合金元素对马氏体铬镍不锈钢组织和性能的影响

合金元素对马氏体铬镍不锈钢组织和性能的影

响

1.1 镍的影响

（2）镍对钢的组织结构的影响

图2-28 镍对0.04C-18Cr钢Ms温度的影响

αγ相区，有可能使低碳的铁一铬合金具由于镍扩大铁一铬合金的γ区相和+

有淬火能力、或者由于镍的存在可使低碳（＜0.15％）马氏体铬不锈钢的铬含量向更高的水平推移，提高了钢的耐蚀性。从而解决了马氏体铬不锈钢为提搞其耐蚀性以损失钢的硬度为代价的难题。在马氏体格镍不锈钢中的镍含量不能过高，否则由于镍扩大γ相区和降低Ms温度〔见图2-28）的双重作用，将使钢成为单相奥氏铁不锈钢而丧失淬火能力。镍的另一重要作用是降低钠中的δ铁素体含量，在所有合金元素中其共效果最好，见图3-29。在特定的碳、铬含量条件下，这一作用可使钢获得满意的相变效果和最大硬度值。

图2-29 合金元素对0.1C-17Cr钢 铁素体数量的影响（2）镍对可淬性的影响

镍提高钢的淬透性和可淬性，对于低碳、高铬的铁一铬合金，添加适量的镍可恢复其淬火能力而成为马氏体不锈钢，见图2-30和图2-31。由图可知，对于含碳0.21％-0.24％，含铬近于20％的钢、如果不含镍，则失去了淬火能力；含2%~4％Ni使该合金恢复淬火能力；过高的镍将使钢变成奥氏体组织而失去可淬性。在沉淀硬化不锈钢中．钢的硬化特性与镍含量间的关系见图2-32，为了得到满意的硬化效果，应选择最佳镍含量。马氏体不锈钢的回火稳定性是钢的重要性能．镍的加入提高了马氏体不锈钢的回火稳定性，见图2-33。可见，少量的镍即可有效地降低回火的软化程度。

图2-31 镍对0.1C-17Cr钢硬化特性的影响

图2-32 不同碳含量的马氏体沉淀硬化不锈钢的硬化特性和镍含量之间的

关系

（3）镍对力学性能的影响

在马氏体不锈钢中、镍促进了钢的马氏体转变，伴随这种作用，镍使钢的力学性能得到改善。镍对含0.1%C和10％~20％Cr钢力学性能的影响见表2-3至表2-5。在Cr-Co-Mo沉淀硬化不锈钢中，镍对力学性能的影响见图2-34。对力学性能影响的最佳镍含量为18％左右。在其基础上，增加镍含量，则屈服强度下降；降低镍含量．随之伸长率受到损失。对于其他体系的马氏体沉淀硬化不锈钢，均可寻求相应的最佳镍含量，它同时受钢中的其他合金元素所制约（见图2-32）。

表2-6为镍含量对铸造马氏体时效不锈钢力学性能的影响。6％~8％Ni仍使钢正火状态下具有完全马氏体组织。但5％Ni钢的冲击韧性太低，随着镍含量的提高，钢的强度利韧性均得到改善。高于8％Ni时，由于形成复杂的马氏体和奥氏体混合组织，反而使强度和韧性降低。

（4）镍对时蚀性能的影响

镍提高铁一铬合金的钝化倾向．因此改善了钢在还原性介质中的耐蚀性。在室温（30℃）5％H2SO4中的试验结果指出．对于不同铬含量的Fe-Cr合金，随钢中镍含量增加．耐蚀性随之提高，拐点出现于10％Ni，在马氏体不锈钢的镍含量范围内，亦显示出镍的良好作用。见图2-35。在气蚀条件下，镍明显地改善了13％Cr马氏体不锈钢耐气蚀性能．含2％Ni的钢较含1％Ni的钢耐气蚀性

能约提高3倍（图2-36）。因此提高在流动的含泥沙水中的耐磨烛性能。

1.2 钼的影响

在马氏体镑镍不锈钢中，钼的加入主要是增加回火稳定性和强化二次硬化效应．同时增加钢的强度，而韧性并不降低，见图2-37和图2-38。对于12％Cr 马氏体不锈钢，钼的加入既提高了强度又提高了回火稳定性。钼改善回火稳定性的机制．主要是钼的加入形成了细小的密排立方M2X相，增加了二次硬化效应。在过时效的情况下，由于钼合金化的M2X具有极高的稳定性，减缓了由M23C6碳化物取代的过程，使钢的回火稳定性增加。在马氏体铬镍不锈钢中钼的含量通常在0.5％~4％范围内变动，过高的钼将促进δ铁素体的形成，对钢将带来不利影响。

