不鏽鋼的性能與組織

目前已知的化學元素有100多種，在工業中常用的鋼鐵材（cái）料中可以遇到（dào）的化學元（yuán）素約二十多種。對於人們在與腐蝕現象作長期鬥爭的實踐（jiàn）而形成的不（bú）鏽鋼這一特殊鋼係（xì）列來（lái）說，最常用的元素有十幾種，除了組成（chéng）鋼的基（jī）本（běn）元素鐵以外，對不鏽鋼的性能（néng）與組織影響最大的（de）元素是：碳、鉻、鎳、錳、矽、鉬、鈦、铌、鈦、錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、矽、氮以外，都是（shì）化學元素周期表中位於過渡族的元素。實際上工（gōng）業上（shàng）應用的不鏽鋼都是同（tóng）時存在（zài）幾種以至十幾種元素的，當（dāng）幾種（zhǒng）元素共存於不鏽鋼這一個統一體中時，它們的影（yǐng）響要（yào）比單獨存在（zài）時（shí）複雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且要注意它們互相之（zhī）間的影（yǐng）響，因此（cǐ）不鏽鋼的（de）組織決定於各種元素影響的總和。

1)．各種元素對不鏽鋼的性能和組織的（de）影響（xiǎng）和作用

1-1.鉻在不鏽鋼中的決定作用：決定不鏽（xiù）鋼性屬的元素隻有一種，這就是鉻，每（měi）種不鏽鋼都含有一定（dìng）數（shù）量的鉻。迄（qì）今為止，還沒有不含鉻的不鏽鋼。鉻之所（suǒ）以成為決定不鏽（xiù）鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以後，促使其內部的矛盾運動（dòng）向有利於抵抗腐蝕破壞的方麵發展。這種變化可以從以下方麵得到說明（míng）：

①鉻使鐵基固溶體的電極電位提高

②鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化

鈍化是（shì）由於陽極反應被（bèi）阻止而引（yǐn）起金屬（shǔ）與合（hé）金耐腐蝕性能被提高的現象。構成金屬與合金鈍化（huà）的理論（lùn）很多，主要有薄膜論、吸（xī）附論及電子排列論。

1-2. 碳在不鏽鋼（gāng）中的兩重性（xìng）

碳是工業（yè）用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很（hěn）大程度上決定於碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不鏽鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不鏽鋼中對組織的（de）影響主要（yào）表（biǎo）現在兩方（fāng）麵，一方麵碳是穩定奧氏體的元（yuán）素，並且作用的程度很大（dà）（約為鎳的30倍），另一方麵由於碳和鉻的親和力很大，與鉻形成—係列複雜的碳（tàn）化物。所以（yǐ），從強度與（yǔ）耐腐燭性能兩方麵來看，碳（tàn）在不（bú）鏽鋼中的作用是互相矛（máo）盾的。

認識了這一影響的規（guī）律，我們就可以（yǐ）從不同（tóng）的使用（yòng）要求出發，選擇不（bú）同含碳量的不鏽鋼。

例（lì）如工業中應（yīng）用最廣泛的，也是最起碼的不鏽鋼——0Crl3~4Cr13這五個鋼號的標準含鉻量規定為12~14％，就是把（bǎ）碳要與（yǔ）鉻形成碳化鉻的因（yīn）素考慮進去（qù）以後才決定的，目的即在於使碳與鉻結合成碳化鉻以後，固溶體（tǐ）中的含鉻量不致低於11.7％這一最低限度的含鉻量（liàng）。

