6.4不銹鋼的強(qiáng)化與脆化一、鐵素體不銹鋼Cr?，耐蝕性?。13~30%Cr；Fe-Cr平衡相圖及鉻不銹鋼的分類1．F不銹鋼的化學(xué)成分C：0.10%左右。①Cr13型如0Cr13、0Cr13Al、0Cr11Ti等,常用作耐熱鋼；

②Cr17型(或稱為Cr16-19型）如1Cr17、0Cr17Ti、1Cr17Mo等,可耐大氣、淡水、稀硝酸介質(zhì)腐蝕。

③Cr28型（或稱為Cr25-30型）如1Cr25Ti、1Cr28、00Cr30Mo2

等,耐強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的耐酸鋼。

鐵素體不銹鋼的鋼種和類型（※掌握、重點(diǎn)）

Fe-Cr-C平衡相圖在0.1%C處的垂直截面（K1—Cr23C6，K2—Cr7C3，Kc—M3C）2．鐵素體不銹鋼的平衡組織F+Cr的K。Cr17型鋼：鋼中含有Si等，Cr當(dāng)量約為18%~19%。高溫下（950℃以上）為α+γ兩相組織，850℃~950℃之間鋼具有α+γ+Cr23C6三相組織，室溫下的平衡組織為F+Cr23C6型碳化物Cr28型鋼：Cr當(dāng)量升高到25%以上，1200℃以下鋼中無α→γ轉(zhuǎn)變，一直保持F+K。F不銹鋼的性能及用途：耐蝕性（硝酸、氨水等）和抗氧化性好，抗應(yīng)力腐蝕；用于生產(chǎn)硝酸等化工設(shè)備或儲藏氯鹽溶液或硝酸的容器；力學(xué)性能及工藝性能較差，多用于受力不大的耐酸結(jié)構(gòu)和抗氧化鋼使用。多在退火軟化態(tài)使用。F不銹鋼的主要缺點(diǎn)：韌性低、脆性大。脆性原因：粗晶脆性、σ相脆性和475℃脆性。3、F不銹鋼的脆性（※掌握、重點(diǎn)）

F不銹鋼600℃以上開始粗化，A不銹鋼為900℃。（1）粗晶脆性冷脆性大，TK高，室溫沖擊韌性低。高鉻鐵素體不銹鋼的粗大晶粒不能通過加熱冷卻過程中的相變來細(xì)化，只能通過壓力加工來碎化。(?)當(dāng)壓力加工（鍛或軋）溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度時，發(fā)生再結(jié)晶和晶粒的正常長大；當(dāng)溫度超過850℃~900℃以上，再結(jié)晶晶粒發(fā)生顯著粗化。少量Ti，形成Ti(C,N)↓晶粒長大，↑晶粒粗化溫度，↑強(qiáng)度。解決辦法：將終鍛或終軋溫度控制在750℃或更低的溫度；（2）475℃脆性高鉻鋼中，Cr>15.5%，400~500℃長時間加熱或緩慢冷卻時，在室溫下變得很脆，尤以475℃加熱最甚，故稱為475℃脆性。F內(nèi)固溶的Cr原子有序化，形成富Cr的α′′相(bcc，80%Cr+20%Fe)，α′′相在{100}晶面族上或位錯處析出，并與母相保持共格關(guān)系，引起較大的晶格畸變和內(nèi)應(yīng)力，使強(qiáng)度增加，韌性下降。產(chǎn)生原因：對已產(chǎn)生475℃脆性的鋼，700~800℃短時加熱后快冷。消除辦法：（3）σ相脆性成分偏析或其它穩(wěn)定α相的Me的作用，17%Cr就有可能形成σ相。Fe-Cr平衡相圖45%Cr在820℃開始形成σ相。Cr含量降低時，形成σ相的溫度降低。Cr%<30%時，由于低溫原子擴(kuò)散困難，已很難形成σ相.σ相的形成條件：w(Cr)>17%，Cr含量↑，以及Si、Nb、Ti、Mo等，析出σ相的傾向增加Mn能大量溶進(jìn)σ相，使形成σ相的極限Cr含量↓Ni促使析出σ相的極限Cr含量↑，并↑

