合金元素對不鏽鋼組織和性能的影響

不鏽鋼（gāng）的（de）分（fèn）類

1.按化學成分可分（fèn）為鉻不（bú）鏽鋼、鉻鎳不鏽鋼、鉻（gè）錳（měng）不鏽（xiù）鋼、鉻鎳鉬（mù）不（bú）鏽鋼、超低（dī）碳（tàn）不鏽鋼、高鉬不鏽鋼、高純不（bú）鏽鋼等。

2.金相組織可分為（wéi）馬氏（shì）體不鏽鋼、鐵素體不鏽鋼、奧氏體（tǐ）不鏽鋼、奧氏體-鐵素體不鏽（xiù）鋼等。

3.根據鋼材的性能特點和用途（tú）:如耐硝（xiāo）酸不鏽鋼、耐硫酸（suān）不鏽鋼、耐點蝕（shí）不鏽鋼、耐應力不（bú）鏽鋼、高強度不鏽鋼（gāng）等。

4.根據鋼的功能特性:如低溫不鏽（xiù）鋼、無磁不鏽鋼、易（yì）切削不鏽鋼、超塑性不鏽鋼等。

提高不鏽鋼耐（nài）腐蝕性（xìng）的途徑

(1)使不鏽鋼對特定介（jiè）質具（jù）有穩定鈍化區的陽極極化（huà）曲線。

(2)增加不鏽鋼基底的電極電位，並降低腐蝕原電池的電動勢。

(3)使鋼具有單相結（jié）構，減少微電池的數量。

(4)在鋼（gāng）材表麵形成穩定的保護膜，如添加矽、鋁、鉻等。，能在許多腐蝕和氧化（huà）情況下形成致密的保護膜，提高鋼材的耐腐蝕性能。

(5)減少或消除鋼中的各種不均勻性也是提（tí）高鋼耐腐（fǔ）蝕性能（néng）的重要措施。

向鋼（gāng）中添加合金元素是提高耐蝕（shí）性的主要（yào）方法。加入不同的（de）合金元素可以通過一種或幾種方（fāng）式同時起作用來提高鋼的耐腐蝕性能。

合金元素對鐵的（de）極化和電極電位（wèi）的影響

合金元素的種類和（hé）含（hán）量直接影響不鏽（xiù）鋼的耐蝕（shí）性，合金元素的影響首先是（shì）對鐵的極化性能和電極電位的影響。

01

合金元素對鐵極（jí）化（huà）性能的影響

常用金屬如鐵、鉻、鎳和鈦的陽（yáng）極極化（huà）過程具有（yǒu）獨特的極化（huà）形式。陽極通過後，陽極（jí）電位上升，陽極電流(腐（fǔ）蝕速率)隨之變（biàn）化，規律幾乎相（xiàng）同。極化曲線的典型形式如下圖所示。隨著陽極極化電位（wèi）的升高，腐蝕電流並不是均勻降低的，而是先升（shēng）高，再降低到最（zuì）小值，並保持這個電流通過一定的電位（wèi）上升（shēng）階段，然後電流又升高（gāo）。這種極化曲（qǔ）線稱為活化與鈍化過渡（dù）的陽極極化曲線，可分為三（sān）個區域:活化區（qū）(A)、鈍化區(B)和過鈍化區(T)。

極化對提高（gāo）金屬的耐蝕性具有重要意義，增強陽極極化或陰極極（jí）化的因素可以提高金（jīn）屬的耐蝕性。去極化或去極化的（de）因素會降低金屬的耐腐蝕性。不（bú）同的合金（jīn）元素對鐵的極化性能有不同的影（yǐng）響。擴大鈍化區的元素，即降低Ecp、P區電（diàn）位、提高Er點電位的元素，都提高了鋼的耐（nài）蝕性；任何增強鈍化性能的元素（sù），即Icp和I1點位置左移，都會降低腐蝕電流，提高（gāo）耐蝕性。所有提高Er點電位的元素都傾向於降（jiàng）低點（diǎn）蝕，因為當Er點電位（wèi）較低時，當電位在過鈍化電位附（fù）近波動時（shí），容（róng）易引起鈍化膜（mó）的局部（bù）擊穿（chuān）和點蝕。在鋼中常用的合金元素中，Cr能強烈改善純鐵的鈍化性能，使Ecp、Ep、Er點電位升高，Icp、I1點位置左移。鉻是提高鐵耐蝕性最有效的元（yuán）素。鎳、矽、鉬等元素。還可以擴大鈍化麵積，提高鈍化性能。Mo不僅能增強（qiáng）鐵的鈍化性能（néng），還能提高Er點電位，從而提高鐵（tiě）的耐點蝕性能（néng）。

