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马氏体、铁素体、奥氏体、双相不锈钢的简单介绍 日期:2019.04.24

不锈钢简介:

  不锈钢通俗的说,就是不易生锈的钢,实际上一部分不锈钢,既有不锈性,又有耐酸性(耐蚀性)。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜(钝化膜)的形成。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明。钢在大气,水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中,其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高,当铬含量达到一定的百分比时,钢的耐蚀性发生突变,即从易生锈到不易生锈,从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的分类方法有很多种,按室温下的组织结构分类,有马氏体型,奥氏体型,铁素体和双相不锈钢;按主要化学成分分类,基本上可以分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统;按用途分则有耐硝酸不锈钢,耐硫酸不锈钢,耐海水不锈钢等等。按腐蚀类型费雷可分为耐点蚀不锈钢,耐应力腐蚀不锈钢,耐晶间腐蚀不锈钢等,按功能特点分类可分为无磁不锈钢,易切削不锈钢,低温不锈钢,高强度不锈钢等等。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性,成型性,相容性以及很宽温度范围内的强韧性等系列特点所以在重工业轻工业和生活用品行业以及建筑装饰行业中获得广泛的应用。

  不锈钢的牌号分组:

  不锈钢的型号,按成分可分为Cr系(400系列)、Cr-Ni系(300系列)、Cr-Mn-Ni(200系列)及析出硬化系(600系列)。

  200 系列—铬-镍-锰 奥氏体不锈钢(能否用于食品存在争议)

  300 系列—铬-镍 奥氏体不锈钢

  型号301—延展性好,用于成型产品。也可通过机械加工使其迅速硬化。焊接性好。抗磨性和疲劳强度优于304不锈钢。

  型号302—耐腐蚀性同304,由于含碳相对要高因而强度更好。

  型号303—通过添加少量的硫、磷使其较304更易切削加工。

  型号304—通用型号;即18/8不锈钢。GB牌号为0Cr18Ni9。

  型号309—较之304有更好的耐温性。

  型号316—继304之後,第二个得到最广泛应用的钢种,主要用于食品工业和外科手术器材,添加钼元素使其获得一种抗腐蚀的特殊结构。由于较之304其具有更好的抗氯化物腐蚀能力因而也作“船用钢”来使用。SS316则通常用于核燃料回收装置。18/10级不锈钢通常也符合这个应用级别。

  型号321—除了因为添加了钛元素降低了材料焊缝锈蚀的风险之外其他性能类似304。

  400 系列—铁素体和马氏体不锈钢

  型号408—耐热性好,弱抗腐蚀性,11%的Cr,8%的Ni。

  型号410—马氏体(高强度铬钢),耐磨性好,抗腐蚀性较差。

  型号416—添加了硫改善了材料的加工性能。

  型号420—“刃具级”马氏体钢,类似布氏高铬钢这种最早的不锈钢。也用于外科手术刀具,可以做的非常光亮。

  型号430—铁素体不锈钢,装饰用,例如用于汽车饰品。良好的成型性,但耐温性和抗腐蚀性要差。

  型号440—高强度刃具钢,含碳稍高,经过适当的热处理後可以获得较高屈服强度,硬度可以达到58HRC,属于最硬的不锈钢之列。最常见的应用例子就是“剃须刀片”。常用型号有三种:440A、440B、440C,另外还有440F(易加工型)。

  500 系列—耐热铬合金钢。

  600 系列—马氏体沉淀硬化不锈钢。

  型号630—最常用的沉淀硬化不锈钢型号,通常也叫17-4;17%Cr,4%Ni。

  马氏体不锈钢

   标准的马氏体不锈钢是:403、410、414、416、416(Se)、420、431、440A、 440B 和 440C 型,这些钢材的耐腐蚀性来自“铬”,其范围是从 11.5 %至18%,铬含量愈高的钢材需碳含量愈高,以确保在热处理期间马氏体的形成,上述三种 440 型不锈钢很少被考虑做为需要焊接的应用,且440 型成份的熔填金属不易取得。

  标准马氏体钢材的改良,含有类如镍、钼、钒等的添加元素,主要是用于将标准钢材受限的容许工作温度提升至高于1100K,当添加这些元素时,碳含量也增加,随着碳含量的增加,在焊接物的硬化热影响区中避免龟裂的问题变成更严重。马氏体不锈钢能在退火、硬化和硬化与回火的状态下焊接,无论钢材的原先状态如何,经过焊接后都会在邻近焊道处产生一硬化的马氏体区,热影响区的硬 度主要是取决于母材金属的碳含量,当硬度增加时,则韧性减少,且此区域变成 较易产生龟裂、预热和控制层间温度,是避免龟裂的最有效方法,为得最佳的性质,需焊后热处理。

  马氏体不锈钢是一类可以通过热处理(淬火、回火)对其性能进行调整的不锈钢,通俗地讲,是一类可硬化的不锈钢。这种特性决定了这类钢必须具备两个基本条件:一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在,在该区域温度范围内进行长时间加热,使碳化物固溶到钢中之后,进行淬火形成马氏体,也就是化学成分必须控制在 γ 或 γ+α 相区,二是要使合金形成耐腐蚀和氧化的钝化膜,铬含量必须在10.5%以上。按合金元素的差别,可分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢。

