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耐热钢和耐蚀钢

2010-7-22 10:04:30 中国耐热钢网 【字体:
 耐热钢和耐蚀钢
石油化工行业中由于材料经常在较高温度和有一定的腐蚀介质的环境下
工作,所以常常使用耐热钢和耐蚀钢来制造.
第一节 耐热钢
我们把能够在高温下工作的钢叫做耐热钢.从耐热钢的工作环境来看,耐
热钢应该具有两方面的性能,即高温化学稳定性和高温强度.这样我们把在高
温下能长期工作不致因介质侵蚀而破坏的钢叫做热稳定钢(抗氧化钢或耐热不
起皮钢);在高温下仍具有足够的强度不会大量变形或破断的钢叫做热强钢,
热强钢在具有高温强度的同时又应具有抗氧化性.
一,对耐热钢的性能要求
(一)金属的抗氧化性
1,金属的氧化过程
金属在高温下工作,最容易被氧化.氧化是一种典型的化学腐蚀,具有化
学腐蚀的一系列特征.它是介质直接与金属接触而发生的化学反应.
在高温下,当O2,CO2,H2O及H2气体与纯净的钢的表面接触时,介质的分
子首先被吸附在金属的表面并分解成原子,然后发生介质原子与金属原子的化
合作用,首先是使钢脱碳,随后发生铁的氧化反应,其反应可用下列反应式表
示:
M + X MX
式中M表示金属原子,X表示非金属介质原子.反应生成了相应的腐蚀产
物,腐蚀产物根据其特点可以分为以下几类.
1)腐蚀产物是可挥发的气体,或者腐蚀产物是结构非常疏松的固态物质留在
金属的表面.这时,介质可以继续保持与金属表面的接触,使得腐蚀可以继续
进行.
2)腐蚀产物是结构比较致密的固态物质,同时腐蚀产物可以完整地覆盖在金
属的表面.这样要使氧化过程能继续进行,金属离子和氧原子需要扩散通过腐
蚀产物形成的覆盖层后才能发生反应,同时生成的产物使得覆盖层进一步增
厚.随着覆盖层的增厚,扩散越来越难于进行,氧化反应的速度也越慢.这种
覆盖层能够减慢氧化甚至阻碍氧化的进行,我们称为保护膜.
2,保护膜的性质与氧化速度
金属的氧化速度与保护膜的性质有着密切的关系,我们把保护膜分为下面
两类.
1)通过保护膜原子或离子可以继续扩散,随着保护膜的增厚,氧化速度
2
是随时间变化的.其氧化速
度可表示为:
dy dt k y y kt A//==+或者为2
属于这类的金属有Fe,Co,
Cu,Ni,Mn,Zr.
2)保护膜阻碍原子或离子的扩散,
氧化速度服从对数规律.其氧化速度
可表示为:
dy dt k e y kty// ln==或者
属于这类的金属有Cr,Si,Al,Zn.
3,铁的氧化膜结构及合金元素的作用
1)铁的氧化膜结构
铁的氧化物有三种:
(1),FeO:简单点阵,氧化物结构疏松,金属离子容易通过氧化物的空
隙进行扩散,抗氧化能力差.
(2),Fe2O3: 密堆积结构,能强烈地阻碍扩散的进行,有着一定的抗氧
化性.
(3),Fe3O4: 密堆积结构,能强烈地阻碍扩散的进行,与铁的表面结合
性很好,抗氧化能力强.
铁在200℃以下时,氧化膜的增厚符合对数关系.在250~570℃之间符合
抛物线关系.在570℃以上,由于氧化膜的组成发生变化,氧化速度有了明显
的增加,这时氧化膜由三层组成,最表层Fe2O3,中层为Fe3O4,与铁接触的部
分为FeO.当FeO出现时,铁的氧化速度显著增加,而且FeO的结构疏松,与
基体的结合较差.出现FeO时,会由于内层的体积变化破坏了外表层致密的
Fe2O3和Fe3O4氧化膜的连续性,从而使氧化更易进行.