02

對鐵電極電位的影響

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

研（yán）究表（biǎo）明，在鐵中加（jiā）入Cr形成固溶體時，鐵固溶體的（de）電極電位可以顯（xiǎn）著提高，如下圖所示。隨著電極電位的增加，材料的耐腐蝕性能（néng）明顯提高。

鉻（gè）由於對鐵的（de）鈍化性能和電（diàn）極電（diàn）位有良好的作用，已成為各種不鏽鋼的（de）主要合金元素。

合金元素對不鏽鋼耐（nài）蝕性和基體組織的影響

不鏽鋼的基體組織是獲得所需機械（xiè）性能和工藝性（xìng）能的保證，更（gèng）重要的是良（liáng）好耐腐蝕性（xìng）能的保證。單相鐵（tiě）素體鋼和單相奧氏體鋼是兩種耐（nài）腐蝕性能良好的不鏽鋼。合金元素對基體組織的（de）影響取決於（yú）合金元素是鐵素體(α)穩定劑還是奧氏體(γ)穩定劑（jì）。當α穩定劑占主導地位時，可獲得單相α不鏽鋼。否則，獲得單相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（yuán）素。當鉻（gè）含量（liàng）(原子比（bǐ）)達到1/8，2/8，...，鐵的電極電位將跳躍，並且耐腐蝕性也將提高。鉻是α穩定元素。氧（yǎng）化鉻致密，能形（xíng）成耐腐蝕的保護膜（mó）。

2

碳和氮

碳能強烈穩定奧（ào）氏體，其穩（wěn）定奧氏體的能力約為Ni的30倍。同時是不鏽鋼強化的主要元素；碳和（hé）鉻可形成一係列碳化（huà）物，嚴（yán）重影響不鏽鋼（gāng）的耐腐蝕性能。同時，碳會惡化不鏽鋼的（de）加工性能（néng）和焊接性（xìng）能，使鐵素（sù）體不鏽鋼變脆。因此，碳的（de）應用和控製是不鏽鋼生產和發展中的一項重要工作。

碳和鉻的結合對不鏽鋼結構形成的影響如下圖所示。該圖（tú）表明，當碳含量低，鉻含量高時，將獲得鐵素體組織。當碳含（hán）量高，鉻含量低時，會得到馬氏體（tǐ）組織。在鉻（gè）不鏽鋼中，當鉻含量低於17%時，隨著碳含量的增（zēng）加，可（kě）以（yǐ）獲（huò）得馬氏體基體（tǐ）的不鏽鋼。當碳含量低且鉻含量為13%時，可以獲得鐵素體不鏽鋼（gāng）。當鉻含量從13%增加到27%時，穩定鐵素（sù）體的能（néng）力增強，鋼中（zhōng）的碳含量相（xiàng）應增加(從0.05%增加到0.2%)，鐵素體基（jī）體仍能維持（chí）。

三

鎳

鎳是不鏽鋼中的三種重要元（yuán）素之一。鎳可以提（tí）高不鏽鋼（gāng）的耐腐蝕性（xìng）。鎳也是γ相穩定元素，是不鏽（xiù）鋼中獲得單相奧氏體和促進奧氏體形成的（de）主要元素。鎳能有效降低Ms點，使奧（ào）氏體保持在很低的溫度(低於-50℃)而不發生馬氏（shì）體轉（zhuǎn）變。

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

四

錳

錳是一種弱（ruò）的奧氏體形成（chéng）元素，但它具（jù）有很強的穩定（dìng）奧氏體結構的（de）作用。奧氏（shì）體（tǐ）不鏽鋼中錳部分替代鎳，2%的錳相當於1%的鎳。錳還能提（tí）高鉻不鏽鋼在乙酸、甲酸、乙醇酸等有機酸中的耐蝕性，比（bǐ）鎳更有效。當鋼中的Cr含量超過14%時，僅通過添加Mn不能（néng）獲得單一（yī）的奧氏體組織。當不鏽鋼中的鉻含量大於17%時，它具有較好的耐腐蝕性（xìng）能。因此，工業上已經（jīng）使用的以Mn代替Ni的奧氏體不鏽鋼主要是（shì）Fe-Cr-Mn-Ni-N型鋼，如12Cr18Mn9Ni5N等。，而不含鎳的Fe-Cr-Mn-N奧氏體不（bú）鏽鋼的含量較少（shǎo）。

五

氮（dàn）

早期（qī）的Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奧氏體（tǐ）不鏽鋼主要使用氮來節約鎳。近年來，氮已成（chéng）為鉻鎳奧氏（shì）體（tǐ）不鏽鋼的重（chóng）要合金元素（sù）。

