第5章 不锈耐酸钢-2014

耐酸钢在大气、酸、碱、盐或其它腐蚀性介质中具有良好的抗侵蚀能力的合金钢。

具有较高的化学稳定性和良好的机械性能。

本文就为大家介绍一下。

这种钢具有良好的耐蚀性，合适的力学性能以及良好的冷、热加工性能和焊接性等工艺性能。

铬是主要的合金元素，此外常加入镍、钼、钛、铌、铜等。

种类繁多，性能各异，按组织可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等。

主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作的零部件。

耐酸钢按其组织可分为三大类：[2](1)奥氏体不锈钢，它的耐蚀性好，有一定的强度和很好的韧性;(2)铁素体不锈钢，它的耐蚀性稍差，但有良好的抗氧化能力;(3)马氏体不锈钢，它的耐蚀性较差，但强度性能好，可以制造机械性能要求较高、耐蚀性较低的零部件。

按其用途可分为两大组：第一组为不锈钢，即在空气中能抵抗腐蚀的钢，主要用于制造汽轮机叶片、测量工具、医疗器械、剪切刃具、餐具等;第二组为耐酸钢，即在各种侵蚀性强烈的介质中能抵抗腐蚀作用的钢，主要用于制造制酸的设备、尿素设备、船舶控制设备、航海设备等。

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第五章耐腐蚀金属材料§5-1金属耐腐蚀合金化原理工业上所用的金属材料中，纯金属并不多，应用较多的因此是铁、铜、镍、钛、铝、镁等各种金属的合金。

本节讨论如何通过合金化和热处理等途径，从成分和组织上使合金具有高的耐蚀性，并表明其作用原理。

一、提高金属的热力学稳定性以热力学稳定性高的元素进行合金化，向不耐蚀的合金中进进热力学稳定性高的合金元素进行合金化，可在合金表层形成由贵金属组元组成的连续保卫层，提高其耐蚀性。