2)合金元素的作用
(1),形成稳定的合金氧化膜
为了形成稳定的合金氧化膜,应该使氧化膜的结构比较致密,这样铁离子
和氧离子通过膜的扩散就困难.同时,氧化膜和基体金属应结合紧密,不疏松
并且不容易脱落,这就要求两者的点阵类型应该相似,点阵常数应相等或成整
数被,氧化膜与基体间内应力较小.
加入Cr,Al,Si等合金元素,可以优先氧化,形成这些元素占优势的合
金氧化膜,具有良好的保护作用.
y度厚膜化氧
t
y2=kt+
y=lnkt
图6—1 氧化膜厚度与时间的关系
3
(2),提高FeO的形成温度
在铁中加入合金元素Cr,Al,
Si等可以提高FeO出现的温度,改
善钢和合金的化学稳定性.在Cr,
Al,Si含量比较高时,钢在800~
1200℃温度范围内不会出现FeO.
(3),净化晶界,减小晶界
优先氧化现象
在钢中加入极少量的稀土金属,
碱土金属,可以显著提高其抗氧化性
能,这主要是由于消除了晶界优先氧
化的倾向.
(二)金属的高温机械性能与强化
1,金属的高温机械性能
在室温下,塑性变形是通过位错的运动来进行的,由于晶界具有高的强度,
对位错运动具有较大的阻力,所以室温下晶粒越细,强度越高.
高温时,随着温度的升高,
晶界的强度下降显著,材料强度
亦随之下降.当晶界强度与晶内
强度相等时,材料的强度就由晶
界强度所决定,我们把这时的温
度称为等强温度.可以看出,随
着温度的升高,金属的断裂方式
会由穿晶断裂转变为晶间断裂,
这时晶界越多,发生断裂的可能
性就越大,金属的强度就越低.
随着温度的升高,金属的变形行为和失效形式与室温相比有了较大的区
别,主要表现在以下几个方面.
1)金属的蠕变现象
金属在长时间的恒温,恒应力作用下,发生的缓慢的塑性变形现象称为蠕
变.
当温度和应力为某一定值时,其蠕变曲线如图6—4所示.蠕变曲线可以
分为三个阶段,一种理想的材料其蠕变曲线的第二阶段,即稳定蠕变阶段应该
图6—2 合金元素对铁氧化速度的影响
合金元素%
20 16 12840
度速化氧对相
1
0.1
0.01
Ni
Cr
Si
A
图6—3 晶内强度,晶界强度与温度的关系
晶界强度
晶间断裂 穿晶断裂
温度
度强
晶内强度
4
具有较长的时间,较低的蠕变速
度.
可以用蠕变极限来衡量一
种材料的抗蠕变性能,它是指
试样在一定温度下和在规定的
持续时间内产生一定的蠕变变
形量或蠕变速度等于某一规定
值时的最大应力.
蠕变极限用符号σσδ/t
T
VH
T或
来表示,T表示温度,t表示时间,δ表示变形量,VH表示恒定蠕变速度(%/h).
例如σ1 10000
700
/表示温度为700℃时,持续时间为10000小时,产生蠕变量为1%
时的蠕变极限.
2) 金属的持久强度
金属的持久强度是指试样在一定温度和规定的持续时间内引起断裂的应
力值.持久强度用符号σt
T来表示,例如σ1000
700表示温度为700℃,持续时间为
1000小时的强度值.
蠕变极限仅反映蠕变第二阶段的变形速度或蠕变总量,不能反映钢在高温
断裂时的强度和塑性,所以持久强度是必要的.持久强度可以反映钢材在高温
长期应力作用下的断裂抗力.
3)金属的应力松驰现象
零件在高温长期应力作
用下,虽然总变形量不变,
但是零件中的应力随着时间
的增长而自发地逐渐下降,
这种现象称为应力松驰.
应力松驰从本质上看是
零件中存在的弹性变形自发
地减小并转变为塑性变形的
过程,从材料的应力与时间曲线上看,应力松驰的发展可以分为两个阶段,在
第一阶段应力松驰发展较快;在第二阶段,应力松驰进入一
个稳定的阶段.应力松驰现象经常发生在高温条件下工作的连接紧固件上,在
生产中要了解紧固件在高温工作一段时间后,还存在多少"残存应力",会不
会由于应力松驰造成紧固松驰而发生泄露现象.所以在高温下工作的螺栓设计
时间
C B
A
II



I
IID
图6—4 金属的蠕变曲线
力应
时间
σj
σ0
A
B
C
图6—5 应力松驰曲线
5
时应用松驰稳定性来作为计算指标.
