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什么是奥氏体不锈钢?什么是马氏体不锈钢?两者有什么区别,有哪些应用?

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发表于 前天 23:10 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

好久没出来露脸了,你不会把我忘了吧。

这么久没出来,主要是因为最近在忙项目。

另外,就是在考虑后续文章的连续性,就是先写什么,再写什么的问题。

前几天,还有朋友看到我朋友圈发的五一风景照,赞美了一下,对我说,你很久没更新日记了,我以为你不更新了。

我说,怎能呢,我会更新的,这个月就更新。

这不,今天,我就来了。

虽然有点晚,但是,我想说,我想死你了。

哈,言归正传。

上周五,我在选择洁净房使用的微型导轨时,其中有一项是材料的选择。

导轨供应商说,使用马氏体不锈钢,具有抗蚀功效,然后又说,使用奥氏体不锈钢,具有高抗蚀功效。

我随手翻阅了一下手册,找到了如下的不锈钢性质列表,和导轨供应商说的一摸一样。

其实,在机械设计中,我们经常会用到奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢,因为它们具有良好的物理和力学性能。

例如,常用的奥氏体不锈钢AISI303和AISI304,其弹性模量在200Gpa左右,屈服强度在190Mpa-230Mpa。

而常用的马氏体不锈钢 AISI420和AISI440C,弹性模量为215Gpa,其中420淬火和回火热处理后,屈服强度可达345Mpa-1420Mpa,440C热处理后,屈服强度甚至可以达到1900Mpa。

淬火(Quenching),就是把工件加热到奥氏体化的临界温度以上30-50℃,保温后取出,在水或者油中极速冷却的过程。以前打铁,做镰刀,砍刀等都会用淬火,使得刀具硬而不易脆断(需要回火)。

为了方便理解和记忆,淬可以理解为蘸,就是将烧红的金属元件,到水里蘸一下,就像蘸辣椒酱,蘸金属这口味有点重。

回火(Tempering),就是把淬火后的工件再次加热到727℃以下,保温后取出,在空气,油或水中冷却的过程。回字体现了再次的意思,这个再次是在淬火以后,一般淬火后都需要做回火,以消除内应力,使组织稳定。

马氏体不锈钢体系

奥氏体不锈钢体系

我们知道,奥氏体不锈钢没有磁性,有很好的抗腐蚀性能,如刚才提到的303,304,还有316,202等不锈钢。

而马氏体不锈钢有磁性,但是其抗腐蚀能力没有奥氏体好,如420,440,410,403等不锈钢。

那么问题来了,什么是奥氏体不锈钢?什么是马氏体不锈钢?为什么两者磁性和抗腐蚀能力不一样?应用上有什么差别?

这几个问题,经常在我脑海中闪现,每一次我都去翻阅查询,但是过一段时间后,我又不记得两者有什么区别了,甚至常常把马氏体和奥氏体性质弄反,你有没有?

所以这两天,我重新梳理了一下这两者的区别。今天我就来分享一下,如果有说得不对的地方,也欢迎你指出,一起进步。

既然是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢,那么首先,什么是奥氏体,什么是马氏体?

说起马奥体,我觉得不得不从纯铁开始说起。

因为无论是马氏体,还是奥氏体,本质都是在纯铁的基础之上,参入不同浓度的碳,在一定温度下形成的。

我们知道,当把纯铁加热到熔点1538度以上时,纯铁变成了液体。

而在纯铁以液态开始冷却的过程中,在不同的温度范围内,会结晶成具有不同组织的晶体。

结晶是指液体变固体。

晶体,是指其原子在空间有规律排列的物体。

关于晶体,这里有几个概念,需要说明一下。

为了便于理解,我打个比喻,把原子看成苹果,现在要给客户发一批苹果,我们不会直接把苹果仍在卡车上,而是要先装箱,而且每一箱都按照一定的规律放置苹果,一箱一箱的苹果就是一个晶胞。

若干箱苹果装满一车后,就叫晶粒,不同大小的车,能够装下不同数目的箱子,组成不同大小的晶粒,所有车装满,全部运输到客户那里,就组成了晶体。

所以晶体就是由晶粒组成的,晶粒就是由这些一箱一箱堆在车上的苹果组成的,而晶胞是由原子组成的。

例如,从熔点到1394度之间,铁结晶成体心立方结构,叫δ-Fe,在1394到912度之间,结晶成面心立方结构,叫γ-Fe,当温度降至912度以下后,又具有体心立方结构,称为α-Fe。

