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【摘要】不銹鋼具有良好的耐腐蝕、可焊接性及易加工性能，在各工業部門及日常生活中已得到廣泛應用。不銹鋼的優異性能主要與其中的合金元素有關，通過改變不銹鋼的成分，可得到具有不同組織和性能的不銹鋼。介紹不銹鋼材料中常用的合金元素及其作用，并對不銹鋼中合金元素的發展現狀進行綜述，最后對不銹鋼中合金元素的研究前景進行展望。

【關鍵詞】不銹鋼；合金元素；作用及其概況

1前言

不銹鋼是鉻含量大于10.5%（質量分數，后面無特別說明均為質量分數），且具有不銹性和耐酸性能的一系列鐵基合金的統稱，大量的合金元素結合后續的熱處理工藝可獲得不同的組織和性能，按鋼中的組織結構分類可分為馬氏體、鐵素體、奧氏體、奧氏體+鐵素體雙相和沉淀硬化不銹鋼五種類型。因不銹鋼具有高強度、耐腐蝕性、可焊接性及易加工等一系列優異性能，被廣泛應用在航空、化工、汽車、食品機械、醫藥、儀器儀表、能源等工業及日常生活當中，而不銹鋼的優異性能主要取決于鋼中的成分及其組織，所以不銹鋼的成分、析出相及組織的研究一直是不銹鋼研究的重點。本文主要介紹了不銹鋼中的主要合金元素及其作用，并就其研究概況進行了論述。

2不銹鋼中主要元素的分析

不銹鋼中含有大量的合金元素，主要有Cr、Ni、Mo、Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb、Al、W等。合金元素對鐵的同素異構轉變的影響是不同的，有的與鐵相互作用擴大γ區，有的則相反，縮小或封閉γ相區。據此可將合金元素分為兩大類：將擴大γ相區的元素稱為奧氏體形成元素；將縮小或封閉γ相區的元素稱為鐵素體形成元素。

3不銹鋼中合金元素的作用

3.1奧氏體中合金元素的作用奧氏體形成元素主要有C、N、Ni、Mn和Cu等。

3.1.1碳、氮元素的作用碳和氮都是強烈形成并穩定奧氏體的元素，碳氮元素容易與其它合金元素以碳、氮化物的形式析出，所以碳氮含量的增加，會使得不銹鋼的強度提高，但是沖擊韌性下降，韌脆轉變溫度上升。Zheng等人[1]研究了碳含量對熱軋低碳12Cr-Ni不銹鋼的組織及性能的影響。研究發現，隨著含碳量由0.004%增加到0.034%，不銹鋼的強度、硬度增加，伸長率和沖擊韌性下降。當含碳量為0.004%時，沖擊韌性最好。另外，碳元素的存在，過飽和的碳將以碳化物形式析出，造成臨近區域貧鉻，使得奧氏體不銹鋼具有較高的晶間腐蝕敏感性。氮在不銹鋼中的普遍且大量應用是近十多年不銹鋼材料領域最重大的發展。氮在鐵素體不銹鋼中是有害的，它提高鐵素體不銹鋼的脆性轉變溫度。氮元素在奧氏體不銹鋼中可以部分替代鎳元素以節約鎳，同時起到固溶強化的作用，可顯著提高奧氏體和雙相不銹鋼的室溫和高溫強度，氮還可以起到提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能。郎宇平[2]研究發現，氮和適量的鉻、鉬結合，可以顯著提高奧氏體不銹鋼的耐點腐蝕和耐縫隙腐蝕的能力，且隨氮含量增加，奧氏體不銹鋼耐點腐蝕和耐縫隙腐蝕能力也增加。然而當鋼中含氮量超過某一定量，將對不銹鋼的性能產生某些不良影響。

3.1.2鎳元素的作用鎳可以提高鐵素體不銹鋼的強度、韌性及耐腐蝕性能，但是對于鐵素體不銹鋼的耐氯化物應力腐蝕性能而言，鎳的加入是有害的。Azuma[3]研究了鎳對含25%Cr、3%Mo不銹鋼的耐縫隙腐蝕的影響，研究發現含鎳的鐵素體不銹鋼在海水中的耐腐蝕性能優于不含鎳的鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼，結果顯示，在鐵素體不銹鋼中添加鎳有利于降低鈍化pH值和降低縫隙處在酸性氯化物溶液中的溶解速度。對于奧氏體不銹鋼，在可能發生馬氏體轉變的鎳含量范圍內，隨著鎳含量的增加，鋼的強度降低而塑性提高。但是，鎳含量的增加會導致奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕敏感性增加。梁成研究發現304不銹鋼在0.3%NaCl水溶液中，隨著鎳含量增加，鈍化電流密度降低，改善了縫隙腐蝕性能。雖然鎳系不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，但是由于鎳元素價格昂貴，研究一種以錳、氮等元素取代鎳元素的低鎳或無鎳不銹鋼以降低成本具有很大的實用價值。