4)高温疲劳强度
在高温交变应力作用下的零件,往往不是产生蠕变断裂而是产生疲劳断
裂.材料的高温疲劳极限是指在一定温度下某一循环次数(107次)内材料不
发生断裂的最大交变应力.一般来说,持久强度高的金属材料,高温疲劳强度
也较高.
5)热疲劳现象
在高温状态下工作时,工件的内部可能存在着温度差.如果温度场是周期
性变化的,由于工件各部分温度变化不同步,材料的膨胀和收缩也不一致,各
部分之间会由于相互约束产生附加的内应力.这个内应力会随着温度场的周期
性变化而变化.金属材料由于经受周期性热应力的作用而导致的破坏称为"热
疲劳"破坏.所以在变化的高温下工作的金属材料需要有良好的抗热疲劳性能.
2,耐热钢的强化
我们已经了解了有关强化材料的方法,从这些方法的本质来看,有些强化
方法对于高温材料是不适合的,或者是无法使用的.例如,细化晶粒在常温下
是提高金属材料性能的好方法,但是对于高温金属材料则是不适合的.所以,
在高温下工作的金属材料常常用下列方法来强化.
1)固溶强化基体
(1)固溶强化可以提高金属材料的强度,在高温下使用的固溶体应该是置换
式固溶体.对于固溶强化的效果,溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大,溶质
原子的熔点越高,对增强基体的热强性越有效.强化效应在加入量较少时合金
含量越高强度越高,但随着合金加入量的增加而逐渐减弱.
(2)基体的强度最基本是取决于原子间的结合力,原子排列越紧密,基体的
强度越高,所以奥氏体钢的热强性优于铁素体钢.
(3)少量多元合金化的固溶强化效果好.
2)强化晶界
高温下晶界的强度较低,原子扩散迅速,有利于蠕变的进行.晶粒越细,
蠕变发展的越明显,粗晶粒钢的蠕变速度较低.如果对晶界进行强化则有利于
提高金属材料的热强性.强化晶界主要采取以下几种方法.
(1)纯化(净化)晶界
在钢中加入B,Re和碱土金属,可以与S,P等杂质生成稳定难熔的化合
物,减小了S,P杂质对热强性的影响.
(2)填充空位
6
钢中加入微量的硼可以稳定晶界上的空位,从而提高金属的抗蠕变能力.
(3)晶界的沉淀强化
加入合金元素,在晶界上沉淀析出不连续的强化相骨架,可以阻碍裂纹沿
晶界的扩展.
3)沉淀强化
加入某些合金元素,从过饱和的固溶体中沉淀出难熔的化合物,可以提高
金属材料的热强性.沉淀相本身应该具有高的高温强度和高温稳定性.在耐热
钢中一般为碳化物,硼化物和金属间化合物,强化的效果与沉淀相的大小和间
距有关.
二,热强钢
热强钢是指具有高的高温强度和良好的抗氧化性的钢,常用的热强钢主要
有以下几类.
(一)珠光体型热强钢
珠光体型热强钢是指在正火状态下,显微组织是由珠光体和铁素体构成的
耐热钢.合金元素含量较少,具有良好的工艺性能,广泛用于在600℃以下工
作的动力工业和石油工业的构件.
1,炉管用珠光体热强钢
动力工业和石油工业中使用的换热器,蒸汽导管等处于高温和一定压力下
工作,其炉管在高温和蒸汽的作用下会发生氧化和腐蚀.
1)性能要求
(1)应具有足够的高温强度和良好的持久塑性,以保证炉管能长期安全的运
行.
(2)较高的抗氧化性和耐腐蚀性能.
(3)足够的组织稳定性.钢材在高温下运行会出现石墨化问题,即渗碳体在
高温下分解为铁素体和石墨,从而导致强度的下降;球化问题,渗碳体从片状
聚集成球状;回火脆性问题,杂质元素向晶界的富集会引起钢的脆化.
