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超純鐵素體不銹鋼厚壁管是現(xiàn)代鐵素體不銹鋼厚壁管研究的主要對象。通過一定比例的合金設(shè)計(jì)，超純鐵素體不銹鋼厚壁管在室溫使用環(huán)境下都為鐵素體組織，在鋼種的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，不同的合金元素的添加對其性能和特征都會(huì)起到相應(yīng)的作用。

（1）C在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

碳是鋼的主要元素之一，鋼的性能在很大程度上取決于碳在鋼中的含量及存在形式。由于碳和鉻的親和力很大，能形成一系列復(fù)雜的碳化物，會(huì)降低鉻在基體中的含量，從而降低不銹鋼厚壁管的耐蝕性[19]。目前工業(yè)中應(yīng)用的不銹鋼厚壁管的含碳量都較低，現(xiàn)代研究表明，碳含量的降低除了能提高其耐蝕性之外也還有益于不銹鋼厚壁管的焊接性能及成形性能等[20]。

（2）Cr元素在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

決定不銹鋼厚壁管屬性的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼厚壁管都含有一定數(shù)量的鉻。迄今為止，還沒有不含鉻的不銹鋼厚壁管。鉻之所以成為決定不銹鋼厚壁管性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后，促使其內(nèi)部的矛盾運(yùn)動(dòng)向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展。這種變化可以從以下方面得到說明：

①鉻使鐵基固溶體的電極電位提高

②鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化

鈍化是由于陽極反應(yīng)被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論、吸附論及電子排列論。對于熱端用鋼，Cr元素可以在高溫下優(yōu)先于Fe原子與O原子結(jié)合成鉻氧化物，這一次致密的鉻氧化物保護(hù)膜緊緊的粘附于材料基體的表面上，一方面可以有效的組織基體與氧化物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，另一方面，當(dāng)氧化膜遭到破壞時(shí)，致密的鉻氧化物保護(hù)膜能夠迅速的自我修復(fù)。Cr元素的含量可以對不Fe-Cr系不銹鋼厚壁管的組織進(jìn)行有效的調(diào)控，根據(jù)研究表明，當(dāng)鉻元素的含量超過14%時(shí)，Fe-Cr系合金可以保證材料內(nèi)部在全溫度闕都保持以鐵素體單相組織的形式存在。

（3）N元素在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

N原子在基體中的固溶度很低，在冷加工過程中，N作為間隙原子會(huì)對滑移產(chǎn)生一定的釘扎作用而阻礙其發(fā)生，因此會(huì)降低鐵素體不銹鋼厚壁管的成形性能。除此之外，N還會(huì)對鐵素體不銹鋼厚壁管的耐一般腐蝕、耐點(diǎn)蝕、耐應(yīng)力腐蝕等性能產(chǎn)生有害的影響。

（4）Mo元素在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

鉬是鐵素體形成元素，能力相當(dāng)于鉻。在鐵素體不銹鋼厚壁管中，鉬除了提高其耐蝕性之外，還能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)鋼的二次硬化效應(yīng)。這種作用對不銹鋼厚壁管的使用會(huì)產(chǎn)生極大的益處。除此之外，鉬還可以擴(kuò)大鋼在還原介質(zhì)中的鈍化范圍，提高鈍化膜的強(qiáng)度和耐蝕性，也可以提高鋼對氯化物的應(yīng)力腐蝕斷裂能力。利用固溶強(qiáng)化的方法，鉬可以析出FeaMo2等來提高鐵素體不銹鋼厚壁管的強(qiáng)度和抗回火能力，并提高鋼的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。

（5）Ti元素在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

鈦與碳的親和力僅次于鋸，能顯著的降低鐵素體不銹鋼厚壁管的含碳量。Ti元素會(huì)優(yōu)先于C元素結(jié)合形成TiC，這種特性可以避免由于碳與鉻化合而形成貧鉻區(qū)，防止晶間腐蝕，另外鈦元素還能提高不銹鋼厚壁管的焊接性和成形性。

（6）Nb元素在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

與Ti元素一樣，Nb元素也會(huì)優(yōu)先于C元素結(jié)合形成NbC，這種特性可以避免由于碳與鉻化合而形成貧鉻區(qū)，防止晶間腐蝕[31]。鋸元素可以提高不銹鋼厚壁管的強(qiáng)度，高溫?zé)崛渥冃阅芤约澳途чg腐蝕能力。另外，鋸與鈦還具有雙穩(wěn)定化效應(yīng)。

（7）W元素在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

鎢的碳化物形成傾向比較強(qiáng)，和鉬一樣，形成的碳化物在加工時(shí)可以阻礙晶粒長大，鎢還能提高不銹鋼厚壁管的蠕變強(qiáng)度，對鋼的力學(xué)性能及熱強(qiáng)性的影響與鉬相似。W是鐵素體形成元素，通過置換的方式溶解在鐵素體中的W能夠起到穩(wěn)定鐵素體的作用。另外W還會(huì)起到提高擴(kuò)散激活能，降低鉻元素的高溫?cái)U(kuò)散行為。