就這五個鋼號來說由（yóu）於含碳量不同，強度與耐腐蝕性能也是有區別的，0Cr13~2Crl3鋼（gāng）的耐腐蝕性較好但強度低於3Crl3和（hé）4Cr13鋼，多用於製造結構零件，後兩個鋼號由於含碳較高（gāo）而可獲得高的強度多（duō）用於製造（zào）彈簧、刀具等要求高強度及耐磨的零（líng）件。又如為（wéi）了克服18－8鉻鎳不鏽鋼的晶（jīng）間腐蝕（shí），可以將鋼的含碳量降至0.03％以下，或者加入（rù）比鉻和碳親（qīn）和力更大（dà）的元素（鈦或铌），使之不（bú）形成（chéng）碳（tàn）化鉻，再如當高硬度與耐磨性成為主要要求時，我們可（kě）以在增加鋼的含碳量的同時適（shì）當地提高含鉻量，做到既滿足硬度與耐磨性的要求，又兼顧（gù）—定的耐腐蝕功能，工業上用作軸承、量具與刃（rèn）具有不鏽鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量雖（suī）高達0.85~0.95％，由於它們的含鉻量也（yě）相應地提高了，所以仍保（bǎo）證了耐腐蝕的要求。

總的來講，目前工業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（hán）碳量在0.1~0.4％之間，耐酸鋼則以含碳0.1~0.2％的居多。含碳量大於0.4％的（de）不鏽鋼僅占鋼號總數的一小部分，這是因為在大多數使用條件下，不鏽鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出於某些工藝上的要求，如易於焊接及（jí）冷變（biàn）形（xíng）等。

1-3. 鎳在不鏽鋼中的作用是在與鉻配合後才發揮出來（lái）的

鎳是優良的（de）耐腐蝕（shí）材料，也是合金鋼的重要（yào）合金化元素。鎳在（zài）鋼中（zhōng）是形成（chéng）奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得（dé）純奧氏（shì）體組織，含鎳量要（yào）達到24％；而隻有含鎳27％時才使鋼在某些介質（zhì）中的耐腐蝕性能顯著改變。所以鎳不能單獨構成不鏽鋼。但是（shì）鎳與鉻同（tóng）時存在於不鏽鋼中時，含鎳的不鏽鋼卻具有許多可貴的性能。

基於上（shàng）麵的情（qíng）況（kuàng）可知，鎳作為合金元素在（zài）不鏽鋼中的作用（yòng），在於它（tā）使高鉻鋼的組織發生變化，從而使（shǐ）不鏽鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善。

1-4. 錳和氮可以代替鉻鎳不鏽鋼中鎳

鉻鎳奧（ào）氏體鋼的優點雖（suī）然很多，但（dàn）近幾十年來由於鎳基耐熱合金與含鎳20％以下的熱強鋼的大量發展與應用，以及化學工（gōng）業（yè）日益發展對不鏽鋼（gāng）的需要量越（yuè）來越大，而鎳的礦藏量較少且又（yòu）集中（zhōng）分布在少數（shù）地（dì）區，因此在世界範圍內出現了鎳在供和需方（fāng）麵（miàn）的矛盾。所以在不鏽鋼與許多其（qí）他合金領域（yù）（如大型鑄鍛件用鋼、工具鋼（gāng）、熱強鋼等）中，特別是鎳的資源比（bǐ）較缺乏的國家，廣泛（fàn）地開展了節鎳和以其他元素代鎳（niè）的科學研究與生產實踐，在這方麵研究和應用（yòng）比較多的是以錳和氮來代替不鏽鋼與耐熱鋼中的鎳（niè）。

錳對於奧氏體的作用與鎳相似。但說（shuō）得確切一些，錳的作用不在於形成奧氏體，而是（shì）在於它降低鋼的臨界淬火速（sù）度，在冷卻（què）時增加奧氏體的穩定（dìng）性（xìng），抑製奧氏體的分解，使高（gāo）溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在（zài）提高鋼的耐腐蝕性能方麵，錳的作用不大，如鋼中的含錳量從0到10．4%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發生明顯的改變。��是因為錳對提高鐵基（jī）固溶體的電極電位（wèi）的（de）作用（yòng）不大，形成的氧化膜的防護作用也很低，所以工業上雖有以錳合金化（huà）的（de）奧氏體鋼（如（rú）40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13鋼（gāng）等），但它（tā）們不（bú）能作為不鏽鋼使用。錳（měng）在鋼中穩定奧氏體的作用約為（wéi）鎳的二分之一，即2％的氮在鋼中的作（zuò）用也是穩定奧氏體，並且作用的程度比鎳還要大（dà）。例（lì）如，欲使含18％鉻的鋼在常溫下獲得奧氏體組織，以錳和氮代（dài）鎳的低鎳不鏽鋼與元鎳的鉻（gè）錳氮不誘鋼，目前已在工業中獲得應用，有的已成功地（dì）代替了經典的18-8鉻（gè）鎳不鏽鋼。

