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合金元素對不銹鋼組織和性能的影響有哪些？

注：口——強作用，?——中等作用，▲——弱作用

(1)使不銹鋼對具體使用的介質(zhì)具有穩(wěn)定鈍化區(qū)的陽極極化曲線。

(2)提高不銹鋼基體的電極電位，降低腐蝕原電池的電動勢。

(3)使鋼具有單相組織，減少微電池的數(shù)量。

(4)在鋼表面生成穩(wěn)定的保護膜，如鋼中加硅、鋁、鉻等，在許多腐蝕和氧化的場合能形成致密的保護膜，提高鋼的耐蝕性。

(5)減少或消除鋼中各種不均勻現(xiàn)象也是提高鋼耐蝕性的重要措施。

在鋼中加入合金元素是實現(xiàn)提高耐腐蝕性的主要方法，加入不同的合金元素，可以通過一條途徑或幾條途徑同時產(chǎn)生作用，使鋼的耐腐蝕性提高。

合金元素的種類及含量直接影響不銹鋼的耐腐蝕性，合金元素的作用首先是對鐵的極化性能和電極電位的影響。

常用的Fe、Cr、Ni、Ti等金屬的陽極極化過程具有獨特的極化形式。陽極通路后，陽極電位升高，陽極電流(腐蝕速度)隨之變化，幾乎有著相同的規(guī)律，極化曲線的典型形式如下圖所示。隨著陽極極化電位的升高，腐蝕電流不是均勻的降低，而是先增加，然后減少到最小，并保持這個電流經(jīng)一定的電位升高階段，然后電流再增加。這類極化曲線稱為具有活化、鈍化轉(zhuǎn)變的陽極極化曲線，并把這類曲線分為3個區(qū)域：活化區(qū)（A）、鈍化區(qū)（B）、過鈍化區(qū)（T）。

圖 具有活化、鈍化轉(zhuǎn)變金屬的陽極極化曲線

極化作用對提高金屬的耐腐蝕性意義很大，增強陽極極化或陰極極化的因素，都能提高金屬的耐腐蝕性；去陽極極化或去陰極極化的因素，都將降低金屬的耐腐蝕性。不同的合金元素對鐵的極化性能影響不同。擴大鈍化區(qū)的元素，即降低Ecp、P區(qū)電位和升高Er點電位的元素都提高鋼的耐蝕性；凡使鈍化性能增強，即Icp、I₁點位置左移的元素，都會減小腐蝕電流，改善耐蝕性。凡使Er點電位升高的元素都有降低點腐蝕傾向，因為Er點電位低時，當電位在過鈍化電位附近波動時，容易導(dǎo)致鈍化膜局部擊穿，產(chǎn)生點蝕。鋼中常用的合金元素中，Cr元素能夠強烈地提高純鐵的鈍化性能，可以使Ecp、Ep、Er點電位升高，Icp、I₁點位置左移，Cr是改善鐵的耐蝕性最有效的元素。合金元素Ni、Si、Mo等也能不同程度的擴大鈍化區(qū)，增強鈍化性能。Mo不僅能增強鐵的鈍化性能，還能升高Er點的電位，從而提高鐵的抗點蝕性能。

一般金屬固溶體的電極電位總是比其他化合物的電極電位低，所以在腐蝕過程中，金屬固溶體總是作為陽極而被腐蝕。提高鐵的電極電位，即可提高耐蝕性。

研究表明，當Cr加入鐵中形成固溶體時，鐵固溶體的電極電位能顯著提高，如下圖所示。材料電極電位的提高，可使材料的耐蝕性得到明顯改善。

圖 鉻對Fe-Cr合金電極電位的影響

由于鉻對鐵鈍化性能和電極電位的良好作用，使鉻成為各種不銹鋼的主要合金化元素。

不銹鋼的基體組織是獲得所需力學(xué)性能和工藝性能的保證，而更重要的是具有良好的耐蝕性的保證。單相鐵素體鋼、單相奧氏體鋼是不銹鋼中耐蝕性較好的兩類鋼。合金元素對基體組織的影響首先取決于合金元素是鐵素體(α)穩(wěn)定劑還是奧氏體（γ）穩(wěn)定劑。α穩(wěn)定劑的元素占優(yōu)勢可獲得單相α不銹鋼；反之則獲得單相γ不銹鋼。