例如，铜中加金，镍中加铜，铬中加镍等。

然而其应用是有限的。

因为，一方面要虚耗大量的贵金属，经济上珍贵；另一方面，由于合金组元在固态中的溶解度是有限的，许多合金要获得具有多组元的单一固溶体是对照困难的。

二、落低阴极活性在阴极操纵的金属腐蚀中，可用进一步加强阴极极化的方式来落低腐蚀速度。

如金属在酸中的活性溶解就能够用落低阴极活性的方法减少腐蚀。

具体方法是：1．减小金属或合金中的活性阴极面积金属或合金在酸中腐蚀时，阴极析氢过程优先在氢超电压低的阴极相或夹杂物上进行。

假如减少合金中的阴极相或夹杂物，减小了活性阴极面积，增加了阴极极化电流密度，增加阴极极化程度，阻碍阴极过程的进行，提高耐蚀性。

例如，当铝中铁含量减少时，其在盐酸中的耐蚀性提高，如P128图1。

这是由于铁能形成阴极相。

关于阴极操纵的腐蚀过程，采纳固溶处理获得单相固溶体组织，可提高耐蚀性。

反之，退火或时效处理落低其耐蚀性。

2．进进氢超电压高的元素进进氢超电压高的元素，可提高阴极析氢超电压，显著落低合金在酸中的腐蚀速度。

但它只适用于不产生钝化的析氢腐蚀。

如金属在非氧化性或氧化性低的酸中的活性溶解过程。

例如，在锌中含有铁、铜等电位较高的金属杂质时，进进氢超电压高的镉、汞，可使锌在酸中腐蚀速度显著落低。

又如，在含有较多杂质铁的工业纯镁中，添加0.5-1%锰可大大落低其在氯化物水溶液中的腐蚀速度，这是由于锰比铁高得多的析氢超电压之故。

三、落低合金的阳极活性用合金化的方法落低合金的阳极活性，尤其是用提高合金钝性的方法阻碍阳极过程的进行，可提高合金的耐蚀性，它是一种最有效、应用最广泛的措施。

第三部分不锈钢的腐蚀一、概述1、不锈钢的定义不锈钢是一系列在空气,水,盐的水溶液,酸以及其它腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢种;在空气中耐腐蚀的钢称为“不锈钢”,在各种腐蚀性较强的介质中耐腐蚀的钢种称为“耐酸钢”;通常,我们把不锈钢与耐酸钢统称为不锈耐酸钢,或简称为不锈钢;根据习惯用法,不锈钢一词常包括耐酸钢在内;现有的不锈钢从化学成分来看,都是高铬钢;由于在大气中,当钢中的铬含量超过大约12%时,就基本上不会生锈;钢的这种不锈性一般认为与钢在氧化性介质中的钝化现象有关;2、不锈钢的分类不锈钢分类主要有以下几种方式：1按化学成分分有----铬钢及铬钼钢,铬镍钢,铬锰钢或铬锰氮钢,铬锰镍钢等;2按显微组织分有----奥氏体钢,铁素体钢,马氏体钢,奥氏体+铁素体双相钢,铁素体+马氏体双相钢奥氏体钢等3按用途分有----耐海水不锈钢,耐点蚀不锈钢统一在某一钢种上,耐应力腐蚀破裂不锈钢,耐浓硝酸腐蚀不锈钢,耐硫酸腐蚀不锈钢,深冲用不锈钢,高强度不锈钢,易切削不锈钢,耐热不锈钢等;二、不锈钢的点蚀1、点蚀现象和识别点蚀是在不锈钢表面上局部形成的具有一定深度的小孔或锈斑;由于点蚀常常被锈层,腐蚀产物等覆盖,因而难以发现;在金相显微镜下观察点蚀,其断面有多种形貌;点蚀一般系在特定腐蚀介质中,特别是在含有Clˉ包括Brˉ,Iˉ离子的介质中产生;使不锈钢产生点蚀的常见介质有：大气,水介质及水蒸气,海水,漂白液,各种有机和无机氯化物等;点蚀可在室温下出现并随腐蚀介质温度升高而更易产生并更趋严重;点蚀不仅可导致设备,管线等穿孔而破坏,而且常常诱发晶间腐蚀,应力腐蚀和疲劳腐蚀;虽然,不锈钢的点蚀事故仅占化工,石油等系统腐蚀破坏的~20%,但在大气中使用的不锈钢,却有近80%是由于点蚀和锈斑而损坏;见图1a、b;2、机理一般认为,不锈钢的点蚀是在金属表面非金属夹杂物,析出相,晶界,位错露头等缺陷处,由于钝化膜较脆弱,在特定腐蚀介质作用下,钝化膜修复能力差而造二氧化碳引起的点蚀a Cr13不锈钢的局部腐蚀b图1成的破坏;点蚀的出现包括成核和扩展二个阶段;现以钢的表面上存在硫化锰夹杂为例简述如下：点蚀的成核：在溶液中有Clˉ存在时,金属表面有硫化锰夹杂的部位,由于难以钝化,再钝化而产生优先溶解并形成小孔坑;硫化物溶解产生H+或H2S,对不锈钢的新鲜表面产生活化作用,防止小孔坑的再钝化而形成孔蚀源;点蚀的扩展：孔蚀源形成后,溶解下来的金属离子会产生水解而生成H+并使局部溶液的pH值下降,进而又加速金属的溶解,使孔坑进一步扩大,加深;随着蚀孔加深并由于腐蚀产物覆盖了蚀坑口,从而使蚀孔内物质迁移困难,导致蚀孔内pH值的进一步降低;同时,Clˉ在蚀孔内富集,使蚀孔进一步加速扩大并加深,最后形成点蚀;研究表明,在特定介质中,只要不锈钢的腐蚀电位超过点蚀电位,就能产生点蚀;3、材料选择提高不锈钢的纯度并降低不锈钢的不均匀性,选择钝化和再钝化能力强的材料是防止不锈钢点蚀的有力措施;提高不锈钢的纯度,可通过炉外精炼手段,降低钢中的气体和非金属夹杂物的含量;研究表明,钢中的氧化物,特别是Al2O3；钢中的硫化物,特别是MnS；钢中氮化物,特