合金元素对不锈钢性能的影响

合金元素的影响

合金元素对钢的作用不是简单的叠加，也不是相互抵消的。它们相互之间有时会发生新的物理化学作用，往往会引起强化力学性能的作用。合金元素对不锈钢组织的影响基本上分三大类：第一类是形成铁素体的元素，有铬、硅、铝、钼、钛、铌等；第二类是形成奥氏体的元素，有碳、氮、镍、锰、铜等，其中碳和氮的作用程度最大；第三类是形成碳化物的元素，有铌、钛、碳、铬、钨、锰、钼等。加入铜、铝、钛、铌、氮等元素能促使钢产生弥散硬化，从而提高钢的热强性。


铬、硅、铝

铬、硅、铝为形成铁素体的元素，是不锈钢获得耐蚀性的主要合金元素。在碳钢的基础上加入足够量的铬[w（Cr）≥12%]，即可使钢在氧化性介质中产生一种与基体组织牢固结合的铬铁氧化物（FeCr）2O3的钝化膜；又能提高钢在电介质中的电极电位，从而使化学稳定性得到提高。硅和铝同样能使钢在氧化性介质中生成致密的保护膜，其中铝的作用比铬还明显。在奥氏体型耐热钢中，这些元素均能提高其抗氧化性。在18-8型不锈钢中，当硅的质量分数从0.4%提高到2.4%时，钢在980℃时抗氧化性能提高22倍。如果硅含量过高，会严重恶化稳定奥氏体型钢的焊接性，故必须严格控制硅在钢中的含量。铝在沉淀硬化体型不锈钢中，可以提高其在室温和高温时的强度。


镍

镍为形成奥氏体的元素。它能使合金表面钝化，扩大钢在酸中的钝化范围，但不能改善其对稀硝酸的耐蚀性。它能提高不锈钢抗硫酸、盐酸等腐蚀介质的性能，是耐蚀钢的主要合金元素。如果单独使用镍作为不锈钢合金元素，其质量分数要高达24%才能得到全奥氏体组织，但这极不经济。而在低碳铬不锈钢[w（Cr）>17%]的基础上，只需加入质量分数为9%的镍，即可获得耐蚀性好、综合力学性能也好的室温下稳定的奥氏体组织，既能满足钢的耐蚀性要求，又能提高钢的高温强度和抗氧化性能，使其成为一种具有良好综合性能的钢种。


钼和铜

钼是形成铁素体的元素。在铬不锈钢中加入钼，可以提高钢在非氧化性介质中的稳定性。它的独特之处是能抵抗氯离子（Cl-）产生的点腐蚀；同时也能提高奥氏体型钢的热强性，改善奥氏体钢短时塑性和持久塑性，对焊接有利。但是钼的加入将会缩小钢中奥氏体相区，使奥氏体型不锈钢中出现铁素体相。为此，在含钼的单相奥氏体不锈钢中，相应的奥氏体形成元素，如镍、锰、氮等的含量略有增加，目的是维持其全奥氏体组织。对于双相不锈钢，钼促成铁素体，对提高耐点腐蚀性能和抗应力腐蚀性能都是有益的。但钼含量过多则会降低奥氏体型不锈钢的韧性。

在铬镍不锈钢中加入铜能促使钢产生弥散硬化组织，提高钢的热强性。与钼配合使用，可进一步提高铬镍不锈钢在稀硫酸中的耐蚀性。


锰和氮

锰和氮对提高不锈钢的耐蚀性没有直接影响，但它们都是促进和稳定奥氏体的有效元素，其中氮比锰的作用更为明显。当锰含量过高时，对铬含量较低的不锈钢的耐蚀性不利，还会使铸钢件产生气孔，同时增加硬度，给钢的冷加工带来困难。氮与碳共同作用能提高奥氏体型钢的热强性，氮的强化作用在于时效过程中形成氮化合物和碳氮化合物。


钛和铌

钛和铌是比铬更易与碳结合形成稳定碳化物的元素。在铬镍不锈钢中，当钛的加入量大于碳含量的5倍，或者铌的加入量大于碳含量的8倍时，可以使绝大部分的碳存在于钛或铌的碳化物之中，因而使固溶碳的质量分数降到0.03%以下，这就能保证铬在钢中的有效固溶浓度。由于铬在钢中的有效固溶度得到保证，从而钢的抗晶间腐蚀能力得到改善。铌的质量分数达到0.5%～2.0%时，既能提高奥氏体钢的热强性，又能提高钢的持久塑性。铌在碳含量较低的奥氏体钢中会促进近缝区和焊缝金属产生裂纹，在铬镍奥氏体钢中，铌的质量分数应控制在1.0%的范围内。

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