各元素对奥氏体不锈钢组织和性能的影响详解.docx

碳碳在奥氏体不锈钢中是强烈稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素。碳间隙固溶于奥氏体中，通过固溶强化可显著提高奥氏体的强度（图 1)，但是碳在奥氏体中常被视为有害元素，这主要是由于在一些使用或加工过程中，如经 450-850加热或焊接，碳会与钢中的铬形成高铬的Cr23C6，导致局部铬的贫化，使钢的耐蚀性能，特别是耐晶间腐蚀性能下降。碳还增大铬镍奥氏体不锈钢的点蚀倾向。20 世纪 60 年代以来不断开发出的新型奥氏体不锈钢大都是碳含量小于 0.03或0.02的超低碳不锈钢。随着碳含量的降低，钢的晶间腐蚀敏感性降低，当碳含量小于 0.02时才具有十分明显的效果。图 1 奥氏体不锈钢中的固溶强化效应铬铬是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素，在介质的作用下，铬能促进钢的钝化使之具有不锈性和耐蚀性。早期的研究工作表明，在铬镍奥氏体不锈钢中，碳含量为 0.1%，铬含量为 18 时，自 1100速冷，能在室温获得单一介稳定奥氏体组织所需的镍含量最低值约为8。因此，常用的 18Cr-8M 型奥氏体不锈钢是铬、镍配比最为适宜的一种钢。在奥氏体不锈钢中，随着铬含量的增加，相形成的倾向加大，当钢中含有钼时，铬含量的增加还会促进相的形成。这些金属间化合物的析出显著降低钢的塑性和韧性，而且在一些条件下还降低钢的耐蚀性。奥氏体不锈钢中铬含量的提高将降低马氏体转变温度Ms，从而提高奥氏体的稳定性。因此，铬含量超过 20的高铬奥氏体不锈钢即使经过冷加工和低温处理也很难出现马氏体组织。一般而言，只要奥氏体不锈钢保持完全奥氏体组织而没有铁素体的生成，仅提高铬含量不会对钢的力学性能有明显的影响。铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是其耐蚀性；提高钢的抗氧化性介质和耐酸性氯化物介质的性能；在镍、钼、铜的复合作用下，铬提高耐一些还原性介质、有机酸、尿素和碱介质的性能；铬还提高钢耐晶间腐蚀、耐点腐蚀、耐缝隙腐蚀及耐某些条件下应力腐蚀的性能。图 2 为铬对 Fe-Cr-1ONi 奥氏体不锈钢在氧化性介质中耐蚀性的影响。在65沸腾的硝酸中，随铬含量的提高，Cr-Ni 钢的耐蚀性急剧增加的临界铬含量约 为 12%，而具有最低稳定的腐蚀速率的最佳铬含量应为 18%。图 2 铬对 Fe-Cr-1ONi 奥氏体 不锈钢耐蚀性的影响在奥氏体不锈钢中，铬能增大碳的溶解度而降低铬的贫化度，因而提高铬含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀是有益的。铬非常有效地改善奥氏体不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。当钢中同时有钼和氮的存在时，铬的这种作用大大加强。虽然根据研究，钼的耐点蚀及耐缝隙腐蚀的能力为铬的 3 倍左右，氮为铬的 30 倍，但当钢中铬含量不足时将难以发挥钼、氮的有效性。铬对奥氏体不锈钢耐应力腐蚀的影响视介质条件和使用环境而异。在 MgC12 沸腾溶液中，铬的作用通常是有害的，但是在含 Cl-和氧的水介质、高温高压水及以点蚀为起源的应力腐蚀环境中，提高钢中铬含量对其耐应力腐蚀性能是有益的。铬和镍对奥氏体不锈钢耐苛性（NaOH）应力腐蚀也是有益的。镍镍在奥氏体不锈钢中的主要作用是形成并稳定奥氏体以获得完全的奥氏体组织，从而使钢具有良好的强度与塑性、韧性的配合和一系列优良的工艺性能。镍是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，奥氏体不锈钢中随着镍含量的增加，残余铁素体可以完全消除，并显著降低相形成的倾向（图 3)。镍明显降低 Ms 点，甚至可不出现 M 相变。图 3 镍对 022Cr25Ni25Si2V2Nb 钢相析出量的影响镍对奥氏体不锈钢力学性能的影响主要决定于镍对奥氏体稳定性的影响。在钢中能发生马氏体转变的镍含量范围内，随镍含量的增加，由于马氏体量的减少，钢的强度降低而塑性提高。具有稳定奥氏体组织的铬镍奥氏体不锈钢具有非常优良的韧性，包括极低温韧性，因而可做低温钢使用。对于具有稳定奥氏体组织的铬锰氮奥氏体不锈钢，镍的加入可以进一步改善其低温韧性，如图 4 所示。图 4 镍含量对 18Cr-15Mn-0.4N 钢低温（-196）冲击功的影响镍可显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。这主要是由于镍增大了奥氏体的稳定性，减少以至消除了冷加工过程中的马氏体转变，而镍对奥氏体本身的冷加工硬化作用不明显。镍提高奥氏体不锈钢的钝化倾向和热力学稳定性，因而提高合金的耐均匀腐蚀性能和耐氧化性介质的性能；随着镍含量的增加，耐还原性介质的性能进一步得到改善。在奥氏体不锈钢中，镍是提高其在一些介质中耐穿晶型应力腐蚀的唯一重要元素。镍含量的增加能降低碳在奥氏体钢中的溶解度，使碳化物的析出倾向增强，其产生晶间腐蚀的临界碳含量降低，即晶间腐蚀的敏感性增加。为获得良好的耐晶间腐蚀性能，须将钢中碳含量降至更低水平。图 5 为铬镍奥氏体钢产生晶间腐蚀的铬、镍含量与临界碳含量的关系，证实了铬的有益作用和镍的有害作用。至于对奥氏 体 不 锈 钢