各元素对奥氏体不锈钢组织和性能的影响详解.docx

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。C加热或焊接，碳会与钢中的铭形成高铭的Cr23C6,导致局部铝的贫化，使钢的耐蚀性能，特别是耐晶间腐蚀性能下降。碳还增大铭镇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002%时才具有十分明显的效果。合金元素含俄（原r分数）/%图1奥氏体不锈钢中的固溶强化效应铭是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素，在介质的作用下，铭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，在铭镇奥氏体不锈钢中，碳含量为0.1%,铝含量为18%时，自IIo0。C速冷，能在室温获得单一介稳定奥氏体组织所需的镁含量最低值约为8%o因此，常用的18Cr-8M型奥氏体不锈钢是铝、银配比最为适宜的一种钢。在奥氏体不锈钢中，随着铝含量的增加，。相形成的倾向加大，当钢中含有铝时，铝含量的增加还会促进X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。奥氏体不锈钢中铭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，铝含量超过20%的高铭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，仅提高铝含量不会对钢的力学性能有明显的影响。铭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；在银、铝、铜的复合作用下，铝提高耐一些还原性介质、有机酸、尿素和碱介质的性能；铝还提高钢耐晶间腐蚀、耐点腐蚀、耐椎隙腐蚀及耐某些条件下应力腐蚀的性能。图2为铭对Fe-Cr-IONi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，随铝含量的提高，Cr-Ni钢的耐蚀性急剧增加的临界铝含量约为12%,而具有最低稳定的腐蚀速率的最佳铝含量应为18%284(qIU<M<fi逑18倍含量/%24图2铭对Fe-Cr-IoNi奥氏体不锈钢耐蚀性的影响在奥氏体不锈钢中，铝能增大碳的溶解度而降低铝的贫化度，因而提高铝含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀是有益的。铭非常有效地改善奥氏体不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。当钢中同时有铝和氮的存在时，铭的这种作用大大加强。虽然根据研究，铝的耐点蚀及耐缝隙腐蚀的能力为铝的3倍左右,氮为铝的30倍，但当钢中铝含量不足时将难以发挥铝、氮的有效性。铭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，铭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，提高钢中铝含量对其耐应力腐蚀性能是有益的。铭和镇对奥氏体不锈钢耐苛性（NaOH）应力腐蚀也是有益的。镇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。镇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镖含量的增加，残余铁素体可以完全消除，并显著降低。相形成的倾向（图3）镖明显降低Ms点，甚至可不出现M相变。图3镶对022Cr25Ni25Si2V2Nb钢。相析出量的影响镇对奥氏体不锈钢力学性能的影响主要决定于镇对奥氏体稳定性的影响。在钢中能发生马氏体转变的镁含量范围内，随镇含量的增加，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铭银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铭镒氮奥氏体不锈钢，镖的加入可以进一步改善其低温韧性，如图4所示。图4银含量对18Cr-15Mn-0.4N钢低温（-196）冲击功的影响镇可显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。这主要是由于银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，而操对奥氏体本身的冷加工硬化作用不明显。镇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；随着镖含量的增加，耐还原性介质的性能进一步得到改善。在奥氏体不锈钢中，镁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。镖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为铭镇奥氏体钢产生晶间腐蚀的铝、银含量与临界碳含量的关系，证实了铭的有益作用和镇的有害作用。至于对奥氏体不锈钢耐点蚀的筵隙腐蚀的性能，镖的作用不显著。碳含量/%心之WNl就给弓242220188IO12141618202224像含晶/%图5锚镇奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的铭、镇含与临界碳含量的关系铝铝形成铁素体的能力与铝相当。钥还促进不锈钢中金属间化合物。相、X相、n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，随钢中铝含量的增加，需相应提高镁、氮及镒等奥氏体形成元素的含量。铝在奥氏体不锈钢中有明显的固溶强化效果(图1)。随铝含量的增加，钢的高温持久强度、抗蠕变性能均有较大的提高，因此含铝不锈钢也常在较高温度下使用。加入铝使钢的高温变形抗力增大，而钢中常存在少量的徽素体，因而含铝不锈钢的热加工性能比不含铝的差。铝含量越高，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。钥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、H3PO4z以及一些有机酸和尿素环境，并提高钢的耐点蚀及耐椎隙腐蚀性能。但在氧化性介质中，铝的作用是有害的，在铝含量大于3.5%后，HNo3中的腐蚀率急剧增加。因此，含铝的奥氏体不锈钢不用于耐硝酸腐蚀的条件下。图6为铝对铭镇奥氏体不锈钢(18%Cr-IO%15%Ni)在海洋大气挂片条件下点蚀的影响，显示出铝的良好作用。一些研究工作表明，在不锈钢中，Mo是以M。-的形式溶解在溶液中在C卜存在的条件下，钝化膜破裂后生成金属活性面。由于MoC2-的吸附，抑制了金属的再溶解。大量实验已证明，铝的作用仅在钢中含有较高的铝含量时才有效。4000I(X)80604020011001.02.03.04.0钿含fit/%图6铝对18%Cr-IO%15%Ni钢在海洋大气挂片条件下点腐蚀的影响铝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,铝含量在3%以下时，随粗含量的增加，耐应力腐蚀性能下降；在铝含量大于3%时，随铝含量的增加，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，铝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。