不同元素對不銹鋼帶組織和相的影響

不同元素對不銹鋼帶組織和相的影響

　　對于馬氏體型鉻不銹鋼帶來說，對組織產(chǎn)生主要影響的元素有鉻、碳和鉬；對奧氏體型鉻鎳不銹鋼帶來說，產(chǎn)生主要影響的元素有鎳、鉬、鋁、鈷、氮和鈦等。

　　馬氏體型鉻鎳不銹鋼帶中由于所含的鉻與碳發(fā)生交互的作用，使其在高溫下形成穩(wěn)定的r相區(qū)和穩(wěn)定的a+r相區(qū)。碳量的增加可使r相區(qū)得到擴(kuò)大，但是隨著鉻含量的增加碳的溶解極限下降。馬氏體型鉻鎳不銹鋼帶中添加鎳解決了馬氏體型不銹鋼帶為提高其耐蝕性以犧牲鋼的硬度為代價(jià)的問題。但是其中的鎳含量不易過高，否則由于鎳擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和降低Ms溫度而使不銹鋼帶變成奧氏體型不銹鋼，從而完全喪失淬火能力。

　　影響鐵素體型不銹鋼帶組織的元素主要有鉻、鉬、碳、氮和鎳，另外有一些鐵素體型不銹鋼帶中還添加有鈦、鈮和銅等元素，對組織也有一定的影響。其中添加鉻和鉬的主要的目的是加速和促進(jìn)α’相和α相的形成和沉淀，使鐵素體晶粒更加粗大。

　　影響奧氏體型不銹鋼帶組織的主要元素有碳、鉻、鎳、鉬、氮、銅、硅和錳等，有時(shí)在生產(chǎn)易切削不銹鋼時(shí)，也將硫作為添加元素。碳在奧氏體型不銹鋼中是形成、穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素。碳在奧氏體型不銹鋼帶中是形成、穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，其形成奧氏體的能力遠(yuǎn)高于鎳許多倍。碳在奧氏體型不銹鋼中是有用元素，但同時(shí)也是有害元素，一方面由于碳作為一種間隙元素可通過固溶強(qiáng)化顯著提高奧氏體型不銹鋼帶的強(qiáng)度，同時(shí)也可提高高濃度氯化物腐蝕介質(zhì)中的耐蝕能力；但另一方面由于碳在某些條件下生成Cr23C6，使得耐腐蝕性能顯著下降。鉻在奧氏體型不銹鋼帶中的作用與其在鐵素體型不銹鋼帶中作用基本相同。

　　影響雙相不銹鋼帶組織的主要元素有鎳、氮、錳、鉻、鉬、硅和鎢等。鎳在α+r雙相不銹鋼帶中能擴(kuò)大r相區(qū)。有關(guān)資料指出，鎳的添加還能促成形成σ（x）相，增加脆化敏感性并有使脆化敏感溫度向高溫方向移動的傾向，也將使馬氏體相變溫度降低，改善雙相不銹鋼帶的冷加工性能。

相及相變

　　熱處理是不銹鋼帶生產(chǎn)和加工過程中以及*終產(chǎn)品加工過程中重要的工序。對于馬氏體型不銹鋼帶，通常進(jìn)行淬火—回火熱處理。對于鐵素體型不銹鋼帶，需進(jìn)行恢復(fù)由于加工引起的應(yīng)硬化和焊接部位回火后恢復(fù)韌性的熱處理，通常是高溫加熱后進(jìn)行空冷的退火熱處理。對于奧氏體型不銹鋼帶，根據(jù)使用目的需要進(jìn)行固溶處理、穩(wěn)定化處理、消除應(yīng)力退火和時(shí)效處理等。

　　通過進(jìn)行熱處理來控制不銹鋼帶的金相組織時(shí)，可采用相變和恢復(fù)、再結(jié)晶等形式來實(shí)現(xiàn)。

　　相變的內(nèi)涵可以說有以下3種情況，即結(jié)構(gòu)的變化、組成的變化和其規(guī)律性的變化告示。在不銹鋼帶發(fā)生的相變中*常見的馬氏體相變就是其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的一種形式，而所發(fā)生的其他的相變均為擴(kuò)散相變。