3.1.3錳元素的作用在不銹鋼中，錳作為脫氧元素而殘留在鋼中，錳的重要作用之一體現在節鎳不銹鋼和高氮不銹鋼中，錳代鎳節約鎳資源，同時增加氮的溶解度和提高強度。在奧氏體不銹鋼中，質量分數在2%以內的錳對硬度影響可忽略，抗拉強度和屈服強度卻隨錳含量增加而下降。錳的另一重要作用是形成MnS，抑制硫的有害作用，改善高鉻鎳奧氏體不銹鋼的高溫熱塑性。在耐蝕性方面，錳的增加會使不銹鋼的耐腐蝕性能下降。適量的錳是有益的，特別是和氮的結合使用以節約稀貴金屬鎳，以降低成本，但是若添加的量過多，將使不銹鋼的耐蝕性和塑韌性下降。

3.1.4銅元素的作用在不銹鋼中加入一定數量的銅可改善鋼的耐蝕性、力學性能、冷成形性能和切削加工性能。另外，銅的添加還能增加不銹鋼的抗菌性能，通過對317L不銹鋼、317L-Cu（4.5%）和Ti-6Al-4V三種材料在植入過程中的抗菌能力進行研究。結果表明，317L-Cu（4.5%）的體內、體外抗菌性和生物相容性強，可作為生物材料以減少植入物相關感染，富銅的金屬間化合物的彌散析出，是不銹鋼獲得表面抗菌性的原因。銅元素添加的不利一面是隨鋼中含銅量的增加，不銹鋼的熱塑性降低，從而影響鋼的熱加工性能。

3.2鐵素體中合金元素的作用

鐵素體形成元素主要有：Cr、Mo、Si、Al、Ti、Nb、V等。

3.2.1鉻元素作用鉻元素是不銹鋼中最重要的元素之一。在鐵素體不銹鋼中，隨鉻含量的提高，將引起475脆性和加速σ相的形成，沖擊韌性下降；當鉻的質量分數在25%以內時，隨鉻含量的增加，鋼的強度下降，當鉻的質量分數大于25%時，隨鉻含量的增加而稍有提高。在奧氏體不銹鋼中，鉻和鎳的交互作用形成穩定的奧氏體組織，在單一奧氏體不銹鋼中，鉻含量對力學性能不會產生明顯影響。當鋼中存在鐵素體相或出現σ相時，隨鉻含量的提高，將引起鋼的強度提高，塑韌性下降。Jang[4]等研究了鉻含量對含0.13%氮的CD4MCU鑄造雙相不銹鋼拉伸和腐蝕性能的影響。研究結果顯示，隨著鉻含量由23%上升至28%，不銹鋼在3.5%+5%H2SO4水溶液的耐蝕性和耐應力腐蝕開裂性能相應增加。

3.2.2鉬元素的作用鉬是廣泛用于不銹鋼中的重要合金元素，研究已證實，在海洋性大氣中，僅靠鉻，甚至鉻含量高達24%也很難完全防止不銹鋼的銹蝕，必須加入鉬元素。但相對不銹鋼耐蝕性的有益作用的前提是鋼中必須含有足夠量的鉻元素。而且，隨著鋼中鉻含量提高，鋼中鉬的有益作用也會顯著增加。對于鐵素體不銹鋼，鉬能顯著提高其硬度，且鉬含量小于2%時，對脆性轉變溫度未產生明顯影響，此后，隨鉬含量的提高，脆性轉變溫度顯著上升。對于奧氏體不銹鋼，鉬具有明顯的固溶強化效果。鉬元素還能夠提高不銹鋼的耐腐蝕性能，但是鉬對鐵素體和奧氏體不銹鋼的耐應力腐蝕性能有害。國外相關專家研究了鉬含量對17-4PH不銹鋼抗應力腐蝕開裂的影響，適量的鉬元素有利于提高不銹鋼對應力腐蝕開裂的抵抗能力。

3.2.3硅元素的作用不銹鋼中添加適量的硅元素，可提高不銹鋼的抗氧化和抗硫化性能，賦予鋼在濃硝酸、濃硫酸等強氧化性介質中的優異耐蝕性，這與硅在不銹鋼表面形成富硅的氧化物保護膜有關。其不利影響是當硅含量在小于1.0%且屬于不銹鋼中正常含量時，會降低鉻鎳奧氏體不銹鋼的耐蝕性并顯著提高鋼的固溶態晶間腐蝕的敏感性，提高鐵素體不銹鋼的脆性轉變溫度，降低鋼的塑韌性及惡化鋼的熱加工性能。馬艷紅[5]研究了硅元素對19Cr-9Ni、16Cr-14Ni和14Cr-14Ni等不銹鋼耐蝕性的影響。研究發現，硅元素的添加對不銹鋼的耐蝕性是有益的，但是硅含量并不是越高越好，其最佳加入量為5%左右。隨著硅含量從1.01%增加至4.45%，腐蝕速率從1016mdd（毫克每平方分米/每天）下降至50mdd。

