常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼材性能的影響.docx

1 常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼材性能的影響 鋼除含碳以外，還含有少量錳(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氫（H）等元素。這些元素并非為改善鋼材質(zhì)量有意加入的，而是由礦石及冶煉過(guò)程中帶入的，故稱(chēng)為雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)對(duì)鋼性能是有一定影響，為了保證鋼材的質(zhì)量，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各類(lèi)鋼的化學(xué)成分都作了嚴(yán)格的規(guī)定。1）硫硫來(lái)源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態(tài)存在于鋼中，F(xiàn)eS和 Fe形成低熔點(diǎn)(985)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在11501200以上，所以當(dāng)鋼材熱加工時(shí)，由于 FeS化合物的過(guò)早熔化而導(dǎo)致工件開(kāi)裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熱脆”。含硫量愈高，熱脆現(xiàn)象愈嚴(yán)重，故必須對(duì)鋼中含硫量進(jìn)行控制。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S0.02%0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S0.03%0.045%；普通鋼：S0.055%0.7%以下。2）磷 磷是由礦石帶入鋼中的，一般說(shuō)磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強(qiáng)度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時(shí)，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱(chēng)冷脆。 冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對(duì)含磷量控制較嚴(yán)。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼： P0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼： P0.04%；普通鋼： P0.085%。3）錳 錳是煉鋼時(shí)作為脫氧劑加入鋼中的。由于錳可以與硫形成高熔點(diǎn)(1600)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。錳具有很好的脫氧能力，能夠與鋼中的FeO成為MnO進(jìn)入爐渣，從而改善鋼的品質(zhì)，特別是降低鋼的脆性，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。因此，錳在鋼中是一種有益元素。一般認(rèn)為，鋼中含錳量在0.5%0.8%以下時(shí)，把錳看成是常存雜質(zhì)。技術(shù)條件中規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，正常含錳量是0.5%0.8%；而較高含錳量的結(jié)構(gòu)鋼中，其量可達(dá)0.7%1.2%。4）硅 硅也是煉鋼時(shí)作為脫氧劑而加入鋼中的元素。硅與鋼水中的FeO能結(jié)成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去，因此硅是一種有益的元素。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量通常在0.1%0.37%，沸騰鋼中只含有0.03%0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過(guò)0.5%，對(duì)鋼性能影響不大。5）氧 氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過(guò)程中自然進(jìn)入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進(jìn)行脫氧，但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低。尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。6）氮 鐵素體溶解氮的能力很低。當(dāng)鋼中溶有過(guò)飽和的氮，在放置較長(zhǎng)一段時(shí)間后或隨后在200300加熱就會(huì)發(fā)生氮以氮化物形式的析出，并使鋼的硬度、強(qiáng)度提高，塑性下降，發(fā)生時(shí)效。鋼液中加入Al、Ti或V進(jìn)行固氮處理，使氮固定在A(yíng)lN、TiN或VN中，可消除時(shí)效傾向。