金属材料学第5章不锈钢
5 局部腐蚀
氧 浓 8 度 升 6 毫 克
4 2
缝隙宽度: 1
2 3
Байду номын сангаас
3.5mm
2.7mm 2.0mm
-0.9
铝合金
-0.7
( / )
-0.5
1 2
-0.1
0
3 0 12 24 36 48
0.1
2
4
6 8 氧浓度(毫克/升)
时间(小时)
缝隙内海水中氧浓度的变化
玻璃-钛缝隙
海水中氧的浓度对铝合金 和钛合金电位的影响
• • • • • • 1.中性盐雾试验（NSS） 35℃，NaCl浓度50g/L，pH7，连续喷雾 2.醋酸盐雾试验（ASS） 在NSS的盐水中加入适量冰醋酸，pH3.2 3.铜加速醋酸盐雾试验（CASS） 在ASS溶液中加入0.26g/L CuCl2.H2O
pH值
在较宽的pH值范围内，孔蚀电位Eb与溶液pH值 关系不大。当pH﹥10，随PH值升高，孔蚀电位增 大，即在碱性溶液中，金属孔蚀倾向较小。 温度 温度升高，金属的孔蚀倾向增大。当温度低于某 个温度，金属不会发生孔蚀。这个温度称为临界 孔蚀温度(CPT) ，CPT愈高，则金属耐孔蚀性能 愈好。
溶液中阳离子和气体
• 氧化性金属阳离子：Fe 3+、Cu 2+等与侵 蚀性Cl—等共存时，它们的电位往往高于 点蚀电位，如同溶液中的O2等氧化剂一 样，是有效的阴极去极化剂，因此可以 促进点蚀。因此FeCl3、CuCl2等常用于点 蚀的加速腐蚀实验。
5.3 缝隙腐蚀
缝隙腐蚀是指腐蚀破坏发生在金属表面上的缝 隙部位，在缝隙内区域，腐蚀破坏形态可以是 蚀孔，蚀坑，也可能是全面腐蚀。 • 缝隙种类 (1) 机器和设备上的结构缝隙 (2) 固体沉积(泥沙、腐蚀产物等)形成的缝隙。 (3) 金属表面的保护模 (如瓷漆、清漆、磷化层、 金属涂层)与金属基体之间形成的缝隙。
第五章局部腐蚀5晶间腐蚀
淬火处理：在高于转变温度 以上的温度进行保温， 淬火处理：在高于转变温度T1以上的温度进行保温，然后进 行急冷，使过饱和固溶体在室温下得以保留的处理工艺。 行急冷，使过饱和固溶体在室温下得以保留的处理工艺。也称 淬火处理。 淬火处理。 敏化处理： 以下的温度区间保温， 敏化处理：在T2以下的温度区间保温，使过饱和固溶体析出 新相的处理工艺。一般称回火处理或时效处理， 新相的处理工艺。一般称回火处理或时效处理，在晶间腐蚀研 10 究领域中，常称为敏化处理。 究领域中，常称为敏化处理。
5.4 晶间腐蚀(intercrystalline corrosion)
定义： 定义：
晶间腐蚀： 晶间腐蚀：金属材料在特定的腐蚀介质中沿晶界发生 的一种局部选择性腐蚀。 的一种局部选择性腐蚀。
奥氏体不锈钢晶间腐蚀
1
晶界是不同晶粒之间的交界。 晶界是不同晶粒之间的交界。由于晶粒有着不同的位 向，故交界处原子的排列必须从一种位向逐步过渡到另 一种位向。因此，晶界实际上是种“面型” 一种位向。因此，晶界实际上是种“面型”不完整的结 构缺陷。 构缺陷。 晶界上原子的平均能量因晶格畸变变大而高于晶粒内部 原子的平均能量。所高出的这部分能量称为晶界能。 原子的平均能量。所高出的这部分能量称为晶界能。纯 金属的晶界在腐蚀介质中的腐蚀速度比晶粒本体的腐蚀 速度快，原因在于晶界的能量较高， 速度快，原因在于晶界的能量较高，原子处于不稳定状 态。
晶界腐蚀行为的原因
1. 合金元素贫乏化； 合金元素贫乏化； 2. 晶界析出不耐蚀的阳极相； 晶界析出不耐蚀的阳极相； 3. 杂质或溶质原子在晶界区偏析； 杂质或溶质原子在晶界区偏析； 4. 晶界处因相邻晶粒间的晶向不同，刃型位错和空位在该处 晶界处因相邻晶粒间的晶向不同， 富集； 富集； 5. 由于新相析出或转变，造成晶界处具有较大的内应力。 由于新相析出或转变，造成晶界处具有较大的内应力。
《金属材料与热处理》教材习题答案：第五章 合金钢
《金属材料与热处理》教材习题答案第五章合金钢1.什么是合金钢?答：所谓合金钢就是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。
2.合金元素在钢中有哪些主要作用?这些作用对钢的性能会产生哪些影响?答：合金元素在钢中的作用是非常复杂，其中主要作用包括：一是形成合金铁素体。
由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化作用。
二是与碳能形成碳化物，当这些碳化物呈细小颗粒并均匀分布在钢中时，能显著提高钢的强度和硬度。
