合金元素对2Cr13马氏体不锈钢组织及性能的影响_徐文亮

合金元素在合金钢中的作用1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。

碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。

如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。

硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。

在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。

硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。

含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。

硅量增加，会降低钢的焊接性能。

3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。

在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。

含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。

锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。

5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。

使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。

硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。

所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。

铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。

合金元素对不锈钢耐蚀性能的影响
首先，铬是不锈钢中最主要的合金元素，其对不锈钢的耐蚀性有着关键作用。

铬的加入可以形成致密的氧化膜，阻止钢材与外界介质的直接接触，从而起到防止腐蚀的作用。

通常情况下，不锈钢中铬的含量在10.5%以上才能形成稳定的保护膜。

当铬的含量超过12%时，不锈钢具有更好的耐腐蚀性能。

其次，镍也是不锈钢中常见的合金元素之一，对不锈钢的耐蚀性能有一定的影响。

镍的加入可以增加不锈钢的耐蚀性和韧性，提高其抗氯离子腐蚀的能力。

较高的镍含量可以增强不锈钢的耐蚀性，特别是在腐蚀介质中含有氯离子的情况下。

此外，钼也是常见的合金元素之一，对不锈钢的耐蚀性能也有显著的影响。

钼主要用于提高不锈钢的抗酸性能和耐氯离子腐蚀能力。

钼的加入可以抑制不锈钢在强酸介质中的腐蚀，特别对于硫酸、硝酸等有强氧化性的酸腐蚀更加有效。

此外，钼还可以提高不锈钢在高温和强氧化介质中的耐蚀性能。

另外，其他合金元素如铜、钛、锰、硅等也对不锈钢的耐蚀性能有一定的影响。

铜的加入可以提高不锈钢的耐硫酸、硫酸盐和酸性氯化物腐蚀能力；钛的加入可以抑制不锈钢在高温下的碳化；锰和硅的加入可以提高不锈钢的耐蚀性和强化效果。

总体而言，合金元素的添加对不锈钢的耐蚀性能有着重要的影响。

合理选择合金元素的种类和含量，可以使不锈钢具有良好的耐蚀性能，满足不同应用环境中的需求。

在实际应用中，根据具体情况选择不同种类和含
量的合金元素，可以使不锈钢在海水、酸、碱等不同腐蚀介质中具有更好的耐蚀性能。

合金元素对钢的组织与性能的影响1.碳(C)：碳是钢中最常见的合金元素，它通过固溶在铁基体中形成固碳溶体，使钢的硬度、强度和耐磨性提高。