(4)良好的加工工艺性能.由于加工的需要,炉管用钢应具有良好的压力加
工性能,良好的焊接工艺性能等.
2)常用的珠光体炉管耐热钢
一般为低碳低合金珠光体钢,含碳量低于0.20%,加入少量的Cr,Mo,W,
V,Nb,Ti等合金元素.合金元素的主要作用为,提高α γ 的转变温度,
固溶强化铁素体,形成高熔点的化合物,强化渗碳体.其中以Mo的作用最为
明显,同时还可以减低回火脆性,Cr可以提高铁素体的高温强度,并可提高
7
抗气体腐蚀的能力,所以炉管用耐热钢以Cr—Mo系为主.
(1)12CrMo,15CrMo
这类钢的σS≥240MPa,σb≥450MPa,δ≥21%,ak≥60J/cm2,可以用于制造
工作温度≤500℃的炉管等工件.
这类钢的热处理工艺采用正火后高温回火.正火温度一般为930~960℃,
回火温度为680~730℃.
(2)2.25%Cr—1%Mo钢
成分为C<0.15%,Cr≈2.25%,Mo≈1% ,这种钢强度高,由于含Mo量高,
在组织中有微细的Mo2C弥散分布.断裂韧性也高于12CrMo和15CrMo,使用温
度≤560℃.随着Si,Mn含量的增加,回火脆性敏感性增加.
2.25%Cr—1%Mo钢的热处理亦采用正火后高温回火的方法.
2,紧固件用珠光体热强钢
紧固件工作时一般承受拉应力,由于工作在高温,会有应力松驰现象出现.
为了保证运行的安全可靠,材料应满足如下性能要求.
1)性能要求
(1)足够高的σS.以保证螺栓在初紧时不产生屈服现象,紧固件用钢的室温
σS≥(2~2.5)σC(初紧应力).
(2)高的松驰稳定性.
(3)足够高的持久塑性和小的持久缺口敏感性.
(4)在工作温度下具有一定的抗氧化能力.
2)紧固件用钢
35CrMoA,25Cr2MoV. 35CrMoA的σ
10
500
5152=MPa,25Cr2MoV的
σ
10
500
5200=MPa.Cr—Mo—V系列钢处理成回火贝氏体,可以具有高的松驰稳
定性,所以这类钢采用正火后回火处理.提高奥氏体化温度有助于提高松驰稳
定性,但是会降低其持久塑性.
(二)奥氏体耐热钢
相对于珠光体耐热钢,奥氏体耐热钢具有更好的热强性和抗氧化性,高的
塑性和冲击韧性,良好的焊接性能和压力加工性能.根据强化方式的不同,可
分为以下几种.
1,固溶强化的奥氏体热强钢
1Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni9Mo.这类钢具有良好的抗氧化性和较高的热强性,
适合于在600~700℃以下的温度使用,同时它们又是较好的耐蚀钢,所以在
石油化工行业中使用比较广泛.
8
2,碳化物沉淀强化的奥氏体热强钢
4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36),由于采用碳化物沉淀强化,具有比固溶强化
的1Cr18Ni9Ti更高的热强性,适于在600~700℃使用,可以用于制造高温紧
固件.
4Cr14Ni14W2Mo,可以用于制造在600℃以下工作的紧固件.
3,金属间化合物强化的奥氏体热强钢
1Cr15Ni36W3Ti,适用于650℃以下工作的叶片,工作温度在650~680℃
的紧固件.
三,抗氧化钢
抗氧化钢主要用于工作时所受载荷较小,但是要求抗介质的化学腐蚀.在
选用时主要考虑最高工作温度以及温度的变化情况,工作介质的性质和载荷的
性质.抗氧化钢主要应用的有铁素体钢和奥氏体钢两大类.
(一)铁素体抗氧化钢
铁素体抗氧化钢有晶粒长大的倾向,韧性较低,不宜用来制造承受较大载
荷的工件,但其抗氧化性能好,在含硫的气氛中具有较好的耐蚀性.常用的钢
种有:
1Cr13,强度较低,抗氧化性较好.Cr18Si2可以在1050℃下使用.
