合金元素对不锈钢组织和性能的影响

不锈钢的分类

1.按化学成分可分为铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢、铬镍钼不锈钢、超低碳不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等。

2.金相组织可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢等。

3.根据钢材的性能特点和用途:如耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力不锈钢、高强度不锈钢等。

4.根据钢的功能特性:如低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢、超塑性不锈钢等。

提高不锈钢耐腐蚀性的途径

(1)使不锈钢对特定介质具有稳定钝化区的阳极极化曲线。

(2)增加不锈钢基底的电极电位，并降低腐蚀原电池的电动势。

(3)使钢具有单相结构，减少微电池的数量。

(4)在钢材表面形成稳定的保护膜，如添加硅、铝、铬等。，能在许多腐蚀和氧化情况下形成致密的保护膜，提高钢材的耐腐蚀性能。

(5)减少或消除钢中的各种不均匀性也是提高钢耐腐蚀性能的重要措施。

向钢中添加合金元素是提高耐蚀性的主要方法。加入不同的合金元素可以通过一种或几种方式同时起作用来提高钢的耐腐蚀性能。

合金元素对铁的极化和电极电位的影响

合金元素的种类和含量直接影响不锈钢的耐蚀性，合金元素的影响首先是对铁的极化性能和电极电位的影响。

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合金元素对铁极化性能的影响

常用金属如铁、铬、镍和钛的阳极极化过程具有独特的极化形式。阳极通过后，阳极电位上升，阳极电流(腐蚀速率)随之变化，规律几乎相同。极化曲线的典型形式如下图所示。随着阳极极化电位的升高，腐蚀电流并不是均匀降低的，而是先升高，再降低到最小值，并保持这个电流通过一定的电位上升阶段，然后电流又升高。这种极化曲线称为活化与钝化过渡的阳极极化曲线，可分为三个区域:活化区(A)、钝化区(B)和过钝化区(T)。

极化对提高金属的耐蚀性具有重要意义，增强阳极极化或阴极极化的因素可以提高金属的耐蚀性。去极化或去极化的因素会降低金属的耐腐蚀性。不同的合金元素对铁的极化性能有不同的影响。扩大钝化区的元素，即降低Ecp、P区电位、提高Er点电位的元素，都提高了钢的耐蚀性；任何增强钝化性能的元素，即Icp和I1点位置左移，都会降低腐蚀电流，提高耐蚀性。所有提高Er点电位的元素都倾向于降低点蚀，因为当Er点电位较低时，当电位在过钝化电位附近波动时，容易引起钝化膜的局部击穿和点蚀。在钢中常用的合金元素中，Cr能强烈改善纯铁的钝化性能，使Ecp、Ep、Er点电位升高，Icp、I1点位置左移。铬是提高铁耐蚀性最有效的元素。镍、硅、钼等元素。还可以扩大钝化面积，提高钝化性能。Mo不仅能增强铁的钝化性能，还能提高Er点电位，从而提高铁的耐点蚀性能。

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对铁电极电位的影响

一般金属固溶体的电极电位总是低于其他化合物的电极电位，所以在腐蚀过程中，金属固溶体总是作为阳极被腐蚀。提高铁的电极电位可以提高耐蚀性。

研究表明，在铁中加入Cr形成固溶体时，铁固溶体的电极电位可以显著提高，如下图所示。随着电极电位的增加，材料的耐腐蚀性能明显提高。

铬由于对铁的钝化性能和电极电位有良好的作用，已成为各种不锈钢的主要合金元素。

合金元素对不锈钢耐蚀性和基体组织的影响

不锈钢的基体组织是获得所需机械性能和工艺性能的保证，更重要的是良好耐腐蚀性能的保证。单相铁素体钢和单相奥氏体钢是两种耐腐蚀性能良好的不锈钢。合金元素对基体组织的影响取决于合金元素是铁素体(α)稳定剂还是奥氏体(γ)稳定剂。当α稳定剂占主导地位时，可获得单相α不锈钢。否则，获得单相γ不锈钢。

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合金元素对不锈钢耐蚀性的影响

一个

铬

铬是决定不锈钢耐腐蚀性的主要元素。当铬含量(原子比)达到1/8，2/8，...，铁的电极电位将跳跃，并且耐腐蚀性也将提高。铬是α稳定元素。氧化铬致密，能形成耐腐蚀的保护膜。

2

碳和氮

碳能强烈稳定奥氏体，其稳定奥氏体的能力约为Ni的30倍。同时是不锈钢强化的主要元素；碳和铬可形成一系列碳化物，严重影响不锈钢的耐腐蚀性能。同时，碳会恶化不锈钢的加工性能和焊接性能，使铁素体不锈钢变脆。因此，碳的应用和控制是不锈钢生产和发展中的一项重要工作。

