合金元素對不鏽鋼組織和性能的影響

不鏽鋼（gāng）的分類

1.按化學成（chéng）分（fèn）可分為鉻不（bú）鏽鋼、鉻鎳不鏽鋼、鉻錳（měng）不鏽鋼、鉻鎳鉬（mù）不鏽鋼、超低碳不鏽鋼、高鉬不（bú）鏽鋼（gāng）、高純不鏽鋼等。

2.金相組織可分為（wéi）馬（mǎ）氏體不鏽鋼、鐵素體不鏽（xiù）鋼、奧（ào）氏體不鏽鋼、奧氏（shì）體-鐵素（sù）體不鏽鋼（gāng）等。

3.根據鋼材的性能特點和用（yòng）途（tú）:如耐硝酸（suān）不鏽鋼、耐硫酸不鏽鋼、耐點蝕不鏽鋼、耐應力不鏽鋼（gāng）、高強度不鏽鋼等。

4.根（gēn）據（jù）鋼的功能特性:如低（dī）溫不鏽鋼、無磁（cí）不鏽鋼、易切削不鏽鋼、超塑性（xìng）不鏽鋼等。

提高不鏽鋼（gāng）耐腐蝕（shí）性的途徑

(1)使（shǐ）不鏽鋼對特定介質具有穩定鈍化區的陽極極化曲線。

(2)增加不鏽鋼基底的電極電位，並降低（dī）腐（fǔ）蝕原電池的電（diàn）動勢（shì）。

(3)使鋼具有單相結構，減少微電池的數量。

(4)在鋼材（cái）表麵形成穩定（dìng）的保護膜，如添加（jiā）矽、鋁、鉻等。，能在許（xǔ）多腐蝕和氧化（huà）情況下形成致密的保護膜，提（tí）高鋼材的耐腐蝕性能。

(5)減少或消除鋼（gāng）中的各種不均勻（yún）性也是提高鋼耐腐蝕性能的重要措施（shī）。

向鋼中添（tiān）加合金（jīn）元素是提高耐蝕性的主要方法。加入不同（tóng）的合金元素可以通過一種或幾種方式同時起作用來（lái）提高鋼的耐腐（fǔ）蝕性能（néng）。

合金元素對鐵的極化和電極電（diàn）位（wèi）的影響

合金元素的（de）種類和含量直接（jiē）影響不鏽鋼（gāng）的耐蝕性，合金元素的影響首先是對鐵的極化性能和電（diàn）極電位的影響。

01

合金元素對鐵極化性能的影響

常用金屬如鐵、鉻、鎳和鈦的陽極極化過程具（jù）有獨特（tè）的極化形式。陽極（jí）通過後，陽極電位（wèi）上升（shēng），陽極電流(腐蝕速率)隨之變化，規律（lǜ）幾乎相同。極化曲線的典型形式如下圖所示（shì）。隨著陽極極化電位的升高，腐蝕電流（liú）並不是均勻降低的，而是先升高，再降低到最（zuì）小值，並保持這個電流通過一定的（de）電位上升階段，然後電流又升高（gāo）。這種極化曲線稱（chēng）為活化（huà）與鈍化過渡的陽極極化曲（qǔ）線，可分為三個區（qū）域:活化區(A)、鈍化（huà）區(B)和過鈍化區（qū）(T)。

極化（huà）對（duì）提高金屬（shǔ）的耐蝕性具有重要意義，增強陽（yáng）極極化或陰極極化的因素可以提高金屬（shǔ）的耐蝕性。去極化或去極化的（de）因素會降低金屬的耐腐蝕性。不同（tóng）的合金元素對鐵的極（jí）化（huà）性能有（yǒu）不同的影（yǐng）響。擴（kuò）大鈍化區的元素（sù），即降低Ecp、P區電位、提高Er點電位的元素，都提（tí）高了鋼的耐蝕性；任何增強鈍化性能的元素，即Icp和I1點位置左移，都會降低腐蝕電流，提高耐（nài）蝕性。所有提高Er點電位（wèi）的元素都傾向於降（jiàng）低點蝕（shí），因為（wéi）當Er點電位較低時，當電位在過鈍化電位附近波動時，容易引起鈍化膜的局部擊穿和點蝕。在（zài）鋼中常用的合金元素中，Cr能強烈改善純鐵的鈍（dùn）化性能，使Ecp、Ep、Er點電（diàn）位升高（gāo），Icp、I1點位置左移。鉻是提高鐵耐蝕性最有效的元素。鎳、矽、鉬等元素。還（hái）可以擴大鈍化麵積，提高鈍化（huà）性（xìng）能。Mo不僅能增強（qiáng）鐵的鈍化性能，還能提高（gāo）Er點（diǎn）電位，從而提高鐵的耐點蝕性能。