三是抑制钢在加热时奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的目的使合金钢在热处理后获得比碳钢更细的晶粒，从而提高其综合力学性能。
四是可增加过冷奥氏体的稳定性，推迟其向珠光体的转变，减小钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。
五是提高回火稳定性，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量的碳素钢具有更高的硬度和强度。
在强度要求相同的条件下，合金钢可在更高的温度下回火，以充分消除内应力，而使韧性更好。
3.合金钢是如何分类的?答：合金钢最常用下面两种分类方法。
一是按用途分类：分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
其中合金结构钢又可以分为低合金高强度钢，渗碳钢，调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。
合金工具钢可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。
特殊性能钢则有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
二是按合金元素总含量分类：分为低合金钢（合金元素总含量＜5％）、中合金钢（合金元素总含量5％一10％）和高合金钢（合金元素总含量＞10％）。
4.合金钢的牌号编制有何特点？答：我国合金钢牌号采用碳含量、合金元素的种类及含量、质量级别来编号，简单明了，比较实用。
其中合金结构钢的牌号采用两位数字（碳含量）＋元素符号（或汉字）＋数字表示，前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数；合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量大于等于1.0％时，则不予标出。
金属耐腐蚀合金化原理
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。
金属学及热处理练习题答案
第一章金属的晶体结构马氏体沉淀硬化不锈钢,它是美国 ARMCO 钢公司在1949年发表的,其特点是强度高,耐蚀性好,易焊接,热处理工艺简单,缺点是延韧性和切削性能差,这种马氏体不锈钢与靠间隙元素碳强化的马氏体钢不同,它除靠马氏体相变外并在它的基体上通过时效处理析出金属间化合物来强化。
正因为如此而获得了强度高的优点,但延韧性却差。
1、试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和金属光泽等基本特性.答：(1)导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。
(2)正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增加的。
(3)导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。
(4) 延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。
(5)金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从而使金属不透明具有金属光泽。
2、填空：1)金属常见的晶格类型是面心立方、体心立方、密排六方。
2)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。
3)物质的原子间结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。
4)大部分陶瓷材料的结合键为共价键。
5)高分子材料的结合键是范德瓦尔键。
6)在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为（（ 140 ）） .7)在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB 晶向指数为（-110），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。
8)铜是（面心）结构的金属，它的最密排面是（111 ）。
