合金元素对铁素体不锈钢组织和性能的影响

合金元素对铁素体不锈钢组织和性能的影响常用铁素体不绣钢，按钢中铬含量分类主要有Cr11％~15％型、 Cr16％~20％型和Cr21％~30％型三种。

而对铁素体不锈钢组织和性能影响最大的合金元素主要是Cr，Mo，C和N以及Ni。

当然，有的铁素体不锈钢中还含有Ti，Nb，Cu等，它们对铁素体不锈钢的组织和性能也有—定的影响，下面将就这些合金元素的作用和影响加以扼要介绍。

1.1 铬的影响铬是使铁素体不锈钠具有铁素体组织并具有良好耐蚀性的主要元素。

铁素体不锈钢中，随铬量的增加对钢的组织的主要影响是加速α'相和σ相的形成和沉淀并使钢的铁素体晶粒更加粗大。

这些因素反映在对铁素体不锈钢性能的影响上，主要是脆化倾向的增加。

表3-2和图3-21~图3-22指出了一些试验结果。

前面已述及σ相的析出将降低铁素体不锈钢的耐蚀性，而α'相的沉淀在一些介质中，同样显著降低钢的耐蚀化（图3-23）。

在铁素体不锈钢中，即使在正常状态下的退火态。

随铬量地增加，钢的韧性也下降。

特别是当铬含量＞15％~16％后，其韧性的下降更加明显（图3-24）。

与此同时．随铁素体不锈钢中铬含量的增加，钢的脆性转变温度也显著上移（图3-29）。

研究含铬量对铁素体不锈钢抗拉强度的影响，其结果表明，含铬量在~25％以下，随铬量增加，钢的强度下降；而当高于~25％后，则铬量增加，钢的强度稍有提高（图3-25）。

这种现象一般解释为．Cr＜~25％时，随铬量增加，纯铁素体组织抑制了马氏体的形成；Cr＜~ 25％后，随铬量增加，铬的固溶强化作用而使钢的强度提高。

铬是不锈钢获得不锈性和耐蚀性的最主要的元素，在铁素体不锈钢中也不例外，铁素体不绣钢在氧化性介质中，铬能使不锈钢表面上迅速生成氧化铬（例如Cr2O3）的钝化膜，这层膜是非常致密和稳定的。

即使一旦被破坏也能迅速修复。

不同含铬量的Fe-Cr合金在H2SO4介质中的阳极极化曲线以及腐蚀电位E，临corr界钝化电位E与铬含量的关系分别示于图3-27和图3-28中。

这些曲线说明以p下问题。

①铬的腐蚀电位比铁更负．钝化能力较铁更强。

随Fe—Cr合金中，铬量的增加，合金的腐蚀电位和临界钝化电位均逐渐向负电位方向移动。

合金的临界钝（活性溶解时的最大电流密度）逐渐减小，这表明Fe-Cr合金中化电流密度iPP铬量越高则越易钝化；②由图3-28中可知，当合金中的铬量为10％~13％时，临界钝化电流曲线（E曲线）在虚线区出现了由活性态到钝化态的过渡阶段。

当铬含量超过13％p时，合金进人了钝化态。

在25℃1M硫酸中，在稳定钝化区Fe—Cr合金维持钝态即钝态下的腐蚀电流），随合金中铬量的增加而逐渐减小，合金也就越电流（iP耐蚀。

③在活性溶解区，由于腐蚀电位随合金中铬量增加而向负电位方向移动。

所以Fe-Cr合金的活性溶解（即腐蚀）速率随合金中铬量增加而升高。

从图3-29的实验结果可以看出（图中加入了设想的阴极极化曲线，曲线Ⅰ代表了在盐酸或稀硫酸中的氢去极化过程，曲线Ⅱ代表在硝酸中的氧去极化过程。

）可以看出，在10％硫酸或盐酸中，除含铬量很高的合金外．合金在阴极、阳极极化物曲线均交于阳极曲线的溶解段，如曲线上1，2，3，4……，铬含量越高，腐蚀电流密度越大。