晶体结构:体心,面心,密排六方

我们知道,水可以溶解糖,盐等易溶物,这叫液溶。

同样地,上述三种温度区间的铁,δ-Fe,γ-Fe,α-Fe,也可以溶解碳,只不过能够溶解碳的能力是不一样的,这叫固溶。

碳溶于α-Fe称为铁素体Ferrite=F,还是保持体心立方结构,碳溶于γ-Fe称为奥氏体Austenite=Au,仍然具有面心立方结构,奥氏体塑性很好,容易变形。

但是,因为γ-Fe原子间隙比α-Fe大,所以它能够溶解的碳浓度要比α-Fe大。

奥氏体中最大溶解2.11%的碳,铁素体最大溶解0.0218%的碳。

如果碳的质量分数超过了两者的溶解度极限,会发生什么呢?

会形成化合物Fe3C,称为渗碳体:Cementite,其含碳量可达到6.69%。

好了,到这里,我们有了奥氏体的概念。

但是,上面所说的奥氏体,是在高温912-1394度之间,如果是在912度以下,γ-Fe会向α-Fe的转变,所以单独的奥氏体不存在了。

当温度低于727度时,奥氏体会和其他组织混合,形成新的组织,而我们平时用的不锈钢,大都在常温下。

常温下,不同浓度的碳溶于铁中形成的组织,是不一样的。

铁碳相图


铁碳相图微组织


例如,当含碳量小于0.0218%时,在室温下形成的组织是铁素体。

当含碳量为0.77%时,在室温下形成的组织,是铁素体与渗碳体的混合物,即珠光体Pearlite,用P表示。

当含碳量是4.3%时,室温下组织是奥氏体与渗碳体的混合物,即莱氏体Ledeburite,用Ld表示。

但是没有单独的奥氏体存在。

所以,奥氏体不锈钢从何而来?

说到这里,不得不说起碳钢的加热并冷却的转变过程。

碳钢是以铁和碳为主要成分的合金,把碳的质量分数为0.0218%-2.11%的铁碳合金叫钢。其中,含碳量小于0.25%的碳钢叫低碳钢。含碳量为0.25%-0.6%的碳钢又叫中碳钢。含碳量大于0.6%时,叫高碳钢。

合金是指一种金属元素和其他元素结合在一起,形成有金属特性的物质。例如,家里的铝合金窗户是铝与镁及硅组成的合金,厨房水龙头主体一般是铜合金,主要是铜与锌,还含有少量的铅。

像锂铝合金AL-Li8090,及钛合金因为强度和密度的比值大,常常用于飞机结构中。

室温下,不同质量分数的的碳钢,将其加热到临界温度以上后,就会形成奥氏体,这个奥氏体有个特点,就是它在不同的温度范围等温,或者是在不同的冷却速度下冷却,会形成成不同的组织。

临界温度就是铁碳相图中的A3,Acm和A1线对应的温度,表示不同质量分数的碳,加热时,开始转变成奥氏体的温度,例如室温组织是珠光体的碳钢,加热到727度时,开始形成奥氏体。

例如,对于含碳量为0.77%的碳钢(也叫共析钢),在临界温度727度到560度之间等温,会形成珠光体,在560度到Ms之间等温会形成贝氏体,在Ms-Mf之间等温就形成马氏体。

共析钢的奥氏体等温转变图


共析钢的奥氏体等温转变图可能存在的组织


当奥氏体在727-560度之间保温时,首先会在奥氏体晶界处(晶粒交界处)形成渗碳体,渗碳体慢慢长大,使得周围的奥氏体缺碳,于是在其两侧又会形成铁素体,这样就组成了一个珠光体小单元,很多小单元扩散交错叠加,最后使得整个奥氏体变为珠光体,所以珠光体的基本组织是铁素体和渗碳体的混合物。

把奥氏体在560到Ms温度区间保温,首先在奥氏体晶界处析出过饱和的铁素体,然后在铁素体中析出细小的渗碳体,所以,贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。

Ms是马氏体开始转变温度,即Martensite Start,不同质量分数的碳钢,对应的Ms不同,Ms在150-310度左右变化。Mf表示马氏体转变结束温度,即Martensite Finish,也是一个根据碳质量分数而变化的量,在-100到50度之间变化。

因为马氏体在Ms-Mf之间转变,转变温度低,速度快,只发生铁素体的晶体结构转变,碳原子来不及重新分布,被保留在马氏体中,其碳的质量分数和母奥氏体相同,所以马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