别是TiN,由于它们本身的物理,化学性质,在介质作用下,常常作为敏感位置而诱发点蚀;研究还表明,对于常用的18-8型Cr-Ni钢和18-12-2型Cr-Ni-Mo钢,在降低钢中S量的同时降低Mn量也有利于耐点蚀性能的提高;降低不锈钢的不均匀性,特别是要防止M23C6等碳化物和金属间相的析出;因为它们周围Cr,Mo等耐点蚀元素的贫化,使它们极易成为点蚀的敏感位置;由于Cr,Mo,N等元素对提高不锈钢的耐点蚀性非常有效,为了提高不锈钢的钝化和再钝化能力,就要选用高Cr,Mo含量的奥氏体,奥氏体+铁素体双相钢和铁素体不锈钢；选用高Cr,Mo且含N的奥氏体和奥氏体+铁素体双相不锈钢;如果把常用的不锈钢按其耐点蚀能力由小到大排列起来,大致可以得到下列顺序：铁素体不锈钢：注：顺表中箭头方向耐点蚀能力提高二、缝隙腐蚀1、现象和识别不锈钢表面上若存在金属和非金属夹杂物,例如金属微粒,砂粒,灰尘,脏物,海生物,或者由于结构上的原因,例如铆接,螺栓联接,垫片圈,管与管板胀接,与非金属接触等,均可形成缝隙;在腐蚀介质作用下,缝隙内出现腐蚀,就是缝隙腐蚀;缝隙腐蚀一般根据缝隙形状不同而具有一定的外形;轻微时,可以是缝隙内的一般全面腐蚀,严重时,多为成片的点蚀状或溃疡状;研究表明,几乎所有的腐蚀介质均可引起不锈钢的缝隙腐蚀,而没有特定介质的选择;但是在含Clˉ环境中的缝隙腐蚀则最为常见；缝隙腐蚀对缝隙尺寸有一定的要求,既要使缝隙内,外溶液之间的物质迁移发生困难,还要能允许溶液进入缝隙内,不锈钢产生缝隙腐蚀的缝隙宽度一般在~范围内;2、机理：缝隙腐蚀可分为孔蚀型缝隙腐蚀和活化型缝隙腐蚀二种;前者是以孔蚀为起源的缝隙腐蚀,主要是由于缝隙内钝化膜的氧化性破坏而引起的；后者的形成机理简述如下：由于缝隙的存在,缝隙内溶液组成物质迁移产生困难;例如,腐蚀溶液中能使不锈钢钝化的氧进入缝隙,只能通过扩散,因而过程缓慢;为了维持不锈钢钝态,缝隙内氧迅速耗掉而又的不到及时补充,致使不锈钢表面钝化膜开始还原性溶解;这种溶解的结果使腐蚀产物金属盐逐渐浓缩,通过水解,缝隙内溶液的pH值急剧下降;当pH值降低到不锈钢在溶液中的去钝化pH值时,缝隙内不锈钢表面的钝化膜便产生还原性破坏而形成缝隙腐蚀;3、材料选择不锈钢的缝隙腐蚀主要是因为缝隙内的溶液酸化,缺氧而引起表面钝化膜破坏;因而,提高不锈钢钝化膜的稳定性和钝化,再钝化能力同样是提高不锈钢耐缝隙腐蚀能力的重要措施;因此,选用耐点蚀材料的一些措施同样适用于耐缝隙腐蚀材料的选择;三、腐蚀疲劳现象和识别在介质与交变应力共同作用下所引起的不锈钢的破坏称为腐蚀疲劳;由于不锈钢多在腐蚀环境中使用,因此在交变应力作用下,所产生的不锈钢的破坏多为腐蚀疲劳;与一般机械疲劳相比,不锈钢的腐蚀疲劳表面上常见明显的腐蚀和点蚀;腐蚀疲劳既可以是仅有一条裂纹,也可以有多条裂纹并存,这与不锈钢的腐蚀疲劳既可以在一点又可以在多处生核并扩展有关;不锈钢腐蚀疲劳裂纹宏观常见切向何正向扩展并多呈锯齿状和台阶状；微观上裂纹一般没有分支且裂纹尖端较钝;除腐蚀和裂纹外,不锈钢腐蚀疲劳最重要的特点是断口上有一般机械疲劳的各种特征;例如,宏观断口较平整,呈瓷状或贝壳状,有疲劳弧线,疲劳台阶,疲劳源等；微观断口则有疲劳条纹等;不锈钢在任何腐蚀介质中均可产生腐蚀疲劳,而没有介质的选择;为了验证是否是腐蚀疲劳,还可根据提高钢的强度和耐蚀性或排除腐蚀介质的作用后,是否仍出现破坏来断定;如果由于钢强度提高,不锈钢疲劳断裂消失或寿命延长,则可断定原断裂为机械疲劳；如果提高了钢的耐蚀性或排除了腐蚀介质的作用后,不锈钢疲劳断裂消失或寿命延长,则可断定原断裂为腐蚀疲劳;根据断口特征可以准确的把应力腐蚀与腐蚀疲劳区别开来;2、机理目前,不锈钢腐蚀疲劳的机理主要有以下几种模型;1点蚀应力集中模型：认为不锈钢点蚀坑底部的应力集中是引起裂纹成核的主要原因；2形变金属优先溶解模型：认为形变金属为阳极,未变形金属为阴极,从而导致形变部分的优先溶解；3表面膜破裂模型：认为在交变应力作用下,金属滑移带穿透表面膜,形成无保护膜的台阶,从而使其处于活化态而溶解,引起裂纹成核;滑移-溶解反复作用而形成腐蚀疲劳；4吸附模型：认为腐蚀介质中的活化物质吸附到金属表面上,使表面能降低,改变了材料的力学性能,从而使不锈钢表面滑移带的产生和裂纹的扩展更易进行;3、材料选择选择耐蚀性更好的不锈钢和具有复相结构的双相不锈钢,是解决不锈钢腐蚀疲劳的主要措施;由于不锈钢的腐蚀疲劳多以点蚀为起源,因此,为了防止腐蚀疲劳可选择耐点蚀好的各种不锈钢;例如,含Cr,Mo较高的马氏体不锈钢,Cr-Ni奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢等;由于一些双相不锈钢不仅Cr,Mo较高,且多含有N,因此耐点蚀性能好,同时,由于其组织具有复相结构,不仅显着提高钢的腐蚀疲劳强度,而且疲劳裂纹的扩展也较单相组织结构困难,所