鉻是決定不銹鋼耐蝕性的主要元素，當鉻含量(原子比)達到1/8、2/8….時，鐵的電極電位就跳躍式地增加，耐蝕性也隨之提高。鉻元素是α穩(wěn)定化元素。鉻的氧化物比較致密，可形成耐蝕的保護膜。

碳能強烈地穩(wěn)定奧氏體，穩(wěn)定奧氏體的能力約為Ni的30倍；同時，又是不銹鋼強化的主要元素；碳與鉻能形成一系列碳化物，使不銹鋼的耐蝕性受到嚴重影響；同時碳會使不銹鋼的加工性能和焊接性能變壞，使鐵素體不銹鋼變脆，因此在不銹鋼的生產(chǎn)中和開發(fā)中，碳的應(yīng)用和控制是一項重要的工作。

碳和鉻的配合對形成不銹鋼組織的影響如下圖所示。圖中表明，在含碳量較低，含鉻量較高時，會獲得鐵素體組織;當含碳量較高，含鉻量較低時，會得到馬氏體組織。在鉻不銹鋼中，當含鉻量在17%以下時，隨著含碳量的增加，可以獲得基體為馬氏體的不銹鋼。當含碳量較低，含鉻量在13%時，就可以獲得鐵素體不銹鋼。當含鉻量從13%增加到27%時，由于鉻含量增加，穩(wěn)定鐵素體的能力增加，鋼中碳含量相應(yīng)的增加（從0.05%到0.2%），仍能保持鐵素體基體。

圖 碳和鉻的配合對不銹鋼組織的影響

鎳是不銹鋼中3個重要元素之一，鎳能夠提高不銹鋼的耐蝕性；鎳還是γ相穩(wěn)定化元素，是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進奧氏體形成的主要元素。鎳能有效地降低Ms點，使奧氏體能保持到很低的溫度（-50℃以下）不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

鎳含量的增加會降低C、N在奧氏體鋼中的溶解度，從而使碳氮化合物脫溶析出的傾向增加。隨著鎳含量的提高，產(chǎn)生晶間腐蝕的臨界含碳量降低，即鋼的晶間腐蝕敏感性增加。鎳對奧氏體不銹鋼的耐點腐蝕及縫隙腐蝕的影響并不顯著。此外，鎳還可以提高奧氏體不銹鋼的高溫抗氧化性能，這主要與鎳改善鉻的氧化膜的成分、結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)，但鎳的存在會降低鋼的抗高溫硫化性能。

錳是比較弱的奧氏體形成元素，但具有強烈穩(wěn)定奧氏體組織的作用。錳在奧氏體不銹鋼中部分替代Ni，2%Mn相當1%Ni。錳也能提高鉻不銹鋼在有機酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐蝕性，而且比鎳更有效。當鋼中Cr含量大于14%時，僅靠加入Mn無法獲得單一的奧氏體組織。由于不銹鋼中Cr含量大于17%時才有比較好的耐蝕性，因此工業(yè)上已應(yīng)用的Mn代Ni的奧氏體不銹鋼主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型鋼，如12Cr18Mn9Ni5N等，而無鎳的Fe-Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼的用量較少。

氮元素在早期主要用于Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼中，以節(jié)約Ni元素。近年來氮已經(jīng)成為Cr-Ni奧氏體不銹鋼的重要合金元素。