7）氫 鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺陷。白點(diǎn)常在軋制的厚板、大鍛件中發(fā)現(xiàn)，在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的白色斑點(diǎn)；在橫斷面上則是細(xì)長(zhǎng)的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點(diǎn)，使用時(shí)會(huì)發(fā)生突然斷裂，造成不測(cè)事故。因此，化工容器用鋼，不允許有白點(diǎn)存在。 氫產(chǎn)生白點(diǎn)冷裂的主要原因是因?yàn)楦邷貖W氏體冷至較低溫時(shí)，氫在鋼中的溶解度急劇降低。當(dāng)冷卻較快時(shí)，氫原子來(lái)不及擴(kuò)散到鋼的表面而逸出，就在鋼中的一些缺陷處由原子狀態(tài)的氫變成分子狀態(tài)的氫。氫分子在不能擴(kuò)散的條件下在局部地區(qū)產(chǎn)生很大壓力，這壓力超過(guò)了鋼的強(qiáng)度極限而在該處形成裂紋，即白點(diǎn)。212為了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩，鈦，鈮、硼、鋁等?，F(xiàn)分別說(shuō)明它們?cè)阡撝械淖饔谩?）硅提高鋼中固溶體的強(qiáng)度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低；硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強(qiáng)比；耐腐蝕性。硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15一20的高硅鑄鐵，是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時(shí)，表面也將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性。缺點(diǎn)：使鋼的焊接性能惡化。2）錳錳能提高鋼的淬透性。錳對(duì)提高低碳和中碳珠光體鋼的強(qiáng)度有顯著的作用。錳對(duì)鋼的高溫瞬時(shí)強(qiáng)度有所提高。缺點(diǎn)：含錳較高時(shí)，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象；錳有促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的作用，因此錳鋼對(duì)過(guò)熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點(diǎn)可用加入細(xì)化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來(lái)克服：當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1時(shí)，會(huì)使鋼的焊接性能變壞，錳會(huì)使鋼的耐銹蝕性能降低。3）鉻在鋼中的作用鉻可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。鉻可提高鋼的高溫機(jī)械性能。使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性阻止石墨化提高淬透性。缺點(diǎn)：鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度鉻能促進(jìn)鋼的回火脆性。4）鎳在鋼中的作用可提高鋼的強(qiáng)度而不顯著降低其韌性；鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，即可提高鋼的低溫韌性；改善鋼的加工性和可焊性；鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。5）鉬在鋼中的作用鉬對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用。提高鋼熱強(qiáng)性抗氫侵蝕的作用。提高鋼的淬透性。缺點(diǎn)：鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向。6）鎢在鋼中的作用提高強(qiáng)度提高鋼的高溫強(qiáng)度。提高鋼的抗氫性能。是使鋼具有熱硬性。因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。7）釩在鋼中的作用熱強(qiáng)性。釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。8）鈦在鋼中的作用鈦能改善鋼的熱強(qiáng)性，提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強(qiáng)度；并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性。使鋼在高壓下對(duì)氫的穩(wěn)定性高達(dá)600以上，在珠光體低合金鋼中，鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現(xiàn)象。因此，鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強(qiáng)鋼中的重要合金元素之一。