σ相的上限溫度C、N使形成σ相的極限Cr含量↑σ相具有高的硬度（68HRC以上），形成時有相當(dāng)大的體積效應(yīng)，常沿晶界分布，很大脆性，并可促進(jìn)晶間腐蝕。σ相的形成速度緩慢,溫度愈低，形成速度愈慢。已形成σ相的鋼，重新加熱到820℃以上保溫半小時，可使σ相重新溶入δ鐵素體，隨后快冷，可消除σ相脆性。σ相存在于高鉻F不銹鋼，A、A-F不銹鋼中。（4）鋼中C、N、O等雜質(zhì)及夾雜物產(chǎn)生脆性真空感應(yīng)熔煉電子束精練氬氧混吹脫碳↓↓高Cr鋼中的間隙元素和雜質(zhì)元素的含量，↑↑F不銹鋼的塑韌性，↓韌脆轉(zhuǎn)化溫度。4、鐵素體不銹鋼的熱處理

平衡組織：F＋鉻的碳化物。碳化物析出時容易產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕，為了獲得成分均勻的鐵素體組織，減少碳化物析出，消除晶間腐蝕傾向，以及消除σ相析出和475℃脆性，鐵素體不銹鋼在熱軋后常采用淬火或退火熱處理工藝。Fe-Cr-C平衡相圖在0.1%C處的垂直截面（K1—Cr23C6，K2—Cr7C3，Kc—M3C）二、奧氏體不銹鋼耐蝕性高，塑性高、韌性和低溫韌性好，無磁性，易于加工成各種形狀的鋼材，具有良好的焊接性能，應(yīng)用最廣泛的耐酸鋼，約占不銹鋼總量的2/3之多。1、A不銹鋼的成分特點(diǎn)（※掌握、重點(diǎn)）

≤18%Cr和≥8%Ni。Cr、Ni配合獲得A。25~8%Ni，1~18%Cr↑A形成，>18%Cr↑F。18%Cr-8%Ni（簡稱18-8型）的配合正處于組織圖上形成A有利的位置。Ni有助鈍化，18%Cr+8%Ni時，得到單相A。18-8的成分設(shè)計成為A不銹鋼的基本成分。在18-8的基礎(chǔ)上再增加Cr、Ni含量，可進(jìn)一步提高鋼的鈍化性能，增加A的穩(wěn)定性，提高鋼的固溶強(qiáng)化，使鋼的耐蝕性能、耐熱性能更為優(yōu)良。2．A不銹鋼的平衡組織Fe-Cr-Ni-C相圖在8%Ni-18%Cr處的垂直截面18-8型奧氏體鋼的平衡組織為A＋F＋K復(fù)相組織。3、A不銹鋼的熱處理（了解）

