不锈钢强度的影响

当铁-铬固溶体中铬的原子含量达到12.5%（1/8）第一个突变值时，基体在FeSO4溶液中的电极电位由-0.56V跳增至+0.2V，通常把12.5%的原子含量作为不锈钢的最低含铬量，换算成重量百分比则为： 12.5%×（铬原子量/铁原子量）=12.5%×52/55.8=11.65% 含铬低于11.65%的钢，一般不叫不锈钢。
铬提高钢的耐蚀性能的第二个原因是铁-铬合金钢在氧化性介质中极易形成一层致密的钝化膜（FeO.Cr2O3），这层钝化膜稳定、完整，与基体金属结合牢固，将基体与介质完全隔开，从而有效地防止钢进一步氧化或腐蚀。但在还原性介质中，这层膜有破裂的倾向。
一般说来，不锈钢的耐蚀性能和抗氧化性能是随铬含量的增加而增加的。从表1-2可以看出，铁-铬合金钢在海洋大气中的腐蚀随铬含量的增加而减少。图1-2显示铁-铬合金钢在1000℃时，氧化失重与铬含量的关系。
表1-2  铁-铬合金钢在海洋大气中腐蚀率与铬含量关系
铬含量，% 1 2 3 5 7 9 12 18.5
失重mg/dm2.24h 6.79 5.50 4.44 3.0 2.78 2.49 0.20 0.04
1.1.2 碳的双重作用
碳是不锈钢中仅次于铬的第二号常用元素，不锈钢的组织和性能在很大程度上取决于碳含量及其分布状态。
碳是稳定奥氏体元素，它对奥氏体的稳定作用很强烈，约为镍的30倍。图1-3显示碳对不锈钢奥氏体区的影响。在高温下处于α或α+γ相区的铬钢是不能或很难通过淬火得到马氏体组织的。以含铬13%的钢为例，碳含量小于0.08%时为铁素体钢，碳含量0.08%～0.15%时为半马氏钢，碳含量大于0.15%时为马氏体钢。
碳能显著提高不锈钢的强度，从2Cr13、3Cr13、4Cr13到9Cr18，钢的强度随碳含量增加逐级提高。在奥氏体钢中碳也是最有效的固溶强化元素。表1-3显示奥氏体钢抗拉强度和屈服强度随碳含量增加而上升。
                   表1-3  碳对18-8型不锈钢强度的影响
碳含量，% 屈服强度σ0.2，N/mm2 抗拉强度σb，N/mm2
0.020 176 589
0.065 250 627
0.14 304 706
0.21 333 745
0.305 358 797
不锈钢奥氏体化时碳的最大溶解度为0.50%，在冷却过程中碳的溶解度减少，不断析出，由于碳和铬的亲和力很大，它能与铬形成一系列复杂的碳化物，碳化物的类型因钢中铬含量的不同而异。含铬小于10%的钢，主要为渗碳体型碳化物（Fe.Cr）3C，高铬钢中的碳化物为复杂碳化物Cr7C3和Cr23C6。碳化物中的铬可以被置换，以（Fe.Cr）7C3和（Fe.Cr）23C6的的形式存在。不锈钢中的碳化物主要以（Fe.Cr）23C6形式存在。
碳与铬形成碳化物时要占用不锈钢中的一部分铬，以Cr23C6为例计算：
       Cr23C6:（铬原子量×23）/（碳原子量×6）=（52×23）/（12×6）≈17
不锈钢中的碳要与17倍的铬结合，生成碳化物，固溶体中的铬含量必然要减少，钢的耐腐蚀性能就要降低。如果形成碳化物后固溶体中的铬含量低于11.65%，就不能称其为不锈钢，模具钢Cr12和Cr12MoV就是一例。0Cr13～4Cr13五个牌号标准中规定含铬量为12.0～14.0%，就是考虑到碳要与铬形成碳化物确定的。
因为碳对耐腐蚀性能有不利的影响，奥氏体和铁素体钢很少采用碳来强化，其含碳量多在0.15%以下。马氏体钢的含碳量大多在0.10%～0.40%范围内。
1.1.3 镍是稳定奥氏体元素