在奧氏體不鏽鋼中加入氮可以穩定奧氏體組織，提高（gāo）強度和耐（nài）腐蝕性能，特別是抗局部腐（fǔ）蝕性能，如晶間腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕（shí）。在普通低碳和超低碳奧氏體不鏽鋼（gāng）中，抗晶間腐蝕（shí）能（néng）力可以提高。原因是氮影響了敏化處理時碳化鉻的析出過程，增（zēng）加了晶界鉻的濃度。在高純度奧氏體不鏽鋼中，沒有碳化鉻沉澱。此時氮的作用是:第一，氮增（zēng）加（jiā）了鈍化膜的穩定性，降低了平均腐蝕速率；第二，氮（dàn）化鉻雖然在高氮（dàn）含量的鋼中析出，但氮化鉻的析出速度很慢，敏化處理不會造成晶間缺鉻，對晶間腐蝕（shí）影響不大。它能抑製氮和磷在晶界的偏（piān）聚（jù），提高鋼的抗晶間腐蝕能（néng）力。

目前含氮奧氏體不鏽鋼主要是耐腐蝕（shí），強度高。可分為控氮型、中氮型、高氮型三種（zhǒng）。氮控型是在超低碳(C≤0.02%~0.03%)鉻（gè）鎳奧（ào）氏體不（bú）鏽鋼中（zhōng）加入0.05% ~ 0.10%的（de）N，以提高鋼的強度，優化鋼的抗晶（jīng）間腐蝕和抗應力腐蝕性能。中氮型含氮0.10% ~ 0.50%，在常壓下（xià）熔煉澆注；高氮氮含量大於0.40%。一般是在（zài）增壓下熔煉澆注。主要用於固溶或半冷工作狀態。它具有高強度和耐腐蝕性。目前，含氮量（liàng）為0.8%~1.0%的高（gāo）氮奧氏體鋼已投入實際使用並開始工業（yè）化（huà）生產。

六

鈦、铌、鉬和稀土元素

鈦和铌是強碳化物形成元素，它們可以先於鉻和碳形成碳化物（wù），防止晶（jīng）間腐（fǔ）蝕並提高耐腐蝕性。鈦和铌（ní）的加入必須與鋼（gāng）中的碳保持一（yī）定的比例。

鉬可以提高不鏽（xiù）鋼的鈍化能力（lì），擴大鈍化介質的範（fàn）圍，如熱硫酸、稀鹽酸、磷酸、有機酸等。含鉬鈍化膜在許多介質中穩定性高，不易溶解。可以防止Cl-對鈍化膜的破壞，所（suǒ）以含鉬不（bú）鏽（xiù）鋼具有抗點蝕（shí）的能力。

稀土元素，如鈰（shì）、鑭、釔等。，加入到不鏽鋼中，能（néng）微溶於基體中，淨化晶（jīng）界，變質夾雜物，使組織（zhī）均勻化，減少析（xī）出物的析出和晶界偏析，從而（ér）提高鋼的耐腐蝕性能和力學性能。

02

合金（jīn）元素（sù）對不（bú）鏽鋼顯（xiǎn）微組織的影響

合（hé）金元素對不鏽鋼（gāng）基體（tǐ）組織（zhī）的影響可分為兩類:鐵（tiě）素體形成元素（sù），如鉻、鉑、矽（guī）、鈦（tài）、铌等（děng）；奧氏體形成元素，如碳（tàn）、氮、鎳、錳、銅等。當這兩種功能不同的元素同時（shí）加入鋼中時，不鏽（xiù）鋼的結構取決於（yú）它們的綜合功能。簡單處理，鐵素體形成元素的作用換算成鉻，稱為鉻當量[Cr]，奧氏體形成元素的作用換算成鎳，稱為鎳當量[Ni]。根據鉻當量[Cr]和鎳（niè）當量[Ni]製作圖表，顯示鋼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不鏽鋼處於鐵素體相區，是（shì）鐵素體不鏽鋼。30Cr13不鏽鋼處於馬氏體相（xiàng）區（qū），是馬氏體不鏽鋼。為了獲得單相奧氏體組織，這兩（liǎng）種合金元素必須達到一定的平衡，否則鋼中會出現（xiàn）一定量的鐵素體（tǐ）組織，成（chéng）為多相組織。

合金成分和組織對不鏽鋼力學性能的影響

01

不鏽鋼的強化機製

不鏽（xiù）鋼的強（qiáng）化機製（zhì）除（chú）相變強化、第二相（xiàng）強化、晶粒細化強（qiáng）化（huà）、沉澱強化和亞結構強化外（wài），還有（yǒu）廣泛的固（gù）溶強（qiáng）化。下（xià）圖顯示了各種強化機製對8%~10%Ni奧氏體不鏽鋼屈服強度（dù）的影響（xiǎng）。

