各种合金元素对不锈钢锻件组织和性能分别有什么影响?

      不锈钢锻件中主要合金元素铭(Cr)、镍(Ni)、硅(Si)、锰(Mn)、钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)、氮(N)、钛(Ti)、锃(Nb)和碳(C)等元素。
一. 铬、硅、铝对不锈钢锻件组织和性能的影响
       铬、硅、铝是形成铁素体的元素，是不锈钢获得耐腐蚀性能的主要合金元素。铬是不锈钢锻件最主要的合金元素。铬还是很强的铁素体形成元素，当含量超过12.7%时，铁铬合金完全变成单相组织。更重要的是，能在钢的表面生成一种与基体组织牢固结合的(FeCr)₂O₃致密的氧化膜，起强烈的钝化作用；又能提高钢在电介质中的电极电位，从而使钢的化学稳定性得到提高。由于以上原因，不锈钢多为高铬钢，含量都在13%以上。硅和铝同样能使钢在氧化性介质中生成致密的保护膜，其中铝的作用比还强烈。在奥氏体型耐热钢中，这些元素均能提高其抗氧化性。在18-8型不锈钢中，当硅的质量分数从0.4%提高到2.4%时，钢在980℃时抗氧化性能提高22倍。如果硅含量过高，会严重恶化稳定奥氏体型钢的焊接性，故必须严格控制硅在钢中的含量。铝在沉淀硬化型不锈钢中，可以提高其室温和高温的强度。
二. 镍对不锈钢锻件组织和性能的影响
       镍是扩大奥氏体区的元素，在不锈钢中多与配合，以获得奥氏体-铁素体双相组织或单相奥氏体组织，使钢具有更好的耐蚀性和良好的成形性能及焊接性能。镍能使合金表面钝化，扩大钢在酸中的钝化范围，但不能改善其对稀硝酸的耐蚀性。它能提高不锈钢抗硫酸、盐酸等腐蚀介质的性能，是耐蚀钢的主要合金元素。如果单独使用镍作为不锈钢的合金元素，其质量分数要高达24％才能得到全奥氏体组织，而在低碳不锈钢(wcr>17%)的基础上，加入质量分数为9％的镍，即可获得耐蚀性好、综合力学性能好的室温下稳定的奥氏体组织，既能满足钢的耐蚀性要求，又能提高钢的高温强度和抗氧化性能，成为一种具有良好综合性能的钢种。
三. 钼和铜对不锈钢锻件组织和性能的影响
       钼是形成铁素体的元素。在铬不锈钢中加入钼，可以提高钢在非氧化性介质中的稳定性。它的独特之处是能抵抗氯离子(Cl^-)产生的点腐蚀；同时也能提高奥氏体型钢的热强性，改善奥氏体钢短时塑性和持久塑性，对焊接有利。但是钳的加入将会缩小钢中奥氏体相区，使奥氏体型不锈钢中出现铁素体相。为此，在含的单相奥氏体不锈钢中，相应的奥氏体形成元素(如镍、锰、氮等)的含量应略有增加，目的是维持其全奥氏体组织。对于双相不锈钢，组促成铁素体，对提高耐点腐蚀性能和提高抗应力腐蚀性能都是有益的。但含量多则会降低奥氏体型不锈钢的韧性。
       铜可以提高钢对非氧化性介质的抗蚀能力，进一步扩大钢的稳定性范围。在络镍不锈钢中加入铜能促使钢产生弥散硬化组织，提高钢的热强性。与配合使用，可进一步提高铬镍不锈钢在稀硫酸中的耐蚀性能。列入我国国家标准的牌号有06Cr18Ni12Mo2Cu2和022Cr18Ni14Mo2Cu2 等。
四. 锰和氨对不锈钢锻件组织和性能的影响
       锰和氮，它们都是促进奥氏体形成的元素，其中氮比锰的作用更为强烈。为了节省昂贵的镍的用量，可用它们替代奥氏体型不锈钢中的一部分镍。锰和氮能大大提高不锈钢在有机酸中的耐蚀性。
