碳和氮

碳能強烈地穩定奧氏體,穩定奧氏體的能力約為Ni的30倍;同時,又是不銹鋼強化的主要元素;碳與鉻能形成一系列碳化物,使不銹鋼的耐蝕性受到嚴重影響;同時碳會使不銹鋼的加工性能和焊接性能變壞,使鐵素體不銹鋼變脆,因此在不銹鋼的生產中和開發中,碳的應用和控制是一項重要的工作。

碳和鉻的配合對形成不銹鋼組織的影響如下圖所示。圖中表明,在含碳量較低,含鉻量較高時,會獲得鐵素體組織;當含碳量較高,含鉻量較低時,會得到馬氏體組織。在鉻不銹鋼中,當含鉻量在17%以下時,隨著含碳量的增加,可以獲得基體為馬氏體的不銹鋼。當含碳量較低,含鉻量在13%時,就可以獲得鐵素體不銹鋼。當含鉻量從13%增加到27%時,由於鉻含量增加,穩定鐵素體的能力增加,鋼中碳含量相應的增加(從0.05%到0.2%),仍能保持鐵素體基體。

圖 碳和鉻的配合對不銹鋼組織的影響

3

鎳是不銹鋼中3個重要元素之一,鎳能夠提高不銹鋼的耐蝕性;鎳還是γ相穩定化元素,是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進奧氏體形成的主要元素。鎳能有效地降低Ms點,使奧氏體能保持到很低的溫度(-50℃以下)不發生馬氏體轉變。

鎳含量的增加會降低C、N在奧氏體鋼中的溶解度,從而使碳氮化合物脫溶析出的傾向增加。隨著鎳含量的提高,產生晶間腐蝕的臨界含碳量降低,即鋼的晶間腐蝕敏感性增加。鎳對奧氏體不銹鋼的耐點腐蝕及縫隙腐蝕的影響並不顯著。此外,鎳還可以提高奧氏體不銹鋼的高溫抗氧化性能,這主要與鎳改善鉻的氧化膜的成分、結構和性能有關,但鎳的存在會降低鋼的抗高溫硫化性能。

4

錳是比較弱的奧氏體形成元素,但具有強烈穩定奧氏體組織的作用。錳在奧氏體不銹鋼中部分替代Ni,2%Mn相當1%Ni。錳也能提高鉻不銹鋼在有機酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐蝕性,而且比鎳更有效。當鋼中Cr含量大於14%時,僅靠加入Mn無法獲得單一的奧氏體組織。由於不銹鋼中Cr含量大於17%時才有比較好的耐蝕性,因此工業上已應用的Mn代Ni的奧氏體不銹鋼主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型鋼,如12Cr18Mn9Ni5N等,而無鎳的Fe-Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼的用量較少。

5

氮元素在早期主要用於Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼中,以節約Ni元素。近年來氮已經成為Cr-Ni奧氏體不銹鋼的重要合金元素。

在奧氏體不銹鋼中加入氮,可以穩定奧氏體組織,提高強度、耐腐蝕性能,特別是局部耐腐蝕性能,如耐晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等。在普通低碳、超低碳奧氏體不銹鋼中,可以改善抗晶間腐蝕性能,其原因是氮影響敏化處理時碳化鉻的析出過程,提高瞭晶界的鉻濃度。在高純奧氏體不銹鋼中,沒有碳化鉻的沉淀析出。此時氮的作用有:一是氮增加鈍化膜的穩定性,降低平均腐蝕率;二是含氮高的鋼中雖有氮化鉻析出,但氮化鉻的沉淀速度很慢,敏化處理不會造成晶間貧鉻,對晶間腐蝕影響很小。氮對磷在晶界偏聚有抑制作用,可以提高鋼的耐晶間腐蝕作用。

目前應用的含氮奧氏體不銹鋼主要以耐腐蝕為主,同時具有較高的強度;可以分為控氮型、中氮型和高氮型3種類型。控氮型是在超低碳(C≤0.02%~0.03%)Cr-Ni奧氏體不銹鋼中加入0.05%~0.10%N,用以提高鋼的強度,同時優化鋼的耐晶間腐蝕和耐應力腐蝕性能;中氮型含有0.10%~0.50%N,在正常大氣壓條件下冶煉和澆註;高氮型氮含量在0.40%以上,一般在增加壓力的條件下冶煉和澆註,主要在固溶態或半冷加工態下使用,既具有高強度,又有耐腐蝕性。目前氮含量達到0.8%~1.0%水平的高氮奧氏體鋼已獲得實際應用並開始工業化生產。

6

鈦、鈮、鉬及稀土元素

鈦和鈮是強碳化物形成元素,可優先於鉻同碳形成碳化物,防止晶間腐蝕,提高耐蝕性。鈦和鈮的加入必須與鋼中的碳保持一定的比例。

鉬能提高不銹鋼的鈍化能力,擴大其鈍化介質范圍,如在熱硫酸、稀鹽酸、磷酸和有機酸中。含鉬的鈍化膜在許多介質中具有很高的穩定性,不易溶解。可防止Cl-對鈍化膜的破壞,所以含鉬不銹鋼具有抗點腐蝕的能力。

