不（bú）鏽鋼的性（xìng）能（néng）與（yǔ）組織

目前已知的化（huà）學元（yuán）素有100多種（zhǒng），在（zài）工業中常用的鋼（gāng）鐵材料中可以遇（yù）到的化學元素約（yuē）二十多種。對於人們在與腐蝕現象作長期鬥爭的實踐而形成的不鏽鋼這一（yī）特殊（shū）鋼係列（liè）來說（shuō），最常用的元素有十幾（jǐ）種，除了組成鋼的基本元（yuán）素鐵（tiě）以外，對不鏽鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳（tàn）、鉻、鎳、錳、矽、鉬、鈦（tài）、铌、鈦、錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、矽、氮以外，都是化（huà）學元素周期表中位於過渡（dù）族的元素。實際（jì）上工業上應用的不鏽鋼都（dōu）是同時存在幾種以至（zhì）十幾種（zhǒng）元素的，當幾種元素共存於不鏽鋼這一個統一體中時，它們的影（yǐng）響要比單獨存在時複雜得（dé）多，因為（wéi）在這種情況下（xià）不僅（jǐn）要考慮各元素自身的作用，而且要注意它們互相之間的影響，因此不鏽鋼的組織決定於各種元素影響的總和。

1)．各種元素對不鏽（xiù）鋼的（de）性能和組織的影響和作用

1-1.鉻在（zài）不鏽鋼中的決定作用：決定不鏽鋼性屬的元素隻有一種，這就是鉻，每種不鏽鋼（gāng）都含有（yǒu）一（yī）定數量的（de）鉻。迄今為止，還沒有不含鉻的不鏽鋼。鉻（gè）之所以成（chéng）為決定（dìng）不鏽鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼（gāng）中添加鉻作為合金元素以後，促使其內部（bù）的矛盾運動向有利於抵抗腐蝕（shí）破壞的方麵發展。這種變（biàn）化可以（yǐ）從以下方麵得到說明（míng）：

①鉻使（shǐ）鐵基固溶體的電（diàn）極電位提高

②鉻吸收鐵的電子使（shǐ）鐵鈍化

鈍化是由於陽極反（fǎn）應被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能（néng）被提高的（de）現象。構成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論（lùn）、吸附論及（jí）電子排列論。

1-2. 碳在不鏽鋼中的兩重性

碳是工（gōng）業（yè）用鋼的主要元素（sù）之一，鋼的性能與組織在很大程度（dù）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（yǐng）響（xiǎng）尤為顯著。碳在不鏽鋼中對組織的影響主（zhǔ）要表現在兩方麵，一方麵碳是（shì）穩定奧氏體的元素，並且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方麵（miàn）由於碳和（hé）鉻的（de）親和力很大，與鉻形成—係列複雜的碳化物。所以，從強度與（yǔ）耐腐燭性能（néng）兩方麵來看（kàn），碳在不鏽鋼（gāng）中的作用是互相矛盾的。

認識了這一影響的規律，我們就可以從不同的使用要求出發，選擇不同含碳量的不鏽鋼。

例如工業中應用最（zuì）廣泛的，也是最起碼的不鏽鋼——0Crl3~4Cr13這五個鋼號的標準（zhǔn）含鉻量規定為12~14％，就是把碳要與鉻形成碳化（huà）鉻的因素考慮進去以後才決（jué）定的，目（mù）的（de）即在於使碳（tàn）與鉻結合成碳化鉻以後，固溶體中的含鉻量不致低於11.7％這（zhè）一最低限度（dù）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（qū）別的，0Cr13~2Crl3鋼的耐腐蝕性較好但強度低於3Crl3和4Cr13鋼，多用於製造（zào）結構零件，後兩個鋼號由於含碳較（jiào）高而可獲得高的強（qiáng）度多用於製造（zào）彈簧、刀具等要求高強度及耐磨的零件。又如為了克服18－8鉻鎳不（bú）鏽鋼的晶間腐蝕（shí），可（kě）以將鋼的含碳量降至0.03％以下，或（huò）者加入比鉻（gè）和碳親和力更大的元素（sù）（鈦或铌（ní）），使之不形（xíng）成碳化鉻，再如當（dāng）高硬度與耐磨性成為主要要求時，我們可以（yǐ）在增加鋼的含碳量的同時適當地提（tí）高含鉻量，做（zuò）到既滿足（zú）硬度與（yǔ）耐磨性的要求，又兼顧—定的耐（nài）腐蝕（shí）功能，工業上用作軸承、量具與刃具（jù）有不鏽鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量（liàng）雖高達0.85~0.95％，由於它們（men）的（de）含鉻量也相應地提高（gāo）了，所（suǒ）以仍保（bǎo）證了耐腐蝕（shí）的要求。