  马氏体铬不锈钢的主要合金元素是铁、铬和碳。如Cr大于 13%时,不存在 γ 相,此类合金为单相铁素体合金,在任何热 处理制度下也不能产生马氏体,为此必须在内 Fe-Cr 二元合金中加入奥氏体形成元素,以扩大 γ 相区,对于马氏体铬不锈钢来说,C、N 是有效元素,C、N 元素添加使得合金允许更高的铬含量。在马氏体铬不锈钢中,除铬外,C是另一个最重要的必备元素,事实上,马氏体铬不锈耐热钢是一类铁、铬、碳三元合金。当然,还有其他元素,利用这些元素,可根据 Schaeffler 图确定大致的组织。

  铁素体不锈钢

  在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在 11%~30%,具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍,有时还含有少量的 Mo、Ti、Nb 等到元素,这类钢具导热系数大,膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点,多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。

   这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点,因而限制了它的应 用。炉外精炼技术(AOD 或 VOD)的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低,因此 使这类钢获得广泛应用。

  奥氏体不锈钢

  在常温下具有奥氏体组织的不锈钢钢中含Cr约18%、Ni8%~10%、C 约 0.1% 时,具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni 钢和在此基础上增加 Cr、Ni含量并加入 Mo、Cu、Si、Nb、Ti 等元素发展起来的高 Cr-Ni 系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性,但强度较低,不可能通过相变使之强化,仅能通过冷加工进行强化。如加入 S,Ca,Se,Te等元素,则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外,如果含有 Mo、Cu 等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni,就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸肯有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能,在各行各业中获得了广泛的应用。

  双相不锈钢

  所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,一般量少相的含量也需要达到30%。在含C较低的情况下,Cr含量在 18%~28%,Ni含量在3%~10%。有些钢还含有 Mo、Cu、Nb、Ti,N 等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高,同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高,具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能,也是一种节镍不锈钢。

  双相不锈钢的性能特点

  由于两相组织的特点,通过正确控制化学成分和热处理工艺,使双相不锈钢 兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点,它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性 和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一 起,正是这些优越的性能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展迅速,80 年 代以来已成为和马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。双相不 锈钢有以下性能特点:

   (1)含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。一般 18-8型奥氏体不锈钢在 60°C 以上中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀断裂,在微量 氯化物及硫化氢工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在 着产生应力腐蚀断裂的倾向,而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。

  (2)含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值 (PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%)时,双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。 双相不锈钢与奥氏体不锈钢耐孔蚀性能与 AISI 316L 相当。含 25%Cr 的,尤其是 含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了 AISI 316L。 

  (3)具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质的条件下,适用 于制作泵、阀等动力设备。 

  (4)综合力学性能好。有较高的强度和疲劳强度,屈服强度是 18-8 型奥氏体不 锈钢的 2 倍。固溶态的延伸率达到 25%,韧性值 AK(V 型槽口)在 100J 以上。 

  (5)可焊性良好,热裂倾向小,一般焊前不需预热,焊后不需热处理,可与 18-8 型奥氏体不锈钢或碳钢等异种焊接。 

  (6)含低铬(18%Cr)的双相不锈钢热加工温度范围比 18-8 型奥氏体不锈钢宽, 抗力小,可不经过锻造,直接轧制开坯生产钢板。含高铬(25%Cr)的双相不锈 钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难,可以生产板、管和丝等产品。 

  (7)冷加工时比 18-8 型奥氏体不锈钢加工硬化效应大,在管、板承受变形初期, 需施加较大应力才能变形。 

  (8)与奥氏体不锈钢相比,导热系数大,线膨胀系数小,适合用作设备的衬里 和生产复合板。也适合制作热交换器的管芯,换热效率比奥氏体不锈钢高。 

  (9)仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向,不宜用在高于 300°C 的工作条件。 双相不锈钢中含铬量愈低,σ 等脆性相的危害性也愈小。

  双相不锈钢(Duplex Stainless Steel,简称 DSS),指铁素体与奥氏体各约占50%,一般较少相的含量最少也需要达到 3O%的不锈钢。

  双相不锈钢从 20 世纪 40 年代在美国诞生以来,已经发展到第三代。它的主 要特点是屈服强度可达 400-550MPa,是普通不锈钢的 2 倍,因此可以节约用材, 降低设备制造成本。在抗腐蚀方面,特别是介质环境比较恶劣(如海水,氯离子 含量较高)的条件下,双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性 能明显优于普通的奥氏体不锈钢,可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。

  双相不锈钢具有良好的焊接性能,与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比,它 既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区,由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低, 也不像奥氏体不锈钢那样,对焊接热裂纹比较敏感。

  双相不锈钢由于其特殊的优点,广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域,近年来也被研究用于桥梁承重结构 领域,具有很好的发展前景。