不銹鋼中各元素對其組織及性能的影響與作用

 不銹鋼因其良好的耐腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，本文介紹了不銹鋼中常見的碳、鉻、鎳、硅、錳、鉬、氮等合金元素各自對其組織及性能的主要影響與作用，而當這些合金元素同時存在時，不銹鍋的組織及性能則取決于他們影響的總和。

 不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的簡稱。在冶金學和材料科學領(lǐng)域中，依據(jù)鋼的主要性能特征，將含鉻量大于10.5%，且以耐蝕性和不銹性為主要使用性能的一系列鐵基合金稱作不銹鋼。通常對在大氣、水蒸汽和淡水等腐蝕性較弱的介質(zhì)中不銹和耐腐蝕的鋼種稱為不銹鋼；對在酸、堿、鹽等腐蝕性強烈的環(huán)境中具有耐蝕性的鋼種稱為耐酸鋼。兩個鋼類因成分上的差異而導(dǎo)致了它們具有不同的耐蝕性，前者合金化程度低，一般不耐酸；后者合金化程度高，既具有耐酸性又具有不銹性。工業(yè)中常用鋼鐵材料中最常見的合金元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對不銹鋼的組織及性能影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、氮、銅等，這些元素大部分是化學元素周期表中的過渡族元素。

 一、各元素對不銹鋼材料組織和性能的影響與作用

 1. 鉻在不銹鋼材料中的決定性作用

 不銹鋼最基本的特性是它在大氣條件下的耐銹性和在各種液體介質(zhì)中有耐蝕性。而這一基本屬性取決于鉻，且隨著鉻含量的提高而增強。當鉻含量達到10.5%以上時鋼的這一特征發(fā)生突變，從易生銹到不銹，從不耐蝕到耐腐蝕，見圖而且含鉻量從105%以后隨著鉻含量的不斷提高，其耐銹性和耐蝕性也不斷得到改善。

 鉻之所以能夠成為決定不銹鋼性能的主要元素，其根本原因是鉻能促使不銹鋼內(nèi)部的矛盾運動向有利于抵抗腐蝕破壞的方向發(fā)展，這主要是由于鉻使鐵基固溶體的電極電位提高和吸收鐵的電子使鐵鈍化。

  2. 碳在不銹鋼材料中的矛盾性

  碳是不銹鋼中僅次于鉻的第二號常用元素，不銹鋼的組織和性能在很大程度上取決于碳含量及其分布狀態(tài)。碳在不銹鋼中的對組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是穩(wěn)定奧氏體元素，它對奧氏體的穩(wěn)定作用很強烈，約為氮的30倍。另一方面是由于碳和鉻親合力很大，與鉻形成一系列復(fù)雜的碳化物。在高溫下處于鐵碳相圖a或a+γ相區(qū)的鉻鋼是不能或很難通過淬火得到馬氏體組織的。以含鉻13%的鋼為例，碳含量小于0.08%時為鐵素體鋼，碳含量0.08%~0.15%時為半馬氏鋼碳含量大于0.15%時為馬氏體鋼。碳能顯著提高不銹鋼的強度，從2Cr13、3Cr13、4Cr13到9Cr18，鋼的強度隨碳含量增加逐級提高。在奧氏體鋼中碳也是最有效的固溶強化元素。表顯示奧氏體鋼抗拉強度和屈服強度隨碳含量增加而上升。

 不銹鋼奧氏體化時碳的最大溶解度為0.50%，在冷卻過程中碳的溶解度減少，不斷析出，由于碳和鉻的親和力很大，它能與碳形成系列復(fù)雜的碳化物，這勢必導(dǎo)致固溶體中的鉻含量減少，鋼的耐腐蝕性能就要降低。所以，從強度與廣蝕腐蝕兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是相互矛盾的。

 3. 氮是形成奧氏體的重要元素

  目前，人們已經(jīng)研究出很多公式來表述奧氏體形成元素的相對重要性，最著名的是：  奧氏體形成能力=N%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%。

  可見，氮是形成奧氏體不銹鋼的重要元素，其主要作用在于使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，從而使不銹鋼的耐腐蝕性能及工藝性能得到改善。隨著含鎳量的提高，奧氏體鋼的硬度、抗拉強度下降韌性提高，耐應(yīng)力腐蝕性能提高。而含鎳量低的奧氏體不銹鋼是不穩(wěn)定的，進行冷加工后，奧氏體顯著硬化，韌性下降。除此鎳還是提高奧氏體不銹耐許多介質(zhì)穿晶型應(yīng)力腐蝕的唯一重要元素。