Cr13SiAl,最高使用温度为900℃.
(二)奥氏体抗氧化钢
Cr—Ni系的奥氏体抗氧化钢可以用于1000℃以上的温度,含Cr量高于
18%.如1Cr25Ni20Si2,3Cr18Ni25Si2,1Cr20Ni14S12等,Si的有助于进一
步提高钢的抗氧化性.1Cr25Ni20Si2最高使用温度为1200℃,3Cr18Ni25Si2
最高使用温度为1100℃,但长期在600~900℃温度范围内使用会有晶间腐蚀
现象出现,而且析出碳化物时会引起脆性的增大,1Cr20Ni14S12具有良好的
塑性和焊接性能,最高使用温度为1050℃.
Cr—Ni—Si系奥氏体抗氧化钢可在1000~1150℃固溶处理,然后空冷状
态下使用.
第二节 不锈耐酸钢
在石油化工行业的工业生产流程中,经常会遇到各种各样的腐蚀性介质,
如各种强酸(硝酸,硫酸等),各种有机酸(醋酸,甲酸等),各种盐溶液(海
水等)以及含有腐蚀气体和水蒸汽的气氛,它们对生产流程中应用的容器,反
应塔,管道,各种泵等会发生强烈的腐蚀作用,为了生产能够安全可靠的运行,
应该选择合适的金属材料来制造这些设备.某些合金元素加入到钢中可以有效
9
地提高钢的耐腐蚀性能,我们把这类合金钢称为不锈耐酸钢.
一,金属的电化学腐蚀现象
金属材料在酸,碱,盐等电解质溶液中由于原电池的作用而发生的腐蚀现
象称为电化学腐蚀.
1,电化学腐蚀中原电池的构成
处于电解质中的材料由于内部
存在着不同的相,各个相由于结构
的不同而使得它们处于不同的能量
状态,具有不同的电极电位.这样
不同的相间就存在着电位差.有的
相成为阳极,有的相成为阴极,在
电解质溶液的作用下形成通路,从
而构成了一个微小的原电池,如图
6—6所示.铁素体为阳极,渗碳体为阴极,产生了原电池反应,其过程如下.
(1)阳极过程:Fe→Fe+++2e,Fe++离子进入到电解质溶液中,随着反应的不断
进行,铁素体不断地被腐蚀而减少.留在阳极的价电子通过金属材料内部流通
到渗碳体阴极区.进行的是氧化反应.
(2)阴极过程:H++e→H,H+H→H2.电解质溶液中的氢离子在阴极得到来自阳
极的价电子,成为氢原子,组合成氢分子而逸出.进行的是还原反应.
价电子从阳极流到阴极构成了腐蚀电流,阳极和阴极之间的电位差越大,
腐蚀电流也越大,腐蚀电流的大小可以代表腐蚀的速度.
2,极化作用
在腐蚀原电池作用的开始阶段和腐蚀过程中,在阳极和阴极会产生极化作
用,分为阳极极化和阴极极化.
(1)阳极极化
阳极电位由负向正的方向升高的变化称为阳极极化.
在腐蚀过程中,如果在阳极表面产生了保护性的氧化膜,这时正离子进入
电解质溶液的过程就会受到阻碍,因而降低了阳极表面的电荷密度,会使阳极
的电位向正的方向发展.
(2)阴极极化
阴极电位由正向负的方向降低的过程称为阴极极化.
在腐蚀过程中,如果消耗电子的阴极反应速度低于从阳极流来的电子的速
度,结果在阴极上造成了电子的一定程度的堆积,从而使阴极的电位降低,向
Fe→Fe+++2e
Fe++
e
e
2H++2e→H2↑
铁素体(阳极)
渗碳体(阴极)电解质溶液
图6—6 原电池腐蚀示意图
10
负的方向发展.