18-8型A不銹鋼平衡態(tài)組織為A＋F＋K復(fù)相組織。為了獲得均勻的單相奧氏體組織，需要進(jìn)行淬火（固溶處理）；固溶處理的加熱溫度必須高于碳化鉻的溶解溫度。固溶處理溫度：1050~1150℃，常用1050~1100℃。為了消除由于焊接、熱加工和其它工藝操作過程中造成的應(yīng)力和晶間腐蝕傾向，采用淬火再退火處理。4、Cr-Mn及Cr-Ni-Mn奧氏體不銹鋼以Mn代替全部Ni的Cr-Mn不銹鋼；以Mn、N共同作用代Ni的Cr-Mn-N不銹鋼；在18-8的基礎(chǔ)上以Mn、N代替部分Ni的Cr-Mn-Ni、Cr-Mn-Ni-N不銹鋼奧氏體不銹鋼有三種類型：(1)．Cr-MnA不銹鋼固溶強(qiáng)化效應(yīng)大，改善機(jī)械性能。Mn不能促進(jìn)鋼的鈍化，Mn穩(wěn)定A的能力只為Ni的1/2；Mn易促使Cr鋼形成σ相，導(dǎo)致鋼的脆性。耐蝕性主要取決于Cr量，Cr量又受到限制，未能廣泛用于耐強(qiáng)腐蝕的部件。Cr-Mn不銹鋼的耐蝕水平和相同Cr含量的其它不銹鋼相當(dāng)。(2)．Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼N進(jìn)一步穩(wěn)定A，擴(kuò)大A中極限含Cr量；提高室溫及高溫強(qiáng)度而不降低室溫韌性，對耐蝕性無影響；0.3%~0.5%以下。0Cr17Mn13Mo2N鋼：具有A-F雙相組織，晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向要比A不銹鋼小，力學(xué)性能、焊接性能也較好。在醋酸中耐蝕性優(yōu)于1Cr18Ni12MoTi，在磷酸中可代替1Cr18Ni9Ti。（3）．Cr-Mn-Ni奧氏體不銹鋼當(dāng)鋼含有18%Cr、4%Mn、4%Ni、0.25%(C+N)時，即可獲得全A組織。1Cr18Mn8Ni5N：耐蝕性、力學(xué)性能、焊接性能與18-8鋼相當(dāng)，可代替18-8鋼用于硝酸及化肥工業(yè)設(shè)備。Fe-Cr平衡相圖三、馬氏體不銹鋼12~18%Cr。又因γ穩(wěn)定化元素含量不多，Ms點(diǎn)仍在室溫以上，淬火冷卻時能產(chǎn)生M相變，故稱為M不銹鋼。和F不銹鋼相比，其成分特點(diǎn)：除Cr的上限含量較低外，還含有一定量的C和Ni等γ相穩(wěn)定元素，加熱時有較多的γ或完全的γ相出現(xiàn)；1、典型鋼種、成分和應(yīng)用（※掌握、重點(diǎn)）M不銹鋼具有高的強(qiáng)度和耐磨性，但耐蝕性、塑性和焊接性較F不銹鋼、A不銹鋼差，但由于它有較好的力學(xué)性能和耐蝕性的結(jié)合，所以是機(jī)械工業(yè)中廣泛使用的一類鋼。根據(jù)馬氏體不銹鋼中Cr和C的含量，可以將M不銹鋼分為:1)、低碳及中碳的13％Cr鋼

1Cr13、2Cr13，類似于普通調(diào)質(zhì)鋼,可用于制造汽輪機(jī)葉片、抗弱腐蝕介質(zhì)并承受沖擊的零件，如螺栓、螺母等機(jī)械結(jié)構(gòu)件。