含铬~24％的合金，依腐蚀的具体条件而定，曲线若交于活性溶解段则腐蚀甚大，而若交于钝化区、则腐蚀很小。

当铬含量＞24％时，阴极极化曲线就交于钝化区，合金则具有耐蚀性。

在10％硝酸中，阴极、阳极极化曲线相交于图中1，2，3，4，点，腐蚀电流随合金中铬量的增加而显著减小。

当含铬量在13％以上时，曲线交于钝化区，则合金耐蚀。

图3-30系铬对铁素体不锈钢耐一般（全面）腐蚀性能的影响。

可以看出，在具有氧化性的酸介质中，例如HNO3中，随铬量增加，钢的耐蚀性显著提高，在稀H2SO4、稀HCl等还原性酸介质中则随钢中铬含量的提高耐蚀性下降。

而当向H2SO4等还原性介质中加人强氧化剂时，则随铬量的提高钢的耐蚀性就会显著提尚（图3—31），这与强氧化剂的存在促进了铬的钝化有关，图3-31中含铬~12％时的腐蚀速度达6000mm/a，而当铬量≥25％时，由于钝化，合金的腐蚀的速度则趋于零。

国内在湿法磷酸条件下（90℃，70％H3PO4十4％H2SO4十0.5%硫酸铁十0.5％F十60ppmcl-）研究了铬、钼含量对铁素体不锈钢耐蚀性的影响，部分结果见表3-3。

结果指出，铬是铁素体不锈钢耐湿法磷酸腐蚀最重要的合金元素；在试验条件下显著提高铁素体不锈钢耐蚀性的铬量应＞25％。

采用X射线光电子语仪（XPS）进行表面膜分析的结果表明，铬的有效作用在于形成致密且稳定的Cr2o3；氧化膜且富集于膜的内层处。

铬在铁素体不锈钢中，对钢的耐点蚀．耐缝隙腐蚀性能有重要的影响。

一般说来，随钢中铬量的增加，铁素体不锈钢耐点蚀，耐缝隙腐蚀性能提高。

图3-32~图3-33和表3-4系一些试验结果。

正是由于这个原因，许多高铬铁素体不锈钢常常用于耐氯化物的点蚀和缝隙腐蚀而代替价格昂贵的高Cr—Ni奥氏体不锈钢。

铬在铁素体不锈钢中，随钢中铬量的提高，钢的晶间腐蚀敏感性降低。

图3-34系有关的示意图。

铬对铁素体不诱钢耐应力腐蚀性能的影响．随钢中化学成分的不同和试验条件的差异，其结果亦异，在沸MgCl2溶液中。

不同应力下研究不同铬量的铁素体不锈钢的腐蚀形态的变化的结果表明，在高应力下（即外加载荷接近钢的断裂强度时），铁素体不锈钢产生晶间应力腐蚀断裂，且此种倾向随钢中铬量的提高而降低（图3-35）；当外加载荷有所减小时，铁素体不锈钠就会产生点蚀和细微的穿晶应力腐蚀裂纹，而且这些穿晶应力腐蚀裂纹系滑移带优先溶解的结果。

在σ时，研究250~650℃时效后，钢中10％NaCl水溶液中，当外加应力为0.9-1.0S铬量对铁素体不锈钢应力腐蚀行为的影响，得到了图3-36的结果。

显然，随钢中铬量增加，钢的耐应力腐蚀性能下降。

若根据此结果，高铬（Cr22％-26％）铁素体不锈钢在含有NacI的水溶液中的使用温度不应高于250℃。

图3-36中Cr 降低钢的耐应力腐蚀性能主要是由于铬量的提高加速了250~650℃时效后α'相沉淀的结果。

1.2 钼的影响钼是铁素体不锈钢中仅次于铬的重要元素。

铁素体不锈钢随钼量的提高，钢更易就得纯铁素体组织；更加促进α'相、σ相，特别是χ相的析出；通过固溶强化使铁素体不锈钢的硬度、强度提高，塑性下降；进一步提高铁素体不锈钢的脆性转变温度和缺口敏感性，降低钢的韧性，钼在铁素体不锈钢中最重要的作用是提高钢的耐蚀性．特别是钼的耐点蚀，耐缝隙腐蚀等性能。