02

對鐵（tiě）電極電位的影響

一般金屬固溶體的電極電位總（zǒng）是低於其他化合物的（de）電極電位，所以在腐蝕過程中，金屬固溶體總是作為陽極被（bèi）腐蝕。提高鐵的電極電位可以提（tí）高（gāo）耐蝕性。

研究表（biǎo）明，在鐵中加入Cr形成固溶體時，鐵（tiě）固溶體的電極電位可以（yǐ）顯著提高，如下圖所示（shì）。隨著電極電位的增加，材料的耐（nài）腐蝕性能明顯提高。

鉻由於對（duì）鐵的鈍化性（xìng）能和電極電位有良好的作用，已成為各種不鏽鋼的主要合金元素。

合金元（yuán）素對不鏽鋼耐蝕性和基體組織的影響

不鏽鋼的基體組織是獲得（dé）所需機械性能（néng）和工藝性能的保證，更（gèng）重要（yào）的是良好耐腐（fǔ）蝕性能的保（bǎo）證（zhèng）。單相鐵素體鋼和單相奧氏體鋼是兩種耐腐蝕（shí）性能良好的不鏽鋼（gāng）。合金元素對基體組（zǔ）織的影響取決於合金元素是鐵素體(α)穩定劑還是奧氏（shì）體(γ)穩定劑。當（dāng）α穩定劑占主導地位時，可獲得單相α不鏽鋼。否則（zé），獲（huò）得單相γ不鏽鋼。

01

合金（jīn）元素對不（bú）鏽鋼耐蝕性的影響

一個

鉻

鉻是決定不鏽鋼耐腐蝕性的主要元素。當鉻含量(原子比)達到1/8，2/8，...，鐵的電極電（diàn）位（wèi）將跳躍，並且耐腐蝕性也將提高。鉻是α穩定元素。氧化鉻致密，能形成耐腐蝕的保護膜。

2

碳和氮

碳能強烈穩定奧氏體，其穩定奧（ào）氏體的能力約為Ni的30倍。同時是不鏽鋼強化的主要（yào）元素；碳和鉻可形成一係列碳化物，嚴重影響不鏽鋼（gāng）的（de）耐腐蝕性能。同（tóng）時，碳會惡化不（bú）鏽鋼（gāng）的（de）加工性能和焊接性能，使鐵素體不鏽鋼變脆。因此，碳的應用和控製是不（bú）鏽鋼生產和發展中的一項重要工作（zuò）。

碳（tàn）和鉻的（de）結合對不鏽鋼結構形成的影響如下圖所示。該圖表明，當碳含量低，鉻含量高時，將獲得鐵（tiě）素（sù）體組織。當碳含（hán）量高，鉻含量低時，會得到馬氏體組織。在鉻不鏽鋼中，當鉻含量低（dī）於17%時，隨（suí）著碳含量的（de）增加，可（kě）以（yǐ）獲得馬氏體基體的不鏽鋼。當碳含量低且鉻含量為13%時，可以獲得鐵素體不（bú）鏽鋼。當鉻含量從13%增加（jiā）到27%時，穩定鐵素體（tǐ）的能力增強，鋼中的（de）碳含量相應（yīng）增加(從（cóng）0.05%增加到0.2%)，鐵素體基體仍（réng）能維持（chí）。