稀土元素如Ce、La、Y等加入到不銹鋼中,可以微量固溶在基體中,凈化晶界,變質夾雜物,均勻組織,減少析出物的析出及在晶界的偏聚,從而改善鋼的耐腐蝕性和力學性能。

02

合金元素對不銹鋼組織的影響

合金元素對不銹鋼基體組織的影響可分為兩大類:鐵素體形成元素,如鉻、鉑、矽、鈦、鈮等;奧氏體形成元素,如碳、氮、鎳、錳、銅等。當這兩類作用不同的元素同時加入鋼中時,不銹鋼的組織就取決於它們的綜合作用。為簡單處理,將鐵素體形成元素的作用折算成鉻的作用,稱為鉻當量[Cr],而把奧氏體形成元素折成鎳的作用,稱為鎳當量[Ni]。根據鉻當量[Cr]和鎳當量[Ni]制成圖來表示鋼的實際成分和所得到的組織狀態,如下圖所示。

圖 不銹鋼組織狀態圖

由圖可以看出12Cr18Ni9鋼處於A相區,是奧氏體不銹鋼;Cr28不銹鋼處於鐵素體相區,是鐵素體不銹鋼;30Cr13不銹鋼處於馬氏體相區,是馬氏體不銹鋼。要獲得單相奧氏體組織,這兩類合金元素必須達到某種平衡,否則鋼中就會出現一定量的鐵素體組織,成為復相組織。

合金成分、組織對不銹鋼機械性能的影響

01

不銹鋼的強化機制

不銹鋼的強化機制廣泛地采用固溶強化,此外還有相變強化、第二相強化、細化晶粒強化、沉淀強化和亞結構強化等。如下圖所示為在8%~10%Ni奧氏體不銹鋼中各種強化機制對屈服強度的貢獻。

圖中表面:鉻、矽、碳提供瞭基體的固溶強化,使奧氏體基體的屈服應力提高數倍;其次是α鐵素體第二相的存在和晶粒尺寸的細化、沉淀相析出,均使奧氏體獲得大幅度強化。

圖中顯示瞭在奧氏體不銹鋼中,固溶強化是重要的強化機制,而晶粒細化對強度的貢獻最大。

圖 影響奧氏體不銹鋼強度的因素

02

各類不銹鋼的強度和塑性

各類不銹鋼由於成分和組織狀態不同,性能也不同,各類不銹鋼的強度和塑性比較如下圖所示。

圖 各類不銹鋼和純鐵的強度與塑性比較

在所有的不銹鋼中奧氏體不銹鋼塑性最好,沉淀硬化不銹鋼的強度最高。馬氏體不銹鋼具有較好的綜合機械性能,即具有較高的強度和一定的延展性。

鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼的強度較高、延展性也較好;鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼的強度性能相近,但後者的延展性遠較其他各類不銹鋼為高。(圖中為瞭比較還列有純鐵的曲線)。

腐蝕介質對不銹鋼耐蝕性的影響

金屬的耐蝕性不僅與金屬材料本身有關,還與腐蝕介質的種類、濃度、溫度及壓力等腐蝕環境的條件有關。在實際的應用中,腐蝕介質的氧化能力影響最大,因此要根據工作介質的特點來正確選擇使用不銹鋼的鋼種。

在大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質中,隻要不銹鋼基體固溶的Cr含量大於13%,就能夠保證不銹鋼的耐蝕性。如水壓機閥門、蒸汽發電機透平葉片、水蒸氣管道等部件。

在氧化性介質中,如硝酸,硝酸的NO3

具有強的氧化性,不銹鋼表面的氧化膜容易形成,鈍化時間短。但酸中的H是陰極去極化劑,隨著H濃度的增加,陰極的去極化作用加強,鈍化所需要的鉻含量也增加,因此隻有含高鉻的氧化膜在硝酸中才具有很好的穩定性。在沸騰的硝酸中,12Cr13不銹鋼不耐蝕,鉻含量為17%~30%的Cr17、Cr30鋼在濃度為0%~65%范圍內的硝酸中是耐蝕的。

在非氧化性介質中,如稀硫酸、鹽酸、有機酸,這類腐蝕介質的含氧量低,鈍化所需時間要延長。當介質中含氧量低到一定程度時,不銹鋼就不能鈍化。如在稀硫酸中,由於介質中SO4

不是氧化劑,且溶於介質中的氧含量比較低,基本上沒有使鋼鈍化的能力,鉻不銹 鋼的腐蝕速度甚至比碳鋼還快,所以一般的Cr不銹鋼或Cr-Ni不銹鋼難以達到鈍化狀態,因而不耐腐蝕。因此,在這類介質中工作的不銹鋼需要加入提高鋼鈍化能力的元素,如鉬、銅等元素。鹽酸也是非氧化性酸,不銹鋼在其中也不耐腐蝕,一般需采用Ni-Mo合金,在合金表面生成穩定的保護膜,保證合金不被腐蝕。

在強有機酸中,由於介質中氧含量低,同時又有H

存在,一般鉻和鉻鎳不銹鋼難以鈍化,必須在鋼中加入Mo、Cu、Mn等元素,提高不銹鋼的鈍化能力。所以選擇Cr-Mn型不銹鋼較好,在此基礎上再加入一定量的Mo、Cu使鋼容易鈍化,耐腐蝕。

在含有Cl

的介質中,Cl容易破壞不銹鋼表面的氧化膜,穿過氧化膜並與鋼表面起作用,使鋼產生點腐蝕。因此海水對不銹鋼有很大的腐蝕性。實際上,還沒有哪一種不銹鋼能夠抵抗所有介質的腐蝕。所以必須根據具體的腐蝕環境,結合各類不銹鋼的特點,綜合考慮選擇不銹鋼。

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THE END

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