       这类钢列入我国国家标准的牌号有12Crl7Mn6Ni5N(1Cr17Mn6Ni5N)和12Cr18Mn9Ni5N(1Cr18Mn8Ni5N)。当锰含量过高时，对含铬量较低的不锈钢的耐蚀性不利，还会使锻钢件产生气孔，同时增加材料或接头的硬度，给冷加工带来困难。氮与碳共同作用能提高奥氏体型钢的热强性，氮的强化作用在于时效过程中形成氮化物和碳氮化物。
       氮对双相不锈钢有重要作用：在焊接接头热影响区快速冷却时，氮促进了高温下形成的铁素体逆转变为足够的二次奥氏体以维持必要的相平衡，提高了接头的耐蚀性；氮可以提高富氮奥氏体相的耐孔蚀能力，与富铬、钼的铁素体相取得平衡，提高了材料整体的耐孔蚀性能；氮能减轻、镍等元素在两相中分布的差异，降低选择腐蚀的倾向性。
五. 钛和铌对不锈钢锻件组织和性能的影响
       钛和铌，它们与碳的亲和力比大，能优先形成稳定碳化物，减轻晶间腐蚀倾向。
       在镍不锈钢中，当钛的加入量大于碳含量的5倍，或者铌的加入量大于碳含量的8倍时，可以使绝大部分的碳存在于钛或铌的碳化物之中，因而使固溶碳的质量分数降到0.03%以下，这就能保证铬在钢中的有效固溶浓度。由于铬在钢中的有效固溶浓度得到保证，从而改善钢的抗晶间腐蚀能力。铌的质量分数达到0.5%～2.0%，既能提高奥氏体钢的热强性，又能提高钢的持久塑性。铌在含碳量较低的奥氏体钢中会促进近缝区和焊缝金属产生裂纹，在铬镍奥氏体钢中钯的质量分数应控制在1.0%范围内。这类钢列入我国国家标准的牌号很多，如06Cr18Ni11Ti和06Cr18Ni11Nb等。
六. 碳对不锈钢锻件组织和性能的影响
       碳是奥氏体形成元素，碳对提高奥氏体钢耐热强性有益，但碳对不锈钢的耐蚀性不利，这是因为碳是一种强烈的碳化物形成元素，在不同温度段，它与能生成多种化合物，如Cr₂₃C₆，Cr₇C₃和Cr₃C₂，(Fe, Cr)₂₃C₆。但前两种不可能在不锈钢中出现。碳在不锈钢中大多数情况下形成(Fe,Cr)₂₃C₆混合碳化物，即M₂₃C₆。在高碳的铸造耐热钢中，共晶碳化物多出现在晶间或枝间，二次碳化则在晶内和晶间都有。在铁素体不锈钢或镍奥氏体不锈钢中，若碳在过饱和情况下，受到适当温度加热，则会发生碳化物M23C6分析出。这些固溶体层的铬碳化合物最易在晶界处生成。若条件适当，当加wcr<12%时，晶粒边界会出现贫铬，即减少了晶界的有效含量，导致钢的耐腐蚀性能降低——产生晶间腐蚀。因而碳是降低耐腐蚀性的一种有害元素，不锈钢若以耐腐蚀为主要目的时，不锈钢碳的含量愈少，耐腐蚀性愈好。在我国不锈钢的牌号中，wc≤0.08%或≤0.06%的，称之为低碳不锈钢，例如：06Cr19Ni10。wc≤0.03%的称之为超低碳不锈钢，例如：022Cr19Ni10。
       上述合金元素对钢的作用不是简单的叠加，也不是相互抵消的。它们相互之间有时会发生新的物理化学作用，往往会引起强化力学性能的作用。各种合金元素对不锈钢组织的影响基本上分三大类：第一类是形成铁素体的元素，有铬、硅、铝、钼、钛、铌等；第二类是形成奥氏体的元素，有碳、氮、镍、锰、铜，其中碳和氮的作用程度最大；第三类是形成碳化物的元素，有铝、钛、碳、铭、钨、锰、钼等。加入铜、铝、钛、呢、氮等元素能促使钢产生弥散硬化，从而提高钢的热强性。