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1、-+合金元素对不锈钢组织和性能的影响1铬决定不锈钢耐蚀性的主要元素是铬。这是由于钢中含有足够量的铬时，钢在氧化性介质中就可形成以Cr2O3为基体的稳定的表面防护膜；同时，铬能够有效地提高固溶体（铁素体、马氏体或奥氏体）的电极电位，从而使钢不受腐蚀。铬对提高钢的电极电位是遵循n/8规律的。即当铬良达到n/8原子（1/8、2/8、3/8或12.5%、25%、37.5%）时，电极电位有一个跃增，见下图铬的原子浓度占1/8（即12.5%），若以质量计，为11.7%，所以铬不锈钢的含铬量都在12%以上。2碳碳的影响主要表现在两方面，一方面它是稳定奥氏体的元素，并且作用很大，相当于镍的30倍；另一方面，由
2、于碳和铬的亲和力很强，它与铬可形成一系列的复杂碳化物，其成分随钢中含铬量的不同而异，含铬量少于10%时，主要是渗碳体型碳化物（Fe，Cr）3C；在高铬钢中则形成复杂的碳化物（Cr，Fe）7C3或（Cr，Fe）23C6。因此，钢中含碳两越高，其抗腐蚀性就越低。对于不锈钢来说，要求耐蚀性是主要目底，故不锈钢的含碳量一般都较低，大多数仅为0.10.2%，一般不超过0.4%。只有在少数情况下，例如用作滚动轴承、弹簧和刃具时，由于要求高的硬度和耐磨性，才将含碳量提高至0.85%0.95%（如9Cr18钢）。但为了保持一定的耐蚀性，这；类钢的含铬量也相应地要高些。3镍镍是形成奥氏体的合金元素，但镍的作用只
3、有与铬配合时才会充分发挥出来，若单独使用镍而不使用铬，低碳镍钢要获得纯奥氏体的单相组织，含镍量需高达24%，事实上含镍量达到27%时才能提高钢的耐蚀性，故在不锈钢中没有单独以镍作为合金元素的。当镍和铬配合时，镍提高钢的耐蚀作用就显著地表现出来。向铁素体不锈钢中加入少量的镍，即可使金相组织由单相铁素体转变为铁素体和奥氏体两相状态，这样就可通过热处理来改善和提高其机械性能。例如，单相铁素体的Cr17钢是不能通过热处理提高机械强度的，其抗拉强度只有400MN/m2左右，但加入2%镍的Cr17Ni2钢，经10000C油冷淬火和3000C回火后，抗拉强度可达1100MN/m2。这是由于镍的加入，组织具有
4、的转变的缘故。在含铬18%的铬钢中加入8%镍后，可获得完全奥氏体组织，这就是广泛应用的18-8型铬镍奥氏体不锈钢。这种钢除了具有高的耐蚀性外，还具有良好的冷变形及焊接性能，并且没有磁性。锰和氮锰是镍的代用元素之一。锰和镍一样是形成奥氏体的合金元素，高碳钢中含锰两大于12%即可获得奥氏体组织（如Mn13），但由于锰对提高固溶体的电极电位的效果不大，形成的氧化膜也没有防护作用，钢中的含锰量在010.4%之间变化时，在空气与酸中的腐蚀率没有多大变化，因此不锈钢中不能单独使用锰作为合金元素。锰在形成奥氏体方面的作用为约镍的二分之一，即用2%的锰代替1%的镍。完全以锰代铬镍不锈钢中的镍是有一定困难的，主
5、要因为铬锰钢要获得完全奥氏题组织，除了铬与锰的适宜含量外，碳含量的影响也很大，当含碳量低时很难获得完全奥氏体组织，反之提高含碳量，将对耐蚀性不利；另一方面简单的铬锰不锈钢在5008000C区间加热后，抗晶间腐蚀能力很低，加入钛或铌也不能降低它对晶间腐蚀的敏感性。因此工业上应用的多为在18-8型铬镍钢基础上，以锰代替部分的镍或采用同时加锰与氮的方法来代替全部镍。氮也是形成奥氏体的元素，可以部分的代替镍，以氮代镍的比例是0.0251。但由于氮在钢重的溶解度比较小，因此有人认为钢中含氮量超过0。25%会在铸锭中产生气孔；也有人认为在相应地调整钢的化学成分，特别是铬与锰的含量比适当时，即使含氮量达0。
6、65%，仍可以获得质量良好的铸锭。单对形成奥氏体的作用是很显著的。例如，18-8型铬镍钢，当含0。15%时，需5%的镍可得到奥氏体组织；含氮0。25%时，只需4。5%镍。为了节镍，用锰和氮代替镍的铬锰氮不锈钢已获得一定的应用。钛和铌钛和铌的主要作用是防止晶间腐蚀。加入铌或钛后，由于它们与碳的亲和力比铬大，优先与碳形成碳化铌或碳化钛，避免了贫铬区的形成，防止了晶间腐蚀。不锈钢的分类方法很多，通常都是按高温（90011000C）加热并在空气中冷却后钢的组织状态分类的，这是由碳及合金元素对不锈钢组织影响的特点来决定的。合金元素对不锈钢组织的影响，基本上可分为两类：一类是形成奥氏体的，如碳、镍、锰、铜