在极化过程中,阳极和阴极电
极电位的改变与该极的电流密度有
关,电流密度越大,极化作用越强
烈,阳极电位升高越强烈,阴极电
极电位降低也越强烈.如果我们把
极化曲线的阳极或阴极的电流密度
改为阳极和阴极间的电流强度(I)
这样把阳极极化曲线和阴极极化曲
线画在一张图上,称为极化图,如
图6—7所示.-ε0阳和ε0阴相当
于阳极和阴极间的断路状态,即电阻无限大的状态,而阳极和阴极极化曲线的
交点,相当于两极间的短路状态,即阳极和阴极间的电阻趋于零,此时阳极和
阴极间的最大电流强度I最大就是短路状态的腐蚀电流.由于钢的表面各微小阳
极和阴极间的电阻是很小的,附近溶液中的电阻也是很小的,所以相当于短路
状态.
3,金属的活化和钝化
工业上广泛应用的金属及其合金的阳极极化曲线具有特殊的形式,具有活
化—钝化转变,其阳极极化曲线如图6—8所示.从阳极极化曲线中可以看出,
有三个不同的电化学行为区域:
活化区(A),钝化区(P),
过钝化区(T).由于极化作用,
随着腐蚀电流强度的增加,阳
极电位升高,当阳极极化曲线
达到最大值,相应电极电位为
εP,电流强度为IP时,产生了
阳极钝化,阳极过程受到极大
的阻碍,此时电流强度IP突然
下降到最小值I最小,εP为初始
钝化电位,IP称为临界电流密
度.在很宽的阳极电极电位范
围内极化时,一直保持I最小的腐蚀电流强度,此时腐蚀速度大大降低,阳极处
于钝化区.
图6—7 极化图
-ε0

ε阳
εX
ε阴
ε0
电流强度T T最大
图6—8 具有活化—钝化转变的金属
的阳极极化曲线
电流强度(对数)
IP I最小
εT
εP
P
T
A
位电极阳-ε
11
阳极电位升高超过εT后,腐蚀电流强度又增加,这种现象称为过钝化.εT
称为过钝化电位,阳极处于过钝化区(T),此时金属的腐蚀速度又增加.
让我们把具有活化—钝化转变的金属的阳极极化曲线与处于不同位置的
阴极极化曲线共同放在一张图中,讨论合金的钝化的稳定性.
从图6—9中可以看出,
在不同条件下电化学腐蚀的四
种状态.第一种情况ε阳和ε阴仅
有一个交点A,即只有一个稳
定态εA不超过钝化电位εP,因
此金属处于活化状态,腐蚀电
流强度较大,因而腐蚀速度较
快.第二种情况ε阳和ε阴有三个
交点A,B,C,C点是不
稳定的,B,D点的状态是相
对稳定的,即金属可以处于钝
化状态也可以处于活化状态,
这种钝化状态可以因为其他偶然因素的破坏而使金属或合金处于活化状态.第
三种情况ε阳和ε阴交于E点,只有一个钝化稳定电位,这种情况说明金属只在钝
化状态是稳定的,它能够自动钝化,具有很小的腐蚀速度.第四种情况ε阳和ε
阴交于F,处于过钝化区,εP超过过钝化电位εT,金属处于过钝化状态,有较高
的腐蚀速度.从对图中分析我们了解到,不锈钢只有在第三种状态时才是耐腐
蚀的,它有最小的腐蚀电流,腐蚀速度很小,而在其它三种状态下不锈钢是不
耐蚀的.
二,提高钢的耐蚀性的途径
从电化学腐蚀的过程以及极化过程来看,要想提高钢的耐蚀性,应该考虑
以下几个方面的问题.
(1)消灭原电池的存在,或者说减少原电池的数目.
(2)改变金属基体的电极电位.如果改变阳极的电极电位,使电极电位
提高,可以降低腐蚀电流的强度.
(3)采用合金保护膜,阻碍阴极反应的进行,从而加快阴极极化,同样
可以减少腐蚀电流强度.
某些合金元素的加入,如Cr,Al,Si等可以提高钢的耐腐蚀能力,下面
就不锈钢的合金化问题加以讨论.
F
DC
图6—9 不同条件下具有活化—钝化转变的
金属与合金钝化状态稳定性的示意图
电流强度(对数)
IPI最小
εT
εP位电极阳-ε
1
2
3
4
ε阴
A
B
E
12
1,获得单相固溶体组织
如果在钢中加入某些合金元素超过一定的量,可以得到单相固溶体组织.