9）鈮在鋼中的作用鈮和碳、氮、氧都有極強(qiáng)的結(jié)合力，并與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物，因而能細(xì)化晶粒，降低鋼的過(guò)熱敏感性和回火脆性。有極好的抗氫性能。鈮能提高鋼的熱強(qiáng)性10）硼在鋼中的作用 ；提高鋼的淬透性。提高鋼的高溫強(qiáng)度。強(qiáng)化晶界的作用。11）鋁在鋼中的作用用作煉鋼時(shí)的脫氧定氮?jiǎng)?，?xì)化晶粒，抑制低碳鋼的時(shí)效，改善鋼在低溫時(shí)的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度；提高鋼的抗氧化性能。曾對(duì)鐵鋁合金的抗氧化性進(jìn)行了較多的研究；4AI即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當(dāng)鋁和鉻配合并用時(shí)，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含鐵50一55、鉻30一35、鋁10一15的合金，在1 400C高溫時(shí)，仍具有相當(dāng)好的抗氧化性。由于鋁的這一作用，近年來(lái)，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。此外，鋁還能提高對(duì)硫化氫和V2O5，的抗腐蝕性。缺點(diǎn)：脫氧時(shí)如用鋁量過(guò)多，將促進(jìn)鋼的石墨化傾向。當(dāng)含鋁較高時(shí)其高溫強(qiáng)度和韌性較低各種元素對(duì)不銹鋼的性能和組織的影響和作用 1.鉻在不銹鋼中的決定作用：決定不銹鋼性屬的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼都含有一定數(shù)量的鉻。迄今為止，還沒(méi)有不含鉻的不銹鋼。鉻之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后，促使其內(nèi)部的矛盾運(yùn)動(dòng)向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展。這種變化可以從以下方面得到說(shuō)明： 鉻使鐵基固溶體的電極電位提高 鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化鈍化是由于陽(yáng)極反應(yīng)被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論、吸附論及電子排列論。2. 碳在不銹鋼中的兩重性 碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對(duì)組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成系列復(fù)雜的碳化物。所以，從強(qiáng)度與耐腐燭性能兩方面來(lái)看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。 認(rèn)識(shí)了這一影響的規(guī)律，我們就可以從不同的使用要求出發(fā)，選擇不同含碳量的不銹鋼。 例如工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的，也是最起碼的不銹鋼0Crl34Cr13這五個(gè)鋼號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)含鉻量規(guī)定為1214，就是把碳要與鉻形成碳化鉻的因素考慮進(jìn)去以后才決定的，目的即在于使碳與鉻結(jié)合成碳化鉻以后，固溶體中的含鉻量不致低于11.7這一最低限度的含鉻量。 就這五個(gè)鋼號(hào)來(lái)說(shuō)由于含碳量不同，強(qiáng)度與耐腐蝕性能也是有區(qū)別的，0Cr132Crl3鋼的耐腐蝕性較好但強(qiáng)度低于3Crl3和4Cr13鋼，多用于制造結(jié)構(gòu)零件，后兩個(gè)鋼號(hào)由于含碳較高而可獲得高的強(qiáng)度多用于制造彈簧、刀具等要求高強(qiáng)度及耐磨的零件。又如為了克服188鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕，可以將鋼的含碳量降至0.03以下，或者加入比鉻和碳親和力更大的元素（鈦或鈮），使之不形成碳化鉻，再如當(dāng)高硬度與耐磨性成為主要要求時(shí)，我們可以在增加鋼的含碳量的同時(shí)適當(dāng)?shù)靥岣吆t量，做到既滿(mǎn)足硬度與耐磨性的要求，又兼顧定的耐腐蝕功能，工業(yè)上用作軸承、量具與刃具有不銹鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量雖高達(dá)0.850.95，由于它們的含鉻量也相應(yīng)地提高了，所以仍保證了耐腐蝕的要求。 總的來(lái)講，目前工業(yè)中獲得應(yīng)用的不銹鋼的含碳量都是比較低的，大多數(shù)不銹鋼的含碳量在0.10.4之間，耐酸鋼則以含碳0.10.2的居多。含碳量大于0.4的不銹鋼僅占鋼號(hào)總數(shù)的一小部分，這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)使用條件下，不銹鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出于某些工藝上的要求，如易于焊接及冷變形等3. 