304 不锈钢 晶间腐蚀

创作编号：

GB8878185555334563BT9125XW

创作者：凤呜大王*

《材料腐蚀与防护》结课作业304奥氏体不锈钢的晶间腐蚀报告

班级：成型1303班

姓名：赵旭男

学号：20132336

304奥氏体不锈钢是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，钢中含Cr 约18%、含Ni约8%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。它是一种很常

见的不锈钢材料，业内也叫做18/8不锈钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有

高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工

进行强化，具有良好的易切削性。

304奥氏体不锈钢的防锈性能比200系列的不锈钢材料要强，密度为

7.93 g/。它在耐高温方面也比较好，最高可承受1000℃～1200℃。它

具有优良的耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能，加工性能好且韧性高，

被广泛应用。适用于食品的加工储存、家庭用品、汽车配件、医疗器具、

化学建材，农业船舶部件等。

304奥氏体不锈钢中最为重要的元素是Ni和Cr，但是又不仅限于这两种元素。对于304奥氏体不锈钢来说，其成分中的Ni元素十分重要，直接

决定着它的抗腐蚀能力。它正是因为有足够含量的铬，其保护性氧化膜是

自愈性的。当其薄膜破坏时，重新形成新的保护性氧化薄膜。致使它

能进行机械加工也不失去抗氧化性能。然而当金属含铬量不够或某些原因

造成不锈钢晶界贫铬，就不能形成保护性氧化膜。这就说明不锈钢之所以

不锈，关键在于要有足够的铬和足够的氧。

此外，Ni与Cr配合，在不锈钢中发挥着重要作用。Ni在不锈钢中的主要作用在于其改变了钢的晶体结构，形成奥氏体晶体结构，从而改善和

加强Cr 的钝化机理，其抗晶间腐蚀能力得到提高。

表1

C Si Mn P S Cr Ni N

304 0.010 ≤1.0 ≤2.0 ≤0.045 ≤0.03 18.0/20.0 8.00/10.0 ≤0.10 347 ≤0.08 ≤1.0 ≤2.0 ≤0.045 ≤0.03 17.0/19.0 9.00/13.0 ≤0.10 321 ≤0.08 ≤1.0 ≤2.0 ≤0.045 ≤0.03 17.0/19.0 9.00/12.0

304、347、321钢的化学成分表格1(%)

奥氏体不锈钢在许多介质环境中容易发生晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等腐蚀类型。在其中加入不同元素可得到不同特性，加Mo改善点蚀和耐缝隙腐蚀，降低C含量或加入Ti和Nb可减少晶间腐蚀倾向，加Ni和Cr可改善高温抗氧化性和强度，加Ni改善抗应力腐蚀性能。我查阅了晶间腐蚀的相关资料，因为以前在《金属学与热处理》里接触过晶间腐蚀，而且在《材料腐蚀与防护》的课堂上，自己对晶间腐蚀也更感兴趣。

晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀，遭受这种腐蚀的不锈钢，表面看来还很光亮，但只要轻轻敲击便会破碎成细粒。由于晶间腐蚀不易检查，会造成设备突然破坏，所以危害性极大。奥氏体不锈钢是工业中应用最广的不锈钢之一，多半在约427℃～816℃的敏化温度范围内，在特定的腐蚀环境中易发生晶间腐蚀，晶间腐蚀也会加快整体腐蚀。

图1 图2

晶间腐蚀的示意图1和显微镜下的图片2

典型的奥氏体不锈钢一般是在固溶处理状态下使用，于常温下腐蚀介质中工作，它的耐蚀性能是基于钝化作用。奥氏体不锈钢含有较高的铬，铬易氧化形成致密的氧化膜，能提高钢的电极电位，因此具有良好的耐蚀性能。当含铬量18%、含镍量8%时，能得到均匀的奥氏体组织，且含铬和镍量越高，奥氏体组织越稳定，耐蚀性能就越好，故通常没有晶间腐蚀现象。但如果再次加热到450℃～850℃或在此温度区间工作，且钢中含碳量超过0.02％～0.03％，又缺少Ti、Nb 等能控制碳的元素时，处于腐蚀介质中往往就可以见到晶间腐蚀现象。

这说明，晶间腐蚀和钢的成分（碳和碳化物形成元素）有关，还与加热条件有关。现已有一些学说对晶间腐蚀现象做了解释，其中腐蚀机理主要有“贫Cr理论”和“晶界杂质选择性溶解理论”等。

贫Cr理论：C在奥氏体中的饱和溶解度小于0.102%，一般不锈钢的碳含量都高于这个数值。当不锈钢从固溶温度冷却下来时，C处于过饱和状态，受到敏化处理时，C和Cr形成碳化物(主要为)在晶界析出。由于含Cr量很高，而Cr在奥氏体中扩散速率很低，这样就在晶界两侧形

