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不锈钢知识

不锈钢金相组织及标准介绍

摘要:不锈钢按金相组织划分为5类:铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢,各组织特征及表现见正文..

不锈钢通常是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液或其他腐蚀介质中,具有良好化学稳定性的合金钢。根据行业通用方法,按金相组织划分,可将不锈钢分为5类:铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢。不锈钢不仅具有良好的耐腐蚀性、氧化性能,通常还具有优异的力学性能(如强度、韧性)、物理性能(磁性能、弹性)和工艺性能(铸造、压力加工、热处理、焊接),因而在能源化工、机械、轻工等行业得到广泛应用。力顺不锈钢分别就不同金相组织的特征及表现整理如下。

1. 各类不锈钢的金相组织

1.1 铁素体不锈钢

基体以体心立方晶体结构的铁素体组织(α相)为主,有磁性,一般不能通过热处理硬化,但冷加工使其轻微强化的不锈钢。含Cr:11~30%,尚可含少量的Mo、Nb、Ti,基本上不含Ni,强度较高,耐氯化物应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等性能优良,但对晶界腐蚀敏感,低温韧性较差。主要钢号有06Cr13Al、10Cr17、10Cr17Mo、008Cr27Mo、008Cr30Mo2等。这类钢经900℃保温并空冷后显微组织为:铁素体级沿轧制方向分布的碳化物;经1200℃加热并水淬后的显微组织为δ铁素体+低碳马氏体。

铁素体及加热后碳化物分布

图1. 1Cr17钢加热到900℃后空冷的组织为铁素体+沿轧制方向分布碳化物

淬火后铁素体低碳马氏体

图2. 1Cr17钢淬火后组织为铁素体+低碳马氏体

1.2 马氏体不锈钢

基体为马氏体组织,有磁性,通过热处理可调整其力学性能的不锈钢。马氏体不锈钢在高温状态的组织为奥氏体,经过淬火后,奥氏体转变为马氏体,故称其为马氏体不锈钢。马氏体不锈钢最常见的钢号有12Cr12,20Cr13,30Cr13,40Cr13等,它们含碳量较高,淬火后得到马氏体组织;有较高的强度、硬度、耐磨性;通过热处理可得到所要求的性能;切削加工性能较好。焊接性能差。

1000度淬火10Cr13马氏体组织

图3. 10Cr13淬火温度:1000℃ ~1050℃,组织为马氏体+少量δ铁素体

10Cr13 650度回火索氏体铁素体组织

图4. 10Cr13,650 ℃回火,组织为回火索氏体+铁素体

1.3 奥氏体不锈钢

基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织(γ相)为主,无磁性,主要通过冷加工使其强化的不锈钢。奥氏体不锈钢一般含Cr 16%~25%含Ni 7%~20%适当热处理后,室温下为单一的A组织。常见的钢号有12Cr18Ni9,06Cr18Ni11Ti,06Cr19Ni10,304(18-8),316等有良好的塑性、韧性和耐蚀性,应用很广泛。

304奥氏体组织

图5. 304,组织为单一的奥氏体

1.4 奥氏体-铁素体双相不锈钢

基体兼有奥氏体和铁素体两相组织,有磁性,可通过冷加工使其强化的不锈钢。典型钢种有022Cr22Ni5Mo3N,022Cr26Ni7Mo3N等。国家标准中对其金相含量检验的方法有GB/T 13305-2008[2]《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》。

奥氏体(白色)铁素体(棕色)双相组织

图6. 铁氰化钾、氢氧化钾水溶液侵蚀,组织为白色的奥氏体
和灰黑色(实为棕色)的铁素体,铁素体的体积分数约占50%

1.5 沉淀硬化不锈钢

基体为奥氏体或马氏体组织,并能通过沉淀硬化(又称时效硬化)使其强化的不锈钢。沉淀硬化不锈钢固溶后为马氏体或半奥氏体组织,最终沉淀析出马氏体组织;有很高的强度;耐均匀腐蚀能力优于马氏体型钢;成型和焊接性能良好。典型的钢种有05Cr17Ni4Cu4Nb、07Cr17Ni7Al、05Cr15Ni7Mo2Al等。

沉淀硬化不锈钢

图7. 基本成分为Cr:14~17%,Ni≤7%及少量
钼、铝、铜等, 固溶处理后组织为奥氏体+少量铁素体

2. 不锈钢的金相检验

2.1 不锈钢的低倍组织及缺陷的试验方法

可以根据GB/T 226-1991[3]《钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法》进行。浸湿一般用热蚀法,即将试样在HCl水溶液中浸泡,然后在流水中用刷子洗刷干净表面的腐蚀产物。此外还可采用HNO3和HF水溶液或HCl和HNO3水溶液中热蚀。

低倍组织的评定可以参照GB/T 1979-2001[4] 《结构钢低倍组织缺陷评级图》标准进行。另外标准GB/T1220-2007《不锈钢棒》中规定,钢棒的横截面酸浸低倍或断口试样上不得有肉眼可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮及白点。对较高级钢棒,其一般疏松、中心疏松、偏析均不得超过二级;对普通钢棒,其上述级别均不得超过三级。

2.2 不锈钢中的非金属夹杂物的评级

可按照GB/T 10561-2005[5]《钢中非金属夹杂物含量的测定方法》进行检验。

2.3 奥氏体钢的晶粒度检验

可按照GB/T 6394-2002[6]《金属平均晶粒度测定方法》 进行检验和评级。

2.4 不锈钢的耐腐蚀性能

可按照GB/T4334-2008[7]《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》进行试验和评级。

12Cr18Ni9在1050度固溶 有孪晶

图8. 12Cr18Ni9钢1050℃固溶;王水甘油溶液侵蚀;均匀等轴的A组织,晶内有孪晶

不锈钢耐腐蚀测试
图9. 12Cr18Ni9钢1050℃固溶+650℃敏化;10%草酸水溶液电解,硫酸硫酸铜腐蚀倾向试验发现沿晶腐蚀

随着不锈钢的应用越来越广泛,通过金相检验等手段,来判定不锈钢的工艺性能、力学性能、耐腐蚀性能等能否满足应用要求已经变得越来越重要。

参考文献:

[1] GB/T 13304.2-2008《钢的分类》

[2] GB/T 13305-2008《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》

[3] GB/T 226-1991《钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法》

[4] GB/T 1979-2001 《结构钢低倍组织缺陷评级图》

[5] GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定方法》

[6] GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》

[7] GB/T4334-2008《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》

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