9) α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有（α-Fe 、 Cr、V ），属于面心立方晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni ），属于密排六方晶格的有（ Mg、Zn ）。
第五章金属在各种环境中的腐蚀
8
2.4防止海水腐蚀的措施
• 1）研制和应用耐海水腐蚀的材料。 如：铁、镍、铜及其合金，耐海水钢。
• 2）阴极保护。 腐蚀最严重处采用护屏保护较合理，亦可采用简易可行的牺牲阳极法。
• 3）涂层。 除应用防锈油漆外，还可采用防止生物玷污的双防油漆，对于潮汐区和飞
溅区的某些固定的钢结构可以使用蒙乃尔合金包覆。
其寿命一般有几年。 *镍及其合金在碱液中的腐蚀
镍及其合金对于高温高浓度的碱耐蚀性很好，所以广泛用于制碱业。镍实际上 适合各种浓度和温度的碱液，其耐蚀性一般与合金含镍量成正比。 *两性金属在碱液中的腐蚀 铝、锌、锡等两性金属在碱溶液中不耐蚀。钛、钽、铌等在碱溶液中耐蚀性也 不好。在热碱中，钽的耐蚀性更差。
• （3）微生物引起的腐蚀。
11
3.3防止土壤腐蚀的措施
• 1）采用涂料或包覆玻璃布防水。 • 2）采用电化学保护，多采用牺牲阳极法，阴极保护与涂料联合使用效果更好。 • 3）采用金属涂层或包覆金属，镀锌层等。
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第四节 金属在工业环境中的腐蚀
4.1金属在酸溶液中的腐蚀
• 氧化性酸与非氧化性酸对金属的腐蚀情况大不相同。 非氧化性酸的特点：腐蚀的阴极过程基本上是氢去极化过程，增加溶液酸度 相应地会增加阴极反应，并使金属腐蚀速度增加。
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第二节 金属在海水中的腐蚀
2.1 海水腐蚀特点 • 1. 盐类及导电率 • 2. 溶解氧 • 3.海水的电化学特点
2.2影响海水腐蚀的因素
• 盐类 • 海水中溶解氧 • 海洋生物和腐烂的有机物 • 海水的温度、流速 • PH值
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2.3海水中常用金属材料的耐蚀性
• 金属材料在海水中的耐蚀性差别很大，其中耐蚀性最好的是钛合金和Cr-Ni合金，而铸铁 和碳钢耐蚀性较差。不锈钢的均匀腐蚀速度虽然很小，但在海水中易产生点蚀。
第五章第一节金属的性质和利用分解
❖ 如：制造飞机的金属材料，需要有坚硬而 轻的特点；
❖
用于切割的金属材料，要有很大的硬
度；
❖ 白炽灯的灯丝熔点要高，保险丝的金 属材料熔点要低；
❖
❖ 纯金属很难满足各种特殊要求。因此， 人们在生产实践中制造出了由一种金属跟 其它金属（或非金属）熔合形成的有金属 特性的物质----合金。
❖ 如：古代的青铜，现在应用广泛的钢和 生铁都是合金。
2、氢气的化学性质
⑴可燃但不助燃 H2
—点燃前需要检验纯度
现象： 1、产生淡蓝色火焰 2、放出大量的热 3、干冷的烧杯内壁有水雾
点燃
2H2 + O2 ==== 2H2O
⑵还原性
△
H2 + CuO ==== Cu + H2O
3H2 + Fe2O3 ==△== 2Fe + 3H2O
3、氢气的用途
⑴作燃料
下列反应都是置换反应吗？ 3CO + Fe2O3 =高==温= 2Fe + 3CO2 CH4 + 2O2 =点==燃= CO2 + 2H2O Cl2 + 2KI ==== I2 + 2KCl
金属活动性顺序
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb（H） Cu Hg Ag Pt Au 金属活动性由强逐渐减弱
金属元素的名称和符号
金属 钠 镁 钾 锌 钙 ……
名称
元素 符号
Na Mg K
Zn Ca ……
金属 名称
铁铝
铜 银 金 ……
元素 符号
Fe Al Cu Ag Au ……
金属有很多的用途
你知道我们在什么地方使用了金属 吗？想一想，你会发现我们的生活离 不开铁、铝常用于制作锅、铲等炊具，表现出金属哪
第5章 材料的耐蚀性
二、铸铁的耐蚀性及应用
通常铸铁是不耐腐蚀的，但是铸铁有良好的流动性，能铸成 形状复杂的部件，而且还具有优良的加工性能和力学性能，因 此在工程中获得了极广泛的应用。 为了提高铸铁的耐蚀性，在铸铁中加入各种合金元素如Si, Ni,Cr,Al等。生产出了各类耐蚀合金铸铁。
1、高Si铸铁
