不鏽鋼的性能與組織

目前（qián）已知的化學元素有100多種，在工業中常用的鋼鐵材料中可以遇到（dào）的化學元素約（yuē）二十多種。對於人（rén）們（men）在與腐蝕現象作長期鬥爭的實（shí）踐而形成的不（bú）鏽鋼這一特殊（shū）鋼係（xì）列來說，最常用的元素有十幾種，除了組（zǔ）成鋼的基本元素鐵以外，對（duì）不鏽鋼的性（xìng）能與組織影響最大的（de）元素是：碳、鉻、鎳、錳、矽、鉬（mù）、鈦、铌、鈦、錳（měng）、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、矽、氮以外，都是化學元素周期（qī）表中（zhōng）位於過渡族（zú）的元素。實際上工（gōng）業上應用的不鏽鋼都是同時存在幾種以至十幾種元素的，當幾種元素共存於不鏽（xiù）鋼這一個統一（yī）體中時，它們的影響要比單獨存在時複雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作（zuò）用，而且要（yào）注意它們互相之間的影響，因此不鏽鋼的組織決定（dìng）於各種元素影響的總和。

1)．各（gè）種（zhǒng）元素對不鏽鋼的性能和組織的影響和作用

1-1.鉻在不鏽鋼中的決定作用：決定不鏽（xiù）鋼性屬的（de）元素隻有一種，這就是鉻，每種不鏽（xiù）鋼都含有（yǒu）一定數量的鉻。迄今為止，還（hái）沒有不含鉻的不鏽鋼。鉻之所以成為決定不鏽鋼性能（néng）的主要元素，根本的原因（yīn）是向鋼中添加鉻作為合（hé）金元素以後，促使其內部的矛盾運動向有利於抵抗腐蝕（shí）破（pò）壞的方麵發展。這種變（biàn）化可以從以下方（fāng）麵得到說明：

①鉻使鐵基固（gù）溶（róng）體的電極電位提高

②鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化

鈍化是由於陽極反應（yīng）被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕（shí）性能（néng）被提高的現象。構成金屬與（yǔ）合金鈍化（huà）的理論很多，主要有薄（báo）膜（mó）論、吸附論及電子排列論。

1-2. 碳在不（bú）鏽鋼中的兩（liǎng）重性

碳是工業用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定於碳在鋼中的含量及其分（fèn）布的形式，在不鏽鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不鏽鋼中對組織的影響主要表現在兩方麵，一方（fāng）麵碳是穩定奧氏體的元素，並且作用的程度很（hěn）大（約為鎳的30倍），另（lìng）一方麵由於碳和鉻的親和力很大，與鉻形成—係列複雜（zá）的碳化物。所以（yǐ），從強度與耐腐燭性能（néng）兩方麵來看，碳在不鏽鋼中的（de）作用是互相矛盾的。

認識了這一影響的（de）規律，我們就可以從（cóng）不同的使用（yòng）要求出發，選擇不同含碳量的不鏽鋼。

例如工業中應（yīng）用最廣泛的，也是最起碼的（de）不鏽鋼——0Crl3~4Cr13這五個鋼號的標準含鉻量規定為12~14％，就是把碳要與鉻形成碳化鉻的因素考慮（lǜ）進去以（yǐ）後才決（jué）定（dìng）的，目的即在於使碳（tàn）與鉻結（jié）合成碳化鉻以後，固溶體中的含鉻量不致低於11.7％這一最（zuì）低限度的含鉻量。

就這五個鋼號來說由於含碳量不同，強度與耐腐蝕性能也是有區別的，0Cr13~2Crl3鋼的耐腐蝕性較好（hǎo）但（dàn）強度（dù）低於3Crl3和4Cr13鋼，多用於製（zhì）造結構零件，後兩個鋼號（hào）由（yóu）於含碳較（jiào）高而可獲得高的強度多（duō）用於製造彈簧、刀（dāo）具等要求高強度及耐磨（mó）的零（líng）件。又如為了克服18－8鉻鎳不鏽鋼的晶間腐蝕，可以將（jiāng）鋼的含碳量降至0.03％以下，或者加入（rù）比鉻和碳親和力更大的元素（鈦或铌（ní）），使之不形成（chéng）碳化（huà）鉻，再如當高硬（yìng）度與耐磨性成為主要要求時，我們可以在增加鋼的含（hán）碳量的同時適當地提高含（hán）鉻量，做到既滿足硬度與耐磨（mó）性的（de）要求，又兼顧—定（dìng）的（de）耐腐蝕功能，工業上用作軸承、量具與刃具（jù）有（yǒu）不鏽鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含（hán）碳量雖高達0.85~0.95％，由於它們的含鉻量也相（xiàng）應地提高（gāo）了，所以仍保證了耐腐（fǔ）蝕的要求。