3Cr13、4Cr13，類似于工具鋼,可用于制造耐磨的零件如閥門零件、軸承、彈簧和醫(yī)用手術(shù)刀等。2)、低碳的17％Cr-2%Ni鋼

1Cr17Ni2是M不銹鋼中耐蝕性最好、強(qiáng)度最高的鋼?？捎糜谥圃旄邚?qiáng)度耐蝕件。

3)、高碳的18％Cr鋼

9Cr18等，可用于制造軸承和手術(shù)工具等。2、M不銹鋼的熱處理（了解）

常用的熱處理工藝：軟化處理、球化退火、調(diào)質(zhì)、淬火+低溫回火等。（1）、軟化處理：含Cr量較高，過冷A較穩(wěn)定。淬透性很高，空冷即可獲得M組織。鋼經(jīng)鍛軋后，空冷即會產(chǎn)生M轉(zhuǎn)變，使鍛件變硬，在鍛件表面產(chǎn)生裂紋，同時也不易切削加工。鍛后應(yīng)緩冷，并及時進(jìn)行軟化處理。Cr13型M鋼能通過淬火產(chǎn)生M相變，可以獲得優(yōu)越的相變強(qiáng)化效果，所以這類鋼可以進(jìn)行多種熱處理，以控制和調(diào)節(jié)這種相變，滿足不同的性能要求。軟化處理通常有兩種方法：（a)高溫回火：(b)完全退火：常將球化退火和軟化退火合并進(jìn)行（也稱為重結(jié)晶退火）。退火后為F基體上分布K及晶界上網(wǎng)狀分布的K顆粒。（2）、調(diào)質(zhì)處理1Cr13、2Cr13類似于普通調(diào)質(zhì)鋼，一般用作不銹鋼結(jié)構(gòu)件，常用調(diào)質(zhì)處理，以獲得高的綜合力學(xué)性能。(3)．淬火+低溫回火3Cr13、4Cr13鋼類似于工具鋼，最終熱處理常采用淬火+低溫回火。四、高強(qiáng)度不銹鋼（了解）不銹鋼要獲得高強(qiáng)度，一般采用在M基體上產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化的方法。加入Mo,Ti,Al等形成沉淀強(qiáng)化相。如Fe2Mo,Ni3Mo,Ni3Ti,Ni3Al等。根據(jù)基體和熱處理工藝，沉淀硬化不銹鋼可分為兩類：

1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼

2)半奧氏體沉淀硬化不銹鋼7.1耐熱鋼和合金的工作條件及性能1、工作條件：高溫下工作的動力機(jī)械。一、工作條件及性能要求

第七章耐熱鋼和耐熱合金在高溫下工作，鋼和合金將發(fā)生原子擴(kuò)散過程，并引起組織轉(zhuǎn)變，這是與低溫工作部件的根本不同點(diǎn)。1、蠕變及蠕變強(qiáng)度二、耐熱鋼的高溫性能指標(biāo)

良好的高溫強(qiáng)度及塑性；2、性能要求：有足夠的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。蠕變：鋼和合金在溫度和應(yīng)力作用下將發(fā)生連續(xù)而緩慢的變形。2、持久強(qiáng)度試樣在一定溫度和規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值，

如：=300MPa，表示在700℃時，持續(xù)時間為100h的持久強(qiáng)度極限值為300MPa。3、高溫疲勞強(qiáng)度把在某一規(guī)定的循環(huán)次數(shù)（一般采用107~108次）下而不斷裂時的最大應(yīng)力作為疲勞極限。蠕變強(qiáng)度——在某溫度下，在規(guī)定時間達(dá)到規(guī)定變形（如0.1%）時所能承受的應(yīng)力,用σC表示，σC0.1/1000700℃

4、應(yīng)力松弛在具有恒定總變形的零件中，隨時間延長而自行降低應(yīng)力的現(xiàn)象。蒸汽管道螺栓需要經(jīng)常擰緊原子易發(fā)生擴(kuò)散，使彈性變形變成了塑性變形,從而使應(yīng)力不斷降低1金屬的抗氧化性

鐵氧化物類型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三種。

FeO：結(jié)構(gòu)疏松，冷卻分解→應(yīng)力，結(jié)合力弱，易剝落；

Fe2O3、Fe3O4：結(jié)構(gòu)致密，和基體結(jié)合好。

570℃以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4組成；

570℃以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO氧化物組成，約1:10:100.570℃以上鐵的氧化過程大大地加速，遵守拋物線規(guī)律形成規(guī)律三、高溫化學(xué)穩(wěn)定性

2、提高鋼抗氧化性的途徑

↑FeO的形成溫度;↑FeO的形成溫度,又優(yōu)先形成穩(wěn)定氧化物→Cr、Al、Si。途徑例子

如：1.03％Cr，F(xiàn)eO形成溫度為600℃；

1.14％Si

，F(xiàn)eO形成溫度為750℃；

Cr、Al量高時，鋼的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保護(hù)膜。四、耐熱鋼的合金化

Cr：↑鋼抗氧化性主要元素。形成致密穩(wěn)定的

Cr2O3。T↑，Cr↑。如600~650℃，需要

5%Cr；800℃時，為12%Cr?！倘軓?qiáng)化Mo、W：↑低合金熱強(qiáng)性重要元素。固溶強(qiáng)化，析出穩(wěn)定相。Al：↑抗氧化性的有效元素。