三

鎳

鎳（niè）是不鏽鋼中的三種重要元素之一。鎳可以提高不鏽鋼的耐腐蝕性。鎳也（yě）是γ相穩定元素，是不鏽鋼中獲得單相（xiàng）奧氏體和促進奧氏體形成的主（zhǔ）要元素。鎳能有效降低Ms點，使奧氏體保持在很低的溫度(低於-50℃)而不發生馬氏體轉變。

隨著鎳含（hán）量的增加，奧氏體鋼中C、N的溶解度會降低，碳、氮化合物脫溶析出的傾向增加。隨著鎳含量的增（zēng）加，晶間腐蝕的臨界碳含量降低，即鋼對晶間腐蝕的敏感性增加（jiā）。鎳對奧（ào）氏體不（bú）鏽鋼的耐點蝕性和耐縫隙腐（fǔ）蝕性的影響不顯著。此（cǐ）外，鎳還能提高奧氏體不鏽鋼的高溫抗氧化性能，這主要與鎳改善了氧化鉻膜的成分、結構和性能有關，但鎳的存在會降低（dī）鋼的高溫抗硫（liú）化性能。

四

錳

錳是一種弱的（de）奧氏（shì）體形成元（yuán）素，但它具有很強的穩定奧氏體結構的作用。奧氏體不鏽鋼中錳部分替（tì）代鎳，2%的錳相當於1%的鎳。錳還能提高鉻不鏽鋼在乙酸、甲酸、乙（yǐ）醇酸等有機酸中的（de）耐蝕性，比（bǐ）鎳更有效（xiào）。當（dāng）鋼中的Cr含量（liàng）超過14%時，僅通（tōng）過添加Mn不能獲得單一的奧氏體組織。當不鏽鋼中的（de）鉻含量大於17%時，它具有較好的耐腐蝕性能。因此（cǐ），工業上已經使用的以Mn代替Ni的奧氏體不鏽鋼主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型鋼，如12Cr18Mn9Ni5N等。，而（ér）不含鎳的Fe-Cr-Mn-N奧氏體不鏽鋼（gāng）的含量較少。

五

氮

早期的Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奧氏體不鏽鋼主要（yào）使用氮來節約鎳。近年來，氮已成為鉻鎳奧氏體不鏽鋼的重要合金元素。

在奧氏（shì）體不鏽鋼中加入氮（dàn）可以穩定（dìng）奧氏體組織（zhī），提高強度和耐腐蝕性能，特（tè）別是抗局部腐蝕（shí）性能，如晶（jīng）間腐蝕、點蝕（shí）和縫隙腐蝕（shí）。在普通低碳和超低碳奧氏體不鏽鋼中，抗晶間腐蝕能力可以（yǐ）提高（gāo）。原因是氮影（yǐng）響了敏（mǐn）化處理時碳化鉻的析出過（guò）程，增加（jiā）了晶界鉻的濃度。在高純度奧氏體不鏽（xiù）鋼中，沒有碳化鉻沉澱。此時氮的作用是:第一，氮（dàn）增加了鈍化膜的穩定（dìng）性，降低了平均腐（fǔ）蝕速率（lǜ）；第二，氮化鉻雖然在高氮含量的鋼中析出，但氮化鉻（gè）的析出速度很慢，敏化處理不會造成晶間缺鉻，對晶間腐蝕影響不大。它能（néng）抑製氮（dàn）和磷在晶界的偏聚（jù），提高鋼的（de）抗（kàng）晶間腐蝕能力。

目前含（hán）氮奧氏體不鏽鋼主要是耐腐蝕，強（qiáng）度高。可分為控氮型、中（zhōng）氮型、高氮型三種。氮控型是在（zài）超低碳(C≤0.02%~0.03%)鉻鎳奧氏體不鏽鋼（gāng）中加入0.05% ~ 0.10%的N，以提（tí）高鋼的強度，優化（huà）鋼的抗晶間腐蝕和抗應力腐蝕性能。中氮型含氮0.10% ~ 0.50%，在常壓下熔煉澆注；高氮氮含量大於0.40%。一般是在（zài）增（zēng）壓下熔煉澆注。主要（yào）用於固溶或半（bàn）冷（lěng）工作狀態。它具有高強度和耐腐蝕性。目前，含氮量為0.8%~1.0%的高氮奧氏體鋼已投入實際使用並開始工業化生產。