在奧氏體不銹鋼中加入氮，可以穩(wěn)定奧氏體組織，提高強度、耐腐蝕性能，特別是局部耐腐蝕性能，如耐晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等。在普通低碳、超低碳奧氏體不銹鋼中，可以改善抗晶間腐蝕性能，其原因是氮影響敏化處理時碳化鉻的析出過程，提高了晶界的鉻濃度。在高純奧氏體不銹鋼中，沒有碳化鉻的沉淀析出。此時氮的作用有：一是氮增加鈍化膜的穩(wěn)定性，降低平均腐蝕率；二是含氮高的鋼中雖有氮化鉻析出，但氮化鉻的沉淀速度很慢，敏化處理不會造成晶間貧鉻，對晶間腐蝕影響很小。氮對磷在晶界偏聚有抑制作用，可以提高鋼的耐晶間腐蝕作用。

目前應(yīng)用的含氮奧氏體不銹鋼主要以耐腐蝕為主，同時具有較高的強度；可以分為控氮型、中氮型和高氮型3種類型。控氮型是在超低碳（C≤0.02%~0.03%）Cr-Ni奧氏體不銹鋼中加入0.05%~0.10%N，用以提高鋼的強度，同時優(yōu)化鋼的耐晶間腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕性能；中氮型含有0.10%~0.50%N，在正常大氣壓條件下冶煉和澆注；高氮型氮含量在0.40%以上，一般在增加壓力的條件下冶煉和澆注，主要在固溶態(tài)或半冷加工態(tài)下使用，既具有高強度，又有耐腐蝕性。目前氮含量達到0.8%~1.0%水平的高氮奧氏體鋼已獲得實際應(yīng)用并開始工業(yè)化生產(chǎn)。

鈦和鈮是強碳化物形成元素，可優(yōu)先于鉻同碳形成碳化物，防止晶間腐蝕，提高耐蝕性。鈦和鈮的加入必須與鋼中的碳保持一定的比例。

鉬能提高不銹鋼的鈍化能力，擴大其鈍化介質(zhì)范圍，如在熱硫酸、稀鹽酸、磷酸和有機酸中。含鉬的鈍化膜在許多介質(zhì)中具有很高的穩(wěn)定性，不易溶解。可防止Cl-對鈍化膜的破壞，所以含鉬不銹鋼具有抗點腐蝕的能力。

稀土元素如Ce、La、Y等加入到不銹鋼中，可以微量固溶在基體中，凈化晶界，變質(zhì)夾雜物，均勻組織，減少析出物的析出及在晶界的偏聚，從而改善鋼的耐腐蝕性和力學(xué)性能。

合金元素對不銹鋼基體組織的影響可分為兩大類:鐵素體形成元素，如鉻、鉑、硅、鈦、鈮等；奧氏體形成元素，如碳、氮、鎳、錳、銅等。當這兩類作用不同的元素同時加入鋼中時，不銹鋼的組織就取決于它們的綜合作用。為簡單處理，將鐵素體形成元素的作用折算成鉻的作用，稱為鉻當量[Cr]，而把奧氏體形成元素折成鎳的作用，稱為鎳當量[Ni]。根據(jù)鉻當量[Cr]和鎳當量[Ni]制成圖來表示鋼的實際成分和所得到的組織狀態(tài)，如下圖所示。

圖 不銹鋼組織狀態(tài)圖

由圖可以看出12Cr18Ni9鋼處于A相區(qū)，是奧氏體不銹鋼；Cr28不銹鋼處于鐵素體相區(qū)，是鐵素體不銹鋼；30Cr13不銹鋼處于馬氏體相區(qū)，是馬氏體不銹鋼。要獲得單相奧氏體組織，這兩類合金元素必須達到某種平衡，否則鋼中就會出現(xiàn)一定量的鐵素體組織，成為復(fù)相組織。

不銹鋼的強化機制廣泛地采用固溶強化，此外還有相變強化、第二相強化、細化晶粒強化、沉淀強化和亞結(jié)構(gòu)強化等。如下圖所示為在8%~10%Ni奧氏體不銹鋼中各種強化機制對屈服強度的貢獻。

圖中表面：鉻、硅、碳提供了基體的固溶強化，使奧氏體基體的屈服應(yīng)力提高數(shù)倍；其次是α鐵素體第二相的存在和晶粒尺寸的細化、沉淀相析出，均使奧氏體獲得大幅度強化。