表3-1中已经指出了钼含量对18％Cr和20％Cr二种铁素体不锈钢中σ相，χ相析出温度和时间的影响。

可以看出，钼在含铬20％的高纯铁素体钢中，仅对χ相的析出有促进作用，而对含铬18％的工业纯铁素体不锈钢，对χ相和对σ的析出均有促进作用。

含钼量高达5％的高纯20％Cr铁素体不锈钢仅发现有χ相而并无σ相存在，这说明钢中钼量更有利于钢中χ相的形成。

图3-37中指出了Mo对铁素体不锈钢脆性转变温度的影响。

可以看出，对于含铬25％的铁素体不锈钢而言．无论是C十N≤0．019％的高纯钢。

还是C十N ≤0.08％的非高纯钢，含钼量在~2％以下，对钢的脆性转变温度似无显著影响，含钼量再高．Mo提高钢的脆性转变温度的作用才较明显的显示出来。

向高纯铁素体不锈钢中加入Mo能显著提高调的硬度（图3-38）。

Mo的强化效果似远大于铬量的提高。

向铁素体不锈钠中加入Mo，主要目的是提高钢的耐蚀性。

钼能促进Fe-Cr 合金的钝化，从而使铁素体不锈钢在还原性介质中的耐蚀性提高。

图3-39系Mo 对Fe-Cr合金腐蚀—电化学影响的试验结果：表3-5则系公1NH2S04和1NHCl 中的试验结果。

可以明显看出钼的有效作用。

一些试验还指出，向Crl7％~18％的铁素体不锈钢中加入2％~3％Mo，可使此钢耐常压下任何浓度醋酸的腐蚀。

向铁素体不锈钢中加入 Mo显著提高钢的耐点蚀性能。

表3-6和表3-7，图3-40~图3-42系—般的腐蚀试验和电化学试验所取得的一些结果。

大量的试验结果还表明，向铁素体不锈钢中加入钼，—般随钼量增加，钢的耐点蚀性提高且当Mo≥~2％后便且合比较明显的效果。

虽然在有些腐蚀环境中，铁素体不锈钢中不含钼．即使钢中铬量高也很难获得满意的耐点浊性，但是钼在铁素体不锈钢中具有良好耐点蚀作用的前提是钢中必须含有足够量的铬。

一般说来．钢中铬量越高，钼提高钢的耐点蚀性的效果越明显。

研究表明．钼在铁素体不锈钢中其耐点蚀的能力相当于铬的~3.0倍。

因此人们常常用铁素体不锈钢小Cr％十3x Mo％（或3.3x Mo％）的量来表征该钢号的耐点蚀力量。

此当量值越高，则此铁素体不锈钢的耐点蚀能力越强。

向铁素体不锈钢件加入钼，同样显著提高钢的耐缝隙腐蚀性能。

其特点与钼对铁素体不诱钢耐点蚀性能的影响基本一致。

表3-8和图3-43~图3-44系部分试验结果。

关于钼对铁素体不锈钢耐应力腐蚀性能的影响，则随铁素体不锈钢的化学成分和试验条件的不同，其所得结果亦异。

从表3-9的结果可知，向钢中加人Mo，使16％Cr铁素体不锈钢冷轧态的应力腐蚀敏感性提高。

当钢中含有Ni时，Mo 的有害作用更加明显。

图3-45同样指出了Mo对含Ni1％的17％Cr铁素体不锈钢的不良影响。

但是，由于钼能显著提高铁素体不锈钢的那点蚀，耐缝隙腐蚀性能，因此。

当应力腐蚀系以点蚀或缝隙腐蚀为起源时，含钼的铁素体不锈钢应该比不含钼或低钼钢具有更好的耐应力腐蚀性能。

1.3碳和氮的影响总的说来，在铁素体不锈钢中，碳和氮是不受欢迎但又没有办法完全避免的重要元素。

碳和氮之所不受欢迎是因为铁素体不锈钢中碳和氮，除了能使钢强化外，铁素体不锈钠性能上的几乎所有缺点，例如，脆性转变温度高，缺口敏感性大，焊后耐蚀性下降等都与钢中的碳、氮有关。

碳和氮之所以没有办法完全避免是因为大气中含有很高的氮，且炼钢用原材料铬、废钢等中也都含有碳。

在冶炼过程中虽然能够去除部分或大部分钢中的碳和氮。

但若要完全去除则是非常闲难的，且钢中碳、氮越低，铁素体不锈钢的成本也就越高。

70年代以来，出现了工业生产的低碳、氮和超低碳、氮的高钝（C+N≤150ppm）铁素体不锈钢，研究和实践表明，虽然铁素体不锈钢的一些不足获得了很大程度的克服，但并未从根本上解决。

由于碳和氮都且强烈形成并稳定奥氏体，扩大Fe-Cr合金小γ区的元素，因αγ两相区向更高铬量的方向移而，碳和氮对铁素体不锈钢组织的重要影响使+动。

从而使含碳、氮量较高的铁素体有可能出观铁素体+马氏体（奥氏体）双向结构。

从图3.2~3.3中可知，当钢中碳含量为0.013%，氮含量为0.015%时，两相区铬含量在11.5%~17%；而C0.04%，N0.03%时，两相区铬含量可达~12%；碳、氮量更高时，两相铬量区可高达26%。