成了贫Cr区。即晶界区和晶粒本体有了明显的差异，晶粒与晶界构成活态-钝态的微电偶结构，造成晶界腐蚀。

晶界杂质选择性溶解理论：在强氧化性介质中不锈钢也会发生晶间腐蚀，但晶间腐蚀不是发生在经过敏化处理的不锈钢上，而是发生在经固溶处理的不锈钢上。对于这类晶间腐蚀显然不能用贫Cr理论来解释，而要用晶界杂质选择性溶解理论来解释。当晶界上析出了σ相(FeCr金属间化合物)，或是有杂质偏析，在强氧化性介质中便会发生选择性溶解，从而造成晶间腐蚀。而敏化加热时析出的碳化物有可能使杂质不富集或者程度减轻，从而消除或减少晶间腐蚀倾向。

另外，晶间腐蚀的机理还有“晶界吸附理论”、“亚稳沉淀相理论”等等。这些理论，彼此并不矛盾，互为补充。晶间腐蚀机理的研究十分重要，可以应用现代检测技术，研究晶间原子结构的改变、断口形貌、化学成分的变化、腐蚀的过程、腐蚀产物的成分以及晶界合金元素的相互影响等，进一步解释晶间腐蚀现象。

在研究304奥氏体不锈钢晶间腐蚀的腐蚀机理后，进一步探讨不锈钢腐蚀的影响因素——化学成分、晶粒尺寸和热处理工艺，而化学成分的影响主要分为以下四点。

（1）C元素的影响：C含量是影响304不锈钢晶间腐蚀主要的因素，304不锈钢抗晶间腐蚀的能力，会随着含碳量的降低而升高。C的质量分数最好低于0.08%，这时晶界中能够析出C的数量较少。在晶界形成碳化物机会也随之减少，不易在晶界处会形成贫铬区。如果C的质量分数超过0.08%，产生晶间腐蚀的倾向就会大大增加。

（2）Cr元素的影响：在奥氏体不锈钢中，Cr含量的增加，在低敏化温度区会加速晶间腐蚀；在高敏化温度区，则会延长产生晶间腐蚀的时间。一般认为，在低于550℃是受Cr的扩散控制，而高于此温度是受碳化物的生成速度控制。因此在温度低时，低C不锈钢也易于敏化。奥氏体不锈钢中Cr 的含量应超过13%，如果更低，则会严重降低抗晶间腐蚀的能力。

（3）Ni元素的影响：在不锈钢中加入Ni，使钢获得完全奥氏体组织。奥氏体不锈钢中，随着Ni含量的增加，残余的铁素体可完全消除，使钢材

本身没有形成微电池的能力，这也是避免不锈钢被腐蚀的主要原因。但随Ni含量的增加，会降低C在奥氏体不锈钢中的溶解度，从而使碳化物

析出倾向增强，所以Ni含量的增加，会增大晶间腐蚀的敏感性。

（4）Ti、Nb元素的影响：如在不锈钢中的加入Ti、Nb 等与C的结合能力比Cr 更强的元素，能够与C结合合成稳定的碳化物，可以避免在奥氏体中形成贫铬区。Ti是强碳化物形成元素，可形成稳定的TiC，可降低基体的碳含量，稳定Cr含量，最主要的作用是使钢中的C优先与Ti形成稳定的TiC，而无法形成Cr的碳化物，避免出现晶界贫铬现象，增强晶间抗蚀能力。

晶粒尺寸的影响:随着晶粒尺寸的减小，晶间腐蚀速率降低。这是因为晶粒越大，单位体积的晶界面积越大，形成Cr的碳化物越多，贫Cr越严重，因而晶间腐蚀速率更大。另外，晶界的形貌也会影响奥氏体不锈钢的晶间腐蚀的敏感性。

热处理工艺的影响——固溶处理和稳定化处理。

（1）固溶处理：为了保证304奥氏体不锈钢具有最好的耐蚀性，必须使其具有单相奥氏体组织，因此对奥氏体不锈钢进行固溶化处理。固溶处理，就是将奥氏体不锈钢加热到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，C固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使C达到过饱和状态。强化固溶体，并提高韧性及抗腐蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工或成型，这样就不会在晶界处形成“贫铬区”，也就会降低发生晶间腐蚀的几率。不锈钢在加热过程中，在敏化温度区停留时间越短，发生晶间腐蚀的机会越小。经过固溶处理后，钢中碳化物全部溶于奥氏体组织，然后采取水淬快冷，不让奥氏体在冷却过程中有析出或发生相变。这样在室温状态下，可以获得单相奥氏体组织，消除晶间腐蚀倾向。固溶化处理技术条件是：加热850℃～900℃，保温6h，随炉冷却。