但过高的碳含量会导致钢的脆性增加，因此一般钢中的碳含量控制在0.2%以下。

2.硅(Si)：硅主要用于降低钢材的热膨胀系数和电阻率，同时可以提高钢的硬度和强度。

3.锰(Mn)：锰能够提高钢的强度和硬度，并且可以提高钢的冷加工硬化能力。

锰还能够抑制钢的脆性。

4.磷(P)和硫(S)：磷和硫是常见的杂质元素，它们会影响钢的冷加工性能和耐腐蚀性。

过高的磷含量会降低钢的冷加工硬化能力，而过高的硫含量会导致钢的韧性下降。

5.铬(Cr)：铬可以提高钢的硬度、强度和耐腐蚀性。

铬能够形成铬-铁共晶体，提高钢的硬化能力，并且能够在钢表面形成氧化铬层，起到防腐蚀的作用。

6.镍(Ni)：镍可以提高钢的强度和延展性，并且能够提高钢的耐腐蚀性。

镍还可以降低钢的温度转变时的韧性转变温度。

7.钼(Mo)：钼可以提高钢的硬度、强度和热刺激稳定性。

钼还能够提高钢的抗腐蚀性和耐磨性。

8.钛(Ti)和铌(Nb)：钛和铌能够形成稳定的碳化物，提高钢的硬度和强度。

它们还能够提高钢的耐热性能和耐腐蚀性。

9.铝(Al)：铝可以提高钢的强度、耐热性和耐腐蚀性。

此外，铝还能够与氮形成稳定的氮化物，提高钢的硬度和强度。

10.稀土元素：稀土元素可以提高钢的强度、耐磨性和抗腐蚀性，并且能够改善钢的冷加工硬化能力和热稳定性。

总的来说，合金元素的添加可以改变钢的组织结构并提高其性能。

选择合适的合金元素，并控制其含量可以使钢具备不同的性能，满足不同领域的需求。

合⾦元素对钢⼒学和⼯艺性能的影响 加⼊合⾦元素的⽬的是使钢具有更优异的性能，所以合⾦元素对性能的影响是我们最关⼼的问题。

合⾦元素主要通过对组织的影响⽽对性能起作⽤，因此，必须根据合⾦元素对相平衡和相变影响的规律来掌握其对⼒学性能的影响。

合⾦元素对强度的影响。

强度是⾦属材料最重要的性能指标之⼀，使⾦属材料的强度提⾼的过程称为强化。

强化是研制结构件材料的主要⽬的。

⾦属的强度⼀般是指⾦属对塑性变形的抗⼒。

⾦属强化⼀般有以下⼏种⽅式： a.固溶强化。

由于溶质原⼦与基体原⼦的⼤⼩不同，因⽽使基体品格发⽣畸变，造成⼀个弹性应⼒场。

此应⼒场增加了位错运动的阻⼒，产⽣强化。

固溶强化的强化量与溶质浓度有关，在达到极限溶解度之前，溶质浓度越⼤，强化效果越好。

⼀般⽽⾔，间隙固溶强化效果⽐置换固溶强化效果要强烈得多，其强化作⽤甚⾄可差1~2个数量级。

但是，固溶强化是以牺牲塑性和韧性为代价的，固溶强化效果越好，塑性和韧性下降越多。

b.细晶强化。

晶界或其他界⾯可以有效地阻⽌位错通过，因⽽可以使⾦属强化。

晶界强化的强化量与晶界数量，即晶粒⼤⼩有密切的关系。

晶粒越细，单位体积内的晶界⾯积越⼤，则强化量越⼤。

许多碳化物形成元素(如钒、钛、铌)由于其容易与碳形成熔点⾮常⾼的碳化物，可以阻碍晶粒长⼤，所以具有细化晶粒的作⽤。

晶粒细化是⼀种⾮常有效的强化⼿段，当晶粒细化达到5级以后，得到所谓的超细晶粒，这时纯铁或软钢的屈服强度可以达到400~600MPa，接近于中强度钢的屈服强度。

晶粒细化不仅可以提⾼强度，还可以改善钢的韧性，这是其他强化⽅式难以达到的。

因此细晶化，特别是超细晶化，是⽬前正在⼤⼒发展的重要强化⼿段。

c.弥散强化。

合⾦元素加⼊到⾦属中，在⼀定条件下会析出第⼆相粒⼦，⽽这些第⼆相粒⼦可以有效地阻⽌位错运动。

当运动位错碰到位于滑移⾯上的第⼆相粒⼦时，必须通过它，滑移变形才能继续进⾏。

这⼀过程需要消耗额外能量，或者需要提⾼外加应⼒，这就造成了强化。

合金元素对钢的影响合金元素在钢中的存在形式：溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或者金属间化合物形成非金属夹杂，如合金元素与O、N、S形成氧化物、氮化物和硫化物有些元素如Pb、Ag等游离态存在。

