高鉻鐵素不(bu)銹鋼主要缺點是脆性大。引起脆性的原因主要有以下幾個方面:
1. 粗(cu)大的(de)原(yuan)始晶粒
這(zhe)類鋼(gang)(gang)(gang)在冷卻與(yu)加熱(re)(re)時不發生相變(bian),故鑄態組織粗(cu)大(da)。粗(cu)大(da)的(de)組織只能通過壓(ya)力加工(gong)碎化,無法用(yong)熱(re)(re)處理(li)方法來改變(bian)它。工(gong)作(zuo)溫(wen)度超過再結晶(jing)(jing)溫(wen)度后,晶(jing)(jing)粒(li)長大(da)傾向(xiang)很(hen)大(da),加熱(re)(re)至900℃以上,晶(jing)(jing)粒(li)即顯著粗(cu)化。由于晶(jing)(jing)粒(li)粗(cu)大(da),這(zhe)類鋼(gang)(gang)(gang)的(de)冷脆(cui)性(xing)高,韌(ren)脆(cui)轉變(bian)溫(wen)度高,室溫(wen)的(de)沖擊(ji)韌(ren)性(xing)很(hen)低。圖9.30為退火狀(zhuang)態鐵素(su)體不銹鋼(gang)(gang)(gang)的(de)顯微(wei)組織。
對這類鋼正確地控制(zhi)熱變形的(de)(de)(de)開始溫(wen)(wen)度(du)和(he)終止溫(wen)(wen)度(du)是十(shi)分重要的(de)(de)(de),如對Cr25和(he)Cr28鋼,鍛造和(he)軋制(zhi)應在750℃或較(jiao)低的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)結(jie)束。此(ci)外,向(xiang)鋼中加入少量的(de)(de)(de)鈦,可(ke)使(shi)晶粒(li)粗(cu)化的(de)(de)(de)傾向(xiang)略微降低。
2. 475℃脆性
含鉻超過15%時,在400~550℃停留較長時間后,鋼在室溫時變得很脆,其沖擊韌度和塑性接近于零,并使鋼的強度和硬度顯著提高(圖9.31),最高脆化溫度接近于475℃,故文獻中把這種脆化現象稱為475℃脆(cui)性。
導致475℃脆(cui)性(xing)的(de)(de)原因是在該溫(wen)度(du)區間,自α相(xiang)中析(xi)出富鉻(ge)的(de)(de)α'相(xiang),鉻(ge)含量高達(da)61%~83%,具有(you)(you)體(ti)心立方點陣,點降常(chang)數(shu)為0.2877nm。這種高度(du)彌散的(de)(de)亞穩定析(xi)出物與基體(ti)保(bao)(bao)持共格關系,長大速率極(ji)緩(huan)慢,在475℃保(bao)(bao)溫(wen)2h后(hou)具有(you)(you)20nm直徑,而34000h后(hou)只長到500nm。由于a'相(xiang)的(de)(de)點陣常(chang)數(shu)大于鐵素(su)體(ti)的(de)(de)點陣常(chang)數(shu),析(xi)出時產生共格應力,使(shi)鋼的(de)(de)強度(du)和(he)硬度(du)升高,韌性(xing)下(xia)降。475℃脆(cui)性(xing)具有(you)(you)還原性(xing),可以通(tong)過加熱至(zhi)600~650℃保(bao)(bao)溫(wen)1h后(hou)快冷予以消除。
