合金元素对不锈钢性能和特性的影响

BMA004

合金元素的影响：
合金元素如铬、镍、钼和其他元素均含影响不锈钢和镍基合金的冶金组织、物理性能和抗腐蚀性。根据这些合金元素含量的不同，不锈钢可以是铁素体的、马氏体的、奥氏体的或双相组织的。
        1.铬
不锈钢有一个基本元素，即它们都含铬。在含量大约为12%时，该元素通过自发形成一种稳定的、透明的钝化膜来延缓腐蚀。较高的合金含量可通过强化薄膜和快速自我修复薄膜来提高抗腐蚀性。商业品牌的不锈钢铬含量上限约为30%。
所谓的γ环区（奥氏体）是在铬含量约为11-13%情况下产生的。如果其它奥氏体形成元素增加的话，铬含量可扩大至约16-18%  。特别应该注意的是碳、氮和镍的影响，它们可扩大稳定奥氏体的范围。图4-5表明了碳和氮元素的加入对边界移动的影响。
如果不锈钢在加热和冷却过程中通过γ相区。它经过铁素体——奥氏体——马氏体转变，而称为马氏体不锈钢，一般这样的不锈钢是磁性的类似铁并且可以通过热处理使其硬化。
另一方面，含铬17%的合金（很少甚至没有奥氏体形成元素）位于γ环的外边，保留了铁素体结构，但通过热处理不能使其硬化。也有磁性（由于铁素体结构）称之为铁素体不锈钢，铁素体不锈钢在所有温度下为一同相。
铬称为铁素体形成元素。它有促使铁素体向奥氏体转变的倾向，对于非常低的碳含量，含铬量要超过13%，才能维持铁素体组织。在0.06%正常碳含量下，可能需要含铬18%  。
        2.镍
如果铁用约18%的铬和8%的镍来合金化，γ环区则可扩大。铁素体仍然在形成，但转变速度非常缓慢，以致当含铬18%合金中的镍含量达到8%，甚至温度在零下时，奥氏体还继续存在。奥氏体合金的特征是虽然热处理也不能马氏体化和淬硬化。这些特征对所有奥氏体牌号都是共同的。由于镍可促进奥氏体相的稳定，所以它被称为奥氏体化元素。碳和氮很早就表现出它们有类似的性能，即允许用低的镍含量去达到相同的奥氏体级别或允许加入较多的辅助合金而不出现二次相沉淀。图4-7所示为含碳很低的三元合金在室温情况仍存在奥氏体的成分范围。
奥氏体合金可以通过冷加工来硬化，与此同时产生少量的铁素体或马氏体，并具有轻微的马氏体特征，强度也有所提高。在生产异形铸造产品时，经过慎重考虑使之含有少量的铁素体，以改善其可铸造性并将成为引人注意的马氏体组织。
镍可提高韧性和延展性，这就使之更容易加工、制造和焊接。同时，对酸的抗腐蚀能力也增强了，另外还可降低酸耗。镍还可提高保持钝
化膜的能力以及在腐蚀介质中的抗蚀能力
        3.钼
钼可提高钝化膜的强度并可改善点蚀和缝隙腐蚀的抵抗能力，特别是在卤盐或海水中有氯离子存在的情况下。钼也可提高对氯化物应力腐蚀裂纹的抵抗能力。利用固溶强化的方法钼可提高奥氏体牌号的高温强度和马氏体牌号的抗回火能力。
        4.其它元素
硅是一个铁素体形成元素；碳、氮、锰、铜和钴的作用和镍一样可以可促进奥氏体的形成。有时候对冶炼过程这些元素必然会出现并不是不可避免的，但是有时为了改善特殊性能它们是有意加入的。
碳和氮是间隙合金化元素，它们可提高室温和高温下的机械性能。此种改善也会导致屈服强度、拉伸强度和蠕变断裂值的提高。在奥氏体和双相不锈钢中，氮可提高抗点蚀能力并减少金属间相（б）在高温或焊接时析出的机会。
硫、晒和铅可改善机械切削加工性能，但是有降低苛刻条件下耐腐蚀能力的趋向。
钛和铌能优先与碳和氮结合形成碳化物和氮化物。这样就可以改善高温强度性能并阻止铬的碳化物的形成。如果形成铬的碳化物，则会在晶界附近形成贫铬区并使之对晶间腐蚀十分敏感。为了使加入的元素对稳定化不锈钢产生最大的效果，需要进行特殊的热处理。在ASTM技术规范中包括了该种热处理，它是作为一种补充要求加以规定的。铌对高温蠕变断裂强度也会有一些帮助。
硅和铝可改善抗氧化性能。铜的加入可以提高对稀酸的抗酸能力，特别是对硫酸。铜的大量加入（3-4%）可生成一种具有低加工硬化率的合金，而且易于成形，如紧固件的冷顶锻工序。
衡土元素如铈、镱和镧的加入可提高抗氧化性能并且使之用较低含量的铬和镍即可获得与合金化元素含量较高的合金相似的抗氧化性能。
含高的铬和钼元素的不锈钢和镍合金具有低的点蚀倾向，在含氯化物介质中尤其如此。加入镍通过提高延展性和韧性以及改善可焊接性可改善加工性能。镍还可以提高抗酸腐蚀能力，特别是对稀酸如硫酸。氮和钼可改善对缝隙腐蚀的抵抗能力。硅、铝的稀土元素的加入可提高抗氧化性能。
      7.铁素体铬不锈钢的特点及用途
铁素体铬不锈钢为体心立方结构的铁素体组织，不能采用热处理的方法改变其组织结构。钢中含铬量为12～30％，含碳小于0.2%，如OCr13、1Cr17、1Cr25、1Cr28、OCr17Ti、1Cr25Ti等，均属于铁素体不锈钢。这类钢含铬高，而含碳低，具有良好的抗氧化性介质的腐蚀性能和良好的耐高温氧化性能，热膨胀系数小，氧化膜不易剥落；塑性和热加工性能均好，并具有较好的切削加工性能。这类钢对热疲劳不敏感，可制作高温下工作的工件。总之，铁素体不锈钢有磁性，易于成型、耐锈蚀、耐点蚀。根据钢中的碳、氮含量可分成高纯（C＋N≤150ppm）和普通铁素体不锈钢两大类。     
        8.马氏体铬不锈钢的特点及用途
马氏体不锈钢在高温状态下为单相奥氏体，淬火后可以得到马氏体组织，具有高强度和高硬度，通过热处理可以调整钢的力学性能。具有中等水平的不锈性。钢中含铬量为12～19％，含碳量0.1～0.45%，个别钢种含碳量达1%。常用的有2～4Cr13、9Cr18等。主要特点除含有较高的铬外，与铁素体型不锈钢相比，还有较高的碳。随着含碳量的增加，钢的耐蚀性降低，但钢的强度、硬度、耐磨性以及切削性能则有显著提高。因此用作制造机械性能要求较高，耐蚀性一般的工件（如耐大气、海水、水蒸汽的腐蚀）广泛地应用于刀具、刹车片、轴承、汽轮机叶片、结构件及耐磨器具等。有时为了提高钢的机械性能和耐腐蚀性能，向钢中加入Mo、V、Si、Cu等元素，为了改善钢的切削加工性能，获得高的表面光洁度有时向钢中加入硫、磷或硒。当向Cr17型铁素体钢中加入2％左右镍时也得到马氏体，它是硬、韧性和耐蚀性能都具备的一种钢种，可用作化学及航空工业中需要的、机械性能较好耐蚀性的材料。