7、、氮等；另一类是形成铁素体的，如铬、硅、钼、钛、铌等。这两类元素对组织的影响是互相矛盾的，当形成奥氏体的元素成为矛盾的主要方面时，组织以奥氏题为主，没有或很少有铁素体；反之则铁素体居多。综合各种元素对形成奥氏体的作用程度，绘成了不锈钢的组织图，见下图。这个图所取的当量值如下：此图仅适用于从很高温度快冷（相当于焊接过程）以后的钢，利用此图可以帮助我们了解一些具有复杂化学成分的不锈钢的组织。例如，成分为碳0.07%、锰1.55%、硅0.57%、铬18.02%、镍11.87%、钼2.16%、铌0.80%的不锈钢，根据计算：由图虚线可知，这个成分的钢其组织为奥饰体和少量铁素体（0之间）。对此钢作磁性分
8、析，铁素体为2%。说明计算与实测结果基本接近。根据目前应用的不锈耐酸钢的基本组织，可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。后者又属超高强度钢。这类钢的含碳量一般均小于0。15%，含铬量为1330%。从牌号来看，主要有0Cr13、Cr17、Cr25型。Cr13型由于含铬量相对较低，只有在很低的含碳两时才能保持铁素体。0Cr13的含碳量0。01%，基体是铁素体。这类钢由于含碳量低，铬量也低（刚超过11。7%），因此机械性能和耐蚀性也较差，只能在弱腐蚀介质中使用。例如在不含醋酸的维尼纶介质中做防污染设备。Cr17和Cr25型由于含铬量较高，具有良好的高温抗
9、氧化性和耐蚀性，被广泛用于硝酸和氮肥等化工设备。含铬2528%的钢还可用于炉用构件（如马弗罐、热电偶套管等。这类钢的主要缺点是脆性大，引起脆性的原因有：1在热变形时，加热超过再结晶温度后，晶粒出现长大趋势。加热至9000C以上时，晶粒显著粗化。这是因为它是单相组织，无相变之故。所以通常Cr25型钢的热变形温度不超过7500C。2“4750C脆性”。在含铬超过15%时，在4005000C范围内停留较长时间后，室温冲击韧性和塑性接近于零值。最高脆化温度接近4750C，故称为“4750C脆性”。引起引起“4750C脆性“的原因可能是回火时从铁素体中析出富铬的相，它的点阵常数大于铁素体的，析出时产生共
10、格应力，使钢的强度升高，韧性下降，并伴随硬度的升高。“4750C脆性”具有还原性，可以通过加热至6006500C保温1h后快冷予以消除。3现汇的析出。铁-铬合金中，成分相当于45%铬的合金在温度低于8200C时，出现相（FeCr）。随着温度的降低，相存在的范围逐渐扩大。在相与相之间还存在较宽的两相区。相具有高的硬度（7HRC68）和脆性，析出时并伴有大的体积变化，故引起很大脆性。钢中析出相还可能引起晶间腐蚀。相是在8006000C范围内长时间加热形成的，如果合金从高温以较快的速度冷却，可抑制相的生成。2马氏体不锈钢马主要有Cr13、Cr17型两种。铬量达到13%时，铬钢在加热过程中就不会发生相
11、变，得到单一的铁素体组织。但当钢中含碳量增加后，区将随之扩大，故当Cr13型不锈钢中的含碳量0。1%后，在加热过程中将发生的相变，冷却后得到马氏体组织，见图12-6。若进行816OC退火，则得到铁素体+细粒状碳化铬，见图12-7。当含碳量超过0。35%后，得到过共析组织：粒状碳化物+马氏体，见图12-8。Cr13型马氏体不锈钢的耐蚀性较差，但它的机械性能却可通过热处理进行强化。另外价格低廉，故在腐蚀性较弱的介质中（如水蒸气），且又要求高的机械性能的条件下得到广泛应用。例如1Cr13、2Cr13钢广泛用作汽轮机叶片、水压机阀、热裂设备配件和较高温度下工作的螺钉、螺帽等。3Cr13、4Cr13钢主