在铁中加入Cr,可以得到单相铁素体,根据Fe—Cr相图加Cr量应超过12.7%.
在铁中加入Ni,可以得到单相奥氏体,同样根据Fe—Ni相图加Ni量要超过
24%.如果Cr与Ni配合使用,在钢中同时加入18%Cr和9%Ni,就可以得到单
相奥氏体组织,这就是广泛应用的18—8型奥氏体不锈钢.它
具有高的耐蚀性,良好的冷变形
性能,焊接性能和高的冲击韧性,
而且无磁性.
2,改变铁的电极电位
将Cr加入到铁基固溶体中
,可以使其电极电位升高,这
样就会减少腐蚀电流强度.并
且,只有当Cr量达到一定浓度
时,电极电位才会发生一个突变.
图6—10表明了Fe—Cr合金的电极电位与Cr含量之间的关系.可以看出,当
Cr含量增加到原子百分数为12.5%,25%和37.5%(相应于1/8,2/8,3/8原
子比)时,电极电位出现一个突变,这个变化规律通常称为n/8规律.
依据n/8规律在钢中加入Cr要达到n=1时,加入Cr的重量百分数最低应
为: Cr% .=


52
52 56 7
117%
所以含铬不锈钢的Cr含量考虑到碳与铬相互之间的作用,最低也应超过
13%.
3,形成致密的钝化氧化膜
当钢中的Cr,Si,Al含量较高时,在表面形成的氧化膜中富集了Cr,Si,
Al的氧化物,这时的氧化膜的稳定性较高.尤其是在具有氧化性的介质中,
加Cr量超过10%以后,氧化膜比较稳定.在12~18%之间,在比较低的阳极电
位下就能达到稳定的钝化状态.
在不锈钢中加入Mo,可以形成含Mo的氧化膜,这种含Mo的氧化膜具有
更高的稳定性,在许多强腐蚀介质中都不易溶解.它可以防止卤族元素离子(特
别是CI-)对膜的破坏.
三,常用的不锈钢
依据不锈钢的组织特点,我们把它们分为以下几类.
图6—10 Fe—Cr合金电极电位与Cr含量
+0.3
+0.1 -0.1
-0.3
-0.7
28 2420 1612840
活化区
钝化区
-0.5
伏位电极电
Cr,原子%
13
1,马氏体型不锈钢
当含Cr量与含C量保持一定关系时,可以通过加热来获得单一的奥氏体,
然后淬火冷却得到马氏体组织,所以称为马氏体不锈钢.
(1)成分:Cr:13~18%,C:0.1~1.0%
(2)钢种:1Cr13~4Cr13,3Cr13Mo,1Cr17Ni2,9Cr18,
9Cr18MoV等.
(3)性能与用途
Cr13型钢含有大量的Cr,高温加热后在空气中冷却可获得马氏体组织.
经过淬火,回火后,σ0.2≥420MPa,σb≥600MPa.Cr13钢具有一定的回火脆性
倾向,但不明显.
1Cr13,2Cr13主要用于制造要求塑性较高和承受冲击载荷的零件,还可
以用于常温下耐腐蚀介质(盐水溶液,硝酸等)的设备.热处理采用1000~
1050℃淬火,然后在660~740℃高温回火,以获得具有良好综合机械性能的
回火索氏体组织.3Cr13,4Cr13长用于制造要求高硬度,同时又要求耐蚀的
工件.热处理采用1000~1100℃淬火,然后在200~300℃低温回火,得到回
火马氏体组织.
9Cr18具有高的含碳量,经过淬火后低温回火处理,强度,硬度高,可制
造耐磨损,耐腐蚀的零件.
2,铁素体型不锈钢
铁素体型不锈钢在加热和冷却过程中基本没有α γ转变.
(1)成分:Cr:17~30%,C:15%的高铬铁素体不锈钢在400~550℃范围内停
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留较长时间后,会导致室温脆化,强度升高,塑性,韧性几乎等于零.由于在
475℃时脆化现象最严重,所以称为475℃脆性.引起475℃脆性是由于在加热
时,铁素体内部的铬原子趋于有序化,形成富铬的铁素体(Cr=80%,Fe=20%).