鎳在不銹鋼中的作用是在與鉻配合后才發(fā)揮出來(lái)的 鎳是優(yōu)良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中是形成奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量要達(dá)到24；而只有含鎳27時(shí)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(dú)構(gòu)成不銹鋼。但是鎳與鉻同時(shí)存在于不銹鋼中時(shí)，含鎳的不銹鋼卻具有許多可貴的性能。 基于上面的情況可知，鎳作為合金元素在不銹鋼中的作用，在于它使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，從而使不銹鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善4. 錳和氮可以代替鉻鎳不銹鋼中鎳 鉻鎳奧氏體鋼的優(yōu)點(diǎn)雖然很多，但近幾十年來(lái)由于鎳基耐熱合金與含鎳20以下的熱強(qiáng)鋼的大量發(fā)展與應(yīng)用，以及化學(xué)工業(yè)日益發(fā)展對(duì)不銹鋼的需要量越來(lái)越大，而鎳的礦藏量較少且又集中分布在少數(shù)地區(qū)，因此在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了鎳在供和需方面的矛盾。所以在不銹鋼與許多其他合金領(lǐng)域（如大型鑄鍛件用鋼、工具鋼、熱強(qiáng)鋼等）中，特別是鎳 的資源比較缺乏的國(guó)家，廣泛地開(kāi)展了節(jié)鎳和以其他元素代鎳的科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐，在這方面研究和應(yīng)用比較多的是以錳和氮來(lái)代替不銹鋼與耐熱鋼中的鎳。 在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大，如鋼中的 含錳量從0到104%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發(fā)生明顯的改變。這是因?yàn)殄i對(duì)提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護(hù)作用也很低，所以工業(yè)上雖有以錳合金化的奧氏體鋼（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13鋼等），但它們不能作為不銹鋼使用。 錳在鋼中穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的二分之一，即2的氮在鋼中的作用也是穩(wěn)定奧氏體，并且作用的程度比鎳還要大。例如，欲使含18鉻的鋼在常溫下獲得奧氏體組織，以錳和氮代鎳的低鎳不銹鋼與元鎳的鉻錳氮不誘鋼，目前已在工業(yè)中獲得應(yīng)用，有的已成功地代替了經(jīng)典的18-8鉻鎳不銹鋼。5.不銹鋼中加鈦或鈮是為了防止晶間腐蝕。 6.鉬和銅可以提高某些不銹鋼的耐腐蝕性能。 7.其他元素對(duì)不銹鋼的性能和組織的影響 以上主要的九種元素對(duì)不銹鋼的性能和組織的影響，除這些元素對(duì)不銹鋼性能與組織影響較大的元素以外，不銹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(zhì)元素，如硅、硫、磷等也有的是為了某些特定的目的而加入的，如鈷、硼.Mo可以增加不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力，改善耐縫隙腐蝕能力 降低C含量或者增加Ti、Nb可以改善不銹鋼的晶體間抗析出腐蝕傾向，增強(qiáng)不銹鋼的穩(wěn)定性 加Ni、Cr可以改善不銹鋼的高溫抗氧化能力，強(qiáng)度 加Ni可以改善不銹鋼的抗應(yīng)力耐腐蝕性 加S或Se可以改善切削性、 構(gòu)建表面精度錳Mn： 提高強(qiáng)度、可取代Ni的添加（Mn：Ni = 4：1，可降低成本）、沃斯田鐵相安定元素，但對(duì)煉制的過(guò)程來(lái)說(shuō)，添加過(guò)多的Mn會(huì)嚴(yán)重侵蝕爐壁。C:含量飽和可以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和硬度，但塑性降低、脆性增大N增強(qiáng)常溫及高溫的強(qiáng)度（與C同），但幾乎不影響耐蝕性。Cu:增加非氧化性氣氛的耐蝕性；3%以上的Cu有析出強(qiáng)化效果；降低不銹鋼加工硬化效應(yīng)，使之易冷作成形；但熱加工性差、會(huì)發(fā)生熱脆化。硅Si:雜質(zhì)成份，可減少高溫時(shí)的銹皮產(chǎn)生、增加耐熱性、高溫強(qiáng)度佳、肥粒鐵相的安定元素。磷P： 雜質(zhì)成份，一般在0.045%（0.04%）以下。硫S： 雜質(zhì)成份，一般在0.03%以下，但增加S可改善材料的切削性目前，已知的化學(xué)元素有100多種，在工業(yè)中常用的鋼鐵材料中可以遇到的化學(xué)元素約二十多種。