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耐点蚀的缝隙腐蚀的性能，镍的作用不显著。图5铬镍奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的铬、镍含与临界碳含量的关系钼 钼形成铁素体的能力与铬相当。钼还促进不锈钢中金属间化合物。相、相、相等的沉淀，对钢的耐蚀性和力学性能都会产生不利影响。为使奥氏体不锈钢能保持单一的奥氏体组织，随钢中钼含量的增加，需相应提高镍、氮及锰等奥氏体形成元素的含量。 钼在奥氏体不锈钢中有明显的固溶强化效果（图 1)。随钼含量的增加，钢的高温持久强度、抗蠕变性能均有较大的提高，因此含钼不锈钢也常在较高温度下使用。 加入钼使钢的高温变形抗力增大，而钢中常存在少量的铁素体，因而含钼不锈钢的热加工性能比不含钼的差。钼含量越高，热加工性能越差。如果钢中有金属间化合物沉淀，将会显著恶化钢的塑性和韧性。钼在奥氏体不锈钢中的主要作用是扩大其使用范围，提高钢在还原介质中的耐蚀性，如 H2SO4、H3PO4，以及一些有机酸和尿素环境，并提高钢的耐点蚀及耐缝隙腐蚀性能。但在氧化性介质中，钼的作用是有害的，在钼含量大于 3.5后， HNO3中的腐蚀率急剧增加。因此，含钼的奥氏体不锈钢不用于耐硝酸腐蚀的条件下。图6为钼对铬镍奥氏体不锈钢（18Cr-l0%15Ni)在海洋大气挂片条件下点蚀的影响，显示出钼的良好作用。一些研究工作表明，在不锈钢中，Mo 是以Mo-的形式溶解在溶液中，在 Cl-存在的条件下，钝化膜破裂后生成金属活性面。由于 MoO42-的吸附，抑制了金属的再溶解。大量实验已证明，钼的作用仅在钢中含有较高的铬含量时才有效。图6钼对18Cr-10%15%Ni钢在海洋大气挂片条件下点腐蚀的影响 钼对奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀有害。在高浓度氯化物应力腐蚀条件下，钼含量在3以下时，随钼含量的增加，耐应力腐蚀性能下降；在钼含量大于3时， 随钼含量的增加，耐应力腐蚀性能随之提高。在含微量氯化物及饱和氧的水溶液中，应力腐蚀多以点蚀为起源，在这种情况下，钼对奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀性能有利。铜 铜在奥氏体不锈钢的作用是显著降低其冷作硬化倾向，提高冷加工成形性能。铜与钼配合可以进一步提高奥氏体不锈钢在还原性介质中的耐蚀性。在奥氏体中，铜的加入量范围在 1%-4时对钢的组织没有明显影响。 奥氏体不锈钢中，在一定铜含量范围内，随铜含量的增加，钢的强度随之下降， 塑性提高，应变强化指数n值下降。在铜含量达到3%-4时，n值达到一个最低的稳定值。 图7为铜含量对铬镍奥氏体不锈钢（16%18%Cr-7%Ni，wc0.08%）室温力学性能与加工硬化指数的影响。固溶铜的增加使钢的强度下降和塑性提高的原因是：铜能显著地增加铬镍奥氏体不锈钢的层错能并能稳定奥氏体组织，层错能的增加阻碍了不全位错的形成，有利于错位的交叉滑移，防止了位错的堆积，提高了材料的塑性。铜含量的增加还抑制拉伸试验过程中形成诱发相的形成和应变强化。图7铜含量对铬镍奥氏体不锈钢(wc0.08%)室温力学性能与加工硬化指数的影响 一般来说，奥氏体不锈钢n值较大，这是由于在加工过程中形变诱发。相形成的缘故。铜的加入抑制了形变诱发相的形成，从而降低n值。有些奥氏体不锈钢（303,304等钢）存在冷加工压缩开裂倾向，铜的加入可以改善其冷成形性。铜显著降低钢的热加工性，在奥氏体不锈钢中镍含量较低时更为明显，因而在钢中铜含量较高时，镍含量也应相应提高。铜能显著提高奥氏体不锈钢对硫酸、磷酸等还原性介质的耐蚀性，当用铜和钼复合合金化时，效果更为突出。国内研究铜的作用机制的结果表明，铜的加入加速了不锈钢中钼的溶解，形成 MoO42-，强烈促使不锈钢中铬的钝化及铬向表面膜中富集，导致钢的耐蚀性提高。在诸如硝酸等氧化性介质中，铜的加入并不降低钢的耐蚀性，但会降低铬镍奥氏体不锈钢的耐点蚀和耐应力腐蚀的性能。