碳和铬的结合对不锈钢结构形成的影响如下图所示。该图表明，当碳含量低，铬含量高时，将获得铁素体组织。当碳含量高，铬含量低时，会得到马氏体组织。在铬不锈钢中，当铬含量低于17%时，随着碳含量的增加，可以获得马氏体基体的不锈钢。当碳含量低且铬含量为13%时，可以获得铁素体不锈钢。当铬含量从13%增加到27%时，稳定铁素体的能力增强，钢中的碳含量相应增加(从0.05%增加到0.2%)，铁素体基体仍能维持。

三

镍

镍是不锈钢中的三种重要元素之一。镍可以提高不锈钢的耐腐蚀性。镍也是γ相稳定元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体形成的主要元素。镍能有效降低Ms点，使奥氏体保持在很低的温度(低于-50℃)而不发生马氏体转变。

随着镍含量的增加，奥氏体钢中C、N的溶解度会降低，碳、氮化合物脱溶析出的倾向增加。随着镍含量的增加，晶间腐蚀的临界碳含量降低，即钢对晶间腐蚀的敏感性增加。镍对奥氏体不锈钢的耐点蚀性和耐缝隙腐蚀性的影响不显著。此外，镍还能提高奥氏体不锈钢的高温抗氧化性能，这主要与镍改善了氧化铬膜的成分、结构和性能有关，但镍的存在会降低钢的高温抗硫化性能。

四

锰

锰是一种弱的奥氏体形成元素，但它具有很强的稳定奥氏体结构的作用。奥氏体不锈钢中锰部分替代镍，2%的锰相当于1%的镍。锰还能提高铬不锈钢在乙酸、甲酸、乙醇酸等有机酸中的耐蚀性，比镍更有效。当钢中的Cr含量超过14%时，仅通过添加Mn不能获得单一的奥氏体组织。当不锈钢中的铬含量大于17%时，它具有较好的耐腐蚀性能。因此，工业上已经使用的以Mn代替Ni的奥氏体不锈钢主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型钢，如12Cr18Mn9Ni5N等。，而不含镍的Fe-Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的含量较少。

五

氮

早期的Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢主要使用氮来节约镍。近年来，氮已成为铬镍奥氏体不锈钢的重要合金元素。

在奥氏体不锈钢中加入氮可以稳定奥氏体组织，提高强度和耐腐蚀性能，特别是抗局部腐蚀性能，如晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀。在普通低碳和超低碳奥氏体不锈钢中，抗晶间腐蚀能力可以提高。原因是氮影响了敏化处理时碳化铬的析出过程，增加了晶界铬的浓度。在高纯度奥氏体不锈钢中，没有碳化铬沉淀。此时氮的作用是:第一，氮增加了钝化膜的稳定性，降低了平均腐蚀速率；第二，氮化铬虽然在高氮含量的钢中析出，但氮化铬的析出速度很慢，敏化处理不会造成晶间缺铬，对晶间腐蚀影响不大。它能抑制氮和磷在晶界的偏聚，提高钢的抗晶间腐蚀能力。

目前含氮奥氏体不锈钢主要是耐腐蚀，强度高。可分为控氮型、中氮型、高氮型三种。氮控型是在超低碳(C≤0.02%~0.03%)铬镍奥氏体不锈钢中加入0.05% ~ 0.10%的N，以提高钢的强度，优化钢的抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能。中氮型含氮0.10% ~ 0.50%，在常压下熔炼浇注；高氮氮含量大于0.40%。一般是在增压下熔炼浇注。主要用于固溶或半冷工作状态。它具有高强度和耐腐蚀性。目前，含氮量为0.8%~1.0%的高氮奥氏体钢已投入实际使用并开始工业化生产。

六

钛、铌、钼和稀土元素

钛和铌是强碳化物形成元素，它们可以先于铬和碳形成碳化物，防止晶间腐蚀并提高耐腐蚀性。钛和铌的加入必须与钢中的碳保持一定的比例。

钼可以提高不锈钢的钝化能力，扩大钝化介质的范围，如热硫酸、稀盐酸、磷酸、有机酸等。含钼钝化膜在许多介质中稳定性高，不易溶解。可以防止Cl-对钝化膜的破坏，所以含钼不锈钢具有抗点蚀的能力。