總的來講，目前（qián）工業中獲得應用的不鏽鋼的含碳量都是比較低的，大多數不鏽鋼（gāng）的含碳量在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％的不（bú）鏽鋼僅占鋼號（hào）總數的一（yī）小部分，這是因為（wéi）在大多數使用條件下，不鏽鋼總是以耐腐蝕為主要（yào）目的。此外，較低（dī）的（de）含碳量也是出於某些工（gōng）藝上的要求，如易於焊接及冷變形等。

1-3. 鎳在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（cái）料，也是合金鋼的重（chóng）要合金（jīn）化（huà）元素。鎳在鋼中是形成奧氏體（tǐ）的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組（zǔ）織，含鎳量要達（dá）到24％；而隻有含鎳27％時（shí）才使鋼在某（mǒu）些介質中的耐（nài）腐蝕性能顯（xiǎn）著改變。所以鎳不能單獨構成不鏽（xiù）鋼。但是鎳與（yǔ）鉻同時存在於（yú）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，鎳作為合金元素在不鏽鋼中的作用（yòng），在於它使高鉻鋼的組織發生變化，從而使不（bú）鏽鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得（dé）某些改善。

1-4. 錳和氮可以代替鉻鎳不鏽鋼中鎳（niè）

鉻鎳（niè）奧氏體鋼的優（yōu）點雖然很多，但近幾十年來由於鎳基耐熱合（hé）金與含鎳20％以下的熱強鋼的大量發展與應用，以及（jí）化學工業（yè）日益發展對不鏽鋼的需要量越來越（yuè）大，而鎳的礦藏（cáng）量較少且又集中分布在少數地區（qū），因此在世界範圍內出現了鎳在供和需方（fāng）麵的矛盾。所以在不鏽鋼（gāng）與許多其他合金領（lǐng）域（如大型鑄鍛件用鋼、工（gōng）具鋼、熱強鋼等）中，特別是鎳的資（zī）源比較缺乏的國家，廣（guǎng）泛地開展了節鎳和以其他元素代鎳的科學研究與生產實踐，在這方麵研究和應用比較多的是以錳和氮來代替不（bú）鏽鋼與（yǔ）耐熱鋼中的鎳。

錳對（duì）於奧氏體的作用與鎳相似。但（dàn）說（shuō）得確切（qiē）一些，錳的作用不在於形（xíng）成奧氏體，而是在於它降低鋼（gāng）的臨界淬火速度，在冷（lěng）卻時增加奧氏（shì）體的穩定性，抑製奧氏（shì）體的分解，使高溫（wēn）下形成的（de）奧氏體得以保持到常溫（wēn）。在提高鋼的耐腐蝕性能方麵，錳的作用不（bú）大，如鋼中（zhōng）的（de）含錳量從0到10．4%變化，也不使鋼（gāng）在空氣與酸中（zhōng）的耐腐蝕性（xìng）能發生明顯的改變（biàn）。��是因為錳對提高鐵基固溶體（tǐ）的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的（de）防護作用也（yě）很（hěn）低，所以（yǐ）工業上雖有以錳合金化的奧氏體鋼（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13鋼等），但它們不能作為不鏽鋼使用。錳在鋼（gāng）中穩定奧氏體的作用約為鎳的二分（fèn）之一，即2％的氮在鋼中的作用也（yě）是穩定奧氏體，並且作用的程度（dù）比鎳還要大。例如，欲使含18％鉻的鋼在常溫下獲得（dé）奧氏體組織，以錳和氮代鎳的低（dī）鎳不鏽鋼與元鎳的鉻錳氮不誘（yòu）鋼，目前已在工業中獲得應用，有的已成功地代替了經典的18-8鉻鎳不鏽鋼。

1-5.不鏽鋼中加鈦或铌是為了防止晶間腐（fǔ）蝕。

1-6.鉬和銅可以提高某些不鏽鋼的（de）耐腐蝕性能。

1-7.其他元素對不鏽鋼的性能和組織的（de）影響

以上主要的九種元素對不鏽鋼的性能和組織的影響，除（chú）這些元素對不鏽鋼性能與組織影響較大的元素以（yǐ）外，不鏽鋼中還含有一些其他的元素。有的是（shì）和一般鋼一樣為常存雜質元素（sù），如矽、硫、磷等．也有的是（shì）為了某（mǒu）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（jiǔ）種元素，都是非主要方麵的，雖然如此，但也不能完全忽（hū）略，因為它們對不鏽鋼的性能與（yǔ）組織同樣也（yě）發生影響。