3.2.4鋁元素的作用作為合金元素，鋁的主要作用是時效強化、提高回火穩定性和增加二次硬化效應。喇培清研究了鋁對1Cr18Ni9不銹鋼組織和性能的影響。結果表明，通過降鎳增鋁，1Cr18Ni9不銹鋼的顯微組織由奧氏體向鐵素體轉變，基體組織中析出的金屬間化合物逐漸增加，其屈服強度、硬度、高溫抗氧化性都有大幅度提高，但是塑韌性逐步降低。孟倩[6]發現Al含量增加，合金的基體相由奧氏體相轉變為奧氏體＋鐵素體雙相組織，并出現少量的氮化物；隨Al含量增加，鑄態和固溶態的316L不銹鋼的屈服強度明顯增大、抗拉強度先減小后增大、硬度顯著增大，而伸長率降低。Al含量為1.5%的固溶態316L不銹鋼具有較好的綜合性能，和鑄態不加Al的316L不銹鋼相比，各項性能指標有了很大提高。

3.2.5鈦、鈮、釩的作用鈦和鈮在不銹鋼中的主要功能是細化晶粒和形成鈦、鈮的碳化物和碳氮化物，減少或避免有害的Cr23C6型碳化物析出，從而提高鋼的強度和耐蝕性，同時提高鐵素體不銹鋼的冷成形性能。另外發現添加較多的Ti可降低00Cr13Co9Ni5Mo5馬氏體時效不銹鋼基體組織中的有效C、N含量，大幅降低固溶、時效處理后殘余奧氏體含量，最終使冷脆轉化溫度顯著上升，在提高強度的同時降低了鋼的韌性。還對鈦含量對14Cr-15Ni不銹鋼的蠕變性能進行了研究。結果顯示，鈦含量分別為0.18%、0.23%、0.25%、0.36%的四種不銹鋼中，含量為0.23%時，不銹鋼的蠕變強度最高、持久壽命最長，原因是析出的TiC最多。鈮也是Cr系和Cr-Ni系不銹鋼的重要的合金元素之一，其用量僅次于鉬，且作用是多方面的，尤其在高溫領域中的耐熱不銹鋼更為重要，它可部分的代替價格昂貴的鉬。選取了兩種17%Cr超純鐵素體不銹鋼進行高溫時效試驗。結果表明，鈮的質量分數為0.2%時，鈮沒有明顯的強化作用，950高溫下晶粒迅速長大，高溫強度迅速降低；鈮的質量分數為0.4%時，在950高溫下時效，材料中析出彌散第二相粒子Fe2Nb，阻止晶粒長大，提高強度，防止高溫引起的材料軟化。釩元素作用與Ti、Nb類似，也是一種強碳氮化物形成元素，但其析出物形成溫度較低，在液相線以下，顆粒尺寸容易控制。通過對18Cr-2Mo鐵素體不銹鋼的研究表明，添加釩后的析出相主要是NbC和VN，彌散分布于晶內和晶界，其中NbC的尺寸為100～250nm。隨著釩含量的增加，試驗鋼的晶粒尺寸及屈服強度變化不明顯，而沖擊韌性及點腐蝕性能逐步得到改善和提高，當釩含量為0.36%時，鋼的韌脆轉變溫度由原始的-10下降至-30，點腐蝕電位由0.38V提高至0.42V。

4結語

在工程實踐中，進行不銹鋼成分設計應考慮性能、安全、成本、壽命等因素，通過合金元素的合理組合及后續熱處理等工藝手段，以達到預期目的。根據中國特鋼企業協會不銹鋼分會的最新統計數據表明，我國2016年前三季不銹鋼粗鋼產量1803.3萬噸，同比增幅11.43%，該數據與十年前相比，中國鐵素體不銹鋼的發展取得了巨大的成績，其在不銹鋼中的比例上升了20%，與此同時，馬氏體不銹鋼也取得了長足的進步，鐵素體、馬氏體不銹鋼的應用領域也逐漸擴展。但是，我們與發達國家相比，還存在較大差距，主要是使用比例較低，新鋼種開發較少，應用范圍較窄。我國鉻鎳礦資源貧乏，且鎳屬于稀貴金屬，所以今后的發展方向應該有以下兩點：在現有基礎上，繼續推動鐵素體不銹鋼等節鎳型不銹鋼的研發和生產，充分利用現有資源，采用其它種類的合金元素以節約稀缺資源，開發資源節約型不銹鋼，如利用錳、氮復合加入用來代替鋼中昂貴、稀缺的鎳；為了適應現代工業發展中的耐苛刻介質全面腐蝕的需求以及降低成本的需要，通過不銹鋼成分設計，加強超級不銹鋼成分、組織及性能的科學研究，推動超級不銹鋼的研發和生產。超級奧氏體不銹鋼是高端裝備制造業的關鍵材料，是金屬材料的“塔尖”部分，主要應用在石油化工、核電火電、清潔能源、船舶制造與海洋工程以及環保等領域。我國的高性能不銹鋼生產數量遠遠不能滿足國內需求，目前我國的需求和生產量還差的很遠。在世界前十名超級奧氏體不銹鋼生產企業中我國還沒有一家，這些都要靠我國的科技工作者和企業家共同努力來推動不銹鋼行業的發展。

作者：潘亞娟 單位：廣西科技大學鹿山學院機械工程系