總（zǒng）的來講，目前工業（yè）中獲得應用的不鏽鋼的（de）含碳量都是比較低的，大多數不鏽鋼的含碳量（liàng）在0.1~0.4％之間，耐酸鋼則以含碳0.1~0.2％的居多。含碳（tàn）量大於0.4％的不鏽鋼僅占鋼號總數的（de）一小部分，這是因為（wéi）在大多數使用條件下，不鏽鋼總是以（yǐ）耐腐蝕為主要目的。此外，較低的（de）含碳量也是出於某些工藝上的（de）要（yào）求（qiú），如易於焊接及冷變形等。

1-3. 鎳在（zài）不鏽鋼中的作用是在與鉻配合後才發揮出來的

鎳是優良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中（zhōng）是形成（chéng）奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組（zǔ）織，含（hán）鎳量要達到24％；而隻有含鎳27％時才使鋼在某些介質中的耐腐（fǔ）蝕性能顯著改變。所以鎳不能單（dān）獨構成不鏽鋼。但是鎳與鉻同時存在於不鏽鋼中時，含鎳的不鏽鋼卻具有許（xǔ）多可貴的性能。

基於上麵的情況可（kě）知，鎳（niè）作為合金元素在不鏽鋼中的作（zuò）用，在於它使高鉻鋼的組織發生變化（huà），從而使（shǐ）不鏽鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得（dé）某些改善。

1-4. 錳（měng）和（hé）氮可以代替鉻鎳不鏽（xiù）鋼中鎳

鉻鎳奧（ào）氏體鋼的優點雖然很多，但近幾十年來由於鎳基耐熱合金與含鎳20％以下的熱強鋼的（de）大量發展與應用，以及化學工業日益發展對（duì）不鏽鋼的需（xū）要量越來（lái）越大，而鎳的礦藏量較少且又集中分布（bù）在少數地區，因此（cǐ）在世界範圍內出現（xiàn）了鎳在供和需方（fāng）麵的矛盾。所以在不鏽鋼（gāng）與許多其他合金領域（如大型鑄鍛（duàn）件用鋼、工具鋼、熱強鋼等）中，特別是鎳的資源比較缺（quē）乏的國家，廣泛地開展了節鎳和（hé）以其他元素代鎳的科學研究與生產實踐，在這方（fāng）麵研究和（hé）應用比較多的（de）是以錳（měng）和氮來代替不鏽鋼與耐熱鋼（gāng）中的鎳。

錳對於奧氏體（tǐ）的作用與（yǔ）鎳相似。但說（shuō）得（dé）確（què）切一些，錳的作用不在於形成奧氏體（tǐ），而（ér）是在於它降低鋼的臨界淬（cuì）火速度，在冷卻時（shí）增加奧氏體的穩定性，抑製奧氏體的分解，使高溫下形（xíng）成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方麵，錳（měng）的作用（yòng）不大，如鋼中的含錳量從0到10．4%變化，也不使鋼在空（kōng）氣與酸中的耐腐蝕性能（néng）發生明顯的改變。��是因為錳對提高鐵基固溶（róng）體的電極電位的作用不大，形成的（de）氧（yǎng）化（huà）膜的防護作用也很低，所（suǒ）以工業上雖有（yǒu）以錳（měng）合金化的奧氏（shì）體鋼（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13鋼等），但它們不能作為（wéi）不鏽鋼使用。錳在鋼中穩定奧氏體的作用約為鎳的二分之一（yī），即2％的氮在鋼中的（de）作用也是（shì）穩定奧（ào）氏（shì）體，並且作用的程度比鎳還要大。例（lì）如，欲使含18％鉻的鋼（gāng）在常溫下（xià）獲得奧氏（shì）體組織，以錳和氮代鎳的低鎳不鏽（xiù）鋼與元（yuán）鎳的鉻錳氮不誘鋼，目前已在工業（yè）中獲得應用，有的已成功地（dì）代替了經（jīng）典的18-8鉻鎳不鏽（xiù）鋼。