富铬相也为体心立方晶格,但其点阵常数较大.富铬相与母相保持共格关系,
在母相{100}晶面族上析出,造成较大的晶格畸变和内应力,从而使铁素体不
锈钢脆性显著降低.
(3)σ相脆性:Cr含量超过15%的铁素体不锈钢,在520~820℃范围内
长时间加热停留,从铁素体中析出金属间化合物FeCr,称为σ相.由于σ相的
析出使得铁素体不锈钢变脆的现象称为σ相脆性.σ相具有复杂六方点阵,硬
度很高(HRC>68),脆性很大.析出时伴随着很大的体积变化,同时又经常沿
晶界析出,因此引起脆性.σ相的沿晶界析出会造成贫铬区的出现,从而使不
锈钢具有晶间腐蚀倾向,同时降低抗氧化性能.
3,奥氏体型不锈钢
奥氏体不锈钢是工业上应用最广泛的不锈钢.其中最常见的是含Cr=18%,
Ni=9%的所谓18—8型不锈钢.常用的牌号有:0Cr18Ni9,1Cr18Ni9,2Cr18Ni9,
1Cr18Ni9Ti等.
1Cr18Ni9Ti是Cr—Ni系不锈钢中使用最为广泛的钢种,它是在1Cr18Ni9
的基础上加入少量的Ti构成的,其目的是为了消除晶间腐蚀倾向.1Cr18Ni9
淬火温度1050~1130℃,水冷后成为单一的奥氏体组织.屈服强度低,但是
形变强化指数大,当变形量为40%时,σS由原来的250MPa提高到1000MPa,
σb由600MPa提高到1200MPa.焊接性能良好,具有很好的耐腐蚀性能,其在
氧化性,中性,弱氧化性介质中的耐蚀性远优于铬不锈钢.低温韧性也远远高
于铬不锈钢,同时具有高的高温抗氧化性.用于制造在腐蚀性介质中工作的容
器,管道等.
奥氏体不锈钢中如果含碳量较多,则奥氏体在冷却时易发生分解形成
(CrFe)23C6而不能保持单相奥氏体状态,耐蚀性会显著下降,所以奥氏体不锈
钢的含碳量应小于0.1%.
Cr—Ni不锈钢在400~850℃保温或缓慢冷却时,会发生严重的晶间腐蚀
破坏,这是由于在晶界上析出富铬的Cr23C6,使其周围的基体形成贫铬区引起
的.钢中的含碳量越高,晶间腐蚀的倾向越大.奥氏体不锈钢在进行气焊或电
弧焊时,焊缝及热影响区(550~850℃)晶间腐蚀严重,会导致工件脆断.
防止晶间腐蚀的方法一是降低奥氏体不锈钢的含碳量,二是采取必要的工
艺措施.
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降低钢中的含碳量,使析出的Cr23C6量极少或者不析出,可以有效地防止
晶间腐蚀倾向.例如当钢中C<0.03%时,焊后或在400~850℃加热都不会出现
晶间腐蚀.
加入Ti,Nb等能够形成更加稳定碳化物的合金元素,可以避免在晶界上
析出Cr23C6,从而抑制晶间腐蚀的产生.但是要采用相应的热处理工艺来保证.
将含Ti,Nb的Cr—Ni奥氏体不锈钢加热进行固溶处理,加热温度为1000~
1150℃,然后快速冷却得到单相奥氏体组织,随后而到850~900℃范围内保
温1~4小时后空冷.其目的是析出TiC或NbC而将碳稳定在Ti,Nb的碳化物
中,不会形成富铬的Cr23C6,消除了贫铬区的出现,从而抑制了晶间腐蚀的产
生.稳定化处理温度的选择,要考虑到能使Cr23C6溶解在钢中而TiC,NbC能
够析出的温度.
奥氏体不锈钢在焊接或冷变形加工后,应该进行去应力处理,加热温度在
300~350℃,以消除残余内应力,提高奥氏体不锈钢的抗应力腐蚀的能力.


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