一、合金元素与铁的相互作用1 扩大奥氏体区的元素（奥氏体形成元素）使A4点上升，A3点下降，导致奥氏体稳定区域扩大无限扩大奥氏体区的元素：Ni, Mn, Co有限扩大奥氏体区的元素：C, Cu, N2. 缩小奥氏体区的元素（铁素体形成元素）使A4点下降，A3点上升，导致奥氏体稳定区域缩小完全封闭奥氏体区的元素：Cr, Ti, V, W, Mo, Al, Si缩小奥氏体区，但不使之封闭的元素：B, Nb, Zr二、合金元素与碳的相互作用1. 非碳化物形成元素主要包括：B, N, Ni, Cu, Co, Al, Si等它们不能与碳元素形成化合物，但可以固溶于铁中形成固溶体这些元素都位于元素周期表中铁元素的右边2. 碳化物形成元素主要包括Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe这些元素都位于元素周期表中铁元素的左边它们都可与碳元素形成化合物，但形成的碳化物的性质差别很大 Fe-C相图是研究钢中相变和对碳钢进行热处理时选择加热温度的依据，因此有必要先了解合金元素对Fe-C相图的影响。

钢中有三个基本的相变过程：加热时奥氏体的形成、冷却时过冷奥氏体的分解以及淬火马氏体回火时的转变。

合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。

Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒。

W、Mo、Cr阻止奥氏体晶粒长大的作用中等。

非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微。

Mn、P有助于奥氏体晶粒的长大。

合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响几乎所有的合金元素（除Co）外都使C－曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。

2008年第5期合金元素对2Cr13马氏体不锈钢组织及性能的影响徐文亮1,唐豪清2,孙元宁1(1.宝钢研究院;2.宝钢分公司　上海　201900) 摘要:N i,Mo,V均是影响13Cr型马氏体不锈钢性能的主要元素。

研究了在普通2Cr13基础上添加不同含量的N i,Mo以及微量V对其力学性能、耐腐蚀性能的影响。

研究表明:单独添加N i或Mo元素均未能明显改善2Cr13型马氏体不锈钢的综合力学性能,但同时添加适量的N i,Mo等合金元素能明显提高材料的力学及耐C O2腐蚀性能。

关键词:2Cr13不锈钢;力学性能;耐腐蚀性能中图分类号:TG142.71　文献标识码:B　文章编号:1008-0716(2008)05-0039-05I nfluence of A lloy Elem en ts on M i crostructure andProperti es of2Cr13M arten siti c St a i n less SteelXu W en liang1,Tang H aoq ing2,Sun Yuann ing1(1.Baosteel Research I n stitute;2.Baosteel Branch,Shangha i201900,Ch i n a) Abstract:N ickel,molybdenu m and vanadiu m are the key ele ments which affect the p r operties of2Cr13marten2 sitic stainless steel.The influence of vari ous levels of N i,Mo and m icr o2V on the2Cr13’s mechanical and corr osi on resistant p r operties was studied.The results show that adding N i or Mo separately would not i m p r ove the2Cr13’s comp rehensive mechanical p r operty,but adding an app r op riate a mount of these all oy ele ments at the sa me ti m e wouldi m p r ove the steel’s mechanical and CO2corr osi on resistant p r operties.Key words:2Cr13stainless steel;mechanical p r operty;corr osi on resistance0　前言2Cr13马氏体不锈钢由于优良的耐腐蚀性能且价格相对较低,目前在抗CO2腐蚀油井管上有着重要的应用,国内各油井管生产商均有该材料的代表产品。

浅谈主要合金元素对钢组织和性能的影响摘要：合金钢在现代工业中应用较为广泛，此文叙述了合金元素对钢的组织，性能的影响机理，进而提出了合金钢的生产原则及方法。

关键词：合金元素奥氏体机械性能铁碳相图1概述：对钢性能产生影响的合金元素1.1 碳（C）：含碳量越高，钢的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差． [1]1.2 硅（Si）：它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能．[1]1.3 锰（Mn）：能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能． [3]1.4 磷（P）：能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性．在优质钢中，硫和磷要严格控制．但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的．1.5 硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性．[1] 在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