對(duì)于人們?cè)谂c腐蝕現(xiàn)象作長(zhǎng)期斗爭(zhēng)的實(shí)踐而形成的不銹鋼這一特殊鋼系列來(lái)說(shuō)，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對(duì)不銹鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、鈦、錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、硅、氮以外，都是化學(xué)元素周期表中位于過(guò)渡族的元素。 實(shí)際上工業(yè)上應(yīng)用的不銹鋼都是同時(shí)存在幾種以至十幾種元素的，當(dāng)幾種元素共存于不銹鋼這一個(gè)統(tǒng)一體中時(shí)，它們的影響要比單獨(dú)存在時(shí)復(fù)雜得多，因?yàn)樵谶@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間的影響，因此不銹鋼的組織決定于各種元素影響的總和。 一、各種元素對(duì)不銹鋼的性能和組織的影響和作用 1-1鉻在不銹鋼中的決定作用：決定不銹鋼性屬的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼都含有一定數(shù)量的鉻。迄今為止，還沒(méi)有不含鉻的不銹鋼。鉻之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后，促使其內(nèi)部的矛盾運(yùn)動(dòng)向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展。這種變化可以從以下方面得到說(shuō)明： 鉻使鐵基固溶體的電極電位提高 鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化 鈍化是由于陽(yáng)極反應(yīng)被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論、吸附論及電子排列論。 1-2.碳在不銹鋼中的兩重性 碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對(duì)組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成系列復(fù)雜的碳化物。所以，從強(qiáng)度與耐腐燭性能兩方面來(lái)看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。認(rèn)識(shí)了這一影響的規(guī)律，我們就可以從不同的使用要求出發(fā)，選擇不同含碳量的不銹鋼。 例如工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的，也是最起碼的不銹鋼0Crl34Cr13這五個(gè)鋼號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)含鉻量規(guī)定為1214，就是把碳要與鉻形成碳化鉻的因素考慮進(jìn)去以后才決定的，目的即在于使碳與鉻結(jié)合成碳化鉻以后，固溶體中的含鉻量不致低于11.7這一最低限度的含鉻量。 就這五個(gè)鋼號(hào)來(lái)說(shuō)由于含碳量不同，強(qiáng)度與耐腐蝕性能也是有區(qū)別的，0Cr132Crl3鋼的耐腐蝕性較好但強(qiáng)度低于3Crl3和4Cr13鋼，多用于制造結(jié)構(gòu)零件，后兩個(gè)鋼號(hào)由于含碳較高而可獲得高的強(qiáng)度多用于制造彈簧、刀具等要求高強(qiáng)度及耐磨的零件。又如為了克服188鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕，可以將鋼的含碳量降至0.03以下，或者加入比鉻和碳親和力更大的元素（鈦或鈮），使之不形成碳化鉻，再如當(dāng)高硬度與耐磨性成為主要要求時(shí)，我們可以在增加鋼的含碳量的同時(shí)適當(dāng)?shù)靥岣吆t量，做到既滿(mǎn)足硬度與耐磨性的要求，又兼顧定的耐腐蝕功能，工業(yè)上用作軸承、量具與刃具有不銹鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量雖高達(dá)0.850.95，由于它們的含鉻量也相應(yīng)地提高了，所以仍保證了耐腐蝕的要求。 總的來(lái)講，目前工業(yè)中獲得應(yīng)用的不銹鋼的含碳量都是比較低的，大多數(shù)不銹鋼的含碳量在0.10.4之間，耐酸鋼則以含碳0.10.2的居多。含碳量大于0.4的不銹鋼僅占鋼號(hào)總數(shù)的一小部分，這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)使用條件下，不銹鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出于某些工藝上的要求，如易于焊接及冷變形等。 1-3.鎳在不銹鋼中的作用是在與鉻配合后才發(fā)揮出來(lái)的 鎳是優(yōu)良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中是形成奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量要達(dá)到24；而只有含鎳27時(shí)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(dú)構(gòu)成不銹鋼。但是鎳與鉻同時(shí)存在于不銹鋼中時(shí)，含鎳的不銹鋼卻具有許多可貴的性能。 