1-5.不鏽鋼中加鈦（tài）或铌是為了防止（zhǐ）晶間腐蝕。

1-6.鉬（mù）和銅可以（yǐ）提高某些不鏽鋼的耐腐蝕性能。

1-7.其他（tā）元素（sù）對不鏽鋼的性能和組織的影響

以上主要的九種元素對不鏽鋼的性能和組織的影（yǐng）響，除（chú）這些元素對不鏽鋼性能與組（zǔ）織影響較大的（de）元素（sù）以外，不（bú）鏽鋼中還含有一些（xiē）其他的元素。有的是和（hé）一般鋼一樣為常存雜（zá）質元素，如矽、硫、磷等．也有的是為了某些特定的目的而加入的，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，雖然如此，但也不能完全忽略，因為它們（men）對不鏽鋼的性能與組織同樣也發生影響。

矽是形成鐵素體（tǐ）的元素，在一（yī）般不鏽鋼中（zhōng）為常存雜質元素（sù）。

鈷作為合金元素在鋼中應用不多，這是因為鈷的價（jià）格高及其在其它方麵（如高速鋼、硬質合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或（huò）硬磁合金（jīn）等）有著更重要的用途。在一般不鏽鋼中加鈷（gǔ）作合金元素的（de）也不多，常用不鏽鋼如9Crl7MoVCo鋼（含1.2-1.8％鈷）加鈷，目（mù）的並不在於提高耐腐蝕（shí）性能而在於提高硬（yìng）度，因為這種不鏽鋼（gāng）的主要用途是製造（zào）切片機械刃具、剪刀及手術刀片等。

硼：高鉻鐵素體不鏽鋼Crl7Mo2Ti鋼中加（jiā）0．005％硼，可使（shǐ）在沸騰的65％醋酸（suān）中的耐腐蝕性（xìng）能提高。加微量的硼（péng）（0.0006~0.0007％）可使（shǐ）奧氏體不鏽（xiù）鋼的熱（rè）態塑性改善。少量的硼由（yóu）於形（xíng）成低熔點共晶體，使奧氏體鋼焊接時產生熱裂紋的傾（qīng）向增大，但含有較多的硼（0．5~0．6％）時，反而可防止熱裂紋的（de）產生。因為當含有0．5~0．6％的硼時（shí），形（xíng）成奧氏體－硼化物兩相組織，使焊縫（féng）的熔點降低。熔池的凝固溫度（dù）低（dī）於半溶（róng）化區（qū）時，母材（cái）在冷卻時產生（shēng）的張（zhāng）應力，由處（chù）於液態．固態（tài）的焊縫金屬承受，此時是不致引起裂縫的（de），即使在（zài）近縫區形成了裂紋（wén），也可以為處於液態－固（gù）態的熔池金屬所填充。含硼的鉻鎳奧氏體（tǐ）不鏽鋼（gāng）在原子能工業（yè）中有（yǒu）著特殊（shū）的用途。

磷：在一般不（bú）鏽鋼中（zhōng）都是雜質元素，但其在奧氏體不鏽鋼中的（de）危害性不像（xiàng）在一般鋼中那樣顯著，故含（hán）量可允許高一些，如有的資料提出可達0．06％，以利於冶（yě）煉（liàn）控製。個別的含錳（měng）的（de）奧氏體鋼的含磷量可達0．06％（如2Crl3NiMn9鋼）以至0.08％（如Cr14Mnl4Ni鋼）。利用磷對鋼的強化作用，也有加磷作為時效硬化不鏽鋼的合（hé）金元素，PH17－10P鋼(含0．25％磷)乃PH－HNM鋼（含0．30磷）等。

