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鎳與不銹鋼基礎知識 — 鎳在不銹鋼中的作用

物理和化學性能 | 2011/3/18 | 點擊：2736

鎳在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結構。在不銹鋼中增加鎳的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結構，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性，所以鎳被稱為奧氏體形成元素。普通碳鋼的晶體結構稱為鐵氧體，呈體心立方(BCC)結構，加入鎳，促使晶體結構從體心立方(BCC) 結構轉變為面心立方(FCC)結構，這種結構被稱為奧氏體。然而，鎳并不是唯一具有此種性質的元素。常見的奧氏體形成元素有：鎳、碳、氮、錳、銅。這些元素在形成奧氏體方面的相對重要性對于預測不銹鋼的晶體結構具有重要意義。目前，人們已經研究出很多公式來表述奧氏體形成元素的相對重要性，最著名的是下面的公式：

 奧氏體形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%

 從這個等式可以看出：碳是一種較強的奧氏體形成元素，其形成奧氏體的能力是鎳的30倍，但是它不能被添加到耐腐蝕的不銹鋼中，因為在焊接后它會造成敏化腐蝕和隨后的晶間腐蝕問題。氮元素形成奧氏體的能力也是鎳的30倍，但是它是氣體，想要不造成多孔性的問題，只能在不銹鋼中添加數量有限的氮。添加錳和銅會造成煉鋼過程中耐火生命減少和焊接的問題。

從鎳等式中可以看出，添加錳對于形成奧氏體并不非常有效，但是添加錳可以使更多的氮溶解到不銹鋼中，而氮正是一種非常強的奧氏體形成元素。在200系列的不銹鋼中，正是用足夠的錳和氮來代替鎳形成100%的奧氏體結構，鎳的含量越低，所需要加入的錳和氮數量就越高。例如在201型不銹鋼中，只含有4.5%的鎳，同時含有0.25%的氮。由鎳等式可知這些氮在形成奧氏體的能力上相當于7.5%的鎳，所以同樣可以形成100%奧氏體結構。這也是200系列不銹鋼的形成原理。在有些不符合標準的200系列不銹鋼中，由于不能加入足夠數量的錳和氮，為了形成100%的奧氏體結構，人為的減少了鉻的加入量，這必然導致了不銹鋼抗腐蝕能力的下降。

在不銹鋼中，有兩種相反的力量同時作用：鐵素體形成元素不斷形成鐵素體，奧氏體形成元素不斷形成奧氏體。最終的晶體結構取決于兩類添加元素的相對數量。鉻是一種鐵素體形成元素，所以鉻在不銹鋼晶體結構的形成上和奧氏體形成元素之間是一種競爭關系。因為鐵和鉻都是鐵素體形成元素，所以400系列不銹鋼是完全鐵素體不銹鋼，具有磁性。在把奧氏體形成元素-鎳加入到鐵-鉻不銹鋼的過程中，隨著鎳成分增加，形成的奧氏體也會逐漸增加，直至所有的鐵素體結構都被轉變為奧氏體結構，這樣就形成了300系列不銹鋼。如果僅添加一半數量的鎳，就會形成50%的鐵素體和50%的奧氏體，這種結構被稱為雙相不銹鋼。

400系列不銹鋼是一種鐵、碳合鉻的合金。這種不銹鋼具有馬氏體結構和鐵元素，因此具有正常的磁特性。400系列不銹鋼具有很強的抗高溫氧化能力，而且與碳鋼相比，其物理特性和機械特性都有進一步的改善。大多數400系列不銹鋼都可以進行熱處理。

300系列不銹鋼是一種含有鐵、碳、鎳和鉻的合金材料，一種無磁性不銹鋼材料，比400系列不銹鋼具有更好的可鍛特性。由于300系列不銹鋼的奧氏體結構，因此它在許多環境中具有很強的抗腐蝕性能，具有很好的抗金屬超應力引起的腐蝕所造成的斷裂的性能，而且其材料特性不受熱處理的影響。

1.共析鋼 

碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體，碳溶解到α——鐵中的固溶體叫鐵素體，溶解到γ——鐵中的固溶體叫奧氏體。鐵素體與奧氏體都具有良好的塑性。當鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體或奧氏體中時，剩余出來的碳將與鐵形成化合物——碳化鐵（Fe3C）這種化合物的晶體組織叫滲碳體，它的硬度極高，塑性幾乎為零。 

從反映鋼的組織結構與鋼的含碳量和鋼的溫度之間關系的鐵碳平衡狀態圖上可見，當碳的含量正好等于0.77%時，即相當于合金中滲碳體（碳化鐵）約占12%，鐵素體約占88%時，該合金的相變是在恒溫下實現的。即在這種特定比例下的滲碳體和鐵素體，在發生相變時，如果消失兩者同時消失（加熱時），如果出現則兩者又同時出現，在這一點上這種組織與純金屬的相變類似?；谶@個原因，人們就把這種由特定比例構成的兩相組織當作一種組織來看待，并且命名為珠光體，這種鋼就叫做共析鋼。即含碳量正好是0.77%的鋼就叫做共析鋼，它的組織是珠光體。

2.亞共析鋼  

常用的結構鋼含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，所以組織中的滲碳體量也少于12%，于是鐵素體除去一部分要與滲碳體形成珠光體外，還會有多余的出現，所以這種鋼的組織是鐵素體+珠光體。碳含量越少，鋼組織中珠光體比例也越小，鋼的強度也越低，但塑性越好，這類鋼統稱為亞共析鋼。

3.過共析鋼 

工具用鋼的含碳量往往超過0.77%，這種鋼組織中滲碳體的比例超過12%，所以除與鐵素體形成珠光體外，還有多余的滲碳體，于是這類鋼的組織是珠光體+滲碳體。這類鋼統稱為過共析鋼。