1-5.不鏽鋼（gāng）中加鈦或铌是為了防止晶間腐蝕。

1-6.鉬和銅可以提高某些不鏽鋼的耐（nài）腐蝕性能。

1-7.其他元素對不鏽鋼的性能和組織的（de）影響

以上（shàng）主（zhǔ）要（yào）的九種元素對不（bú）鏽鋼的（de）性能和組織（zhī）的影響，除這些元素（sù）對不鏽鋼性能與組織影響較大的元素以外，不鏽鋼中還含有一些其他的元素。有的是和一般鋼一樣為常存雜質元素，如（rú）矽、硫、磷等．也有的是為了某些特定的目的而加（jiā）入的，如鈷、硼、硒、稀土元素等。從不鏽鋼的耐腐蝕性能這一主要性質來說，這些元素相對於已討論的九種元素，都（dōu）是非主（zhǔ）要方麵的（de），雖（suī）然如此，但也不能完全忽略，因為（wéi）它們對不鏽鋼（gāng）的性能與組織同樣也發生（shēng）影響。

矽是形成鐵素體的（de）元素，在一般不鏽鋼中為常存（cún）雜質元素（sù）。

鈷作為（wéi）合金元素在鋼中（zhōng）應用不多，這是因為鈷的價格高及其在其它方麵（如高速（sù）鋼（gāng）、硬質合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等（děng））有著更重要的用（yòng）途。在一般不鏽鋼中加鈷（gǔ）作（zuò）合（hé）金元（yuán）素的也（yě）不多（duō），常用不鏽鋼如9Crl7MoVCo鋼（含1.2-1.8％鈷）加鈷，目的並不在於提高（gāo）耐腐蝕性能而在於（yú）提高硬度，因為這種不鏽鋼的主要用途是製造切片機械刃具、剪刀及手術刀片等。

硼：高鉻鐵素體不鏽（xiù）鋼Crl7Mo2Ti鋼中加（jiā）0．005％硼，可使（shǐ）在沸騰（téng）的65％醋酸中（zhōng）的耐腐蝕性能（néng）提高。加微量的硼（0.0006~0.0007％）可使奧氏體不（bú）鏽鋼的熱態（tài）塑（sù）性改善。少量的硼由於形成低熔點共晶體，使奧氏體鋼焊接時（shí）產生熱裂紋的傾向增大，但（dàn）含有較多的硼（péng）（0．5~0．6％）時，反而可防止熱裂紋（wén）的產生。因為當含有0．5~0．6％的硼時（shí），形成奧氏體－硼化物兩相組織，使焊縫（féng）的（de）熔點降低。熔池的凝固溫度低於半溶化區時，母材在冷卻時產生的張應力，由處於液態．固態的焊縫金屬承受，此時是不致引起裂縫的，即使在近縫區形成了裂紋，也可以為處於液態－固態的熔池金（jīn）屬所填充。含硼的鉻鎳奧氏體不鏽鋼在原子能工業（yè）中有著特（tè）殊（shū）的用途。

磷：在一般不鏽鋼中都是雜質元（yuán）素，但其在奧（ào）氏體不鏽鋼中的危害（hài）性（xìng）不像在（zài）一般鋼中那樣顯著，故含量可允（yǔn）許高一些，如有的資料提出可達0．06％，以利於冶煉控製。個別的含錳的奧氏體鋼的（de）含磷量可達0．06％（如2Crl3NiMn9鋼）以至0.08％（如（rú）Cr14Mnl4Ni鋼）。利用磷對（duì）鋼的強化（huà）作用，也（yě）有加磷作為時效硬化不鏽鋼的合金元素，PH17－10P鋼(含0．25％磷)乃PH－HNM鋼（含0．30磷）等（děng）。