在1000℃時，

6%Al≈18%Cr水平。↓冶金工藝性，使鋼變脆?！荒軉为?dú)加入，作為輔助合金化元素。Si：↑抗氧化性的輔助元素。效果比Al還要有效，使鋼脆性大，用Si代替部分Cr?！麲化，↑K聚集長大。2~3%Si。

用于滲碳罐，抗?jié)B性好。

Ni：獲得奧氏體組織

Ti、Nb、V：形成穩(wěn)定K，↑鋼松弛穩(wěn)定性，↑熱強(qiáng)性

C：較低溫度時強(qiáng)化鋼，↑G化，↑K聚集長大→盡可能↓C。耐熱鋼根據(jù)顯微組織分為F型和A型耐熱鋼兩大類。7.2、鐵素體型耐熱鋼F型耐熱鋼包括F-P、F、M耐熱鋼，一般在350~650℃工作。一、F-P耐熱鋼F-P耐熱鋼的特點(diǎn)：C含量較低，Me總量不超過5%，使用狀態(tài)的顯微組織為P+F。普遍問題組織不穩(wěn)定，如片狀P球化、K長大、G化，→強(qiáng)度↓，管子爆裂合金化≤0.2%C→↓球化、K長大、G化采用Cr-Mo-V系

Mo、W、Cr→固溶強(qiáng)化，↓K長大和G化，Cr↑抗氧化性和耐蝕性；VTi直接作用間接作用形成穩(wěn)定MC型K，彌散強(qiáng)化，↑熱強(qiáng)度使更多Mo、W、Cr固溶，↑熱強(qiáng)度典型鋼號12Cr1MoVG是用量較大的鋼管材料，15CrMo、12CrMoV等二、馬氏體耐熱鋼低C的Cr13型M不銹鋼有高的抗氧化性和耐蝕性，但組織穩(wěn)定性差，只能做450℃以下的汽輪機(jī)葉片等。加入W，Mo，V，Nb，N，B等綜合合金化，發(fā)展了Cr12型M耐熱鋼。作570℃汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子?？捎糜?93℃蒸汽壓3087MPa的超臨界壓力大功率火力發(fā)電機(jī)組。Cr13型M熱強(qiáng)鋼中的K大都是鉻的K，彌散強(qiáng)化效果較差，且在高溫和應(yīng)力的長期作用下，鉻的K穩(wěn)定性較低。加入Mo、W、V、Nb、Ti、B等元素進(jìn)行綜合強(qiáng)化。使鋼中的Cr23C6、Cr7C3變?yōu)?Cr,Mo,W,Fe)23C6，彌散強(qiáng)化;Mo、W：溶入固溶體，固溶強(qiáng)化；Cr12型M耐熱鋼的合金化：V、Nb、Ti：形成(V,Nb,Ti)C，比Cr23C6型K更加穩(wěn)定；V、Nb、Ti有利于Mo、W進(jìn)入固溶體，進(jìn)一步提高熱強(qiáng)性和使用溫度；B：強(qiáng)化晶界，降低晶界擴(kuò)散，提高熱強(qiáng)性。2Cr12MoV和2Cr12WMoV鋼：主要強(qiáng)化相是M23C6型K，固溶有W、Mo、V，提高穩(wěn)定性，高于650℃才開始顯著長大。適合制造500~580℃工作溫度的大型熱力發(fā)電設(shè)備中大口徑厚壁高壓鍋爐蒸汽管道、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪葉片等。7.4奧氏體耐熱鋼具有BCC的F型耐熱鋼，在600-650℃溫度條件下的蠕變強(qiáng)度明顯下降。具有FCC結(jié)構(gòu)的A型耐熱鋼，在650℃或更高溫度（750℃)下有較高的高溫強(qiáng)度。鐵的γ晶型原子間結(jié)合力比α晶型大，且再結(jié)晶溫度高（γ-Fe的T再＞800℃，α-Fe