　 1.馬氏體型不銹鋼帶（420）

　　馬氏體型不銹鋼帶有良好的淬火性能，即使是截面積很大的工件，也可在空冷條件下實(shí)現(xiàn)淬火硬化。

　　為比較馬氏體型不銹鋼帶與其他碳含量相同的碳素鋼、合金鋼的淬火性能，用等溫相變曲線進(jìn)行了分析。結(jié)果表明其珠光體相變時(shí)間延遲，曲線鼻部的溫度上升。其中鎳使珠光體相變明顯推遲，只需添加1%即可大大改善淬火性能，但回火過程則需要相當(dāng)長的時(shí)間。

　　馬氏體型不銹鋼帶中的合金元素可改變鋼的Ms點(diǎn)。其中碳的影響尤為顯著，碳的濃度高時(shí)Ms點(diǎn)向低溫方向移動，易生成殘留奧氏體。以13%Cr鋼為例，在淬火加縶溫度為1180℃時(shí)，在碳含量大于0.80%的情況下Ms點(diǎn)降至室溫以下。生成物為過冷奧氏體相組織。但由于也隨之生成了殘留奧氏體，因此淬火硬度也下降了，對于高碳馬氏體型不銹鋼帶來說，為避免該現(xiàn)象的發(fā)生和殘留奧氏體相變引起的尺寸變化，需在粹火后通過進(jìn)行低溫處理來盡量減少殘留奧氏體的存在。

　　對于馬氏體型不銹鋼帶，進(jìn)行淬火處理后還需進(jìn)行回火處理。一般將這兩者連在一起統(tǒng)稱為淬火回火處理。進(jìn)行回火處理是將由奧氏體相的相變得到的馬氏體進(jìn)行回火，其目的是為改善馬氏體型不銹鋼帶的拉伸性能和得到高的持久強(qiáng)度和屈強(qiáng)比?；鼗鸷笤谄浠w中過飽和固溶的碳形成碳化物析出，且隨時(shí)間的延長逐漸形成穩(wěn)定相。是采用低溫回火還是采用高溫回火，依成分和使用目的而異。低碳馬氏體型不銹鋼帶在440-540℃進(jìn)行回火時(shí)顯著變脆，發(fā)生常說的二次硬化。由于此問題的產(chǎn)生不是夾雜元素的偏析等原因造成的，因此為同時(shí)照顧到韌性、拉伸性能和耐應(yīng)力腐蝕性能，應(yīng)盡可能在高溫下進(jìn)行回火，也可通過添加鉬、鎢和釩等元素來改善性能。

2.鐵素體型不銹鋼帶（430）

　　鐵素型不銹鋼帶在碳和氮的含量極少時(shí)，無論在高溫下還是在室溫下均為鐵素體單相。當(dāng)碳和氮的含量增加時(shí)就會在高溫下生成r相，可通過回火處理析出碳化物和氮化物而變?yōu)殍F素體單相。據(jù)有關(guān)資料介紹。在600-900℃回火時(shí)大部分碳和氮將析出。

　　高鉻鐵素體型不銹鋼帶在經(jīng)高溫加熱后會產(chǎn)生各種脆化現(xiàn)象。這些現(xiàn)象與其金屬組織有關(guān)，如σ相脆化、475℃脆性和高溫脆性。

　　σ相脆化：在Fe-Cr二元系合金中，在鉻含量為46at%-53at%的很窄范圍內(nèi)產(chǎn)生，是非磁性和硬的相。當(dāng)鉻含量大于25%和加熱溫度高于600℃時(shí)即可在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。當(dāng)鋼中含有硅、錳、鎳和鉬等元素時(shí)，其產(chǎn)生范圍加寬。鉻、硅和鋁對σ相也有一定的影響。隨鉻的增加TTT曲線向短時(shí)間方向擴(kuò)展。硅雖有明顯的析出促進(jìn)作用但鋁卻予以抑制。在冷加工中，可在很短時(shí)間內(nèi)便產(chǎn)生σ相析出。一旦發(fā)生σ相脆化的鋼，可加熱至850-900℃使析出的σ相固溶，然后再進(jìn)行急冷就可消除脆性和恢復(fù)韌性。

　　475℃脆性：是將鐵素體鋼在400-500℃長時(shí)間加熱時(shí)出現(xiàn)的脆化現(xiàn)象。475℃脆性產(chǎn)生與σ相脆化產(chǎn)生相比較，首先是產(chǎn)生溫度范圍不同，其次是475℃脆性較σ相脆化在更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。能夠減輕475℃脆性的合金添加元素還沒有發(fā)現(xiàn)。對發(fā)生475℃脆性的鋼在600℃進(jìn)行短時(shí)間處理即可消除脆性和恢復(fù)韌性。