以,选用双相不锈钢是解决不锈钢腐蚀疲劳破坏的重要途径;四、刀状腐蚀1、现象和识别：在含Ti,Nb的Cr-Ni奥氏体不锈钢焊缝与母材之交界处的很窄区域内产生严重腐蚀,而母材和焊缝本身则腐蚀轻微,甚至未见腐蚀,金相显微镜下观察可见敏化态晶间腐蚀的特徽;研究表明,含Ti的Cr-Ni不锈钢,无论是在氧化性介质,还是在还原性介质中,均可产生刀状腐蚀;2、机理：冶炼厂在生产含TiNb的Cr-Ni奥氏体不锈钢时例如1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni11Ti,0Cr18Ni11Nb等,经冶炼,浇注,锻,轧等成材后,出厂前一般经过920~1150°C加热,随后急冷的固溶处理;此时钢中的Ti或Nb大都应以TiCNbC 的形式存在;但经焊接后,与焊缝相邻的高温>=1150°C狭窄区域内TiCNbC就会分解,钢中碳便会溶于奥氏体基体中;在随后的冷却过程中,当此高温区通过450~850°C,即敏化温度范围时,又会有大量富铬的M23C6Cr23C6沿晶界析出,从而导致晶界铬的贫化,在介质作用下便会出现刀状腐蚀;因此,刀状腐蚀系含TiNb的Cr-Ni奥氏体不锈钢在焊缝熔合线上出现的一种晶间腐蚀,是钢中TiCNbC分解,Ti和C溶解,随后富铬的M23C6析出,形成贫铬区的结果;本质上与敏化态晶间腐蚀没有区别;3、材料选择从根本上讲,刀状腐蚀仍然是因含TiNb的Cr-Ni奥氏体不锈钢中常常含有比较高的C量而引起的;因此,在选择材料时首先考虑选用低碳~%和超低碳<=%Cr-Ni奥氏体不锈钢以代替含TiNb的不锈钢；当必须选用含TiNb的Cr-Ni奥氏体不锈钢时,也须将钢中的碳量控制在允许的范围内并尽量低;五、晶间腐蚀不锈钢的晶间腐蚀是沿不锈钢晶粒间界产生的一种优先破坏.它曾经是人们20世纪30~50年代最为关注,最为常见的腐蚀破坏形式;虽然不锈钢敏化态晶间腐蚀的事故已大大减少,但非敏化态晶间腐蚀的研究和解决尚需人们继续努力;一铬镍奥氏体不锈钢的敏化态晶间腐蚀1、现象和识别敏化态晶间腐蚀出现在焊接构件的焊缝热影响区或构件经过450~850°C加热的部件,在介质作用下导致这些部位的泄漏或破损；产生敏化态晶间腐蚀的设备,部件等,其尺寸,外形几乎没有变化且无任何塑性变形；除受腐蚀的区域外,其它部位没有任何腐蚀的迹象,仍具有明显的金属光泽；局部取样检查,受腐蚀部位的强度,塑性已严重丧失,冷弯时不仅出现裂纹,严重时常常出现脆断和晶粒脱落且落地无金属声;在金相显微镜和扫描电镜下可以明显看到钢的晶界由于受腐蚀而变宽,多呈网状,严重时还有晶粒脱落现象;2、机理常见的敏化态晶间腐蚀应用贫铬理论可得到圆满的解释;Cr-Ni奥氏体不锈钢在使用前或冶炼厂出厂交货状态多为固溶处理状态;即将不锈钢加热到高温1000~1150°C左右,随钢种而异,保温后快冷一般为水冷;此时,当Cr-Ni奥氏体不锈钢中含碳量在~%以上时随钢中的含Ni量而异,碳在钢中便处于过饱和状态;随后,在不锈钢的加工及设备,构件的制造和使用过程中,若要经过450~850°C的敏化温度加热例如焊接或在此温度范围内使用,则钢中过饱和的碳就会向晶界扩散,析出并与其附近的铬形成铬的碳合物;在常用的Cr-Ni奥氏体不锈钢中,这种碳化物一般为Cr23C6M23C6;由于这种碳化物含有较高的Cr,所以铬碳化物沿晶界沉淀就导致了碳化物周围钢的基体中Cr浓度的降低,形成所谓“贫铬区”;当铬碳化物沿晶界沉淀呈网状时,贫铬区亦呈网状,不锈钢耐腐蚀是因为在介质作用下,钢中含有足以使钢在此介质中钝化的铬量;而贫铬区铬量不足,使钝化能力降低,甚至消失,而奥氏体晶粒本身仍具有足够钝化耐蚀能力,因此,在腐蚀介质作用下晶界附近连成网状的贫铬区便优先溶解而产生晶间腐蚀;3、常见介质容易使Cr-Ni奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的常见介质种类很多,下表仅列出其中的一部分供参考;表1 使Cr-Ni奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的常见介质4、材料选择长期以来,人们选用含稳定化元素Ti,Nb的Cr-Ni奥氏体不锈钢,例如1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Ti, 1Cr18Ni12Mo2Ti, 1Cr18Ni12Mo3Ti, 1Cr18Ni11Nb, 