基于上面的情況可知，鎳作為合金元素在不銹鋼中的作用，在于它使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，從而使不銹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銹鋼中鎳 鉻鎳奧氏體鋼的優(yōu)點(diǎn)雖然很多，但近幾十年來(lái)由于鎳基耐熱合金與含鎳20以下的熱強(qiáng)鋼的大量發(fā)展與應(yīng)用，以及化學(xué)工業(yè)日益發(fā)展對(duì)不銹鋼的需要量越來(lái)越大，而鎳的礦藏量較少且又集中分布在少數(shù)地區(qū)，因此在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了鎳在供和需方面的矛盾。所以在不銹鋼與許多其他合金領(lǐng)域（如大型鑄鍛件用鋼、工具鋼、熱強(qiáng)鋼等）中，特別是鎳的資源比較缺乏的國(guó)家，廣泛地開(kāi)展了節(jié)鎳和以其他元素代鎳的科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐，在這方面研究和應(yīng)用比較多的是以錳和氮來(lái)代替不銹鋼與耐熱鋼中的鎳。 錳對(duì)于奧氏體的作用與鎳相似。但說(shuō)得確切一些，錳的作用不在于形成奧氏體，而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時(shí)增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大，如鋼中的含錳量從0到104%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發(fā)生明顯的改變。這是因?yàn)殄i對(duì)提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護(hù)作用也很低，所以工業(yè)上雖有以錳合金化的奧氏體鋼（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13鋼等），但它們不能作為不銹鋼使用。錳在鋼中穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的二分之一，即2的氮在鋼中的作用也是穩(wěn)定奧氏體，并且作用的程度比鎳還要大。例如，欲使含18鉻的鋼在常溫下獲得奧氏體組織，以錳和氮代鎳的低鎳不銹鋼與元鎳的鉻錳氮不誘鋼，目前已在工業(yè)中獲得應(yīng)用，有的已成功地代替了經(jīng)典的18-8鉻鎳不銹鋼。 1-5.不銹鋼中加鈦或鈮是為了防止晶間腐蝕。 1-6.鉬和銅可以提高某些不銹鋼的耐腐蝕性能。 1-7.其他元素對(duì)不銹鋼的性能和組織的影響 以上主要的九種元素對(duì)不銹鋼的性能和組織的影響，除這些元素對(duì)不銹鋼性能與組織影響較大的元素以外，不銹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(zhì)元素，如硅、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。從不銹鋼的耐腐蝕性能這一主要性質(zhì)來(lái)說(shuō)，這些元素相對(duì)于已討論的九種元素，都是非主要方面的，雖然如此，但也不能完全忽略，因?yàn)樗鼈儗?duì)不銹鋼的性能與組織同樣也發(fā)生影響。 硅是形成鐵素體的元素，在一般不銹鋼中為常存雜質(zhì)元素。 鈷作為合金元素在鋼中應(yīng)用不多，這是因?yàn)殁挼膬r(jià)格高及其在其它方面（如高速鋼、硬質(zhì)合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等）有著更重要的用途。在一般不銹鋼中加鈷作合金元素的也不多，常用不銹鋼如9Crl7MoVCo鋼（含1.2-1.8鈷）加鈷，目的并不在于提高耐腐蝕性能而在于提高硬度，因?yàn)檫@種不銹鋼的主要用途是制造切片機(jī)械刃具、剪刀及手術(shù)刀片等。 硼：高鉻鐵素體不銹鋼Crl7Mo2Ti鋼中加0005硼，可使在沸騰的65醋酸中的耐腐蝕性能提高。加微量的硼（0.00060.0007）可使奧氏體不銹鋼的熱態(tài)塑性改善。少量的硼由于形成低熔點(diǎn)共晶體，使奧氏體鋼焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的傾向增大，但含有較多的硼（0506）時(shí)，反而可防止熱裂紋的產(chǎn)生。因?yàn)楫?dāng)含有0506的硼時(shí)，形成奧氏體硼化物兩相組織，使焊縫的熔點(diǎn)降低。熔池的凝固溫度低于半溶化區(qū)時(shí)，母材在冷卻時(shí)產(chǎn)生的張應(yīng)力，由處于液態(tài)固態(tài)的焊縫金屬承受，此時(shí)是不致引起裂縫的，即使在近縫區(qū)形成了裂紋，也可以為處于液態(tài)固態(tài)的熔池金屬所填充。含硼的鉻鎳奧氏體不銹鋼在原子能工業(yè)中有著特殊的用途。 磷：在一般不銹鋼中都是雜質(zhì)元素，但其在奧氏體不銹鋼中的危害性不像在一般鋼中那樣顯著，故含量可允許高一些，如有的資料提出可達(dá)006，以利于冶煉控制。個(gè)別的含錳的奧氏體鋼的含磷量可達(dá)006（如2Crl3NiMn9鋼）以至0.08（如Cr14Mnl4Ni鋼）。利用磷對(duì)鋼的強(qiáng)化作用，也有加磷作為時(shí)效硬化不銹鋼的合金元素，PH1710P鋼(含025磷)乃PHHNM鋼（含030磷）等。 