矽是形成鐵素體的元素，在（zài）一般不鏽鋼中為常存雜質元素。

鈷（gǔ）作為合（hé）金元素在鋼中應用不多，這是因為鈷（gǔ）的價格高及其在其它方麵（如高速鋼、硬質合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等）有著更重要的用途。在一般不鏽鋼中加鈷作合（hé）金元素的也不多，常用不鏽鋼如（rú）9Crl7MoVCo鋼（含1.2-1.8％鈷）加鈷，目的並不在於提高耐腐蝕性能而在於提（tí）高硬度，因為這種不鏽（xiù）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（tǐ）不鏽鋼Crl7Mo2Ti鋼中加0．005％硼，可使在沸騰的65％醋酸中的耐腐蝕性能提高。加微量的硼（0.0006~0.0007％）可使（shǐ）奧氏體不鏽鋼的熱態塑性（xìng）改善。少量的硼由於形成低熔點共晶體，使奧氏（shì）體鋼焊接時產生熱裂紋（wén）的傾向增大，但（dàn）含有較（jiào）多的硼（0．5~0．6％）時，反而可防止熱裂紋的產（chǎn）生。因為當含有0．5~0．6％的硼時，形成奧氏體－硼化物兩相組織（zhī），使焊縫的熔點降低。熔池的（de）凝固溫度低於半溶化區時，母（mǔ）材在（zài）冷卻（què）時產生的張應力，由處於（yú）液態．固態的焊縫金屬承（chéng）受，此時是（shì）不致引起裂縫的，即使在近縫區形成了裂紋，也可以為處於（yú）液態－固態的熔池金屬所（suǒ）填充。含硼（péng）的鉻鎳奧氏體不鏽鋼在原子能工業中有（yǒu）著特殊的用途。

磷：在一般不鏽（xiù）鋼中都是雜質元素，但其在奧（ào）氏體不鏽鋼中的危害性（xìng）不像在一般鋼中（zhōng）那樣（yàng）顯著，故含量可允許高一些，如有的資料提出可（kě）達0．06％，以利於冶煉控製。個別的含錳的奧氏體鋼的含（hán）磷量可達0．06％（如2Crl3NiMn9鋼）以至0.08％（如Cr14Mnl4Ni鋼）。利用磷對（duì）鋼（gāng）的（de）強化作（zuò）用，也有加磷作（zuò）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（děng）。

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

稀土元素：稀土元素應用（yòng）於不（bú）鏽鋼，目前主要在於改（gǎi）善工藝性能（néng）方麵。如向Crl7Ti鋼和Cr17Mo2Ti鋼中加少量的稀土元素，可以（yǐ）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（gāng）中加0．02~0．5％的稀土元素（鈰鑭合金），可顯（xiǎn）著改善鍛造性能。曾有一種含19．5%鉻、23％鎳以及鉬銅錳的奧氏體（tǐ）鋼，由於熱加工工藝性能在過去隻能生產鑄件，加稀土元素後則可軋製成各種型材。

2)．按金相組織對不鏽鋼（gāng）的分類及各類不鏽（xiù）鋼的一般特點

按化學成（chéng）分（主要（yào）是含鉻量）及用途，不鏽鋼分為不鏽與耐酸兩（liǎng）大類。工業上還按自（zì）高溫（900-1100度）加熱空氣冷卻後鋼的基體組織的類型對（duì）不鏽鋼進行分類（lèi），這是（shì）基於我們上麵所討論的碳及合金元（yuán）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（zǔ）織可分為三大類：鐵素體不鏽（xiù）鋼，馬氏體不鏽鋼，奧氏體不鏽鋼。可以把這（zhè）三類不鏽鋼的特點歸（guī）納(如下表（biǎo）)，但需要說明的是馬氏體不鏽鋼並不是都不可焊接，隻是受某些條件的（de）限製，如焊前應預熱焊（hàn）後應作高溫回（huí）火等，而使（shǐ）焊接工藝比較複雜。實際生產中一些馬氏體不鏽鋼如1Cr13,2Cr13以及2Cr13與45鋼焊接還是比較多的。

不鏽鋼的分類、主要成分及性能比較（jiào）

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

C Cr Ni

鐵素體係 0．35以下 16-27 - 無 佳 尚佳（jiā） 尚可 有（yǒu）

馬氏體係 1．20以下 11-15 - 自硬性 可 可 不可 有

奧（ào）氏體係 0．25以下 16以上 7以（yǐ）上 無 優 優 優（yōu） 無

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