0Cr18Ni11Nb等以防止敏化态晶间腐蚀并取得了满意的结果;Ti,Nb的作用主要是与钢中过饱和的碳形成稳定的TiC,NbC等碳化物而防止或减少铬碳化物Cr23C6的形成;但是含稳定化元素Ti,Nb,特别是含Ti的不锈钢有许多缺点;在不锈钢冶炼工艺日新月异的今天;有些缺点已严重阻碍了不锈钢冶炼生产的科技进步并给使用带来了不必要的损失和危害;例如,Ti的加入,使钢的粘度增加,流动性降低,给不锈钢的连续浇注工艺带来了困难；Ti的加入,使钢锭,钢坯表面质量变坏,不仅大大增加冶金厂的修磨量,而且显着降低钢的成材率,从而提高了不锈钢的成本；Ti的加入,由于TiN等非金属夹杂物的形成,降低了钢的纯洁度,不仅使钢的抛光性能变差,而且由于TiN等夹杂常常成为点蚀源而使钢的耐蚀性下降；含Ti的不锈钢焊后在介质作用下,沿焊缝熔合线易出现“刀状腐蚀”,同样引起焊接结构设备的腐蚀破坏;由于含Ti不锈钢的上述缺点,在不锈钢产量最大的日本,美国含Ti的18-8Cr-Ni 不锈钢的产量仅占Cr-Ni不锈钢产量的1~2%,而我国仍占Cr-Ni不锈钢产量的90%以上;这既反映了我国不锈钢生产和钢种使用上的不合理,也说明我国在不锈钢生产和使用中,钢种结构上的落后状况;建议选用超低碳Cr-Ni奥氏体不锈钢;由于超低碳C<=~%Cr-Ni奥氏体不锈钢的强度较用Ti,Nb稳定化的不锈钢为低,当强度嫌不足时,可选用控氮~%和氮合金化N>=%的超低碳Cr-Ni奥氏体不锈钢,它们不仅强度高且耐晶间腐蚀,耐点蚀等性能也均较含Ti,Nb的不锈钢为佳;建议含Ti,Nb的Cr-Ni奥氏体不锈钢仅用于低碳,超低碳不锈钢无法替代的条件下,例如作为耐热钢使用和在连多硫酸等用途中使用;二铬镍奥氏体不锈钢的非敏化态固溶态晶间腐蚀铬镍奥氏体不锈钢的非敏化态晶间腐蚀,1949年才被人们发现,虽然也开展了一些研究工作,但截止目前为止,从理论到实践还没有获得满意的解释和解决;1、现象和识别非敏化态固溶态晶间腐蚀系指Cr-Ni奥氏体不锈钢在经过高温1000~1150°C加热,保温后迅速冷却后的固溶状态,不需要再经过敏化焊接或450~850°C敏化温度加热处理,在一些腐蚀介质中同样出现的晶间腐蚀;产生非敏化态晶间腐蚀的Cr-Ni奥氏体不锈钢既包括普通不锈钢,也包括耐敏化态晶间腐蚀的超低碳不锈钢和含稳定化元素Ti,Nb的不锈钢;非敏化态晶间腐蚀主要出现在含Cr6+的HNO3中;除65%的HNO3外,在浓HNO3,特别是在发烟硝酸中最易出现;此外,国内在二氧化碳汽提法生产尿素的条件下,在高温,高压尿素甲铵液中,在液相,汽液相交界处,在汽相中均发现了尿素级和非尿素级的00Cr17Ni14Mo2和00Cr25Ni22Mo2N以及Fe-Ni基耐蚀合金00Cr20Ni35Mo2Cu3NbCarpenter 20cd-3的非敏化态晶间腐蚀;非敏化态晶间腐蚀一般出现在远离焊缝的母材上;对它的识别基本上与敏化态晶间腐蚀相同;但是,在金相显微镜和扫描电镜下观察,在尿素生产装置中所出现的Cr-Ni 奥氏体不锈钢的非敏化态晶间腐蚀形态,发现与前述敏化态晶间腐蚀有很大的不同;主要表现在晶间腐蚀裂纹较宽但常常延伸较浅且常伴随有晶粒脱落,但晶界并未见析出物;2、机理研究表明,应用溶质杂质偏聚理论能够较满意地解释固溶态非敏化态晶间腐蚀产生的原因;在含Cr6+的硝酸介质中,选择高纯的Cr-Ni不锈钢Cr14Ni14和1Cr18Ni11Ti,研究了C,P,Si,B等对非敏化态晶间腐蚀的影响,当C<%时无明显影响,P>=%,显着有害；Si 量在Cr-Ni不锈钢正常含量~%范围附近时,其非敏化态晶间腐蚀敏感性最大,高于或低于此含量,晶间腐蚀敏感性下降；B量>=%,对非敏化态晶间腐蚀便有害;对含Si,P极低的高纯Cr-Ni奥氏体钢的进一步研究表明,这些不锈钢在非敏化态均无晶间腐蚀倾向;采用透射电镜和俄歇谱仪进行晶界分析结果已证实晶界P,Si,B等元素的偏聚并优先溶解是导致非敏化态晶界腐蚀的主要原因;但是,P,Si,B等杂质元素沿晶界偏聚导致非敏化态晶间腐蚀仅仅是由于晶界和晶内形成化学浓差而引起的单纯电化学腐蚀过程,或者是由于偏聚引起晶界耐蚀性下降,还是有其它因素的影响,尚有待于进一步探讨;3、材料选择从理论上讲,发展P<=%,Si<=%,B<=%的高纯Cr-Ni奥氏体不锈钢是解决非敏化态晶间腐蚀最根本的措施;目前,为解决硝酸用途中的非敏化态晶间腐蚀,主要是选用高硅Si ~4%不锈钢0Cr18Ni11Si4AlTi,00Cr20Ni24Si4Ti,00Cr14Ni14Si4,00Cr17Ni15Si4Nb等;为解决二氧化碳汽提法尿素生产中四大高压设备,即尿素合成塔,高压冷凝器,高压洗涤器,二氧化碳汽提塔用Cr-Ni奥氏体不锈钢的非敏化态晶间腐蚀,目前仍需选用已有大量成熟使用经验的尿素级00Cr17Ni14Mo2和00Cr25Ni22Mo2N;但需尽量控制钢中C,P,Si量,特别是P含量应尽量低;三铁素体不锈钢的晶间腐蚀1、现象和识别铁素体不锈钢的晶间腐蚀与前述Cr-Ni奥氏体不同：它一般出现在高于900~950°C加热后或焊后,甚至在水等急冷条件下也无法避免；而经过750~850°C短时间加热处理,铁素体不锈钢的晶间腐蚀敏感性可减轻,甚至消除；铁素体不锈钢的晶间腐蚀系产生在紧靠焊缝熔合线附近区域,而不是在Cr-Ni奥氏体不锈钢的热