12、要用于要求高强度，同时又要求耐蚀的条件下工作的零件，如医疗器械的工具用钢、辊珠轴承、柱塞等，或在4004500C工作的弹簧。Cr13型马氏体不锈钢通常是在淬火和回火后使用的。这不仅使它能获得较高的强度，也使它具有较高的耐蚀性。低温回火时，大量的铬仍保持在固溶体中，所以耐蚀性能较高；高温回火事，由于固溶体分解，析出碳化铬而造成附近的贫铬区重新获得铬浓度的平衡，从而保证了钢的耐蚀性。Cr13型不锈钢的相变温度约为8000C，加热超过8000C后空冷即可得到马氏体。随着淬火温度的升高，碳化铬（Cr23C6）不断溶解，硬度、耐蚀性不断提高。但加热超过10500C后，回火时碳化物析出过程强烈，使钢的耐蚀
13、性降低。因此淬火加热温度常控制在10000C左右。Cr13型不锈钢的回火温度是根据使用条件来决定的。若要求高的硬度，取2002500C低温回火；若要求热强度，则取6007500C高温回火。在4006000C范围内回火，由于析出弥散度很大的碳化物，不仅使耐蚀性降低，且冲击韧性也较低，因此应避免在此温度区间内回火。这类钢中还包括2%的1Cr17Ni2钢。由于2%镍的加入，钢的基体组织由单相铁素体过渡到+两相组织淬火时相转变为马氏体。6500C回火的组织为回火索氏体和呈带状分布的铁素体。因此可通过热处理来提高它的性能。这样它既有Cr17型不锈钢的耐蚀性，又有Cr13型马氏体不锈钢的强度，故被广泛用于
14、化工机械、造船业和航空工业等方面。奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢比较，奥氏体不锈钢除了具有很高的耐蚀性外，还具有许多其它优点。它具有高的塑性，易于加工成各种形状的钢材（薄板、型材）；加热时不发生相变，焊接性能良好；韧性及低温韧性好，没有冷脆倾向；不具有磁性。此外，由于奥氏体的再结晶温度比铁素体的再结晶温度高，故这类钢还可作为5500C以上工作的热强钢。这类钢的主要缺点是价格昂贵；容易加工硬化，使切削加工较难进行。即使如此，它仍然是耐热钢和不锈钢中使用最广泛的一类钢。18-8型不锈钢在4008000C温度范围内长时间保温会出现晶间腐蚀，呈黑色网状分布于晶界，其原因是由于此温度下，晶界析出Cr23C6
15、碳化物，致使碳化物周围（基体）的含铬量低于为保证耐蚀性所需要的最低量（11。7%），从而引起晶间腐蚀。为防止晶间腐蚀，可采取固溶处理、降低钢的含碳量、加入形成稳定碳化物的钛和铌等办法。18-8型不锈钢的热处理有三种方式。1固融处理固溶处理温度一般为105011500C，钢的含碳量越高，固溶处理温度也越高。在加热不锈钢时，既应阻止表面氧化，也应防止表面增碳。因为增碳的结果使钢的晶间腐蚀倾向增大。关于保温时间，推荐表1所列的数据。加热保温后，薄壁零件可以空冷，其它均可进行水冷。缓慢冷却将在晶界析出过剩碳化物相，从而降低耐蚀性。固溶处理后得到单一的奥氏体组织。固溶处理后，钢具有最低的强度和硬度，故是
16、最大的软化处理，可以被切削加工；固溶处理后，钢具有最大的耐蚀性，是防止晶间腐蚀的重要手段；固溶处理还可以消除因压力加工、焊接等引起的应力，恢复塑性。2消除应力处理为消除切削加工后的残余应力，通常采用3003500C的消除应力退火，保温12h后空冷。3稳定化处理钢中加入钛或铌可消除晶间腐蚀，但它们的效果必须通过稳定化处理后才能保证。稳定化处理的工艺；将钢加热至8509000C，保温2h，空冷。单纯的固溶处理使铬的碳化物全部溶入奥氏体中，呔和铌的碳化物则部分溶入奥氏体中，如经4008000C加热，溶入奥氏体中的碳大部分以Cr23C6形式析出，钛、铌固定碳的作用得不到发挥，晶间腐蚀仍然发生。如果将温
17、度提高到高于Cr23C6的溶解温度，且又是碳化钛强烈析出的温度（8509000C），保温2h，就能保证形成稳定的碳化钛、碳化铌，防止了晶间腐蚀。奥氏体-铁素体不锈钢在18-8钢的基础上，提高形成铁素体元素的含量，便可获得具有奥氏体和铁素体复相组织的不锈耐蚀钢。复相钢不锈钢具有较好的机械强度和焊接性，焊接后不需热处理，晶间腐蚀和应力腐蚀倾向也较小，故得到广泛应用。关于复香组织的耐蚀性，有人认为只要两相的电极电位都较高，又都钝化，也就不出现选择性腐蚀了。复相不锈钢的典型牌号有1Cr18Mn10Ni5Mo3N及0Cr17Mn13Mo2N。不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢时替