        9.奥氏体铬镍不锈钢的特点及用途
奥氏体铬镍不锈钢为面心立方结构的奥氏体组织。在正常热处理条件下，钢的基体组织为奥氏体。不能通过热处理方法改变它的力学性能。钢的中含铬量为12～25％，含镍量1～29％，如OCr18Ni9、OOCr18Ni10、1Cr18Ni9Ti、OCr18Ni9Ti等。铬镍不锈钢较之铬不锈钢，具有更好的韧性、塑性、焊接性、低温性能及抗腐蚀性能。它不但在氧化性介质中，而且在还原性介质中，都具有耐腐蚀性。所以广泛地应用于各种要求不锈、耐酸的设备中。此外，无磁性是此类钢的重要特性。它的缺点是含贵重元素镍较多，同时在含硫的气氛中容易损坏，切削性能较差。
由于镍是稀缺元素，因此以锰、氮代替部分或全部镍，发展了Cr-Mn系、Cr-Mn-N系、Cr-Mn-Ni系、Cr-Mn-Ni-N系奥氏体不锈钢。如1Cr17Mn6Ni5N,1Cr18Mn8Ni5N等。这类铬锰钢的韧性、深冲性能极好，并且易于焊接，但耐腐蚀性能则不如奥氏体铬镍钢，故常用来制造冷冻工业中的低温设备，在化工行业可代替铬镍钢，用于制造腐蚀轻微的零件。

      10.奥氏体－铁素体双相不锈钢的特点及用途
双相不锈钢通常由奥氏体和铁素体两相组织构成。两相比例可以通过合金成份和热处理条件的改变予以调整。
为了提高铬锰系钢的耐蚀性而加入某些铁素体形成元素，如铌、钼等或提高铬含量，可得到奥氏体－铁素体双相钢。在奥氏体铬镍钢中，提高铬含量或加入铁素体形成元素，如钼、钛、铌、硅等也可使钢具有双相组织。如1Cr18Mn10Ni5Mo3N、00Cr18Ni5Mo3Si2Nb、00Cr25Ni7Mo3WCuN等。这类钢的优点是不仅具有良好的耐蚀性、焊接性和相当好的韧性，而且其晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向也小，并且还具有高的机械强度。缺点是冷热加工性能较差，尤其是当铁素体含量高时更为明显。这与两种组织的变形阻力不一样有关（一般铁素体含量不超过20～30％）。

        11.沉淀硬化铬镍不锈钢的特点及用途
它是在奥氏体铬镍不锈钢基础上发展起来的。由于其中镍、铬及其它元素配比适当，在淬火状态下具有奥氏体组织，因而冷加工性能极佳，便于轧成钢带和箔材，而在零下温度冷处理后，又能转变为马氏体，从而使钢的强度获得显著提高。这种钢由于含有能起沉淀硬化作用的Mo、Cu  、Al、B等元素，因而强度又可进一步提高。典型钢种如OCr17Ni4Cu4Nb、OCr15Ni25Ti2MoVB  、OCr17Ni7Al等。这类钢的铬含量近于17％，加之含有镍、钼等元素，因此，除具有足够的不锈性外，其耐蚀性接近于18-8型奥氏体不锈钢。由于系高强系列钢种，可以用作弹簧、垫圈等要求强度高、弹性好的工件。

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