硫和硒：在一般不銹鋼中也是常有雜質(zhì)元素。但向不銹鋼中加0204的硫，可提高不銹鋼的切削性能，硒也具有同樣的作用。硫和硒提高不銹鋼的切削性能，是因?yàn)樗鼈兘档筒讳P鋼的韌性，例如一般188鉻鎳不銹鋼的沖擊值可達(dá)30公斤/厘米2。含031硫的188鋼（0084C、1815Cr、925Ni）的沖擊值為18公斤/平方厘米；含0。22硒的188鋼（0094C、184Cr、9Ni）的沖擊值為324公斤/平方厘米。硫與硒均降低不銹鋼的耐腐蝕性能，所以實(shí)際應(yīng)用它們作為不銹鋼的合金化元素的很少。 稀土元素：稀土元素應(yīng)用于不銹鋼，目前主要在于改善工藝性能方面。如向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銹鋼中加00205的稀土元素（鈰鑭合金），可顯著改善鍛造性能。曾有一種含195%鉻、23鎳以及鉬銅錳的奧氏體鋼，由于熱加工工藝性能在過(guò)去只能生產(chǎn)鑄件，加稀土元素后則可軋制成各種型材。對(duì)不銹鋼的顯微組織及熱處理的作用1.作為鋼中的合金元素，其含量一般不低于4%。以固溶體形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中，縮小奧氏體相區(qū) 2.提高退火、正火和淬火溫度，在亞共析鋼中提高淬透性 3.硅不形成碳化物，有強(qiáng)烈的促進(jìn)碳的石墨化的作用，在硅含量較高的中碳和高碳鋼中，如不含有強(qiáng)碳化物形成元素，易在一定溫度條件下發(fā)生石墨化 4.在滲碳鋼中，硅減小滲碳層厚度和碳的濃度 5.硅對(duì)鋼水有良好脫氧作用對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能的作用1.提高鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度，其作用較Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等更強(qiáng)；顯著提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，并提高疲勞強(qiáng)度和疲勞比 2.硅含量超過(guò)3%顯著降低鋼的塑性和韌性；硅提高塑脆轉(zhuǎn)變溫度 3.硅易使鋼中形成帶狀組織，使橫向性能低于縱向性能 4.改善鋼的耐磨性能對(duì)不銹鋼的物理、化學(xué)及工藝性能的作用1.降低鋼的密度、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和電阻溫度系數(shù) 2.硅鋼片的渦流損耗量顯著低于純鐵，矯頑力磁阻和磁滯損耗較低，磁導(dǎo)率和磁感強(qiáng)度較高。但在強(qiáng)磁場(chǎng)中，硅降低磁感強(qiáng)度 3.提高高溫時(shí)鋼的抗氧化性能，但硅含量高時(shí)，表面脫碳加劇 4.硅含量超過(guò)2.5%的鋼，其變形加工較為困難 5.硅降低鋼的可焊性在不銹鋼中的應(yīng)用1.在普通低合金鋼中提高強(qiáng)度，改善局部腐蝕抗力，在調(diào)質(zhì)鋼中提高淬透性和抗回火性，是多元合金結(jié)構(gòu)鋼中的主要合金組元之一 2.硅含量為0.25%-2.8%的SiMn或SiMnB鋼（碳含量0.5%-0.7%）廣泛用于高載荷彈簧材料，同時(shí)加入W、V、Mo、Nb、Cr等強(qiáng)碳化物形成元素 3.硅鋼片為含硅1%-4.5%的低碳和超低碳鋼，用于電機(jī)和變壓器 4.在不銹鋼和耐蝕鋼中，與 Mo、W、Cr、Al、Ti、N等配合，提高抗蝕和抗高溫氧化能力 5.硅含量較高的石墨鋼用于冷作模具材料鎳Ni元素在不銹鋼中的作用對(duì)不銹鋼鋼的顯微組織及熱處理的作用1.鎳和鐵能無(wú)限固溶，鎳擴(kuò)大鐵的奧氏體區(qū)，即升高A4點(diǎn)，降低A3點(diǎn)，是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素2.鎳和碳不形成碳化物3.降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，降低鋼中各元素的擴(kuò)散速率,提高淬透性4.降低共析珠光體的碳含量，其作用僅次于氮而強(qiáng)于錳。在降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度方面的作用為錳的一半對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能的作用1.強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化和增多珠光體，提高鋼的強(qiáng)度，不顯著影響鋼的塑性2.含鎳鋼的碳含量可適當(dāng)降低，因而可使韌性和塑性有所改善3.提高鋼的疲勞抗力，減小鋼對(duì)缺口的敏感性4.由于對(duì)提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性的作用并不十分強(qiáng)，鎳對(duì)調(diào)質(zhì)鋼的意義不大5.降低鋼的低溫脆化轉(zhuǎn)變溫度，含Ni3.5%的鋼可在-100時(shí)使用，含Ni9%的鋼可在-196時(shí)使用對(duì)不銹鋼的物理化學(xué)及工藝性能的作用1.強(qiáng)烈降低鋼的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率2.Ni30%的奧氏體鋼呈現(xiàn)順磁性，即無(wú)磁鋼。