2.铁素体型不锈钢
铁素型不锈钢在碳和氮的含量极少时,无论在高温下还是在室温下均为铁素体单相。当碳和氮的含量增加时就会在高温下生成r相,可通过回火处理析出碳化物和氮化物而变为铁素体单相。据有关资料介绍。在600-900℃回火时大部分碳和氮将析出。
高铬铁素体型不锈钢在经高温加热后会产生各种脆化现象。这些现象与其金属组织有关,如σ相脆化、475℃脆性和高温脆性。
σ相脆化:在Fe-Cr二元系合金中,在铬含量为46at%-53at%的很窄范围内产生,是非磁性和硬的相。当铬含量大于25%和加热温度高于600℃时即可在较短时间内产生。当钢中含有硅、锰、镍和钼等元素时,其产生范围加宽。铬、硅和铝对σ相也有一定的影响。随铬的增加TTT曲线向短时间方向扩展。硅虽有明显的析出促进作用但铝却予以抑制。在冷加工中,可在很短时间内便产生σ相析出。一旦发生σ相脆化的钢,可加热至850-900℃使析出的σ相固溶,然后再进行急冷就可消除脆性和恢复韧性。
475℃脆性:是将铁素体钢在400-500℃长时间加热时出现的脆化现象。475℃脆性产生与σ相脆化产生相比较,首先是产生温度范围不同,其次是475℃脆性较σ相脆化在更短的时间内产生。能够减轻475℃脆性的合金添加元素还没有发现。对发生475℃脆性的钢在600℃进行短时间处理即可消除脆性和恢复韧性。
高温脆性:当高铬铁素体型不锈钢从900-1000℃的高温急冷时,随着晶粒的粗化和碳化物向晶界凝集发生明显脆化。铬含量越高,脆化的程度越大。破坏现象与475℃脆性相象。由于晶粒粗化,因此在进行深冲、弯曲等冷加工时表面易发生粗糙等缺陷。又因为晶界上析出碳化物因此晶间腐蚀敏感性增加。为避免该缺陷的产生同,需从高温缓冷至800℃左右,或650-800℃短时间的退火。
3.奥氏体型不锈钢
从Fe-Cr-Ni三元系平衡相图的分析中可知,当70%Fe等浓度断面中镍含量为10%时,该合金在800-1000℃下为r单相。具代表性的Cr18-Ni8钢由于存在碳、氮等奥氏体稳定化元素,因此室温下即为r单相。其中氮较碳有约两倍的固溶度,因而含氮量为0.1%-0.3%的高强度不锈钢己得到了应用。
目前己明确碳、氮、钴、锰和铜等元素是奥氏体稳定化元素,铝、钒、钼、硅和钨等元素是铁素体稳定化元素。
作为固相内的平衡相,除α相、r相以外还有金属间化合物σ相。碳、氮和镍等奥氏体稳定化元素抑制σ相的生成,但锰与钼、硅、钛、铌、锆、钒和铝等铁素体稳定化元素促进σ相的生成。除此以外在奥氏体型不锈钢中由于添加不同的元素,还有可能生成拉弗斯(Laves)相或x相等金属间化合物。其析出的反应是随合金组成、时效温度及制造合金时的加工和热处理条件来决定的,是一个非常复杂的变化。
在钢中添加铬、镍、锰、碳和氮等元素时,马氏体相变初始温度Ms几乎与这些合金元素的添加成比例降低,在常温下也可保持r相。奥氏体不锈钢就是其具代表性的合金之一。
虽说为使奥体型不锈钢的r相稳定添加了大量的锰或镍,但实际上r相往往并非稳定而是处于亚稳定态。从热力学角度来看可以说α相到是稳定的。一般称这些奥氏体相为亚稳定奥氏体相。当对亚稳定奥氏体相冷却至极低温或室温下进行加工时,其中的部分或全部亚稳定奥氏体相将发生马氏体相变。