铜与铝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为铜含量对铭银奥氏体不锈钢(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：铜能显著地增加铭银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铜含量对铭镶奥氏体不锈钢（Wc608%）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。a相形成的缘故。铜的加入抑制了形变诱发a相的形成，从而降低n值。有些奥氏体不锈钢（303304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，在奥氏体不锈钢中银含量较低时更为明显，因而在钢中铜含量较高时，操含量也应相应提高。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，当用铜和铝复合合金化时，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铝的溶解，形成MoO42-l强烈促使不锈钢中铭的钝化及铭向表面膜中富集，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,但会降低铭银奥氏体不锈钢的耐点蚀和耐应力腐蚀的性能。镒在铭镇奥氏体不锈钢中，镒含量一般不超过2%,生产中多控制在1.5%左右。在之后发展的银不锈钢中，镒成为重要的合金元素，其主要作用是与氮和一定数量的镁形成稳定的奥氏体。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。无银的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，已出现高铳含量（5%-10%）的铭镇奥氏体不锈钢。图8为铭、镒含量对氮在14%Ni奥氏体钢溶解度的影响。0.20182022242628珞含St/%60504030a0.0.0.%、«气屉图8Cr,Mn对N在14%Ni奥氏体钢中溶解度的影响镒含量小于2%时，其含量的变化对常用铭银不锈钢的组织，包括奥氏体的稳定性，没有明显的影响。铭镇奥氏体不锈钢的强度随其中镒含量的增加而提高。无银的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，这与铭镇奥氏体钢有显著差别,而Cr-Mn-N钢有镇存在时,其低温韧性有明显改善（图4）。这表明，仅有镒和氮而无银无法获得铭镇奥氏体不锈钢所具有的优良低温韧性。4057镒可以改善铭镇奥氏体不锈钢的热塑性，镒含量为1.5%时已有明显的效果。镒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的形成常导致铭银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，镒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%o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，徽素体将增加，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022CH8Nil5Si不锈钢析出相的影响，图中11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，镖和氮的含量也要相应提高。6IIOI（X）100O时效时间/h%、«:揖O图10硅含量对022CrI8Ni15Si不锈钢析出相的影响在通常硅含量的范围内（10%以下），随钢中硅含量的降低，将提高18%Cr-10%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（01%）0铭镇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Cr+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Si2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，以节约银。除节操效果外，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%）铭镇奥氏体不锈钢中加入0.05%-0.12%N,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0.12%0.40%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，或者调整钢中的铭、铳含量，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，约为银的30倍。氮在奥氏体不锈钢中可代替部分银，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。在铭镇奥氏体不锈钢中，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0.010%N,可提高铭银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1400-1500MPa,其断裂韧度将由很高的500MPar2降至依然不错的200MPam12o在氮含量小于0.67%时,铭镇奥氏体不锈钢仍有低的韧脆转变温度，在-200。C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。C的冲击韧性已显得过低。图12氮对022UI9Ni10钢室温力学性能的影响9(X)753OO100000.20.40.60.81.0Edy氮含用/%图13固溶氮含量对奥氏体不锈钢(18Crl8Mn-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，氮降低碳原子和铭原子的扩散能力，从而抑制碳化物M23C6的析出和延缓。相、X相的形成。氮还提高铭银铝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，氮仅是强化铭、铝元素在奥氏体中的耐蚀作用，铭、铝的存在是氮改善奥氏体不锈钢耐蚀作用的前提。氮耐点蚀和耐筵隙腐蚀的能力约相当于铭的30倍。钛和银在奥氏体不锈钢中，钛和铜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。钛和铜与碳的亲和力远大于铭，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。以加钛或锯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、铝含量分别为碳含量的3.99或7.78倍。此外，还应考虑钛或锯与其他元素的作用，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%-0.035%o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：显著降低铭银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；明显增强铭镇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，铭银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%。