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不锈钢的特点与选用

发布日期：2020-10-10 06:24:27 浏览次数：278

不锈钢广泛应用于石油、化工、化肥、食品、国防、餐具、合成纤维、炼油等行业。然而，许多容器、管道、阀门、泵等在接触各种腐蚀性介质时，由于腐蚀而报废。据统计，每年因腐蚀而产生的废钢约占世界年钢产量的1/4。不锈钢产量占钢铁总产量的1%。因此，材料腐蚀失效是材料研究与开发中的三大问题之一。
不锈钢是一种耐腐蚀的钢。一般来说，不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢也是不锈钢。所谓不锈钢是一种能抵抗大气和弱腐蚀性介质腐蚀的钢材。腐蚀速率小于0.01mm/年，腐蚀速率小于0.1mm/年。所谓耐酸钢，是指能在各种强腐蚀介质中耐酸的钢材。腐蚀速率小于0.1mm/年为完全耐腐蚀，小于1mm/年为耐腐蚀。因此，不锈钢不是无腐蚀的，但腐蚀速率很慢，完全无腐蚀性的钢是不存在的。
需要注意的是，在同一介质中，不同种类不锈钢的腐蚀速率有很大差别，同一不锈钢在不同介质中的腐蚀行为也不同。例如，镍铬不锈钢在氧化性介质中的耐蚀性很好，但在非氧化性介质（如盐酸）中则不好。因此，掌握各种不锈钢的特性，对于正确选择和使用不锈钢至关重要。或者说，它不仅需要承受
不锈钢的机械性能，还需要承受更好的腐蚀。不锈钢通常通过板、管等型材加工成零件或零件。因此，必须有良好的切割性能和良好的焊接性能。
不锈钢可分为铁素体（f）型不锈钢；马氏体[M]型不锈钢；奥氏体（a）不锈钢；奥氏体-铁素体（a-f）双相不锈钢；沉淀硬化不锈钢。

一、金属腐蚀
（1）金属的腐蚀过程
在外部介质的作用下，金属逐渐受到损伤的现象称为腐蚀。腐蚀基本上有两种形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。实际生产中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。化学腐蚀不产生电流，在腐蚀过程中形成一些腐蚀产物。腐蚀产物通常覆盖在金属表面形成一层薄膜，将金属与介质分离。如果该层中的化学产物稳定、致密、完整，与金属表面结合牢固，将大大减少甚至阻止腐蚀的进一步发展，保护金属。形成保护膜的过程称为钝化。例如，形成siO2、al2O3、Cr2O3等氧化物薄膜。这些氧化膜致密、完整、无气孔、无裂纹、不易脱落，能保护母材，避免进一步氧化。例如，铁在高温下氧化时生成Fe2O3。相反，有些氧化膜是不连续的或多孔的，对母材没有保护作用。例如，一些金属氧化物，如Mo2O3、WO3，在高温下易挥发，对衬底没有保护作用。可见，氧化膜的形成和氧化膜的结构与性能是化学腐蚀的重要特征。因此，提高金属的抗化学腐蚀能力，就是在金属表面形成一层稳定、完整、致密的氧化膜，即钝化膜。电化学腐蚀是金属腐蚀的一种较为重要和常见的形式。它是由不同金属组成的原电池或原金属的不同电极电位产生的。这种电偶腐蚀是在微结构之间产生的，所以也称为微电池腐蚀。电化学腐蚀的特征是电介质的存在，不同金属间的电位差连接或接触，金属微区或相，以及腐蚀电流的产生。
二、腐蚀类型
工业生产中金属材料的腐蚀失效模式多种多样。在不同载荷和不同介质环境的作用下，不同材料的腐蚀形式主要有以下几种：
一般腐蚀：在暴露的金属表面，虽然会降低构件的有效面积和使用寿命，但会出现大面积相对均匀的腐蚀，它比局部腐蚀危害小。
晶间腐蚀：指沿产品边界的腐蚀，破坏晶粒连接。这种腐蚀是最有害的。它会使金属变脆或失去强度，敲击时失去金属声音，{hottag}容易引起突发事故。晶间腐蚀是奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式，它是由于晶界区和晶界区成分或应力的不同而引起晶界区电极电位的差异所引起的。
应力腐蚀：金属在腐蚀介质和拉应力（外应力或内应力）共同作用下的开裂。断裂方式以沿晶和穿晶为主，是一种危险的低应力脆性断裂。应力腐蚀常发生在氯化介质、碱性氧化物或其它水溶性介质中，在设备事故中占很大比例。
点蚀：点蚀是金属表面局部区域发生的一种腐蚀失效形式。点蚀形成后，能迅速发展到深度，最终穿透金属。点腐蚀是非常有害的，特别是对各种容器。点蚀后应及时打磨或油漆，以免腐蚀加深。
点蚀的原因是金属表面的钝化膜在介质作用下局部损坏。或在含有氯离子的介质中，松散的表面缺陷和非金属夹杂物可导致腐蚀。
腐蚀疲劳：金属在腐蚀介质和交变应力作用下的破坏，其特征是腐蚀坑和大量裂纹。钢的疲劳强度显著降低，导致过早断裂。腐蚀疲劳不同于机械疲劳，它没有一定的疲劳极限，随着循环次数的增加，疲劳强度有所降低。
除了上述各种形式的腐蚀外，还有由于大容量电池的作用而产生的腐蚀。例如不同材质的铆钉和铆钉，不同金属的焊接，不同材质的船体和螺旋桨，从上述腐蚀机理可以看出，防止腐蚀的重点是：尽可能减少原电池的数量，在钢表面形成稳定完整的钝化膜，以及在形成原电池的情况下减小两个电极之间的电极电位差。提高