影响区内;除出现部位上的差异外,对铁素体不锈钢晶间腐蚀的识别基本上与Cr-Ni奥氏体不锈钢的敏化态晶间腐蚀相同;铁素体不锈钢的晶间腐蚀不仅在强腐蚀性介质中产生,而且在弱介质中,例如在自来水中亦可出现;2、机理大量研究表明,应用贫铬理论同样可满意地解释铁素体不锈钢的晶间腐蚀现象;高铬铁素体不锈钢在900~950°C以上加热时,钢中C,N固溶于钢的基体中;由于钢中Cr在铁素体内的扩散速度约为奥氏体中的100倍,而C,N在铁素体内不仅扩散速度快在600°C,C在铁素体中的扩散速度约为奥氏体中的600倍,而且溶解度也低在含Cr26%的铁素体钢中,1093°C时,C的溶解度为%,而在927°C仅为%,温度再低,还要降至%以下；N的溶解度在927°C以上为%,而在593°C仅为%;因而高温加热后,在随后的冷却过程中,即使快冷也常常难以防止高铬的碳,氮化物沿晶界析出和贫铬区的形成;而在750~870°C 处理,可降低,消除铁素体不锈钢的晶间腐蚀倾向;但是,在500~700°C范围内,钢中铬的扩散速度减小,短期内无法使贫铬区消失,故先经高温加热,而在冷却过程中又通过500~700°C温度区的铁素体不锈钢,由于晶界有贫铬区的存在,在腐蚀介质作用下就会产生晶间腐蚀现象;研究表明,含Cr20%的铁素体不锈钢,其贫铬区的Cr量可<5%,甚至可为0%,贫铬区的宽度为~μm;3、材料选择为了防止铁素体不锈钢的晶间腐蚀,主要选用含Ti,Nb等稳定化元素的铁素体不锈钢;六、应力腐蚀1、现象和识别：不锈钢的应力腐蚀是在静拉伸应力与特定的工作介质共同作用下而发生的一种破坏;它是不锈钢局部腐蚀破坏中最常见,危害最大的一种;工程事故的分析经验表明,不锈钢制设备和部件,包括未经使用的设备和部件,一旦发生突然性的泄漏或损坏,而泄漏或损坏部位又未见明显的塑性变形,常常是由应力腐蚀而造成的;识别应力腐蚀的主要依据是裂纹特征和断口形貌;见图片;1裂纹特征应力腐蚀的宏观裂纹均起自于不锈钢表面且分布具有明显的局部性；裂纹的走向与所受应力,特别是与残余应力有密切关系；裂纹常呈龟裂和风干木材状,裂纹附近未见塑性变形；除裂纹部位外,其它部位腐蚀轻微,且常有金属光泽;应力腐蚀裂纹的微观形貌多为穿晶型,但也多见沿晶型和穿晶+沿晶混合型；裂纹的宽度较小,而扩展较深,裂纹的纵深常较其宽度大几个数量级；裂纹既有主干也有分支,典型裂纹多貌似落叶后的树干和树枝,裂纹尖端较锐利;2断口形貌应力腐蚀的宏观断口多呈脆性断裂;断口的微观形貌,穿晶型多为准解理断裂,并常见河流,扇形,鱼骨,羽毛等花样；而沿晶型则多为冰糖块状花样;2、常见介质：导致各类不锈钢应力腐蚀的最常见介质是含有Clˉ和氧的大气和工业水,海水等;由于Cr-Ni奥氏体不锈钢用量最大,应力腐蚀事故也最多;下面列出了使Cr-Ni奥氏体不锈钢产生应力腐蚀和晶间沿晶型应力腐蚀的常见介质;3、机理：由于应力腐蚀的影响因素多,过程比较复杂,因此,截至目前为止,对不锈钢应力腐蚀的尚未取得统一的认识;对于高强度不锈钢,例如马氏体和马氏体沉淀硬化不锈钢的应力腐蚀,许多人认为氢脆起主导作用;但也有人认为,在中性水溶液中,对13%Cr马氏体不锈钢的应力腐蚀起主导作用的不是氢脆,而是阳极溶解;对于Cr-Ni奥氏体不锈钢,许多研究工作者也曾提出氢脆是它们产生应力腐蚀的主要机制;主要依据是在沸腾的Mg,Li,Ca等的氯化物溶液中,在高温水和蒸汽中,在室温H2SO4+NaCl混合介质中,由于氢的吸附,钢的塑性显著降低；在腐蚀电位和阴极极化下,有氢析出的可能性；在应力作用下,奥氏体形变可在局部产生马氏体,同时,钢中氢量增加,可促进这种马氏体转变；断裂后,通过断口观察,认为属于氢脆断裂;但是,对于大量使用的Cr-Ni奥氏体不锈钢,从裂纹尖端产生阳极溶解而引起应力腐蚀,目前倾向于用滑移-溶解-断裂模型来加以解释;在介质作用下,Cr-Ni奥氏体不锈钢表面上存在着籍以耐腐蚀的保护膜钝化膜;在拉伸应力作用下,位错沿着滑移面运动至金属表面,在表面产生滑移台阶,使表面膜产生局部破裂并暴露出没有保护膜的裸金属;有膜与无膜金属间形成微电池;在介质作用下,作为阳极的裸金属产生阳极溶解;此时,保护膜的作用不仅为腐蚀过程提供了阴极,而且又使阳极溶解集中在局部区域;显然,保护膜破裂后,若所暴露的裸金属一直处于活化腐蚀状态,则腐蚀必然会同时向横向发展;于是,裂纹尖端的曲率半径增大,应力集中程度随之减小,进而导致裂纹向纵深发展的速度变慢直至最后终止;但是,在实验室内和应力腐蚀工程事故分析中均可看到,不锈钢应力腐蚀裂纹尖端非常微细;因此,一般认为,在裸金属受到腐蚀的同时,还存在着一个能阻止腐蚀向横向发展的过程,才能使裂纹沿纵向扩展;此过程就是不锈钢的再钝化;因此,滑移-溶解-断裂模型至少包括表面膜的形成；在应力作用下金属产生滑移引起表面膜的破裂；裸金属的阳极溶解和裸金属的再钝化等四个过程;这些过程的反复进行,导致不锈钢的应力腐蚀断裂;。