稀土元素，如铈、镧、钇等。，加入到不锈钢中，能微溶于基体中，净化晶界，变质夹杂物，使组织均匀化，减少析出物的析出和晶界偏析，从而提高钢的耐腐蚀性能和力学性能。

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合金元素对不锈钢显微组织的影响

合金元素对不锈钢基体组织的影响可分为两类:铁素体形成元素，如铬、铂、硅、钛、铌等；奥氏体形成元素，如碳、氮、镍、锰、铜等。当这两种功能不同的元素同时加入钢中时，不锈钢的结构取决于它们的综合功能。简单处理，铁素体形成元素的作用换算成铬，称为铬当量[Cr]，奥氏体形成元素的作用换算成镍，称为镍当量[Ni]。根据铬当量[Cr]和镍当量[Ni]制作图表，显示钢的实际成分和获得的显微组织。

可以看出，12Cr18Ni9钢处于a相区，为奥氏体不锈钢；Cr28不锈钢处于铁素体相区，是铁素体不锈钢。30Cr13不锈钢处于马氏体相区，是马氏体不锈钢。为了获得单相奥氏体组织，这两种合金元素必须达到一定的平衡，否则钢中会出现一定量的铁素体组织，成为多相组织。

合金成分和组织对不锈钢力学性能的影响

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不锈钢的强化机制

不锈钢的强化机制除相变强化、第二相强化、晶粒细化强化、沉淀强化和亚结构强化外，还有广泛的固溶强化。下图显示了各种强化机制对8%~10%Ni奥氏体不锈钢屈服强度的影响。

铬、硅和碳提供基体的固溶强化，使奥氏体基体的屈服应力增加数倍。其次，α-铁素体第二相的存在，晶粒尺寸的细化和析出相的析出，使奥氏体大大强化。

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各种不锈钢的强度和塑性

各种不锈钢由于其不同的成分和微观结构以及它们的强度和塑性而具有不同的性能。

在所有不锈钢中，奥氏体不锈钢的塑性最好，沉淀硬化不锈钢的强度最高。马氏体具有良好的综合力学性能，即高强度和一定的延展性。

铁素体+奥氏体双相不锈钢具有更高的强度和更好的延展性。铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的强度性能相似，但后者的延展性远高于其他类型的不锈钢。(图中也列出了纯铁的曲线进行对比)。

腐蚀介质对不锈钢耐腐蚀性的影响

金属的耐腐蚀性不仅与金属材料本身有关，还与腐蚀介质的种类、浓度、温度、压力等腐蚀环境的条件有关。在实际应用中，腐蚀性介质的氧化能力影响最大，应根据工作介质的特性正确选择不锈钢的钢种。

在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质中，只要不锈钢基体的固溶Cr含量大于13%，就能保证不锈钢的耐蚀性。例如液压机阀门、蒸汽发生器的涡轮叶片、蒸汽管和其它部件。

在氧化性介质中，如硝酸，硝酸的NO3-具有很强的氧化性，所以不锈钢表面容易形成氧化膜，钝化时间短。然而，酸中的H+是阴极去极化剂。随着H+浓度的增加，阴极的去极化作用加强，钝化所需的铬含量也增加。因此，只有含高铬的氧化膜在硝酸中具有良好的稳定性。在沸腾的硝酸中，12Cr13不锈钢不耐腐蚀，而铬含量为17%~30%的Cr17和Cr30钢在浓度为0%~65%的硝酸中耐腐蚀。

在非氧化性介质中，如稀硫酸、盐酸、有机酸等，这类腐蚀性介质含氧量低，需要延长钝化时间。当介质中的氧含量低到一定程度时，不锈钢就无法钝化。比如在稀硫酸中，由于介质中的SO42-不是氧化剂，溶解在介质中的氧含量比较低，基本上没有钝化钢铁的能力，铬不锈钢的腐蚀速度甚至比碳钢还快，所以一般的铬不锈钢或铬镍不锈钢很难达到钝化，所以不耐腐蚀。因此，在这种介质中工作的不锈钢需要添加元素来提高钢的钝化能力，如钼、铜等元素。盐酸也是非氧化性酸，不锈钢不耐腐蚀。一般需要镍钼合金在合金表面形成稳定的保护膜，保证合金不被腐蚀。

在强有机酸中，由于氧含量低，介质中有H+存在，一般的铬和铬镍不锈钢很难钝化。为了提高不锈钢的钝化能力，必须在钢中加入钼、铜、锰等元素。因此，最好选择铬锰不锈钢。在此基础上，加入一定量的Mo和Cu，使钢易于钝化，耐腐蚀。

在含Cl-的介质中，Cl-易破坏不锈钢表面的氧化膜，穿过氧化膜作用于钢材表面，造成钢材的点蚀。所以海水对不锈钢的腐蚀性很强。实际上，没有一种不锈钢能抵抗所有介质的腐蚀。因此，应根据具体的腐蚀环境，结合各类不锈钢的特点，综合考虑选择不锈钢。