不锈钢的耐蚀性有多种方法，如在表面镀一层耐蚀金属、涂覆非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。采用合金化方法提高材料的耐蚀性是防止腐蚀损伤最有效的措施之一。方法如下：

（1）加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的耐电化学腐蚀性能。在钢中加入Cr、Ni、Si可以提高电极电位。由于镍的缺乏，大量的硅会使钢变脆。因此，铬是唯一能显著提高基体钢电位的元素。
Cr可以提高钢的电极电位，但不是线性的，如图5.1所示。实验结果表明，随着合金元素含量的增加，钢的电极电位由量变为质变，遵循1/8规律。当Cr含量达到一定值，即1/8原子（L/8、2/8、3/8…）时，电极电位会发生突变。因此，几乎所有不锈钢中的铬含量都在12.%（原子）以上，即11.7%（质量）。
（2）合金元素的加入使钢表面形成稳定、完整的净化膜，并与钢基体牢固结合。从而提高钢的耐化学腐蚀性能。在钢中加入Cr、Si.al等合金元素，在钢表面形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等致密的氧化膜，提高钢的耐蚀性。

（3）合金元素的加入可使钢在室温下处于单相状态，减少微胞数量，提高钢的耐蚀性。添加足够量的Cr或Cr-Ni，可在室温下获得单相铁素体或单相奥氏体。

（4）添加了Mo、铜等元素，提高了耐腐蚀性。
（5）添加Ti、Nb等元素，消除了Cr的晶间偏析，降低了晶间腐蚀倾向。
（6）添加Mn、n等元素代替部分镍，可获得单相奥氏体组织，大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。

不锈钢的种类和特性，根据正火状态下钢的结构状态，分为不锈钢和a-F双相不锈钢。

一、马氏体不锈钢
典型的马氏体不锈钢是加工性能良好的1cr13-4cr13和9Cr18

1cr13钢。可在不预热的情况下进行拉深、弯曲、压接和焊接。1Crl3、2Cr13主要用于制造涡轮叶片等耐腐蚀结构件，3Cr13、4Cr13主要用于制作外科手术刀和医疗器械的耐磨件；9crl8可用作耐腐蚀轴承和刀具。
二、铁素体不锈钢
的铬含量一般为13%-30%，碳含量低于0.25%。有时还加入其他合金元素。显微组织主要为铁素体。在加热和冷却过程中没有α<；=>；γ相变，因此热处理无法强化。具有很强的抗氧化活性。同时，还具有良好的热加工性和一定的冷加工性。铁素体不锈钢主要用于生产耐腐蚀性高、强度要求低的部件，广泛应用于硝酸、氮肥等设备和化工管道的生产。
典型的铁素体不锈钢是Crl7、Cr25和Cr28。
3。奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是为克服马氏体不锈钢的耐蚀性和脆性不足而研制的。其基本成分为crl8%和Ni8%，简称18-8钢。其特点是碳含量小于0.1%，由Cr、Ni获得单相奥氏体组织。
奥氏体不锈钢一般用于生产硝酸、硫酸等化工设备部件，制冷行业低温设备部件和变形强化部件可用作不锈钢弹簧和钟表。
奥氏体不锈钢具有良好的均匀腐蚀性能，但在局部耐蚀性方面仍存在一些问题：
1.奥氏体不锈钢的晶间腐蚀
奥氏体不锈钢的晶间腐蚀
奥氏体不锈钢的晶间腐蚀发生在保持在450-850℃或缓慢冷却。碳含量越高，晶间腐蚀倾向越大。此外，热影响区也存在晶间腐蚀。这是由于富Cr的Cr23C6在晶界析出所致。原电池是由腐蚀引起的。这种晶间腐蚀也存在于上述铁素体不锈钢中。
在工程中，防止晶间腐蚀常用以下方法：