锰 在铬镍奥氏体不锈钢中，锰含量一般不超过 2，生产中多控制在 1.5左右。在之后发展的镍不锈钢中，锰成为重要的合金元素，其主要作用是与氮和一定数量的镍形成稳定的奥氏体。一些 Cr-Mn-Ni-N型奥氏体不锈钢已被许多国家列入各自的不锈钢标准中。无镍的 Cr-Mn-N不锈钢只在一定范围内使用。近期出现的高氮奥氏体不锈钢，为了提高氮的溶解度 ，已出现高锰含量（(5-10）的铬镍奥氏体不锈钢。图8为铬、锰含量对氮在14%Ni奥氏体钢溶解度的影响。图8 Cr,Mn对N在14%Ni奥氏体钢中溶解度的影响 锰含量小于2时，其含量的变化对常用铬镍不锈钢的组织，包括奥氏体的稳定性，没有明显的影响。 铬镍奥氏体不锈钢的强度随其中锰含量的增加而提高。无镍的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢在低温时会出现韧脆转变温度，如图 9所示，这与铬镍奥氏体钢有显著差别，而 Cr-Mn-N钢有镍存在时，其低温韧性有明显改善（图4）。这表明，仅有锰和氮而无镍无法获得铬镍奥氏体不锈钢所具有的优良低温韧性。图9 Cr18Mn15N不锈钢的低温韧性 锰可以改善铬镍奥氏体不锈钢的热塑性，锰含量为 1.5时已有明显的效果。锰与硫有较强的亲和力，形成 MnS，有利于消除钢中的残余硫的有害作用，但 MnS 的形成常导致铬镍奥氏体不锈钢耐氯化物点腐蚀和缝隙腐蚀能力的下降。钢中的硫降低到一定程度，锰的不利影响基本可以消除。硅 硅在奥氏体不锈钢中的含量一般都在 0.8%-1.0以下。硅作为合金元素，视其用途不同，含量范围在2-7。 硅是强烈形成铁素体的元素，在奥氏体不锈钢中，随硅含量的提高，铁素体将增加，金属间化合物相的形成也会加速和增多，从而影响钢的性能。图 10为硅含量对022Crl8Nil5Si不锈钢析出相的影响，图中相是一种具有-Mn结构 （立方）的氮化物，Cr3Si是一种拓扑密堆相。为保持奥氏体不锈钢的单一奥氏体组织，随着硅含量的提高，镍和氮的含量也要相应提高。图10硅含量对022Cr18Ni15Si不锈钢析出相的影响 在通常硅含量的范围内（(1.0以下），随钢中硅含量的降低，将提高18Cr10%Ni超低碳奥氏体不锈钢在硝酸介质中的耐蚀性。目前硝酸级不锈钢，除具有极低的碳含量（0.015）外，还应控制尽量低的硅含量（0.1%)。 铬镍奥氏体不锈钢中的硅含量在1以上时，虽然使钢的耐稀硝酸性能下降，但却提高其在高浓硝酸和含 Cr6的硝酸及高温浓硫酸中的耐蚀性。硅提高奥氏体不锈钢在强氧化性介质中耐蚀性的主要机制是能在不锈钢表面上形成Si02膜和抑制磷的有害作用。在实际工业中，高硅奥氏体不锈钢已成功地应用于高温硫酸工程。氮 氮作为合金元素早期用于 Cr-Mn-N和 Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢中，以节约镍。除节镍效果外，氮通过固溶强化可显著提高奥氏体不锈钢的强度，而不显著损害其塑性和韧性，同时氮还可以提高钢的耐均匀腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀和耐晶间腐蚀的性能。 由于氮的良好作用，用氮合金化的奥氏体不锈钢不断取得进展并获得应用。目前应用的含氮奥氏体不锈钢可以分为三种类型：(1)控氮型。在超低碳（簇0.02%-0.03）铬镍奥氏体不锈钢中加入 0.05一 0.12N，用以提高钢的强度，使其达到含稳定化元素钛或普通低碳（0.08）奥氏体不锈钢的水平。(2)中氮型。含 有0.120.40%N，是在正常大气压力条件下冶炼和浇铸所得到的氮合金化奥氏体不锈钢。这类钢以耐腐蚀为主要目的，同时具有较高的强度。( 3)高氮型。氮含量在0.40以上。高氮型奥氏体不锈钢在加压条件下冶炼和浇铸，或者调整钢中的铬、锰含量，在常规条件下冶炼和浇铸，将氮加入到足够高的水平。主要在固溶态或半冷加工状态下使用，既具有高强度，又耐腐蚀。 氮形成奥氏体的能力与碳相当，约为镍的30倍。