关于不锈钢的韧性(或脆性),除了考虑基体组织的影响以外,还有第二相以及外部介质的影响。一般最常碰到的有如下几种情况。
1. 铁素体不锈钢的低温脆性
和一般铁素体钢一样,含Cr的铁素体不锈钢也有低温脆性,即随试验温度的降低,有韧性脆性转换。研究指出,这类钢的低温脆性,主要也是由于间隙原子与位错的交互作用所致,而并不是由于铬含量的增多造成的。当间隙元素含量降至一定量后,铬反而能提高钢的韧性,至少在铬含量小于25%时是如此。而且当铬含量为35%时,冲击韧性值还相当高。除此以外,还可有两种办法提高铬铁素体不锈钢的低温韧性,一是加入少量的钛,二是加入2%的Ni或4%的Mn。其目的都是为了细化晶粒,借以提高韧性。
2. 奥氏体不锈钢的低温脆性
一般来说,面心立方(fcc)晶格的金属在低温不出现脆性。但奥氏体不锈钢在一定情况下也可出现低温脆性。一种情况是,不稳定的奥氏体不锈钢,其Md点(形变导致马氏体形成的最高温度)如高于试验温度,则由于马氏体的形成而使韧性降低。这种类型的低温脆性易于改善。只要加入降低Ms(奥氏体开始转变为马氏体的温度)点的合金元素(一般来说Ms降低,Md也降低)就可解决问题。另一种情况是,在铬锰氮系不锈钢中,由于锰显著地降低不锈钢的层错能,因而在低温时大量层错的形成使冲击值下降,出现韧脆转换的现象。这种情况可能与高锰钢中的韧脆转换现象相同。应当指出,在这种情况下奥氏体钢出现的低温脆性与一般铁素体钢中的冷脆现象本质是不相同的。解决这类脆性的办法是,可以在钢中加入提高层错能的合金元素镍。
3. 475℃脆性
高铬不锈钢在400~500℃长期加热后,常会出现钢的强度升高,韧性大幅度降低,并且伴随着耐蚀性的降低。由于这一现象多见于加热温度在475℃左右,因此被称为475℃脆性。这种脆性在含铬15.5%以上的钢中即可发现。并且,不仅发生在高铬铁素体钢中,在一些含铬较高的马氏体铁素体钢(如Cr17Ni2)、奥氏体钢(如Cr18Ni8)以及沉淀硬化不锈钢中也有发现,但不及高铬铁素体钢明显。系统的研究指出,475℃脆化处理后,钢不仅有冷脆性,还有热脆性(800℃以下的冲击韧性都比未脆化者低)。脆化程度随铬含量的增加而增大,铬含量在15.5%以下则无脆化趋势。碳含量在0.04%~0.28%范围内,脆化程度没有明显的区别。
4. σ相脆性
高铬铁素体钢在520~820℃之间长期加热后,组织中会出现一种铁与铬的金属化合物FeCr,叫做σ相。σ相区在铁铬相图中的位置如图2-1所示。σ相的形成与钢的成分、组织、加热温度、保温时间以及预先冷形变等因素有关。高铬钢形成。相的倾向很大,但一般认为,含铬低于20%的钢不容易产生。相。钢中加入促成铁素体的元素(如Si、Nb、Ti、Mo)以后,产生。相的倾向增大。锰显著地使高铬钢形成。相的极限含铬量降低。镍的作用相反,并升高。相存在的上限温度(Fe-Cr合金中。相存在的上限温度约为820℃)。碳和氮使形成。相的极限含铬量提高,因为它们与铬形成碳化铬及氮化铬,从而降低铁素体中的含铬量,使σ相形核困难。
研究指出,预先冷形变促使σ相形成,这样就使含铬20%以下的钢有可能出现σ相;而且冷形变还使σ相形成的温度范围降低。
一般来说,σ相的形成动力学曲线也具有C形的特征,如图2-1所示。一定成分的合金,有一个相应的孕育期最短的温度。超过σ相形成的上限温度加热,可以使。相迅速溶解。例如,Cr27钢在550℃长达几千小时保温形成的σ相,经850℃加热半小时,即可使之溶解,恢复钢的韧性。
另外,除了高铬铁素体钢因含有大量的铬容易形成。相以外,奥氏体铁素体双相钢也很容易形成σ相,这类钢中的。相是在δ铁素体中产生的。这是因为在δ铁素体中富集的铬较多,而且铬在δ铁素体中的扩散又比在奥氏体中容易,因此,σ相易在δ铁素体中形核和长大。σ相也可在高铬低镍的奥氏体钢中形成。虽然σ相可从奥氏体中生成,但具有纯奥氏体组织的18-8钢中却没有发现σ相。
σ相对钢性能的影响主要表现在其形成后期降低钢的冲击韧性,以及因为析出σ相后造成了贫铬区,引起钢的晶间腐蚀和抗氧化性能降低。但是,σ相对钢性能影响的程度要取决于它的数量及其形态和分布。需要指出,长期以来无论在什么情况下,都曾把不锈钢中的σ相视作有害的组织,而对σ相的有益作用并未揭示出来。近期的研究与生产实践证实,利用σ相的强化效应可创新研制沉淀硬化不锈钢与耐热钢,例如,含0.4%C,23.5%Cr,5%Ni,3%Mo的钢组织中即含有35%的σ相。因为在仅用于静载荷或摩擦条件下的工件,冲击韧性并不是主要的力学性能指标。
除了上面讨论的四方面的脆性以外,奥氏体不锈钢的晶界碳化物沉淀、氢脆以及奥氏体和马氏体不锈钢的氦脆等也都与钢的脆化有关。
关于不锈钢的抗应力腐蚀断裂性能。为了提高钢的抗应力腐蚀断裂性能,除了采取从应力、介质和材料三方面的一些措施外,从冶炼方面降低钢中氮及其他间隙原子的含量,并尽量减少P、As、Sb、Bi等杂质元素的含量,都可使奥氏体不锈钢对应力腐蚀断裂不敏感。但作为使用者来说,通过正确选材才是真正解决问题的出路。