六

鈦（tài）、铌、鉬和稀土元（yuán）素

鈦和铌是（shì）強碳化物形成元素，它們可（kě）以先於鉻和碳形（xíng）成碳化物，防止晶（jīng）間腐蝕並提高耐（nài）腐蝕（shí）性。鈦（tài）和铌的加入必須與鋼中的碳保持一定的比例。

鉬可（kě）以提高不鏽鋼的鈍化能力，擴大鈍化介質的範圍，如熱硫（liú）酸、稀鹽酸（suān）、磷（lín）酸、有機酸等。含鉬鈍化膜在（zài）許（xǔ）多介質中穩定性高，不易溶（róng）解。可以防止Cl-對（duì）鈍化膜的破壞，所以含鉬不鏽（xiù）鋼具有抗（kàng）點蝕的能力。

稀土元素，如鈰、鑭、釔等。，加入到不鏽鋼中，能微溶於基體中（zhōng），淨化晶界，變質夾雜物，使組織均勻化（huà），減少析出物的（de）析出和晶界偏析，從而提高鋼的（de）耐腐蝕性能和（hé）力學（xué）性能。

02

合金元素對不鏽鋼顯微組織的影響

合（hé）金元素對不鏽鋼基體（tǐ）組織的影響可分為兩類:鐵素體形成元（yuán）素，如鉻、鉑、矽、鈦、铌等；奧氏體形成元素，如（rú）碳、氮、鎳、錳、銅等。當這兩（liǎng）種功能（néng）不（bú）同的元素同時加入（rù）鋼（gāng）中時，不鏽鋼的結構取（qǔ）決於它們的綜合功能。簡單處理（lǐ），鐵素體形成元素的作（zuò）用換算成鉻，稱為鉻當量[Cr]，奧氏（shì）體形成元（yuán）素的作（zuò）用換算成鎳，稱為鎳當量[Ni]。根據鉻當量[Cr]和鎳當量[Ni]製作圖表，顯示鋼（gāng）的實際成分和獲得的顯微組織。

可以看出，12Cr18Ni9鋼處於a相區，為奧氏體不鏽鋼；Cr28不鏽（xiù）鋼處於（yú）鐵素體（tǐ）相區，是鐵素體不鏽鋼。30Cr13不鏽鋼（gāng）處（chù）於馬氏體相區，是馬氏體不鏽（xiù）鋼。為了（le）獲得單相奧（ào）氏體組織，這兩種合金元（yuán）素必須達到一定的平衡，否則鋼中會出現一定量（liàng）的鐵素體組織，成為多相組織。

合金成分（fèn）和組織對不鏽鋼力學性（xìng）能的影響

01

不鏽鋼的強化機製（zhì）

不鏽（xiù）鋼的強化機（jī）製除相變強化、第二相強化、晶粒細化強化、沉澱強化和亞結（jié）構強化外，還有（yǒu）廣泛的固溶強化（huà）。下圖（tú）顯示了各種強化（huà）機製對8%~10%Ni奧氏體不鏽鋼屈服強（qiáng）度的影響。

鉻、矽和（hé）碳提供基體的固溶強化，使奧（ào）氏體基體的屈服應力增加數倍。其次，α-鐵素體第二相的存在，晶粒尺寸的細化和析（xī）出相的析出，使奧氏體（tǐ）大大強化。

02

各種不鏽鋼的強（qiáng）度和塑性

各種不鏽鋼由於其不同（tóng）的成分和微觀結構以及它們的強（qiáng）度和塑性而具有（yǒu）不同的性能。

在所（suǒ）有不鏽鋼中，奧氏體不鏽鋼的塑性最好，沉澱硬化（huà）不鏽鋼的（de）強度最高。馬氏體（tǐ）具有良好的（de）綜合力（lì）學性能，即高強度和一定的延展性。