[2]1.6 铬（Cr）能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用．[6]1.7 镍（Ni）：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。

镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。

但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

[6]1.8 钼（Mo）：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能。

1.9 钛（Ti）：钛；能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性．在不锈钢中，钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象．1.10 钒（V）：能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性．当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性．1.11 钨（W）：能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性．1.12 铌（Nb）：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。

合金元素对马氏体铬不锈钢组织和性能的影响1.1铬的影响（1）铬对钢的组织结构的影响铬是铁素体形成元素，足够量的铬可使钢变成单一的铁素体不锈钢。

马氏体αγ相区。

铬和铬不锈钢中铬与碳的交互作用使钢在高温时具有稳定的γ相区或+碳相互制约关系见图2-11和图2-12。

可见，为了使钢在淬火时产生马氏体相变，铬和碳之间存在着一个相互依存关系，碳使γ相区扩大，而碳的溶解极限随铬量的提高而减少。

图2-13表明，在含碳0.6％的铁一铬一碳合金中，铬含量直达18％，在高温仍为纯奥氏体组织；高于18％Cr，钢中将由铁素体和奥氏体两相组织构成；高于27％Cr的钢将成为单一铁素体组织。

图2-11 铬含量对单一的奥氏体相区和溶碳极限的影响图2-12 铬对含C0.6%的Fe-Cr-C合金组织的影响（2）铬对淬透性的影响铬提高铁一碳合金的淬透性，在低合金结构钢中已广泛采用。

铬的这种作用在于它降低了奥氏体向铁素体和碳化物的转变速度，使C曲线明显右移，从而也降低了淬火的临界冷却速度，致使钢的淬透性增加和获得空淬效应。

在马氏体铬不锈钢的铬含量水平下，端淬试验表明．距水冷端不同距离的硬度没有出现变化，见图2-13。

图2-13 410型马氏体不锈钢端淬曲线（3）铬对物理性能的影响铬增加钢的晶格常数，铬含量在12％-25%范围内．每增加1％Cr晶格常数大约增加1.5x10-4 A比体积，随铬量增加呈线性增加。

铬显著降低Fe—Cr合金的导热系数．但铬含量12％—15％时，其降低速度迅速减少。

此外，铬还增加钢的电阻，马氏体铬不锈钢的电阻是普通钢的4—6倍。

（4）铬对力学性能的影响铬对马氏体格不锈钢的力学性能的影响比较复杂．在淬火和回火条件下，由于铬的增加使稳定的铁素体量增加，因此降低了钢的硬度和抗拉强度．见图2-14。

然而在退火条件下，对于低碳的铁一铬合金随铬含量的提高，其强度和硬度随之增加，而伸长率稍许下降。

图2-15为退火条件下、低碳（01％C）铬钢中的铬含量与力学性能之间的关系。

二铬13不锈钢和马氏体不锈钢
2Cr13不锈钢和马氏体不锈钢是两种不同类型的不锈钢。

首先，2Cr13钢是一种马氏体不锈钢，它具有一定的磁性，并且具有良好的硬度。

这种钢材主要用于机械加工，由于其相对较好的性价比，在对耐腐蚀性要求不高的情况下，得到了广泛的应用。

此外，2Cr13钢还可以用于制造机器零件，例如蒸汽涡轮的叶片和蒸汽装备的轴等。

当进行焊接时，需要使用特定的焊材，并预热到150-300度，焊后还需要进行回火处理。

马氏体不锈钢则是一种具有高强度和耐蚀性的钢，可以用来制造各种在腐蚀介质中工作的零件，例如活门、螺栓等。

这种钢还可以分为不同的牌号，如Cr13型，包括2Cr13、3Cr13等。

马氏体不锈钢中可以加入其他合金元素来改进其性能，例如加入0.07%的S或Se可以改善切削加工性能，加入约1%的Mo 和0.1%的V可以增加耐磨性和耐蚀性。