OK,到这里,我们终于有了马氏体的概念,它是奥氏体在Ms-Mf温度区间转变形成的一种组织,是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

当然,因为工件实际热处理时,常常被连续冷却,而不是保温,所以一般用冷却速度来估计最后的常温组织。


共析钢的奥氏体连续冷却图


例如,退火(Annealing),相当于炉冷,冷却速度很慢,通常在10−5 – 10−3K/s,得到的组织是粗片状珠光体,因为缓慢冷却的过程中,组织会慢慢长大。

又如正火(Normalizing),在空气中冷却,冷却速度较快,得到细片状珠光体,也叫索氏体,极细小的珠光体叫托氏体。

最后在水中淬火,快速冷却,得到马氏体组织,所以淬的目的,就是得到马氏体。

上面说了,马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体,所以它保持了铁素体的体心立方结构,但是因为内部有大量过饱和的碳原子,使得原子排列拥挤,产生了较大的内应力,所以马氏体有较高的强度和硬度,如果含碳量增高,强度和硬度也增加,但会变得很脆,必须回火消除内应力,才能使用。

说到这里,我觉得有必要说一下退火和正火热处理的含义。

退火(Annealing),就是将工件加热到临界点,也就是相图中的A1,A3,Acm线以上,或者在临界点以下某一温度保温一定时间后,十分缓慢地冷却的过程,例如炉冷,坑冷等,目的是改善组织,细化晶粒,降低硬度,改善加工性能,减小应力等。

退火可以理解为退去工件内部的“火”,金属和人一样也有火,比如内部的热应力就是一种火。退火时不能太急,必须慢慢来,才能见效,就像人上火了,可以通过喝茶慢慢降火一样。

正火(Normalizing),和退火有点类似,不同的是,正火是在空气中冷却,冷却速度要快一些,目的是细化组织,适当提高硬度和强度,可加工性等。

正火,从单词Normalize演化而来,可以理解为正常化,什么叫正常化,在空气中冷却就叫正常化,因为在炉中或者在水中冷却,都是人为控制,而在空气中冷却不需要人为控制,可以看成是正常冷却。

所以,正火要比退火便宜。

应用上,低碳钢和低碳合金钢,常以正火做预备热处理,而高碳钢一般用退火做预备热处理,因为碳含量高,硬度也高,不容易加工,退火以降低硬度,提高加工性能。

OK,到这里,我们终于把马氏体和奥氏体的来历给弄清楚了,但是什么又是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢呢?

从奥氏体和马氏体得到奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢,还需要一步。

哪一步呢?

上面说过,在室温下,奥氏体不单独存在,且其在钢中的成分不高,所以不能称为奥氏体钢。

但是,当钢中加入某些足够多的合金元素时,就会扩大奥氏体相区,例如加入9%的镍,或者13%的锰等,则可使A3线下降,使得奥氏体稳定在室温,形成奥氏体钢。

所以奥氏体钢,其实是一种合金钢。

为什么要在碳钢中加入合金元素呢?

因为碳钢虽然有良好的力学和加工性能,价格也便宜,但是它存在不容易完全淬透,强度不够高,不具有耐腐蚀,耐高温,耐磨等特殊性能。

合金元素的加入,刚好可以弥补这些缺点,所以实际工程中,大量使用的是合金钢。

当然,并不是每一种合金元素都使得奥氏体区域扩大,有的合金元素的加入会减小奥氏体区域,甚至使奥氏体区域消失。

例如,Si、Cr、AL、Ti等的加入,当加入的铬元素达到17%-28%,常温下奥氏体区域消失,钢在室温下呈单相铁素体组织,称为铁素体钢。

那么,什么是奥氏体不锈钢呢?为什么不生锈?

奥氏体不锈钢是在低碳钢的基础上,加入了17%-25%的铬元素,和8%-29%的镍元素,例如典型的18-8型奥氏体不锈钢,就是铬≥18%,镍≥8%的合金钢。

镍元素的加入使钢在常温下呈单相奥氏体组织,减少了金属内部因为组织的不同,而形成的微电池数量,从而也就提高了抗电化学腐蚀的能力。

什么是电化学腐蚀?例如,钢中的珠光体是铁素体α和渗碳体F3C层片相间的组织,在硝酸酒精溶液中,构成无数个微电池。α电位低,形成微电池的阳极,不断析出铁离子,也就是被腐蚀,F3C电位高,形成微电池的阴极,把电子传给溶液中氢离子,形成氢气。

