各种合金元素对不锈钢组织和性能的影响.doc

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各种合金元素对不锈钢组织和性能的影响
从物理冶金学原理可知，合金的化学成份决定其各种热处理状态和加工处理状态下的金相结构和组织。以化学成份为基础，加上金相结构和组织决定着该合金材料的性能。为了比较系统地理解众多不锈钢牌号的异同和各种合金元素对加工性能的影响，下面介绍不锈钢中主要合金元素铬、镍、硅、锰、钼、铜、铝、氮、钛、铌和碳对其金相结构、组织和性能。
一、 合金元素的影响
1、铬、镍、铝、为形成铁素体的元素，是不锈钢获得耐腐蚀性能的主要合金元素。在碳钢的基础上加入足够量的铬（wcr ≥12%）,既可使钢在氧化性介质中产生一种与基体组织牢固结合的铬铁氧化物（FeCr）2O3的钝化膜；又能提高钢在电介质中的电极电位，从而使化学稳定性得到提高。硅和铝同样能使钢在氧化性介质中生成致密的保护膜，其中铝的作用比铬还强烈。在奥氏体型耐热钢中，这些元素均能提高其抗氧化性。在18-8型不锈钢中，当硅的质量分数从0.4%提高到2.4%时，钢在980℃时抗氧化性能提高22倍。如果硅含量过高，会严重恶化稳定奥氏体型钢的焊接性，故必须严格控制硅在钢中的含量。铝在沉淀硬化型不锈钢中，可以提高其室温和高温的强度。
2、镍 为形成奥氏体的元素。能使合金表面钝化，扩大钢在酸中的钝化范围，但不能改善其对稀硝酸的耐蚀性。它能提高不锈钢抗硫酸、盐酸等腐蚀介质的性能，是耐蚀钢的主要合金元素，如果单独使用镍作为不锈钢合金元素，其质量分数要高达24%才能得到全奥氏体组织，但这是极为不经济的。而在低碳铬不锈钢（wcr>17%）的基础上，只需加入质量分数为9%的镍。即可获得耐蚀性好、综合力学性能也好的室温下稳定的奥氏体组织，既能满足钢的耐蚀性要求，又能提高钢的高温强度和抗氧化性能，成为一种具有良好综合性能的钢种。
3、钼和铜 钼是形成铁素体的元素。在铬不锈钢中加入钼，可以提高钢在非氧化性介质中的稳定。它的独特之处是能抵抗氯离子（Cl-）产生的点腐蚀；同时也能提高奥氏体型钢的热强性，改善奥氏体钢短时塑性和持久塑性，对焊接有利。但是钼的加入将会缩小钢中奥氏体相区，使奥氏体型不锈钢中出现铁素体相。为此，在含钼的单相奥氏体不锈钢中，相应的奥氏体不锈钢形成元素，如镍、锰、氮等的含量略有增加，目的是维持其全奥氏体组织。对于双相不锈钢，钼促成铁素体，对提高耐点腐蚀性能和提高抗应力腐蚀性能都是有益的。但钼含量多则会降低奥氏体型不锈钢的韧性。
在铬镍不锈钢中加入铜能促使钢产生弥散硬化组织，提高钢的热强性。与钼配合使用，可进一步提高铬镍不锈钢在稀硫酸中的耐蚀性能。列入我国国家标准的牌号钢板有0Cr18Ni12Mo2Cu2和00Cr18Ni14Mo2Cu2等。
4、 锰和氮 锰和氮对提高不锈钢的耐蚀性能没有直接影响，但它们都是促进和稳定奥氏体的有效元素，其中氮比锰的作用更为强烈。为了节省昂贵的镍的用量，可用它们替代奥氏体型不锈钢中的一部分镍。这类钢列入我国国家标准的牌号钢板有1Cr17Mn6Ni15N和1Cr18Mn8Ni5N。当锰含量过高时，对含铬量较低的不锈钢的耐蚀性不利，还会使铸钢件产生气孔，同时增加硬度，给钢的冷加工带来困难。氮与碳共同作用能提高奥氏体型钢的热强性，氮的强化作用在于时效过程中形成氮化物和碳氮化物。