（8）稀土元素在鐵素體不銹鋼厚壁管中的作用

稀土元素常被稱作“工業(yè)點(diǎn)金石”，由于其特殊的電子層結(jié)構(gòu)，能起到精煉、脫氣、脫硫和消除其他有害雜質(zhì)的作用，進(jìn)而改善夾雜物的形態(tài)和分布，改善鋼的鑄態(tài)組織和性能，提高鋼的質(zhì)量。

現(xiàn)代超純鐵素體不銹鋼厚壁管在室溫使用條件直至液化的溫度范圍下基本上都不會(huì)發(fā)生相變，因此，要想提高鐵素體不銹鋼厚壁管的強(qiáng)度和塑性等性能，晶粒細(xì)化是非常好的手段。當(dāng)鋼中加入了稀土元素的時(shí)候，鋼液在凝固過程中等軸晶區(qū)會(huì)被擴(kuò)大，晶粒的長大也會(huì)被抑制，因此添加了稀土元素之后鐵素體不銹鋼厚壁管的晶粒度會(huì)得到一定的提高。除此之外，稀土Ce的添加能夠促進(jìn)鉻元素的擴(kuò)散，降低三氧化二鉻形成所需要的臨界鉻濃度。

稀土能跟鋼中的氧和硫等元素形成稀土硫氧化物，通過這個(gè)過程，鋼中夾雜物有所減少B9]，另外，稀土參與復(fù)合形成的稀土夾雜物的形態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，有研究表面，添加了稀土之后，鋼中的夾雜物的形狀變得規(guī)則化，并逐漸轉(zhuǎn)變成接近球形的規(guī)則形狀。這樣可以降低材料的各向異性，并且對鋼的強(qiáng)塑性提高都有益處。

稀土元素的添加會(huì)引起一種被稱為“活性元素效應(yīng)”的現(xiàn)象，從而降低鋼的氧化速度并且提高其抗氧化性能。稀土元素添加進(jìn)鐵素體不銹鋼厚壁管之后，一方面稀土元素會(huì)伴隨并促進(jìn)Cr元素在氧化層反應(yīng)界面附近的基體處富集，另一方面，少量鉻元素會(huì)進(jìn)入氧化層中，參與并促進(jìn)對鐵素體不銹鋼厚壁管抗氧化性起到巨大作用的三氧化二鉻的形成。

（9）其他元素的作用

其他與鐵素體不銹鋼厚壁管組織和性能相關(guān)的元素包括Si、Al、Cu、Ni、Mn等，這些元素添加進(jìn)鐵素體不銹鋼厚壁管中往往會(huì)給鐵素體不銹鋼厚壁管的各項(xiàng)性能帶來雙重作用，即一方面會(huì)給材料的某些性能帶來提升，另一方面也會(huì)對一部分性能造成影響。

一般認(rèn)為，鋁元素的添加能夠改善合金的抗高溫氧化能力。硅元素的添加能夠在一定溫度范圍內(nèi)對材料的抗高溫氧化性能起到與鉻元素類似的作用，但是硅元素對材料抗高溫氧化性能的提高沒有鉻元素那么明顯，但是過量的硅元素會(huì)導(dǎo)致材料的耐蝕性能降低并且對材料的沖擊韌性和焊接性能都有一定的影響。銅元素能夠在鐵素體不銹鋼厚壁管表面形成沉淀物，由于鐵素體不銹鋼厚壁管的表面被這些附著的沉淀物影響，還原性環(huán)境中材料表面陽極溶解現(xiàn)象被抑制，不銹鋼厚壁管的表面鈍性得到改善。

另外微量銅元素的添加可以一定程度上降低材料的加工硬化率。

錳元素可以對不銹鋼厚壁管的氧化層粘附能力產(chǎn)生作用，一方面錳元素會(huì)與氧結(jié)合，這部分氧化物的熱膨脹系數(shù)在鉻氧化物和不銹鋼厚壁管基體之間，因此錳氧化物與鉻氧化物復(fù)合形成的氧化層，可以更大程度的與基體材料保持相近的熱膨脹系數(shù)，防止因氧化層嚴(yán)重剝落而導(dǎo)致氧化物保護(hù)層變得不完整。另一方面錳元素與氧的結(jié)合可以降低氧化過程中鉻元素的過量消耗，降低因?yàn)殂t元素過量消耗而形成貧鉻區(qū)的趨勢。但是需要注意的是，錳元素一旦超過一定量之后，不銹鋼厚壁管很容易發(fā)生異常氧化，使得表面完整性被嚴(yán)重破壞。

鎳元素是不銹鋼厚壁管常用的元素，鎳元素的添加可以對材料產(chǎn)生許多好處，比如讓材料在酸性液體中迅速產(chǎn)生鈍化膜防止反應(yīng)繼續(xù)從而提高材料的耐酸蝕能力、提高不銹鋼厚壁管的延展性和塑性等。但是鎳的儲(chǔ)備量較少，大量使用不利于全球資源可持續(xù)發(fā)展，另外鎳元素會(huì)降低材料的耐應(yīng)力腐蝕能力，因此，當(dāng)今社會(huì)以錳代鎳的相關(guān)研究蓬勃發(fā)展。