电位越高越不容易被腐蚀,例如用来制作散热器的黄铜,是铜锌合金,使用中容易脱锌,因为铜的电极电位比锌的电位高,所以,一般会加入铝,硅,镍等微量元素,防止脱锌。

同时,铬元素的加入,提高了基体的电极电位,并在钢的表层形成了致密的氧化膜Cr2O3,从而使得钢在一定的介质中不容易生锈,所以叫奥氏体不锈钢。

类似地,在含碳量为0.1%-1%的碳钢中,加入12%-18%的铬,并空冷可以形成马氏体不锈钢。

因为合金元素单一,马氏体不锈钢只在非氧化介质中,例如大气,水蒸气中有较好的耐腐蚀性能,而在非氧化介质中,例如盐酸溶液中,耐腐蚀能力变得很低。

所以奥氏体不锈钢的耐腐蚀能力比马氏体不锈钢高,如果对耐腐蚀能力有要求,最好选用奥氏体不锈钢。

到这里,我们终于清楚奥氏体和马氏体不锈钢的概念了。

但是,回到我们最初还剩下的问题,为什么奥氏体不锈钢没有磁性?而马氏体不锈钢有磁性呢?

按照磁铁吸铁的原理,是马氏体和铁素体能够被磁化,而奥氏体不能被磁化。

但是更近一步,为什么呢,我查阅了很多资料,到目前,没有看到很好的解释。

反正结果就是马氏体和铁素体有磁性,但是奥氏体没有磁性或者仅有弱磁性。

如果你有很好的解释,也欢迎在下面留言探讨。

有时奥氏体呈现磁性,一般有两个原因。

一是由于冶炼时成分偏析或热处理不当,会造成奥氏体不锈钢中有少量马氏体或铁素体组织存在。

另外,奥氏体不锈钢经过冷加工,组织结构也会向马氏体转化,冷加工变形度越大,马氏体转化越多,钢的磁性也越大。

对于不锈钢的应用,我们用得最多的还是303和304,但是因为304相对于303来说,可加工性差点,因为304粘刀具,所以用303的时候更多。

另外,我们的钣金件,一般是用304钢板弯折的,用得最多的厚度是从1mm,1.5mm,2mm和3mm。当然,有时候只做遮盖用时,也用铝板弯折,并做发黑表面处理,防止生锈。

420的应用也比较多,因为有时候工件太大了,303和304原材料没那么大,就换成420的加工,不过都要做表面处理,如镀锌镀铬等,以防止生锈。

420和440C因为做调质后(淬火加高温500-650度回火),屈服强度很高,所以也常常用于对于强度要求高的设计中,例如我之前提到的,机器人快还装置中的柔性定位销。

鸭,夜深了,明天还要工作,今天就写到这里吧。

洗洗睡了。

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发表于 昨天 01:24 | 只看该作者
看了这么多,我就只记住一个叫不锈钢,一个叫不锈铁。不锈钢耐腐蚀性能好,无磁性。不锈铁耐腐蚀性能差些,有磁性。腐蚀。磁性就跟这铁字有关,好记
3#
发表于 昨天 07:05 | 只看该作者
我觉得楼主应该进一步讲一讲沉淀硬化等的概念,例如17-7PH,
4#
 楼主| 发表于 昨天 08:18 | 只看该作者
|譬如朝露发表于 05-21 01:24看了这么多,我就只记住一个叫不锈钢,一个叫不锈铁。不锈钢耐腐蚀性能好,无磁性。不锈铁耐腐蚀性能差些,有磁性。腐蚀。磁性就跟这铁字有关,好记
你这个记忆方法很棒!学到了
5#
 楼主| 发表于 昨天 08:20 | 只看该作者
|祺哈哈哈发表于 05-21 07:05我觉得楼主应该进一步讲一讲沉淀硬化等的概念,例如17-7PH,
老铁,欢迎你来写这一部分!
6#
发表于 昨天 08:33 | 只看该作者
感觉说的很详细,却不能静下心来好好研读。
7#
 楼主| 发表于 昨天 08:48 | 只看该作者
|babty发表于 05-21 08:33感觉说的很详细,却不能静下心来好好研读。
哈,为了写这篇文章,我可花了不少时间,阅读,收集图片,写成文,修改,再修改,最后才发布出来
8#
发表于 昨天 09:57 | 只看该作者
好文章,谢谢分享
9#
发表于 昨天 10:05 | 只看该作者
这是论文吗,不过收藏了,需要的时候再细看。
10#
 楼主| 发表于 昨天 10:32 | 只看该作者
感谢支持,可以关注我公众号的:罗罗日记
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