5、钛和铌 它们是比铬更易与碳结合形成稳定碳化物的元素。在铬镍不锈钢中当钛的加入量大于碳含量的5倍，或者铌的加入量大于碳含量的8倍时，可以使绝大部分的碳存在于钛或铌的碳化物之中，因而使固溶碳的质量分数降到0.03%以下，这就能保证铬在钢中的有效固溶浓度。由于铬在钢中有效固溶浓度得到保证，从而改善钢的抗晶间腐蚀能力。铌的质量分数达到0.5%～2.0%，既能提高奥氏体钢的热强性，又能提高钢的持久塑性。铌在含碳量较低的奥氏体钢中会促进近缝区和焊缝金属产生裂纹，在铬镍奥氏体钢中铌的质量分数应控制在1.0%范围内。这类钢列入我国国家标准的牌号钢板很多，如0Cr18Ni10Ti和0Cr18Ni11Nb等。
二、碳化物的影响
碳是一种强烈的碳化物形成元素，在不同温度段它与铬能生成多种化合物。在高碳的铸造耐热钢中，共晶碳化物多出现在晶间或枝间，二次碳化则在晶内和晶间都有。在通常的变形不锈钢或耐热钢中，若碳在过饱和情况下，受到适当温度加热，则会发生碳化物析出。这些固溶体层的铬碳化合物最易于在晶界处生成。若条件适当，晶粒边界会出现贫铬（当Wcr <12% 时），即减少了晶界的铬有效含量，导致钢的耐腐蚀性能降低。因而碳是降低耐腐蚀性的一种有害元素。在不锈钢中应尽量控制碳的含量，愈少愈好。在我国不锈钢的牌号中，Wc≤0.08%或≤0.06%的，称之为低碳不锈钢，Wc≤0.03%的谓之超低碳不锈钢。但是，碳对提高奥氏体钢热强性是有益的。
上述合金元素对钢的作用不是简单的叠加，也不是相互抵消的。它们相互之间有时会发生新的物理化学作用，往往会引起强化力学性能的作用。各种合金元素对不锈钢组织结构性能的影响见表1-9，亦可参见图1-1、图1-2。从表中可以看出，合金元素对不锈钢组织的影响基本上分为三大类：第一类是形成铁素体的元素铬、硅、铝、钼、钛、铌等；第二类是形成奥氏体的形成元素有碳、氮、镍、锰、铜，其中碳和氮的作用程度最大；第三类是形成碳化物的元素有铌、钛、碳、铬、钨、锰、钼等。加入铜、铝、钛、铌、氮等元素能促使钢产生弥散硬化，从而提高钢的热强性。

各种合金元素对组织结构和性能的影响

合金
元素
对组织结构的影响
对性能的影响
形成铁素体
形成奥氏体
生成碳化物
防止晶间腐蚀
增加耐腐蚀性
提高抗氧化性
提高高温强度
增强时效硬化
改善机械加工性

细化晶粒
铝（AI）
□

□

□

碳 (C)

□
〇

〇

铬（Cr）
〇

〇

□
□

钴（Co）

□

铌（Nb）
〇

□
□

□
□

〇
铜（Cu）

□

〇

锰（Mn）

Δ
Δ

钼（Mo）
〇

Δ

□

〇

镍（Ni）

〇

□
〇
〇

氮（N）

□

〇

〇
磷（P）

〇
□

硒（Se）

□

硅（Si）
〇

〇
□

〇

硫（S）

□

钽（Ta）
〇

〇
〇

〇
〇

〇
钛（Ti）
□

□
□

〇
〇
〇

□
钨（W）
Δ

〇

〇

□
钒（V）
Δ

〇

〇

〇
注：□——强作用； 〇——中等作用； Δ——弱作用。

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