氮在奥氏体不锈钢中可代替部分镍，可降低钢中的铁素体含量，并使奥氏体更稳定，甚至可避免出现马氏体转变。在铬镍奥氏体不锈钢中，氮含量的增加可形成Cr2N型氮化物。氮显著提高奥氏体钢的强度（图1)，每加入0.010N，可提高铬镍奥氏体不锈钢的室温强度（0.2、b)60100MPa，其塑性仍保持足够高的水平。图 12 显示氮含量对18Cr-12Ni-2Mo奥氏体不锈钢室温强度和塑性的影响。在高氮奥氏体钢中，氮亦可以提高其强度，氮含量为1.2的低碳Cr-Ni-Mn-N系奥氏体不锈钢的屈服强度可达 800-900MPa。曾对低碳的 18Cr-18Mn-N奥氏体钢的力学性能进行过研究，经固溶处理后可获得单一的奥氏体组织，图13为氮含量对其室温屈服强度和断裂韧度的影响。研究结果表明，在氮固溶于奥氏体的情况下，其含量高至0.74时，断裂韧度不降低，而其屈服强度显著提高。通过冷加工变形，可以进一步提高其屈服强度。在固溶氮含量为0.58时，经过40的冷变形，钢的屈服强度可达 14001500MPa，其断裂韧度将由很高的 500MPam1/2降至依然不错的200 MPam1/2。在氮含量小于 0.67时，铬镍奥氏体不锈钢仍有低的韧脆转变温度，在-200的低温下仍有足够高的冲击性能，但当氮含量达到0.84时，其韧脆转变温度较高，-200的冲击韧性已显得过低。图12氮对022Cr19Ni10钢室温力学性能的影响图13固溶氮含量对奥氏体不锈钢（18Cr18Mn-N）屈服强度和断裂韧度的影响在一些酸性介质中，氮提高奥氏体不锈钢耐一般腐蚀性能。适量的氮还提高奥氏体不锈钢敏化态的耐晶间腐蚀性能，这是由于氮作为活性元素优先沿晶界聚集 ，氮降低碳原子和铬原子的扩散能力，从而抑制碳化物 M23C6的析出和延缓。相、相的形成。氮还提高铬镍钼奥氏体不锈钢耐稀硝酸腐蚀的性能。在氯化物环境中，氮显著提高奥氏体不锈钢耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的性能。研究表明，氮仅是强化铬、钼元素在奥氏体中的耐蚀作用，铬、钼的存在是氮改善奥氏体不锈钢耐蚀作用的前提。氮耐点蚀和耐缝隙腐蚀的能力约相当于铬的30倍。钛和铌在奥氏体不锈钢中， 钛和铌主要是作为稳定化元素加入的，以防止敏化态晶间腐蚀的发生。钛和铌与碳的亲和力远大于铬，加入到奥氏体不锈钢中优先与碳结合成 TiC或 NbC，防止或减少 M23C6型碳化物的形成，从而防止敏化态晶间腐蚀的发生。以加钛或铌的方法防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀，必须使钢中全部碳都能与之结合成碳化物，可以计算出所需的钛、铌含量分别为碳含量的3.99或7.78倍。此外，还应考虑钛或铌与其他元素的作用，它们与氧和氮的亲和力也很大，实际应用中必须将这些因素考虑进去。其他元素硫在奥氏体不锈钢中被视为有害杂质 ，其含量被限制在0.03一 0.035。硫的有害作用主要是：降低奥氏体不锈钢的热塑性，影响钢的热加工性， 这是由于在高温下 MnS或（Fe,Mn)S沿晶界析出有关；硫还降低奥氏体不锈钢的耐蚀性，MnS易溶于酸性氯化物溶液，常成为腐蚀源导致耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能的显著降低。硫的加入可提高奥氏体不锈钢的切削加工性能，在易切削奥氏体不锈钢中，硫被视为合金元素。磷在奥氏体不锈钢中一般被视为有害杂质，标准中规定磷含量不大于 0.035-0.045，在Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢中，磷含量可以放宽到0.06，磷的有害作用主要是：显著降低铬镍奥氏体不锈钢在固溶态和敏化态下耐各种浓度硝酸腐蚀的性能；明显增强铬镍奥氏体不锈钢在浓硝酸和含 Cr5+的硝酸中固溶态晶间腐蚀的敏感性，降低在这些使用条件下的耐蚀性。磷的这种有害作用多用磷的晶界偏聚来解释。在某些条件下，铬镍奥氏体不锈钢中的磷含量应控制在0.01以下，有的用途甚至要低于0.005。