　　高溫脆性：當(dāng)高鉻鐵素體型不銹鋼帶從900-1000℃的高溫急冷時(shí)，隨著晶粒的粗化和碳化物向晶界凝集發(fā)生明顯脆化。鉻含量越高，脆化的程度越大。破壞現(xiàn)象與475℃脆性相象。由于晶粒粗化，因此在進(jìn)行深沖、彎曲等冷加工時(shí)表面易發(fā)生粗糙等缺陷。又因?yàn)榫Ы缟衔龀鎏蓟镆虼司чg腐蝕敏感性增加。為避免該缺陷的產(chǎn)生同，需從高溫緩冷至800℃左右，或650-800℃短時(shí)間的退火。

3.奧氏體型不銹鋼帶（301，304，316）

　　從Fe-Cr-Ni三元系平衡相圖的分析中可知，當(dāng)70%Fe等濃度斷面中鎳含量為10%時(shí)，該合金在800-1000℃下為r單相。具代表性的Cr18-Ni8鋼由于存在碳、氮等奧氏體穩(wěn)定化元素，因此室溫下即為r單相。其中氮較碳有約兩倍的固溶度，因而含氮量為0.1%-0.3%的高強(qiáng)度不銹鋼己得到了應(yīng)用。

　　目前己明確碳、氮、鈷、錳和銅等元素是奧氏體穩(wěn)定化元素，鋁、釩、鉬、硅和鎢等元素是鐵素體穩(wěn)定化元素。

　　作為固相內(nèi)的平衡相，除α相、r相以外還有金屬間化合物σ相。碳、氮和鎳等奧氏體穩(wěn)定化元素抑制σ相的生成，但錳與鉬、硅、鈦、鈮、鋯、釩和鋁等鐵素體穩(wěn)定化元素促進(jìn)σ相的生成。除此以外在奧氏體型不銹鋼帶中由于添加不同的元素，還有可能生成拉弗斯（Laves）相或x相等金屬間化合物。其析出的反應(yīng)是隨合金組成、時(shí)效溫度及制造合金時(shí)的加工和熱處理?xiàng)l件來決定的，是一個(gè)非常復(fù)雜的變化。

　　在鋼中添加鉻、鎳、錳、碳和氮等元素時(shí)，馬氏體相變初始溫度Ms幾乎與這些合金元素的添加成比例降低，在常溫下也可保持r相。奧氏體不銹鋼帶就是其具代表性的合金之一。

　　雖說為使奧體型不銹鋼帶的r相穩(wěn)定添加了大量的錳或鎳，但實(shí)際上r相往往并非穩(wěn)定而是處于亞穩(wěn)定態(tài)。從熱力學(xué)角度來看可以說α相到是穩(wěn)定的。一般稱這些奧氏體相為亞穩(wěn)定奧氏體相。當(dāng)對亞穩(wěn)定奧氏體相冷卻至極低溫或室溫下進(jìn)行加工時(shí)，其中的部分或全部亞穩(wěn)定奧氏體相將發(fā)生馬氏體相變。

　　通過對奧氏體型不銹鋼帶進(jìn)行冷卻或加工得到的馬氏體中除有α’相外還有ε相。該相具有hcp結(jié)構(gòu).且有0.7%左右的收縮，是非磁性的，容易發(fā)生加工誘發(fā)相變。ε相是當(dāng)Cr：Ni為5：3且Cr+Ni定為24%時(shí)生成的。由于面心立方結(jié)構(gòu)的（111）面的每兩個(gè)原子面上發(fā)生堆垛缺陷時(shí)將成為ε馬氏體結(jié)構(gòu)，因此ε相的生成和堆垛缺陷有著密切的關(guān)系。

　　奧氏體型不銹鋼帶的馬氏體相變中一個(gè)重要的問題是，一旦發(fā)生馬氏體相變后經(jīng)再加熱進(jìn)行恢復(fù)的問題。對于Cr18-Ni8鋼主要發(fā)生擴(kuò)散型的逆相變，而象Cr16-Ni10鋼則發(fā)生剪切的逆相變。后者的鉻含量較前者低，鎳含量較前者高。