在沉淀硬化不锈钢中，钼的主要作用足改善耐蚀性、低温力学性能、高温强度和回火稳定性。钼对Fe-Cr-Ni系沉淀硬化不锈钢硬度值的影响见图2-39。显然，2％左有的钼可使钢在不同固溶处理条件下经冷处理均保持较高的硬度。钼含量超过一定值后，由于δ铁素体量增加，硬度开始下降。在以Fe2Mo Laves相和由Fe-Mo-Cr系构成的χ相等金属间化合物强化的低碳的Cr-Mo-Co系沉淀硬化不锈钢中，随钼含量的提高，钢的室温强度和高温强度均随之提高，见图2-40。

由于钼是铁素体形成元素并降低Ms点，因此在使用时必须连同其他合金元素一并考虑。

1.3铝的影响

铝是铁素体形成元素，促进铁素件形成能力约为铬的2.5~3.0倍。铝在马氏体不锈钢中主要作用是起时效强化作用，并提高回火稳定件和增强二次硬化效应，见图2-41。对于17Cr-4Ni-3Mn钢的研究指出，在两种原始条件下，再经不同温度（400~500℃）时效，显示出铝具有良好的二次硬化效果，见图2-42。

1.4铜的影响

铜是一种奥氏体形成元素，其能力远低于镍，约是镍的30％。在普通铬镍不锈钢中，铜可以改善耐蚀性，尤其是改善在还原性介质中的耐蚀性；但铜的加入将使钢的热加工性能变得困难。在马氏体沉淀硬化不锈钢中，铜的作用主要是引起二次硬化效应．对于12Cr-2Ni钢回火特性的影响见图2-43。在高铬的合金中，铜具有相似影响。见图2-44。研究结果表明，铜对马氏体硬度没有明显影响，而对二次硬化效应具有显著影响．但过时效出现的比较迅速。二次硬化效应是形成了细小弥散的M2X相，对于高铜合金钢在高的回火参数下出现的高硬度值，除沉淀粒子作用外．铜的固溶强化也是一个重要因素。

1.5 钴的影响

钻的作用类似镍．是一种奥氏体形成元素，在马氏体铬不锈钢中．钴的加入尽管提高了回火稳定性，但对二次硬化没有明显影响。对12％Cr马氏体钢的研究结果表明，钴增加了马氏体本身的硬度、主要是固溶强化的效果，而二次硬化效果不显著，见表2-7。对17Cr-4Ni钢中。也未见钴的二次硬化效果。然而

在17Cr-4Ni-2Mo钢中，钴具有显著的二次硬化效应，见图2-45；随着钴含量增加，硬化效果随之增加，而且在500℃时效50h也未出现过时效现象。对于含铬30％的钴其最佳时效温度为450℃，见图2-46。钴对含钼钢的二次硬化效应的机理尚在进—步探讨，据日前的研究认为。钴的加入降低了钼在基体中的溶解度，促进了含钼的特殊金属间化合物的沉淀，如Laves和Fe-Cr-Mo系的 相等，由于钴的价格昂贵，仅限于一些特殊用途的钢中采用。

650℃回火1h

1.6 碳和氮的影响

碳对马氏体铬镍不锈的影响类似于马氏体铬不锈钢。随着碳的增加。钢的强度和硬度随之很高，但带来耐蚀性性下降、韧性降低，焊接困难等不利影响。为了获得强度、韧性、耐蚀性良好的综合性能，马氏体铬镍不锈钢的碳含量一般不超过0.2％，沉淀硬化不锈钢的碳含量大多＜0.1％，马氏体时效不锈钢的碳含量＜0.03％。碳含量＜0.03%的超低碳马氏体时效不锈钢具有良好的耐蚀件和韧性，通过时效硬化可获得高的强度。

氟的影响类似于碳，但对耐蚀性不产生有害的影响，在某些条件下氯可提高耐蚀件。氟对马氏体铬镍不锈钢的强化效果高于碳，是一种廉价的强化元素。根据当前的冶炼水平，可克服氯含虽不易控制的问题。因此，合理利用氮元素，应该引起重视。

2.7 钛的影晌

钛对马氏体铬镍不锈钢的影响类似于铝。在马氏体时效不锈钢中常常使用，适量的钛具有显著地时效强化作用，但过高的钛将降低钢的冲击韧性和塑件。对于≤0.03％C-11％Cr-（9~10）％Ni-2％Mo钢，随铁含量的提高，在时效状态下钢的强度增加而冲击值下降。然而在0.7％~1.1％Ti的含量范围内，在时效状态下，钢的强度可达1470~1615MPa，同时具与较高的冲击值，见图2-47。

过高的钛含量特使钢的裂纹敏感性提高，即提高钢的脆性破断倾向。对

2.5x10mm的板材，带有不同长度（深度为长度的30％~40％）的疲劳表面中心裂纹的拉伸试验表明，当钛含量1.08％以下时，最长裂纹试样的强度与光滑试样相同。高于1.08％Ti，在时效状态下，钢的裂纹敏感性急剧增加，见图2-48。

铁素体不锈钢