圖(tu)9.32為Fe-Cr二元相(xiang)圖(tu)的(de)(de)(de)中間部分。可以看出,α'相(xiang)的(de)(de)(de)產(chan)生是由于520℃以下(xia)(xia)。→α+α'(調幅(fu)分解)反應的(de)(de)(de)結果。α相(xiang)的(de)(de)(de)析出緩慢,從較高溫(wen)度下(xia)(xia)的(de)(de)(de)單相(xiang)a區(qu)空(kong)冷(leng)至溶解度線以下(xia)(xia),不會有a'相(xiang)析出,只有隨后在(zai)520℃時(shi)效,才會有a'相(xiang)沉(chen)淀而引起鋼(gang)的(de)(de)(de)脆化。當重新加熱至550℃以上時(shi),由于α'相(xiang)的(de)(de)(de)溶解,鋼(gang)的(de)(de)(de)塑性、韌(ren)性又得到恢復。α相(xiang)還(huan)使鋼(gang)在(zai)硝酸中的(de)(de)(de)耐(nai)蝕性下(xia)(xia)降(jiang)。
3. σ相(xiang)的(de)析出
由圖2.12可以看出,在鐵鉻合金中,低于820℃時,當成分約相當于45%Cr時,出現。相(FeCr)。隨溫度的降低,σ相存在的范圍逐漸擴大,即。相可以溶解相當數量的鐵或鉻。在σ相和α相之間還存在比較寬的兩相區。
σ相的形成需要在600~800℃長時間加熱,更低的溫度因原子擴散困難,故不能生成,如果自高溫以較快的速率冷卻,亦可以抑制σ相的生成。
σ相是一種具有復雜正方點陣(單位晶胞中有30個原子)的金屬間化合物。在鉻鋼中,雜質及大多數合金元素Mo、Si、Mn、Ni等(C、N除外)都促使。相的生成范圍移至較低的鉻含量并加速其形成,因此工業用的含17%Cr的鐵素體鋼,在600~700℃長期加熱便可能形成。相。。相不僅見于高鉻鐵素體鋼,也見于其他奧氏體-鐵素體鋼,以至于奧氏體鋼中,不過σ相在鐵素體中形成較容易。
σ相具有高的硬度(大于68HRC)和脆性,析出時伴有大的體積變化,故引起很大脆性。由于。相富鉻,其析出會引起基體中鉻分布的變化,而使鋼的耐蝕性下降,連續成網狀的σ相較島狀者更為有害。
除σ相外,在含鉬的高鉻鐵素體不銹鋼中還發現有x相存在。x相同樣是一種脆性相,可以顯著降低鋼的缺口韌性。X相中富集Mo、Cr的程度高于。相且析出速率較σ相快。
鐵素體不銹鋼中出現σ相和x相后,可以采用加熱到它們的形成溫度以上保溫后急冷的方法予以消除。
在鐵素(su)體不銹鋼中還(huan)會存在其他影響鋼性能的(de)(de)相,主要是(shi)碳(tan)化物、氮化物和少量的(de)(de)馬(ma)氏體。
碳和氮在鐵素體中的溶解度很低,如含鉻26%的鐵素體不銹鋼在1093℃時,碳在鋼中的溶解度為0.04%,在927℃時僅為0.004%,溫度再降低,其溶解度要降到0.004%以下;927℃以上時,氮在鐵素體中的溶解度為0.023%,而在593℃時僅為0.006%。因此,鐵素體不銹鋼在高溫加熱和在隨后的冷卻過程中,即使急冷,也難以防止碳化物和氮化物的析出,析出的碳化物主要是(Cr,Fe)23C6和(Cr,Fe7C3,析出的氮化物主要是CrN和Cr2N。
析(xi)出(chu)的碳(tan)化物(wu)和氮(dan)化物(wu)對鐵素體(ti)不銹鋼的性(xing)能是(shi)有害(hai)的,主要(yao)表現在對耐蝕性(xing)、韌性(xing)、缺口敏感性(xing)的影響上。
在含約17%Cr的鐵素體(ti)不(bu)銹鋼(gang)中,如果(guo)C+N含量(liang)(liang)(liang)不(bu)大(da)于0.03%時可以(yi)得到純鐵素體(ti)組織(zhi),當(dang)(dang)C+N含量(liang)(liang)(liang)大(da)于0.03%后,高溫下會(hui)生成(cheng)α+γ雙(shuang)相(xiang)(xiang)結構。在隨后的冷卻(que)過(guo)程中,y相(xiang)(xiang)轉變為馬氏體(ti),使鋼(gang)的組織(zhi)具有α+M雙(shuang)相(xiang)(xiang)結構,從而(er)使鋼(gang)的組織(zhi)細(xi)化(hua),韌脆轉變溫度下移。當(dang)(dang)鋼(gang)中馬氏體(ti)含量(liang)(liang)(liang)在9%以(yi)上時,其耐(nai)腐(fu)蝕性良好且不(bu)受(shou)鋼(gang)中碳、氮含量(liang)(liang)(liang)的影響。