　　從金相組織上來看，奧氏體型不銹鋼帶是相對穩(wěn)定的，其中碳化物的析出與其耐蝕性能、高溫強(qiáng)度以及韌性等主要性能密切相關(guān)。在通常作為固溶熱處理溫度1000℃附近，碳的固溶量可達(dá)到*高，但當(dāng)溫度低于800℃時(shí)固溶量急劇下降而產(chǎn)生碳化物。所以進(jìn)行固溶化處理或焊接后如果冷卻速度過慢，在晶界上會產(chǎn)生碳化物，成為晶間腐蝕的原因。鋼中的碳有活性隨鎳含量的增加而增加，隨鉻含量的增加而減少。也就是說鎳的增加使碳的固溶量減少，鉻的增加使碳的固溶量增加。另外在晶界還析出鉻碳化物，合金添加元素有時(shí)也生成相應(yīng)的碳化物。

4.雙相不銹鋼帶（S31803)

　　通常進(jìn)行不同的鉻含量和鎳當(dāng)量的組合可以得到鐵素體（α相或δ相）和奧氏體（r相）的雙相組織。如果以鉻含量的多少來進(jìn)行分類的話，可分類為18%Cr系、22%Cr系、25%Cr系和28%Cr系。同時(shí)為確保r相的量需添加4%-11%的鎳，為提高其耐蝕性需添加不多于4%的鉬。在*終經(jīng)1050-1100℃固溶處理后，在α相基體中分散有不多于50%的r相。在400-1000℃下進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)效時(shí)，生成金屬間化合物、碳化物以及氮化物等各種析出物。

　　在雙相組織中，鉻、鉬和硅等鐵素體穩(wěn)定元素濃縮在α相中。而鎳、錳、碳和氮等奧氏體穩(wěn)定元素濃縮在r中。在時(shí)效過程中*有影響的是σ相，可造成σ相脆化。另外時(shí)效還可產(chǎn)生M23C6，也和鐵素體型不銹鋼一樣發(fā)生475℃脆性。

5. 沉淀硬化型不銹鋼帶(PH15-7MO,17-7PH.17-4PH)
　　沉淀硬化型不銹鋼帶是除具備不銹鋼特有的耐蝕性外，還可通過進(jìn)行時(shí)效處理實(shí)現(xiàn)沉淀硬化的高強(qiáng)度不銹鋼，根據(jù)基體的金屬組織情況，即根據(jù)鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量之間的平衡情況，沉淀硬化型不銹鋼可分為馬氏體系沉淀硬化型不銹鋼帶、半奧氏體系沉淀硬化型不銹鋼帶、奧氏體—鐵素體系沉淀硬化型不銹鋼帶、奧氏體系沉淀型不銹鋼帶和鐵素體系沉淀硬化型不銹鋼帶。

　　馬氏體系沉淀硬化型不銹鋼帶，鉻和鎳的含量少且鉻含量和鎳含量低。由于馬氏體相變結(jié)束溫度高于室溫，因此固溶化處理奧氏體相冷卻過程發(fā)生馬氏體相變，在室溫下為馬氏體組織。

　　半奧氏體系沉淀硬化型不銹鋼帶，比前者鉻含量和鎳含量高，Ms點(diǎn)接近室溫。固溶處理后形成亞穩(wěn)定r相，經(jīng)冷加工或低溫處理，低溫退火處理可以發(fā)生馬氏體相變。單獨(dú)和復(fù)合添加有鋁、鈦和鉬等沉淀硬化元素，經(jīng)在450-550℃ 時(shí)效處理產(chǎn)生α’相和η相實(shí)現(xiàn)硬化。

　　奧氏體系沉淀硬化型不銹鋼帶，含有較多的奧氏體穩(wěn)定化和鐵素體穩(wěn)定化元素，鎳當(dāng)量高且Ms點(diǎn)在室溫以下。在固溶處理狀態(tài)下為r單相組織。作為沉淀硬化元素添加的有碳、磷、氮、鈦、鋁、鈮和釩等元素，經(jīng)高的溫度時(shí)效處理后析出碳化物、氮化物、磷化物或η相和r’相等。

　　鐵素體系沉淀硬化型不銹鋼帶，只含少量的鎳等奧氏體穩(wěn)定化元素，含較多的鉻、硅和鉬等鐵素體穩(wěn)定化元素，因而在固溶化狀態(tài)下即呈鐵素體組織。對其通過添加硅和鎳來促進(jìn)沉淀硬化。時(shí)效溫度為550-600℃。

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