鐵素體+奧氏體雙相不鏽（xiù）鋼具（jù）有更高的強度和更好的延展性。鐵素體不（bú）鏽鋼和奧（ào）氏體不鏽鋼（gāng）的強度性能相（xiàng）似，但後者的（de）延展性遠高於其他類型的不鏽鋼。(圖中也列出了純（chún）鐵的曲線進（jìn）行對（duì）比)。

腐蝕介質對不鏽鋼耐腐蝕（shí）性的影響

金屬的耐腐蝕性不僅與金屬材料本身有關，還與（yǔ）腐蝕介質的種類、濃度、溫度、壓力等腐蝕環境的條件有關。在（zài）實際應用中，腐蝕性介質的氧化能力影響最大，應根據工作介質的（de）特性正確（què）選擇（zé）不鏽鋼的鋼種。

在大氣、水、水蒸氣等弱腐（fǔ）蝕介質中，隻要不鏽鋼基體的固溶（róng）Cr含量大於13%，就（jiù）能保證不鏽鋼的耐蝕性（xìng）。例如（rú）液壓機閥門、蒸汽發生器的渦輪葉片（piàn）、蒸汽管和其它部件。

在氧化性介質（zhì）中，如硝酸，硝酸的NO3-具有很強的氧化性，所（suǒ）以不鏽鋼表麵容易形成（chéng）氧化膜，鈍化時間短。然而，酸中的H+是陰極去極化劑（jì）。隨著H+濃度的增（zēng）加，陰極的去極（jí）化作用加強，鈍化所需（xū）的鉻含量也增（zēng）加。因此，隻有含高鉻的氧化膜在硝酸中具有良好的穩定性。在沸騰的硝酸中，12Cr13不鏽鋼（gāng）不耐腐蝕，而鉻含（hán）量為17%~30%的Cr17和Cr30鋼在濃（nóng）度為0%~65%的硝酸（suān）中耐腐蝕。

在非氧化性介質中（zhōng），如稀硫酸、鹽酸（suān）、有機（jī）酸等，這類腐蝕性介質含氧量低，需要延長鈍化時間。當介質（zhì）中的氧（yǎng）含量低到一定程（chéng）度（dù）時，不鏽鋼就無法鈍化。比（bǐ）如在（zài）稀硫酸中，由於介質中的SO42-不是氧化劑，溶解在介質中的氧含量比較低，基本上（shàng）沒有鈍化（huà）鋼鐵的能力，鉻不鏽鋼（gāng）的腐蝕速度甚至（zhì）比碳鋼還快（kuài），所以（yǐ）一般的鉻不鏽鋼或鉻（gè）鎳不鏽鋼很難達到鈍化，所以不耐腐蝕。因此，在這種介質中工作的不鏽鋼需要添加元素（sù）來提高鋼的鈍化能力，如鉬、銅等元素（sù）。鹽酸也是非氧（yǎng）化性酸，不鏽鋼不耐腐（fǔ）蝕。一般需要鎳鉬合金在合金表麵形成穩定的保護（hù）膜，保證合金不被腐蝕。

在強（qiáng）有（yǒu）機酸中，由於氧含量低，介質中有H+存在，一般的鉻和鉻鎳不鏽鋼很難鈍化（huà）。為了提高不鏽（xiù）鋼（gāng）的鈍化能力，必須在鋼中（zhōng）加入鉬、銅（tóng）、錳等元素（sù）。因此，最好選擇鉻錳不鏽鋼（gāng）。在此基礎上，加入一定量的Mo和Cu，使鋼易於鈍化，耐腐蝕。

在含Cl-的介質中，Cl-易破壞不鏽鋼表麵的氧化膜，穿過氧化膜作（zuò）用於鋼材表麵，造成鋼材的點蝕。所以海水對不鏽鋼的（de）腐蝕性很強。實際上，沒有一種不鏽鋼能抵抗所有（yǒu）介質的腐蝕。因此，應根據具體的腐（fǔ）蝕環境，結（jié）合各類不鏽鋼的特點，綜（zōng）合考慮選擇不鏽鋼。