毕业于英国谢菲尔德大学的著名冶金科学家亨利·布雷尔利（Harry Brearley）于20世纪初期发明了不锈钢。

不锈钢的发明和使用，要追溯到第一次世界大战时期。

英国科学家布享利·布雷尔利受英国政府军部兵工厂委托，研究武器的改进工作。

那时，士兵用的步枪枪膛极易磨损，布雷尔利想发明一种不易磨损的合金钢。

布雷尔利发明的不锈钢于1916年取得英国专利权并开始大量生产，至此，从垃圾堆中偶然发现的不锈钢便风靡全球，亨利·布雷尔利也被誉为“不锈钢之父”。

主要分类折叠编辑本段钢及沉淀硬化不锈钢等。

另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。

1、铁素体不锈钢：含铬12%～30%。

其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。

属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。

铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，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使用。

这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸及食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等。

2、奥氏体不锈钢：含铬大于18%，还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。

综合性能好，可耐多种介质腐蚀。

奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。

0Cr19Ni9钢的Wc<0.08%，钢号中标记为“0”。

这类钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。

这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。

奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1050～1150℃，然后水冷，以获得单相奥氏体组织。

3、奥氏体 - 铁素体双相不锈钢：兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。

金属材料学－复习思考题第一章钢的合金化原理1-1 合金元素中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？【8】答:①奥氏体形成元素：Mn, Ni, Co, Cu；②铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、、Ti、Al；③Mn, Ni, Co 与γ-Fe无限互溶；④V、Cr与α-Fe无限互溶。

1-2 简述合金元素对铁碳相图的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？【9】答：⑴扩大γ相区：合金元素使A3降低，A4升高。

一般为奥氏体形成元素。

分为两类：1）开启γ相区：与γ-Fe无限固溶，Ni、Mn、Co。

一定量后，γ相区扩大到室温以下，使α相区消失—开启γ相区元素。

可形成奥氏体钢。

2）扩大γ相区：与γ-Fe有限固溶，C、N、Cu。

扩大γ相区，但可与铁形成稳定化合物，扩大作用有限而不能扩大到室温-扩展γ相区元素。

⑵缩小γ相区：使A3升高，A4降低。

一般为铁素体形成元素。

分为两类:1）封闭γ相区：合金元素在一定含量时使A3和A4汇合，γ相区被α相区封闭，形成γ圈。

V、Cr、Si、Ti、W、Mo、Al、P等。

其中V和Cr与α-Fe无限互溶，其余有限溶解。

Cr、Ti、Si等可完全封闭γ相区，量大时可获得单相铁素体—铁素体钢。

2）缩小γ相区：Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等。

使γ相区缩小，但出现了金属间化合物，不能完全封闭γ相区-缩小γ相区元素。

⑶生产中的意义：可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。

通过合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。

在钢中大量加入奥氏体形成元素或铁素体形成元素以获得室温组织为奥氏体的奥氏体钢或高温组织为铁素体的铁素体钢。

1-3 合金元素在钢中的存在状态有哪些形式？【15】1-4 合金钢中碳化物形成元素（V，Cr，Mo，Mn等）所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。