（1）降低钢中的碳含量，使钢中的碳含量低于平衡状态下奥氏体中的饱和溶解度，从根本上解决了碳化铬（Cr23C6）在晶界析出的问题。一般来说，当钢中碳含量低于0.03%时，可以满足抗晶间腐蚀的要求。

（2）通过添加Ti、Nb和其他能形成稳定碳化物（tic或NBC）并避免Cr23C6在晶界析出的元素，可以防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。

（3）通过调整奥氏体形成元素和铁素体形成元素的比例，该钢具有奥氏体+铁素体双相组织，其中铁素体占5%-12%。这种双重结构不易产生晶间腐蚀。

（4）通过适当的热处理工艺，可以防止晶间腐蚀，并获得最佳的耐蚀性。
2.奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂
应力（主要是拉应力）与腐蚀的联合作用称为应力腐蚀开裂（SCC）。奥氏体不锈钢在含有氯离子的腐蚀介质中易发生应力腐蚀。当Ni含量达到8%～10%时，奥氏体不锈钢的应力腐蚀倾向最高。当Ni含量增加到45～50%时，SCC的趋势逐渐减小，直至消失。
防止奥氏体不锈钢应力腐蚀的主要途径是熔炼时加入Si2～4%，并将氮含量控制在0.04%以下。另外，应尽量减少杂质P、Sb、Bi、的含量。此外，还可选用对Cl-和oh-介质应力腐蚀不敏感的A-F双相钢。当初始微裂纹满足铁素体相时，铁素体含量应在6%左右。
3.奥氏体不锈钢的形变强化
单相奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可以冷拔成非常细的钢丝，并冷轧成非常薄的钢带或钢管。经过多次变形后，钢的强度有了很大的提高，特别是在较低的零温区。拉伸强度大于2000mpa。这是因为除了冷加工硬化的影响外，变形诱发的m相变也是叠加的。
奥氏体不锈钢经变形强化后可用于制造航空结构中的不锈钢弹簧、时钟弹簧和钢丝绳。变形后如需焊接，只能采用点焊工艺。变形会增加应力腐蚀的趋势。在使用中（如在仪器部件中），应考虑部分γ->；m变换引起的铁磁性。变形量随再结晶温度的变化而变化。当变形量为60%时，再结晶温度降至650℃。冷变形奥氏体不锈钢的再结晶退火温度为850～1050℃。冷变形奥氏体不锈钢的再结晶退火温度需在850℃下保持3h，然后在1050℃下彻底烧制，然后水冷。
4.奥氏体不锈钢热处理

奥氏体不锈钢常用的热处理工艺有：固溶处理、稳定化处理和应力消除处理。
（1）溶液处理。将钢加热到1050～1150℃后进行水淬，其主要目的是使碳化物溶解在奥氏体中，并在室温下保持这种状态，从而大大提高钢的耐蚀性。如上所述，为了防止晶间腐蚀，通常将Cr23C6溶解在奥氏体中，然后迅速冷却。薄壁件可采用风冷，一般采用水冷。

（2）稳定化处理。通常在固溶处理后进行，通常用于含Ti、NB的18-8钢。钢经固溶处理后，加热至850-880℃，然后风冷。此时，铬的碳化物完全溶解，钛的碳化物未完全溶解。而且在冷却过程中充分析出，使碳不再形成碳化铬，有效地消除了晶间腐蚀。
（3）减压。消除应力处理是消除冷加工或焊接后钢材残余应力的热处理工艺。一般加热到300-350℃并回火。对于不含稳定元素Ti、Nb的钢，加热温度不应超过450℃，以免碳化铬析出引起晶间腐蚀。对于超低碳和Ti、NB不锈钢冷加工件和焊接件，需要在500～950℃加热，然后缓慢冷却以消除应力（消除焊接应力的上限温度），可以降低钢的晶间腐蚀倾向，提高钢的抗应力腐蚀性能。
四、奥氏体铁素体双相不锈钢

在奥氏体不锈钢的基础上，适当增加Cr含量，降低Ni含量，结合重熔处理，可获得奥氏体和铁素体（含40-60%δ-铁素体）的双相组织。典型钢种为0cr21ni5Ti、1cr21ni5Ti、ocr21ni6mo2ti等。双相不锈钢具有良好的可焊性，焊后无需热处理，晶间腐蚀和应力腐蚀倾向较小。但由于Cr含量较高，易形成σ相，在使用中应注意。

关键词： 不锈钢特点

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