硫和硒：在一般不鏽鋼中（zhōng）也是常有雜質元素。但向不鏽鋼中加0．2~0．4％的硫，可提高不鏽鋼的切削性能，硒也具有同樣的作用（yòng）。硫和硒提高不鏽鋼的切削性能，是因為它們降低不鏽鋼的韌性，例如一般18－8鉻鎳不（bú）鏽鋼的衝擊值（zhí）可達30公斤/厘米2。含（hán）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（chōng）擊值為3．24公斤（jīn）/平方厘米。硫與硒均降（jiàng）低不鏽鋼的耐腐蝕性（xìng）能，所以實際應用它們作為不鏽鋼的合金化元素的很少。

稀土元素：稀土元素應（yīng）用於不鏽鋼，目前主要在於改善工藝性能方麵。如向（xiàng）Crl7Ti鋼和Cr17Mo2Ti鋼中加少量的稀土元素，可以消除鋼錠中因氫氣引起的氣泡和減少鋼坯中的裂紋。奧氏體和奧氏體－鐵素體不鏽鋼中加0．02~0．5％的稀土元素（鈰鑭合金），可顯著改善鍛造性能。曾（céng）有一（yī）種含19．5%鉻、23％鎳以及鉬銅錳的奧氏體鋼，由於熱（rè）加工工藝性（xìng）能在過去隻能生（shēng）產鑄件，加稀土元素後則可軋製成各（gè）種型材。

2)．按（àn）金相組織對不鏽（xiù）鋼的分類及各類（lèi）不鏽鋼的（de）一般特點（diǎn）

按化學成分（主要是含鉻量）及用途，不鏽（xiù）鋼分（fèn）為不鏽與耐酸兩大類。工業上還（hái）按自高（gāo）溫（900-1100度）加熱空氣冷卻後鋼的基體組織（zhī）的類型對不鏽鋼進行分（fèn）類（lèi），這是基於我們上（shàng）麵所討（tǎo）論的碳及合金元素對不鏽鋼組織影響的特點決定的。

工業上應用的不（bú）鏽鋼按金相組織可（kě）分為（wéi）三大類：鐵素體不鏽鋼，馬氏體不鏽（xiù）鋼，奧氏體不鏽鋼。可以把這三類不鏽鋼（gāng）的特點歸納(如下表)，但需要說明的是馬氏體不鏽鋼並不是（shì）都不可焊接，隻是受某些條件的限製，如焊前（qián）應預熱焊後應作高溫回火等，而使焊接工藝比較複（fù）雜。實際生產中一些馬氏體不（bú）鏽鋼如1Cr13,2Cr13以及2Cr13與45鋼焊接（jiē）還是比較多的。

不（bú）鏽鋼的分類、主要成分及性能比較

分類 大概成分 （%） 淬火性 耐蝕性 加工性 可焊接（jiē）性（xìng）磁性

C Cr Ni

鐵素體係 0．35以下（xià） 16-27 - 無 佳 尚佳 尚（shàng）可 有

馬氏體係 1．20以下 11-15 - 自（zì）硬性 可 可 不可 有

奧氏體係 0．25以下 16以上 7以上 無（wú） 優 優 優 無

以上分類僅是按鋼的基體組織分的，由於鋼中（zhōng）穩定奧氏體及形成鐵（tiě）素體的元素的作用不能互相平衡，以及由於大量的鉻使平衡圖S點左移，工業中應用的不鏽（xiù）鋼的組織除了上麵講的三種基本類型以外，還有馬氏體—鐵素體，奧氏體－鐵素體，奧氏體－馬（mǎ）氏體等過渡型（xíng）的（de）複相不鏽鋼，以及具有馬氏體（tǐ）－碳化物組織的不（bú）鏽鋼。