（2）稳定化处理：稳定化处理通常为固溶处理的后续处理工艺，一般针对含Ti、Nb 的钢种。将这种钢再加热到850℃～900℃保温一定时间，在该温度下几乎全部溶解，而TiC和NbC只是部分溶解。而后缓冷，在冷却过程中，钢中的C充分地与Ti、Nb 等结合，而析出TiC、NbC，而不析出，提高抗晶间腐蚀性能。如果不进行稳定化处理，在敏化温度区

间（450℃～850℃），依然会优先沉淀出来，这就是稳定化处理的必要性。对304奥氏体不锈钢其稳定化处理的工艺条件为：将工件加热到850℃～900℃，保温足够长的时间，快速冷却。

通过304奥氏体不锈钢晶间腐蚀机理、腐蚀影响因素的了解，可以总结出不锈钢晶间腐蚀的防护措施。

（1）严格控制含碳量：碳是造成晶间腐蚀的主要元素，碳含量在0.08%以下时，能够析出碳的数量少；碳含量在0.08%以上时，则析出碳的数量迅速增加。所以选用低碳和超低碳不锈钢避免形成Cr的碳化物，使晶间腐蚀敏感性降低到最小值。当C的质量分数要降低到0.03%以下（所谓超低碳不锈钢），便可避免晶间腐蚀，才能在最危险的敏化温度下加热1000 h，而不产生晶间腐蚀。降低不锈钢中的C含量，这是防止不锈钢晶间腐蚀的最重要的措施。

（2）添加Ti、Nb 等合金元素：不锈钢中加入钛或铌的目的是为了防止晶间腐蚀。钛和铌都是强碳化物形成元素，它们是作为形成稳定的碳化物，从而防止晶间腐蚀而加入不锈钢中的。一般认为，晶间腐蚀是C从饱和的奥氏体中以形态析出，造成晶界处奥氏体贫铬所致，防止晶界贫铬是防止晶间腐蚀的有效方法。将各种元素按与C的亲和力排列，顺序为：

Ti>V>Nb>W>Mo>Cr>Mn。Ti和Nb与C的亲和力都比Cr大，把它们加入钢中后，C优先与它们结合生成TiC 或NbC，这样就避免了析出而造成晶界贫铬。

为了促使TiC或NbC的析出，含TiC或者NbC的不锈钢必须经过稳定化处理。稳定化处理一般是在固溶处理后进行，含Ti、Nb的奥氏体不锈钢，在固溶处理后，将钢加热到850℃～900℃后保温5小时然后空冷，此时Cr的碳化物完全溶解，Ti或Nb碳化物不完全溶解，且在冷却过程中充分析出，使碳不可能再形成Cr的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀。

（3）固溶淬火处理：把钢加热至950℃～1150 ℃左右，保温一段时间，使碳化物和各种合金元素充分均匀地溶解于奥氏体中，然后快速淬火冷却，碳及其它合金元素来不及析出或少量析出，从而起到防止晶间腐蚀的作用。

（4）调整钢中组织比例，形成双相不锈钢：通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使其具有奥氏体＋铁素体双相组织，其中铁素体占5%～12%。这种双相组织不易产生晶间腐蚀，这是因为铁素体含铬量高，能够补充晶界因形成高铬碳化合物所引起的贫铬，所以具有良好的耐晶间腐蚀能力。又由于降低了镍含量，比单纯的奥氏体不锈钢强高。双相不锈钢由于具有奥氏体和铁素体的共同优点，所以近年来发展较快，从分类方面讲已经成为一种新的不锈钢种类。

碳含量是影响奥氏体不锈钢晶间腐蚀的最主要因素，不锈钢中的C含量小于0.03%，晶间腐蚀敏感性大大降低，其敏感性随C含量的增加而增加；采用超低C 的不锈钢时，减少钢中杂质的含量和固溶处理，是控制奥氏体不锈钢晶间腐蚀最有效的措施；通过固溶后的稳定化处理，可以显著提高304奥氏体不锈钢的耐蚀性能；适当提高固溶温度至1100℃, 再经850℃～900℃保温的稳定化处理，能稳定提高不锈钢的抗晶间腐蚀性能。

由于奥氏体不锈钢具有优良的综合性能和成熟的加工制造工艺，所以应用会更加广泛，但是其易发生晶间腐蚀的特性不容忽视。在工程实际应用过程中，要从设计、选材、制造、安装和操作维护等各环节加以注意，最好从源头上避免发生晶间腐蚀，也就是使奥氏体不锈钢的工作温度避开敏化区域，否则要从设计角度上考虑使用应用其它材质，如双相不锈钢、超级不锈钢等。

参考文献：

[1]张晶莹.304奥氏体不锈钢晶间腐蚀的研究及防护[J].Equipment Manufactring Technology No.2，2012

[2]任中育，葛晶.奥氏体不锈钢晶间腐蚀原因分析和对策[J]四川化工,第18卷2015年第5期

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