圖中顯示了在奧氏體不銹鋼中，固溶強化是重要的強化機制，而晶粒細化對強度的貢獻最大。

圖 影響奧氏體不銹鋼強度的因素

各類不銹鋼由于成分和組織狀態(tài)不同，性能也不同，各類不銹鋼的強度和塑性比較如下圖所示。

圖 各類不銹鋼和純鐵的強度與塑性比較

在所有的不銹鋼中奧氏體不銹鋼塑性最好，沉淀硬化不銹鋼的強度最高。馬氏體不銹鋼具有較好的綜合機械性能，即具有較高的強度和一定的延展性。

鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼的強度較高、延展性也較好；鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼的強度性能相近，但后者的延展性遠較其他各類不銹鋼為高。(圖中為了比較還列有純鐵的曲線)。

金屬的耐蝕性不僅與金屬材料本身有關(guān)，還與腐蝕介質(zhì)的種類、濃度、溫度及壓力等腐蝕環(huán)境的條件有關(guān)。在實際的應(yīng)用中，腐蝕介質(zhì)的氧化能力影響最大，因此要根據(jù)工作介質(zhì)的特點來正確選擇使用不銹鋼的鋼種。

在大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì)中，只要不銹鋼基體固溶的Cr含量大于13%，就能夠保證不銹鋼的耐蝕性。如水壓機閥門、蒸汽發(fā)電機透平葉片、水蒸氣管道等部件。

在氧化性介質(zhì)中，如硝酸，硝酸的NO₃^-具有強的氧化性，不銹鋼表面的氧化膜容易形成，鈍化時間短。但酸中的H⁺是陰極去極化劑，隨著H⁺濃度的增加，陰極的去極化作用加強，鈍化所需要的鉻含量也增加，因此只有含高鉻的氧化膜在硝酸中才具有很好的穩(wěn)定性。在沸騰的硝酸中，12Cr13不銹鋼不耐蝕，鉻含量為17%~30%的Cr17、Cr30鋼在濃度為0%~65%范圍內(nèi)的硝酸中是耐蝕的。

在非氧化性介質(zhì)中，如稀硫酸、鹽酸、有機酸，這類腐蝕介質(zhì)的含氧量低，鈍化所需時間要延長。當介質(zhì)中含氧量低到一定程度時，不銹鋼就不能鈍化。如在稀硫酸中，由于介質(zhì)中SO₄^2-不是氧化劑，且溶于介質(zhì)中的氧含量比較低，基本上沒有使鋼鈍化的能力，鉻不銹 鋼的腐蝕速度甚至比碳鋼還快，所以一般的Cr不銹鋼或Cr-Ni不銹鋼難以達到鈍化狀態(tài)，因而不耐腐蝕。因此，在這類介質(zhì)中工作的不銹鋼需要加入提高鋼鈍化能力的元素，如鉬、銅等元素。鹽酸也是非氧化性酸，不銹鋼在其中也不耐腐蝕，一般需采用Ni-Mo合金，在合金表面生成穩(wěn)定的保護膜，保證合金不被腐蝕。

在強有機酸中，由于介質(zhì)中氧含量低，同時又有H⁺存在，一般鉻和鉻鎳不銹鋼難以鈍化，必須在鋼中加入Mo、Cu、Mn等元素，提高不銹鋼的鈍化能力。所以選擇Cr-Mn型不銹鋼較好，在此基礎(chǔ)上再加入一定量的Mo、Cu使鋼容易鈍化，耐腐蝕。

在含有Cl^-的介質(zhì)中，Cl^-容易破壞不銹鋼表面的氧化膜，穿過氧化膜并與鋼表面起作用，使鋼產(chǎn)生點腐蝕。因此海水對不銹鋼有很大的腐蝕性。實際上，還沒有哪一種不銹鋼能夠抵抗所有介質(zhì)的腐蝕。所以必須根據(jù)具體的腐蝕環(huán)境，結(jié)合各類不銹鋼的特點，綜合考慮選擇不銹鋼。

不銹鋼鋼種的發(fā)展過程如下圖所示