硫和硒：在一般不鏽鋼（gāng）中也是常有雜質元素。但向不鏽鋼中加0．2~0．4％的硫，可（kě）提高不鏽（xiù）鋼的切削性能，硒也具有同樣（yàng）的作（zuò）用。硫和硒提高不鏽鋼的切削性能，是（shì）因為它們降低不鏽（xiù）鋼的韌性，例如一般18－8鉻鎳不鏽鋼的衝擊值可達30公（gōng）斤/厘米2。含0．31％硫的18－8鋼（0．084％C、18．15％Cr、9．25％Ni）的衝擊值為1．8公斤/平方厘米；含0。22％硒的18－8鋼（0．094％C、18．4％Cr、9％Ni）的衝擊值為3．24公斤/平（píng）方厘米。硫與硒均降低不鏽鋼的耐腐（fǔ）蝕性（xìng）能，所以實際應（yīng）用它（tā）們作為不鏽鋼的合金化元（yuán）素的很少。

稀土元素：稀土元素應用於不鏽鋼，目前主要在（zài）於改善工藝性能方麵。如向Crl7Ti鋼和Cr17Mo2Ti鋼中加（jiā）少量的稀土（tǔ）元素，可以消除鋼錠中因氫氣引起的氣泡和減少鋼坯中的裂紋。奧（ào）氏體和（hé）奧氏體－鐵素體不（bú）鏽鋼中加0．02~0．5％的稀土元素（鈰鑭（lán）合金（jīn）），可顯著改善鍛造性能。曾有一種含19．5%鉻、23％鎳以及鉬銅錳的（de）奧氏體鋼，由於熱（rè）加工（gōng）工藝性能在過（guò）去隻能生產鑄件（jiàn），加稀土元素後則可軋製成各種型材。

2)．按金相組織（zhī）對不鏽鋼的（de）分類及各類不鏽鋼的（de）一般特點

按（àn）化學成（chéng）分（主要是含鉻量）及用途，不鏽鋼分為不鏽與耐酸兩大類。工（gōng）業上還按自高溫（900-1100度）加熱空氣冷（lěng）卻後鋼的基體組織的類型對不鏽鋼進（jìn）行分（fèn）類，這（zhè）是基於我們上麵所討論的碳及（jí）合金元素對不（bú）鏽鋼組織影響的特點決定的。

工業上應用的不鏽鋼按金相組織可（kě）分為（wéi）三大類：鐵素體不（bú）鏽鋼，馬氏（shì）體不鏽鋼，奧氏體不（bú）鏽鋼。可以（yǐ）把這三類不鏽鋼的特點歸納(如下表)，但需要說明的是馬氏體不鏽鋼並不是都不（bú）可焊接，隻是受某些條件的限製，如焊（hàn）前應預熱焊後應（yīng）作高溫回火等，而使焊接工藝比較複雜。實際生產中一（yī）些馬氏體不鏽鋼如1Cr13,2Cr13以及2Cr13與45鋼焊接還是比較多的。

不鏽鋼的分類、主（zhǔ）要成分及（jí）性能比較

分類 大概（gài）成分（fèn） （%） 淬火性 耐蝕（shí）性 加工性（xìng） 可焊接性磁性

C Cr Ni

鐵素體係 0．35以下 16-27 - 無 佳 尚佳 尚可 有

馬氏體係 1．20以下 11-15 - 自硬性 可 可 不可 有

奧氏體係 0．25以下 16以上（shàng） 7以上 無 優 優 優 無

以上分（fèn）類僅是按鋼的基體組織分的，由於鋼中穩定奧氏（shì）體及形成鐵素（sù）體的元素的作用不能（néng）互相平衡，以及由於大量的鉻使平衡圖（tú）S點左移，工業（yè）中應用的不鏽鋼的組織除了（le）上麵講的三種基本類型以外，還有馬氏體—鐵素體，奧氏體－鐵素（sù）體，奧（ào）氏體－馬氏體等過渡（dù）型的複相不鏽鋼，以及具有馬氏體－碳化物組織的不鏽鋼。