在铸铁中加入14％一18％Si便有优良的耐酸性能，它对热硫酸、 室温盐酸、浓硝酸、磷酸、有机酸等都有良好的耐蚀性。这是由
下，由活化态转为钝化态而耐蚀。 其中，最容易钝化
的金属有Zr、Ti、Ta、Nb、A1、Cr、Be、Mo、Mg、 Ni、Co等。
三、生成保护性腐蚀产物膜
在热力学不稳定金属中，除了因钝化而耐蚀外，还有在腐蚀 过程中由于生成较致密的保护性能良好的腐蚀产物膜而耐蚀。 如Pb在H2SO4溶液中，Fe在H3PO4溶液中，Mo在HCl中
些环境中耐蚀，是与其钝化性能有关。
不锈钢钝化膜具有如下特点：
膜很薄，厚度在1-3 nm； 膜中的成分中富含Cr；
膜的结构为尖晶石结构， w(Cr)>12%时，尖晶石结构已不明 显， w(Cr)>19%时，主要为非晶态结构， w(Cr)>28%时，完 全为非晶态组织。
按不锈钢组织结构可分为以下五种：
硝酸腐蚀的能力。但是钢中含硅量不宜过高，
否则会显否降低钢的加工性能。 碳：碳是钢中重要组成元素，是奥氏体形成元素，但在钢中碳 含量增多会形成碳化物，因而提高了钢对晶间腐蚀的敏 感性。 氮: 也是奥氏体形成元素，在钢中加入氮在一定程度上可提高 钢的耐蚀性，但氮在钢中能形成氮化物，易产生点蚀。
Fe-Cr合金腐蚀速度与含Cr量关系
Fe-Cr合金中，只有当Cr的 加入量超过12.5％时，合金
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5.2影响不锈钢组织和性能的因素
（GB1220—1992） 一、合金元素对Fe电极电位的影响
Tammann定律
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将较稳定的A组元 加入到较活泼的B组 元固溶体中，当A组 元含量达n/8原子比 时，固溶体电极电位 突然升高，耐蚀性也 有一急剧变化。也称 为二元合金固溶体电 位的n / 8定律
⑸ 沉淀硬化不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb
合金元素对组织的影响
铁素体形成元素占优势：F 奥氏体形成元素占优势：A 奥氏体形成元素不足以使马 氏体转变 Ms点降至室温以下：
M
铬当量[Cr]＝
图5-4不锈钢的组织图
Cr+1.5Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W
Mn，Ni ,Cu等 • 2) 一类是F形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，
Mo等
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1、铬元素的作用
Cr是决定钢 耐蚀性的主 要元素
↑固溶体电极电位 表面形成致密氧化膜
Cr ↑耐蚀性的作用符合n / 8定律
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2、碳和氮的作用
C：C↑，强度↑，↓冷变形性、焊接性、耐 蚀性；综合因素 →碳量应尽可能地低
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1、在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质。 → >13％Cr
2、氧化性介质，如硝酸。易形成钝化的氧化 膜，>17％Cr， Cr越高越好；
3、非氧化性酸，如稀硫酸。在>17％Cr基础 + Mo、Cu；
4、强有机酸，在Cr-Mn型不锈钢基础上，加 入Mo、Cu；
5、含有Cl-离子的介质，如海水，Cl-很小，有 很大腐蚀性。加入Ti、Nb
• 5.1.2不锈钢的组织与分类
⑴ M不锈钢： 12Crl3~40Crl3等Crl3型 14Crl7Ni2、95Cr18等
不
⑵ F不锈钢：如06Cr17Ti ，12Cr25Ti，
锈ห้องสมุดไป่ตู้
008Cr27Mo等
钢 分 类
⑶ A不锈钢：具有单相A组织，如 06Cr18Ni9、12Crl8Mn8Ni5N等
⑷ A-F复相不锈钢：如12Cr21Ni5Ti
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5.1概述 5.1.1金属腐蚀类型
