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合金成分設(shè)計思想

在保證完全均一化的奧氏體的組織的情況下，提高焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的性能是新型Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼開發(fā)的主旨，其合金設(shè)計需要考慮以下幾個方面：

（1）合理的組織。完全奧氏體組織是保持奧氏體不銹鋼特性的保障，為保證不銹鋼在生產(chǎn)和服役過程中均為奧氏體組織，應(yīng)該加入適量的Ni、Mn、N等奧氏體形成和穩(wěn)定化元素。

（2）力學(xué)性能。固溶強化和析出強化是提高奧氏體不銹鋼焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)力學(xué)性能的常用方法，具有固溶強化作用的合金元素主要有W、Mo等，Al、Nb等元素可以有效地形成細(xì)小彌散的析出相。質(zhì)點強化理論是合金設(shè)計中常采用的基本原理。根據(jù)質(zhì)點強化理論，合金的強度與第二相質(zhì)點的平均間距或f/r呈反比，其中f為質(zhì)點的體積分?jǐn)?shù)，r為質(zhì)點的半徑。因此，設(shè)計強化沉淀相（如MC等）時應(yīng)盡可能做到最細(xì)小尺寸或最小間距。為此，必須提高形核驅(qū)動力和過飽和度，以獲得高形核率和高質(zhì)點密度，保證合金具有更高的強度。

（3）合理的成本。在Fe-Cr-Ni基礎(chǔ)上添加一定量的Al、Nb元素，可以抑制焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)奧氏體晶粒的長大，有效地增強粗晶區(qū)的力學(xué)性能�？梢蕴娲�一些高成本的鋼種，從而降低了制作儲置罐的成本。

此外，熱力學(xué)作為認(rèn)識金屬微觀組織的基礎(chǔ)，可以給出有關(guān)多項平衡的數(shù)據(jù)，熱力學(xué)計算已成為合金設(shè)計的常用輔助手段，通過熱力學(xué)計算可獲得合計你的平衡相圖，確定合金中的各相的轉(zhuǎn)變溫度，合金元素對相組成及相變溫度的影響。

合金元素的作用

310S鋼作為Fe-Cr-Ni基奧氏體不銹鋼中的代表鋼種，其主要的合金元素有C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Al、Nb等，根據(jù)各個元素在不銹鋼中的作用，可以分為奧氏體穩(wěn)定化元素、抗腐蝕元素和析出強化元素。

奧氏體穩(wěn)定化元素Ni、Mn

Ni是典型的奧氏體形成和穩(wěn)定元素，傳統(tǒng)Cr-Ni不銹鋼中均含有較高含量的Ni，以擴大奧氏體相區(qū)。而且，Ni可以提高不銹鋼表面膜的穩(wěn)定性，進而提高不銹鋼的耐蝕性能。

Mn形成奧氏體相區(qū)的約為Ni的1/2，一般情況下，Mn可以降低鋼的臨界淬火速度，增加冷卻時奧氏體的穩(wěn)定性，是高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。此外，Mn對奧氏體不銹鋼的抗點蝕性能不利。

抗腐蝕元素Cr、Si

Cr在奧氏體不銹鋼中的主要作用是提高耐蝕性能和抗高溫性能。在一定范圍內(nèi)，不銹鋼的耐蝕性能呢個的抗高溫性能隨Cr含量的增加而增加。但Cr為鐵素體形成勻速，過多的Cr會導(dǎo)致熔煉、焊接過程中δ-鐵素體的形成，無法獲得全奧氏體組織。而且一些Cr的析出相還會導(dǎo)致晶界附近形成貧Cr區(qū)，從而增大不銹鋼的晶間腐蝕敏感性。

Si元素對于提高奧氏體不銹鋼的抗高溫性能具有顯著效果。Si的活性很高，可以降低不銹鋼中的氧化速率。然而，Si是鐵素體形成元素，隨著Si含量的增大，鐵素體的形成趨勢增大。

析出強化元素C、N、Al、Nb

C、N元素極易和Al、Nb元素結(jié)合，形成MC型碳化物或MX相，這些細(xì)小的析出相彌散分布于奧氏體基礎(chǔ)上，對晶界起到釘扎作用，能夠抑制奧氏體晶粒的長大，同時可以在阻礙變形過程中位錯的一定，起到強化作用。

Al元素在鋼中常常作為脫氧劑使用。具有細(xì)化晶粒的作用，也可使得鋼的抗氧化性能提升，改善鋼的電磁性能。但Al含量不宜過多，當(dāng)Al含量過多時，極易使得鋼的韌性下降[28]。Al有時也作為析出元素存在，Al較容易和N元素結(jié)合生成AlN相，可以釘扎晶界，抑制奧氏體晶粒的長大[29,30]。鑒于市場上鋁的價格較為便宜，適宜在310S鋼中添加Al元素嘗試降低焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的奧氏體晶粒尺寸。

Nb元素是與C、N元素親和力最強的元素。適量的Nb元素可以與C、N元素結(jié)合生成MX相，細(xì)化奧氏體不銹鋼的晶粒，提高耐晶間腐蝕能力。但過量的Nb元素容易造成鋼的韌性的衰減，也會使得鋼的熔點發(fā)生大幅度下降。