Ni30%的Fe-Ni合金是重要的精密軟磁材料3.含鎳超過(guò)15%-20%的鋼對(duì)硫酸和鹽酸有很高的抗蝕性能，但不能抗硝酸的腐蝕?？偟膩?lái)說(shuō)，含鎳鋼對(duì)酸、堿以及大氣都有一定的抗蝕能力。含鎳的低合金鋼還有較高的腐蝕疲勞抗力。含鎳鋼在含硫和一氧化的氣氛中加熱時(shí)易發(fā)生熱脆和侵蝕性氣孔4.含鎳較高的鋼在焊接時(shí)應(yīng)采用奧氏體焊條，以防止裂縫5.含鎳鋼中易出現(xiàn)帶狀組織和白點(diǎn)缺陷，應(yīng)在生產(chǎn)工藝中加以防止在不銹鋼中的應(yīng)用1.單純的鎳鋼只在要求有特別高的沖擊韌性或很低的工作溫度時(shí)才使用2. 機(jī)械制造中使用的鎳鉻或鎳鉻鉬鋼，在熱處理后能獲得強(qiáng)度和韌性配合良好的綜合力學(xué)性能。含鎳鋼特別適用于需要表面滲碳的部件3.在高合金奧氏體不銹耐熱鋼中鎳是奧氏體化元素，能提供良好的綜合性能，主要為NiCr系鋼。CrMnN、CrAlSi、FeAlMn鋼，在一些用途上可取代CrNi系鋼4.由于鎳的稀缺，又是重要的戰(zhàn)略物資。非在用其他合金元素不可能達(dá)到性能要求時(shí)，應(yīng)盡量少用和不用鎳作為鋼的合金元素鉻Cr元素在不銹鋼中的作用對(duì)不銹鋼鋼的顯微組織及熱處理的作用1.鉻與鐵形成連續(xù)固溶體，縮小奧氏體相區(qū)域。鉻與碳形成多種碳化物，與碳的親和力大于鐵和錳而低于鎢、鉬等。鉻與鐵可形成金屬間化合物相2.鉻使珠光體中碳的濃度及奧氏體中碳的極限溶解度減少3.減緩?qiáng)W氏體的分解速度，顯著提高鋼的淬透性，但亦增加鋼的回火脆性?xún)A向?qū)Σ讳P鋼的力學(xué)性能的作用1.提高鋼的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)加入其他合金元素時(shí)，效果較顯著2.顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度3.在含鉻量高的Fe-Cr合金中，若有相析出，沖擊韌性急劇下降對(duì)不銹鋼的物理化學(xué)及工藝性能的作用1.提高鋼的耐磨性，經(jīng)研磨，易獲得較高的表面光潔度2.降低鋼的電導(dǎo)率，降低電阻溫度系數(shù)3.提高鋼的矯頑力和剩余磁感，廣泛用于制造永磁鋼4.鉻促使鋼的表面形成鈍化膜，當(dāng)有一定含量的鉻時(shí)，顯著提高鋼的耐腐蝕性能（特別是硝酸）。若有鉻的碳化物析出時(shí).使鋼的耐腐蝕性能下降5.提高鋼的抗氧化性能6.鉻鋼中易形成樹(shù)枝狀偏析，降低鋼的塑性7.由于鉻使鋼的熱導(dǎo)率下降，熱加工時(shí)要緩慢升溫，鍛 軋后要緩冷在不銹鋼中的應(yīng)用1.合金結(jié)構(gòu)鋼中主要利用鉻提高淬透性，并可在滲碳表面形成合鉻碳化物以提高耐磨性2.彈簧鋼中利用鉻和其他合金元素一起提供的綜合性能3.軸承鋼中主要利用鉻的特殊碳化物對(duì)耐磨性的貢獻(xiàn)及研磨后表面光潔度高的優(yōu)點(diǎn)4.工具鋼和高速鋼中主要利用鉻提高耐磨性的作用，并具有一定的回火穩(wěn)定性和韌性5.不銹鋼、耐熱鋼中鉻常與錳、氮、鎳等聯(lián)合使用，當(dāng)需形成奧氏體鋼時(shí)，穩(wěn)定鐵素體的鉻與穩(wěn)定奧氏體的錳、鎳之間須有一定比例6.我國(guó)鉻資源較少，應(yīng)盡量節(jié)省鉻的使用鈷 Co元素在不銹鋼中的作用對(duì)不銹鋼鋼的顯微組織及熱處理的作用1鈷和鎳、錳一樣，和鐵形成連續(xù)固溶體2.鈷和鋁同是降低鋼的淬透性的元素，升高馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)3.鈷不是形成碳化物的元素4.鈷在回火或使用過(guò)程中阻抑、延緩其他元素特殊碳化物的析出和聚集對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能的作用1.強(qiáng)化鋼的基體，在退火或正火狀態(tài)的碳素鋼中提高硬度和強(qiáng)度，但會(huì)引起塑性和沖擊韌性的下降2.顯著提高特殊用途鋼和合金的熱強(qiáng)性和高溫硬度3.提高馬氏體時(shí)效鋼的綜合力學(xué)性能，使其具有超強(qiáng)韌性對(duì)不銹鋼的物理化學(xué)及工藝性能的作用1.提高耐熱鋼和耐熱合金的抗氧化性能2 鈷加入鐵中能增加磁飽和在不銹鋼中的應(yīng)用1.不在碳素鋼和低合金鋼中使用2.主要用于高速鋼、馬氏體時(shí)效鋼、耐熱鋼以及精密合金等3.鈷資源缺乏、價(jià)格昂貴鈷的使用應(yīng)盡量節(jié)約和合理鉬 Mo元素在不銹鋼中的作用對(duì)不銹鋼鋼的顯微組織及熱處理的作用1.鉬在鋼中可固溶于鐵素體、奧氏體和碳化物中，它是縮小奧氏體相區(qū)的元素2.當(dāng)鉬含量較低時(shí)，與鐵、碳形成復(fù)合的滲碳體；含量較高時(shí)可形成鉬的特殊碳化物3.鉬提高鋼的淬透性，其作用較鉻強(qiáng)，而稍遜于錳4.鉬提高鋼的回火穩(wěn)定性。作為單一合金元素存在時(shí)，增加鋼的回火脆性；與鉻、錳等并存時(shí)，鉬又降低或抑止因其他元素所導(dǎo)致的回火脆性對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能的作用1.鉬對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)也提高碳化物的穩(wěn)定性，從而提高鋼的強(qiáng)度2.鉬對(duì)改善鋼的延展性和韌性以及耐磨性起到有利作