鉻、矽（guī）和（hé）碳提供基體的固溶強化，使奧氏體基體的屈服應力增加（jiā）數倍。其次，α-鐵素體第二（èr）相的存在（zài），晶粒尺寸的細化和析出相的析出，使奧氏體大大強化。

02

各種不鏽鋼的強度和塑性

各（gè）種不鏽鋼由於其不同的成分和（hé）微觀結構以及它（tā）們的強度（dù）和塑性而具有不（bú）同的（de）性能。

在所有不鏽鋼中，奧氏體不鏽（xiù）鋼的塑性最（zuì）好，沉澱硬化不（bú）鏽鋼的強度最高。馬氏體具有良好（hǎo）的綜合力學性能，即高強度和（hé）一定的延展性。

鐵素體+奧氏體雙相（xiàng）不鏽鋼具有更高的強度和更好（hǎo）的延（yán）展性。鐵素體（tǐ）不鏽鋼和奧氏（shì）體不（bú）鏽鋼的強度（dù）性能相似，但（dàn）後者的延展性遠高於其（qí）他類型的不鏽鋼。(圖中也列出了純（chún）鐵的曲線進行對比)。

腐蝕介質對不鏽鋼耐腐蝕性的影（yǐng）響

金屬的耐腐蝕（shí）性不僅與金屬材料本身有關（guān），還（hái）與腐蝕介質的種類、濃度、溫度、壓力（lì）等腐蝕環境的條（tiáo）件有關。在實際應用中，腐蝕性介質（zhì）的氧化能力影響最大，應根據工作介質的特性正確選擇不鏽（xiù）鋼的鋼種。

在大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質中，隻要不鏽鋼基體的固（gù）溶Cr含量（liàng）大於13%，就能保（bǎo）證不鏽鋼的耐蝕性。例如（rú）液壓機閥門、蒸汽發生（shēng）器的渦（wō）輪葉（yè）片、蒸汽管和其它部件。

在氧化性介質中，如硝酸，硝酸的NO3-具有很強的氧化性，所以不鏽鋼表麵容易形成氧化膜，鈍化時間短。然而，酸中的H+是陰極去極（jí）化劑。隨著H+濃（nóng）度的增加，陰極的去極化作（zuò）用加強，鈍化所需的（de）鉻含量也增加（jiā）。因此，隻有含高鉻的氧化膜在硝酸中（zhōng）具有良好的穩定性。在沸騰的硝酸中，12Cr13不鏽鋼不（bú）耐腐蝕，而（ér）鉻含量為17%~30%的Cr17和Cr30鋼在濃度為（wéi）0%~65%的硝酸（suān）中耐腐蝕。

在非（fēi）氧化性介質中，如稀硫酸、鹽酸、有機酸等，這類腐蝕性介質含氧量低，需要延長鈍化時間。當介質中的氧（yǎng）含量低到一定程度時，不鏽鋼就無（wú）法鈍化（huà）。比如（rú）在稀硫酸中，由（yóu）於介質中的SO42-不是氧（yǎng）化劑，溶解在介質中的氧含（hán）量比較低，基本上沒（méi）有鈍化鋼鐵的能力，鉻不鏽鋼的腐蝕速度甚至比碳鋼還快，所以一般的（de）鉻不鏽鋼或鉻鎳不鏽（xiù）鋼很難（nán）達到鈍（dùn）化，所以不耐腐蝕。因此，在這種介質中工作的不鏽（xiù）鋼需要添加元素來提高（gāo）鋼的鈍化能力，如鉬、銅等元素。鹽酸也是非氧化性酸，不鏽鋼不耐腐蝕。一般需要鎳鉬合金在合金表麵形成穩定的保護膜，保證合金不被腐蝕（shí）。

在強有機酸中，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。為了提高不（bú）鏽鋼的鈍化能力（lì），必須在鋼中加入鉬、銅、錳等元（yuán）素。因此，最好選（xuǎn）擇鉻錳不鏽鋼。在（zài）此基礎上，加入一定量的Mo和Cu，使鋼易於鈍化，耐腐（fǔ）蝕。

在含Cl-的介質中，Cl-易破壞不鏽鋼表麵的氧（yǎng）化膜，穿過氧化膜作用於鋼材表麵，造成鋼材的點蝕。所以海水對不鏽鋼的腐蝕性很強（qiáng）。實際上，沒有一（yī）種不鏽鋼能抵抗所（suǒ）有介質的腐蝕。因（yīn）此，應根據具體的腐蝕環境，結合各類不（bú）鏽鋼的特點，綜合考慮選擇不鏽鋼。