通过对奥氏体型不锈钢进行冷却或加工得到的马氏体中除有α’相外还有ε相。该相具有hcp结构.且有0.7%左右的收缩,是非磁性的,容易发生加工诱发相变。ε相是当Cr:Ni为5:3且Cr+Ni定为24%时生成的。由于面心立方结构的(111)面的每两个原子面上发生堆垛缺陷时将成为ε马氏体结构,因此ε相的生成和堆垛缺陷有着密切的关系。
奥氏体型不锈钢的马氏体相变中一个重要的问题是,一旦发生马氏体相变后经再加热进行恢复的问题。对于Cr18-Ni8钢主要发生扩散型的逆相变,而象Cr16-Ni10钢则发生剪切的逆相变。后者的铬含量较前者低,镍含量较前者高。
从金相组织上来看,奥氏体型不锈钢是相对稳定的,其中碳化物的析出与其耐蚀性能、高温强度以及韧性等主要性能密切相关。在通常作为固溶热处理温度1000℃附近,碳的固溶量可达到最高,但当温度低于800℃时固溶量急剧下降而产生碳化物。所以进行固溶化处理或焊接后如果冷却速度过慢,在晶界上会产生碳化物,成为晶间腐蚀的原因。钢中的碳有活性随镍含量的增加而增加,随铬含量的增加而减少。也就是说镍的增加使碳的固溶量减少,铬的增加使碳的固溶量增加。另外在晶界还析出铬碳化物,合金添加元素有时也生成相应的碳化物。
4.双相不锈钢
通常进行不同的铬含量和镍当量的组合可以得到铁素体(α相或δ相)和奥氏体(r相)的双相组织。如果以铬含量的多少来进行分类的话,可分类为18%Cr系、22%Cr系、25%Cr系和28%Cr系。同时为确保r相的量需添加4%-11%的镍,为提高其耐蚀性需添加不多于4%的钼。在最终经1050-1100℃固溶处理后,在α相基体中分散有不多于50%的r相。在400-1000℃下进一步进行时效时,生成金属间化合物、碳化物以及氮化物等各种析出物。
在双相组织中,铬、钼和硅等铁素体稳定元素浓缩在α相中。而镍、锰、碳和氮等奥氏体稳定元素浓缩在r中。在时效过程中最有影响的是σ相,可造成σ相脆化。另外时效还可产生M23C6,也和铁素体型不锈钢一样发生475℃脆性。
5.沉淀硬化型不锈钢
沉淀硬化型不锈钢是除具备不锈钢特有的耐蚀性外,还可通过进行时效处理实现沉淀硬化的高强度不锈钢,根据基体的金属组织情况,即根据铬当量和镍当量之间的平衡情况,沉淀硬化型不锈钢可分为马氏体系沉淀硬化型不锈钢、半奥氏体系沉淀硬化型不锈钢、奥氏体—铁素体系沉淀硬化型不锈钢、奥氏体系沉淀型不锈钢和铁素体系沉淀硬化型不锈钢。
马氏体系沉淀硬化型不锈钢,铬和镍的含量少且铬含量和镍含量低。由于马氏体相变结束温度高于室温,因此固溶化处理奥氏体相冷却过程发生马氏体相变,在室温下为马氏体组织。
半奥氏体系沉淀硬化型不锈钢,比前者铬含量和镍含量高,Ms点接近室温。固溶处理后形成亚稳定r相,经冷加工或低温处理,低温退火处理可以发生马氏体相变。单独和复合添加有铝、钛和钼等沉淀硬化元素,经在450-550℃
时效处理产生α’相和η相实现硬化。
奥氏体系沉淀硬化型不锈钢,含有较多的奥氏体稳定化和铁素体稳定化元素,镍当量高且Ms点在室温以下。在固溶处理状态下为r单相组织。作为沉淀硬化元素添加的有碳、磷、氮、钛、铝、铌和钒等元素,经比其他系钢高的温度时效处理后析出碳化物、氮化物、磷化物或η相和r’相等。
铁素体系沉淀硬化型不锈钢,只含少量的镍等奥氏体稳定化元素,含较多的铬、硅和钼等铁素体稳定化元素,因而在固溶化状态下即呈铁素体组织。对其通过添加硅和镍来促进沉淀硬化。时效温度为550-600℃。
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