 4. 氮是形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體相區(qū)的元素

 氮是非常強烈地形成并穩(wěn)定輿氏體且擴大奧氏體相區(qū)的元素，這使其在不銹鋼中可以代替部分鎳,氮的加入使不銹鋼的強度比不含氮的鋼提高2~3倍，并不降低材料的塑韌性。此外，氮也提高不銹鋼的抗蠕變、疲勞、磨損能力。氮在不銹鋼中提高鋼的耐點蝕耐縫隙腐蝕的能力約為鉻的16~30倍。

  5. 錳與氮配合可以代替不銹鋼中的鎳

 在節(jié)氮奧氏體不銹鋼中，錳是非常重要的合金元素，其主要作用是使氮在鋼中的溶解度提高且提高鋼的強韌性，是節(jié)氮奧氏體鋼必不可少的元素。錳是比較弱的奧氏體形成元素，但具有強烈穩(wěn)定奧氏體的作用，能夠降低鋼臨界淬火速度，在冷卻的Cr-Ni奧氏體不銹鋼中，隨著錳含量增加強度提高，在無氮的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼中低溫下會出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。錳在不銹鋼中的另一有益作用是形成硫化錳抑制鋼中硫的有害作用，提高了鋼的熱敏性在焊接材料中加入2%以上的錳，可提髙奧氏體不銹鋼焊縫的抗熱裂紋敏感性。而在提高鋼的耐腐蝕性能方面錳作用不大，如鋼的錳含量從0~10.4%變化，鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能也不會發(fā)生明顯的變化，因為錳對提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護作用也低。

  6. 鉬主要提高不銹鋼的耐腐蝕性

 鉬的加入使不銹鋼的鈍化膜穩(wěn)定，能提高耐腐蝕性，特別在氯化物溶液中，能改善耐點腐蝕的性能，并有效地抑制縫隙腐蝕。同時，鉬是碳化物形成元素，所形成的碳化物極為穩(wěn)定能阻止奧氏體加熱時的晶粒長大，減小鋼的過熱敏感性，另外鉬元素能使鈍化膜更致密牢固，從而有效提高不銹鋼的耐氯離子腐蝕性；除此，鉬還能使不銹鋼的基體強化，并提高鋼的高溫強度和蠕變性能。

 7. 銅對不同用途的不銹鋼作用不同

 在奧氏體不銹鋼中，加人2~3%的銅可以提高其抗硫酸、鹽酸、磷酸等介質(zhì)中的抗蝕性及對應(yīng)力腐蝕的穩(wěn)定性；在200系列不銹鋼中，加入2%左右的銅可以提高不銹鋼的塑性、降低其加工硬化率；在抗菌不銹鋼中加入銅后通過特殊處理析出相可以起到較好的殺菌作用；在沉淀硬化型不銹鋼中，銅起到析出強化的作用。

  8. 不銹鋼中加入鈦、鈮是為了防止晶間腐蝕

  鈦、鈮可防止晶間腐蝕提高不銹鋼的高溫強度。鈦的析出物使得鋼的耐點廣蝕性能顯著降低。是強碳化物形成元素，能提髙鋼的耐晶間腐蝕能力。但碳化鈦對不銹鋼的表面質(zhì)量有不利影響，因此在表面要求較高的不銹鋼中一般通過添加鈮來改善性能。

  9. 其他元素對不銹鋼組織與性能的影響

  除了以上幾種對不銹鋼組織與性能影響較大的合金元素外，還有一些其他的元素。這些元素對不銹鋼組織及性能的影響沒有前面所討論的幾種元素那么大，但是它們也同樣不能忽視：硫、磷和一般鋼材一樣作為常見雜質(zhì)元素存在，磷、硫是不銹鋼中的有害元素，對不銹鋼的耐腐蝕性和沖壓性都會產(chǎn)生不利影響，含量應(yīng)該控制；而鈷、硼、硒及稀土元素則是為了達到某一目的而適量添加，比如加入鈷是為了提高硬度，加入硼是為了提高奧氏體不銹鋼的熱塑性，加入硒是為了提高不銹鋼的切削性能加入稀土元素是為了改善其工藝性能。

二、結(jié)束語

  在實際應(yīng)用中，這些合金元素往往共存于不銹鋼這個統(tǒng)一體中時，他們的影響要比單獨存在是復(fù)雜得多，在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，還要考慮他們間的相互作用，所以不銹鋼的組織及性能取決于各個元素影響的總和。