镍是不锈钢中第三号常用元素，它在钢中起扩大奥氏体区、稳定奥氏体组织的作用。铬不锈钢中加入一定量的镍后，组织和性能都发生明显变化。如1Cr17为铁素体钢，热处理后抗拉强度在500N/mm2左右，加入2.0%的镍，变为1Cr17Ni2马氏体钢，淬火后抗拉强度达1100N/mm2以上。图1-4显示了含碳0.10%的钢，在不同铬含量下得到稳定奥氏体组织所需的镍含量。当铬为18%时，只需要8%的镍，常温下就能得到奥氏体组织，这就是18-8型不锈钢的来由。
镍能显著地提高铬钢的耐腐蚀性能和高温抗氧化性能，铬-镍奥氏体钢比铬含量相同的铁素体和马氏体钢有更好的耐腐蚀性能。铬含量在20%以下时，钢的抗氧化性能随镍量的增加不断改善。对于高铬钢，最佳镍含量在10%～20%之间，Cr20Ni10和Cr25Ni20就是两个典型的耐热钢。
镍能有效地降低铁素体钢的脆性，改善其焊接性能，但对抗应力腐蚀性能有不利的影响，对于奥氏体钢，镍能降低钢的冷加工硬化趋势，改善冷加工性能，使钢在常温和低温下均具有很高塑性和韧性。
1.1.4锰和氮可以代替镍
锰是奥氏体形成元素，它能抑制奥氏体的分解，使高温形成的奥氏体组织保持到室温。锰稳定奥氏体的作用为镍的二分之一，2%的锰可以代替1%的镍。
铬-锰钢要在常温下得到完全奥氏体组织，与钢中的碳和铬含量密切相关，当碳低于0.2%、铬大于14%～15%时，不论向钢中加入多少锰都不能得到纯奥氏体组织。要得到奥氏体组织必须增加碳含量或降低铬含量，这两种作法都会降低钢的耐蚀性能，所以锰不能代替全部镍。
含锰钢具有冷加工强化效应显著，耐磨性高的优点。缺点是对晶间腐蚀很敏感，并且不能通过加钛和铌来消除晶间腐蚀。
氮也是稳定奥氏体元素，氮与锰结合能取代比较贵的镍。氮稳定奥氏体的作用比镍大，与碳相当。氮代镍的比例约为0.025∶1，一般认为氮可取代2.5%～6.5%的镍。
在奥氏体中氮也是最有效的固溶强化元素之一。氮与铬的亲和力要比碳与铬的亲和力小，奥氏体钢很少见到Cr2N的析出。因此氮能在不降低耐蚀性能的基础上，提高不锈钢强度，研制含氮不锈钢是近年来不锈钢工业的趋势。
氮在钢中的溶解度有限（<0.15%），加入铬和锰能提高其溶解度，加入镍和碳能减少其溶解度。在大气冶炼条件下，氮以Cr-N或Mn-N合金形式加入钢中，很难准确控制回收率。一般认为氮含量超过0.2%对冶炼操作极为不利。氩-氧精炼，加压电渣熔炼，平衡压力浇铸等技术的发展和应用，能准确控制钢中氮含量，用氮来控制钢中的组织成为现实。近期研究成果表明，适当调整不锈钢成分，特别是铬与锰的配比，能将钢中的氮含量稳定在0.4%左右，如美国的205（17Cr-1.25Ni-15Mn-0.15C-0.35N）氮含量为0.30%～0.40%。

不锈钢材质，有着接近镜面的光亮度，触感硬朗冰冷，属于比较前卫的装饰材料，符合金属时代的酷感审美。不锈钢材质通常按基体组织分为： 1、铁素体不锈钢。含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高 ， 耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。 2、奥氏体不锈钢。含铬大于18％，还含有 8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。 3、奥氏体 - 铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。 4、马氏体不锈钢。强度高，但塑性和可焊性较