• 1、均匀腐蚀（general attack） • 腐蚀均匀地在材料的表面产生，损坏大量的 • 材料。容易发现，危害性不是很大。 • 2、点腐蚀（point corrosion） • 由于应力等原因使腐蚀集中在材料表面不大 • 的区域，向深处发展，最后甚至能穿透金属。
中的Cr量不少于11.7％，实际不锈钢中含Cr量不低于
13％。
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二、 合金元素对不锈钢基体组织的影响
• 不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和 良好耐蚀性的保证，使钢在室温下得到单相组 织（A，F），就可以减少微电池的数量，提 高耐蚀性。
• 合金元素影响： • 1) 一类是扩大奥氏体形成元素：C，N，
三、 提高不锈钢耐蚀性途径
（1）形成稳定保护膜，→Cr、Al、Si有效。 （2）↑固溶体电极电位或形成稳定钝化区 →Cr、Ni、Si：Ni贵而紧缺，Si易使钢脆化， Cr是理想的。 （3）获得单相组织 →Ni、Mn →单相奥氏 体组织。 （4）机械保护措施或复盖层，如电镀、发 兰、涂漆等方法。
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（3）不锈钢应有良好的工艺性能。管材、 板材、型材等要经过加工变形制成构件，如 容器、管道、锅炉等。因此不锈钢的工艺性 也很重要，主要有焊接性、冷变形性等。
• 二、腐蚀介质对钢耐蚀性的影响
金属的 耐蚀性
与介质的种类、浓度、 温度和压力等环境条件有 密切的关系
必须根据工作介质的特点来正确 选择使用不锈耐蚀钢钢种。
第5章不锈钢stainless steel
5.1 概述14 5.2 影响不锈钢组织和性能的因素 5.3 铁素体不锈钢ferrittic stainless steels 5.4 马氏体不锈钢matensitic stainless steels 5.5 奥氏体不锈钢austenitic stainless steels 5.6 双相不锈钢dual-phase stainless steels
5、磨损腐蚀（corrosion wear）
在腐蚀介质中同时有磨损，腐 蚀和磨损相互促进、
相互加速的现象称为磨损腐蚀。
应 力 腐 蚀 裂 纹 图5.3应力腐蚀
一、对不锈钢性能要求及影响其耐蚀性因素
性 能 要 求
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（1）不锈钢具有较高的耐蚀性
（2）不锈钢应具有一定的力学性能。很多 构件是在腐蚀介质下承受一定的载荷
N：稳定A组织，↑强度，又能保持好的塑韧 性，↑耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀
三类：控氮型（0.05~0.10%） 中氮型（0.10~0.40%） 高氮型（>0.40%）
3、其它元素的影响
Ni是奥氏体形成元素，能适当提高固溶体电 极电位；能形成单相奥氏体 ；
锰可部分代Ni，但不单独加入 ；
钛和铌能形成稳定K，固定C，使Cr固溶于基 体，从而防止晶界腐蚀 ;
钼能↑不锈钢钝化能力，扩大钝化介质范围
本章内容
图 5-1各种腐蚀类型
点蚀腐蚀
3、晶界腐蚀（intergranular corrosion） 晶界腐蚀是指腐蚀过程是沿着晶界进行的，
其危害性最大。
图5.2晶间腐蚀
4、应力腐蚀（stress corrosion）
钢在拉应力状态下能发生应力 腐蚀破坏的现象。 没有什么预兆，所以其危害性也 是比较大的。
镍当量[Ni]＝Ni＋Co+0.5Mn+30C+30N+0.3Cu
铬当量和镍当量的综合作用结果决定不锈 钢的组织 →组织状态图。
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本章内容
5.1 概述 5.2 影响不锈钢组织和性能的因素
5.3 铁素体不锈钢 5.4 马氏体不锈钢 5.5 奥氏体不锈钢 5.6 双相不锈钢
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图5-5Cr对Fe-Cr合金电极电位影响 不锈钢的组织图 rCr—铬与铁的摩尔比
不锈钢中的Cr含量
•
12.5%摩尔比＝12.5×52/(12.5×52+87.5×55.8）
•
＝ 11.7％重量比
•
……
＝23.7％重量比
•
……
＝35.9％重量比
•
因此，11.7％是不锈钢Cr的最低含量，但由于钢
中有C的缘故，一部分碳与Cr形成碳化物，为使固溶体