金属材料学复习思考题（2016.05）第一章钢的合金化原理1-1名词解释（1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性1-2 合金元素中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？1-3简述合金元素对Fe-Fe31-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业）1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业）1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。

1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业）1-8 V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。

1-9合金元素对马氏体转变有何影响？1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业）1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业）1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业）1-15 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。

（作业）1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）第二章工程结构钢2-1为什么普通低合金钢中基本上都含有不大于1.8%~2.0%的Mn？（作业）2-2试述碳及合金元素在低合金高强度工程结构钢中的作用，为什么考虑采用低碳？提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么？2-3什么是微合金化钢？微合金化元素在微合金钢中的主要作用有哪些？2-4 V、Nb、Ti这三种微合金元素在低碳（微）合金工程结构钢中，作用有何不同？（作业）2-5针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？2-6低碳贝氏体钢的合金化有何特点？2-7汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？（作业）第三章机械制造结构钢3-1名词解释：1）液析碳化物；2）网状碳化物；3）水韧处理3-2 调质钢和非调质钢在成分、生产工艺、组织和性能方面的异同何在？3-3弹簧钢为什么要求较高的冶金质量和表面质量？为什么弹簧钢中碳含量一般在0.5%~0.75%之间？3-4GCr15钢用作滚动轴承钢时，其中的碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么？对该钢的基本要求如何？该钢的碳化物不均匀性体现在哪几方面？有何危害，如何这种不均匀性？其预备热处理和最终热处理分别是什么？作用何在？（作业）3-5说明20Mn2钢渗碳后无法直接淬火的原因？高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4W的常用热处理工艺（渗碳加淬火回火）有何特点？如何理解？（作业）3-6合金元素对渗碳钢和氮化钢的作用主要体现在哪几方面？Al对氮化钢的作用何在？3-7 钢的切削加工性与材料的组织和硬度之间有什么关系？为获得良好的切削性，中碳钢和高碳钢各自应经过怎样的热处理，得到什么样的金相组织？为什么直径25mm的40CrNiMo钢棒料，经过正火后难以切削？如何经济有效地改善其切削加工性能？3-8 高锰钢在平衡态、铸态、热处理态、使用态四种状态下各是什么组织？在何种情况下具有高耐磨性能？为什么ZGMn13型高锰钢在淬火时能得到全部的奥氏体组织，而缓冷却得到了大量的马氏体？（作业）3-9为什么说淬透性是评定结构钢性能的重要指标？（作业）3-10 用低淬透性钢制作中、小模数的中、高频感应加热淬火齿轮有什么优点？（作业）3-11 某精密镗床主轴采用38CrMoAl钢制造，某重型齿轮镗床主轴采用20CrMnTi钢制造，某普通车床主轴选用40Cr钢。

第二节化工设备常用钢材的特性.txt49礁石因为信念坚定，才激起了美丽的浪花；青春因为追求崇高，才格外地绚丽多彩。

50因为年轻，所以自信；因为自信，所以年轻。

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第二节化工设备常用材料的性能工程上广泛应用的金属材料是钢和铸铁，它们的总产量要比其他一切金属产量的总和还要多几百倍。

钢和铸铁由95%以上的铁和0.05％-4％的碳及1％左右的其他杂质元素组成，因此钢和铸铁又称为“铁碳合金”。

一般含碳量在0. 02％-2％的称为钢，含碳量大于2％的称为铸铁。

当含碳量小于0.02％时，称为工程纯铁，极少使用；当含碳量大于4.3 ％时，铸铁太脆,没有实际应用价值.一铁碳合金的组织结构工业上作为结构使用的金属材料是固态。

固态金属都属于晶体物质。

各种铁碳合金表面上看来似乎一样，但其内部徽观情况却有着很大的差别。

如果用金相分析的方法，在金相显徽镜下可以看到它们的差异。

通常在低于1500倍的显微镜下观察到的金属的晶粒，称为金属的显微组织，简称组织，如图2-6所示。

如果用X光和电子显微镜则可以观察到金属原子的各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构。

这种金属内部的微观组织和结构的不同形式，影响着金属材料的性质。

图2-7所示为灰铸件中石墨的不同组织形式.1．纯铁的同素异构转变上述体心立方晶格的纯铁称为a-Fe，而面心立方晶格的纯铁称为Y-Fe, a-Fe经加热可转变为Y-Fe，反之高温下的Y-Fe 冷却可变为a-Fe。

这种在固态下晶体构造随温度发生改变的现象，称为“同素异构转变”。

这一同素异构转变是在910℃下恒温完成的。

如图2-9所示，铁的同素异构转变，是固态下铁原子重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程。

2 铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织碳对铁碳合金性能的影响极大，铁中加人少量的碳以后，强度显著增加，这是由于碳加人后引起了内部组织改变的缘故。