碳

碳在奧氏體不銹鋼中是強烈穩定奧氏體且擴大奧氏體區的元素。碳間隙固溶于奧氏體中，通過固溶強化可顯著提高奧氏體的強度（圖 1)，但是碳在奧氏體中常被視為有害元素，這主要是由于在一些使用或加工過程中，如經450- 850℃加熱或焊接，碳會與鋼中的鉻形成高鉻的Cr23C6，導致局部鉻的貧化，使鋼的耐蝕性能，特別是耐晶間腐蝕性能下降。碳還增大鉻鎳奧氏體不銹鋼的點蝕傾向。20世紀60年代以來不斷開發出的新型奧氏體不銹鋼大都是碳含量小于0.03％或 0.02％的超低碳不銹鋼。隨著碳含量的降低，鋼的晶間腐蝕敏感性降低，當碳含量小于0.02％時才具有十分明顯的效果。

圖1 奧氏體不銹鋼中的固溶強化效應

鉻

鉻是奧氏體不銹鋼中最主要的合金元素，在介質的作用下，鉻能促進鋼的鈍化使之具有不銹性和耐蝕性。早期的研究工作表明，在鉻鎳奧氏體不銹鋼中，碳含量為0.1%，鉻含量為18％ 時，自1100℃速冷，能在室溫獲得單一介穩定奧氏體組織所需的鎳含量最低值約為 8％。因此，常用的18Cr-8M型奧氏體不銹鋼是鉻、鎳配比最為適宜的一種鋼。在奧氏體不銹鋼中，隨著鉻含量的增加，σ相形成的傾向加大，當鋼中含有鉬時，鉻含量的增加還會促進χ相的形成。這些金屬間化合物的析出顯著降低鋼的塑性和韌性，而且在一些條件下還降低鋼的耐蝕性。奧氏體不銹鋼中鉻含量的提高將降低馬氏體轉變溫度Ms，從而提高奧氏體的穩定性。因此，鉻含量超過20％的高鉻奧氏體不銹鋼即使經過冷加工和低溫處理也很難出現馬氏體組織。

一般而言，只要奧氏體不銹鋼保持完全奧氏體組織而沒有鐵素體的生成，僅提高鉻含量不會對鋼的力學性能有明顯的影響。鉻對奧氏體不銹鋼性能影響最大的是其耐蝕性；提高鋼的抗氧化性介質和耐酸性氯化物介質的性能；在鎳、鉬、銅的復合作用下，鉻提高耐一些還原性介質、有機酸、尿素和堿介質的性能；鉻還提高鋼耐晶間腐蝕、耐點腐蝕、耐縫隙腐蝕及耐某些條件下應力腐蝕的性能。

圖2為鉻對 Fe-Cr- 1ONi奧氏體不銹鋼在氧化性介質中耐蝕性的影響。在 65％沸騰的硝酸中，隨鉻含量的提高，Cr-Ni鋼的耐蝕性急劇增加的臨界鉻含量約 為 12%，而具有最低穩定的腐蝕速率的最佳鉻含量應為 18%。

圖2 鉻對 Fe-Cr-1ONi奧氏體 不銹鋼耐蝕性的影響

在奧氏體不銹鋼中，鉻能增大碳的溶解度而降低鉻的貧化度，因而提高鉻含量對奧氏體不銹鋼的耐晶間腐蝕是有益的。

鉻非常有效地改善奧氏體不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕性能。當鋼中同時有鉬和氮的存在時，鉻的這種作用大大加強。雖然根據研究，鉬的耐點蝕及耐縫隙腐蝕的能力為鉻的3倍左右，氮為鉻的30倍，但當鋼中鉻含量不足時將難以發揮鉬、氮的有效性。

鉻對奧氏體不銹鋼耐應力腐蝕的影響視介質條件和使用環境而異。在MgC12沸騰溶液中，鉻的作用通常是有害的，但是在含 Cl-和氧的水介質、高溫高壓水及以點蝕為起源的應力腐蝕環境中，提高鋼中鉻含量對其耐應力腐蝕性能是有益的。鉻和鎳對奧氏體不銹鋼耐苛性（NaOH）應力腐蝕也是有益的。

鎳

鎳在奧氏體不銹鋼中的主要作用是形成并穩定奧氏體以獲得完全的奧氏體組織，從而使鋼具有良好的強度與塑性、韌性的配合和一系列優良的工藝性能。

鎳是強烈形成并穩定奧氏體且擴大奧氏體相區的元素，奧氏體不銹鋼中隨著鎳含量的增加，殘余鐵素體可以完全消除，并顯著降低σ相形成的傾向（圖3)。鎳明顯降低Ms點，甚至可不出現 γ→M 相變。

圖3 鎳對 022Cr25Ni25Si2V2Nb 鋼σ相析出量的影響

鎳對奧氏體不銹鋼力學性能的影響主要決定于鎳對奧氏體穩定性的影響。在鋼中能發生馬氏體轉變的鎳含量范圍內，隨鎳含量的增加，由于馬氏體量的減少，鋼的強度降低而塑性提高。

具有穩定奧氏體組織的鉻鎳奧氏體不銹鋼具有非常優良的韌性，包括極低溫韌性，因而可做低溫鋼使用。

對于具有穩定奧氏體組織的鉻錳氮奧氏體不銹鋼，鎳的加入可以進一步改善其低溫韌性，如圖 4所示。

圖4 鎳含量對 18Cr-15Mn-0.4N鋼低溫（-196℃）沖擊功的影響

鎳可顯著降低奧氏體不銹鋼的冷加工硬化傾向。這主要是由于鎳增大了奧氏體的穩定性，減少以至消除了冷加工過程中的馬氏體轉變，而鎳對奧氏體本身的冷加工硬化作用不明顯。鎳提高奧氏體不銹鋼的鈍化傾向和熱力學穩定性，因而提高合金的耐均勻腐蝕性能和耐氧化性介質的性能；隨著鎳含量的增加，耐還原性介質的性能進一步得到改善。在奧氏體不銹鋼中，鎳是提高其在一些介質中耐穿晶型應力腐蝕的唯一重要元素。鎳含量的增加能降低碳在奧氏體鋼中的溶解度，使碳化物的析出傾向增強，其產生晶間腐蝕的臨界碳含量降低，即晶間腐蝕的敏感性增加。為獲得良好的耐晶間腐蝕性能，須將鋼中碳含量降至更低水平。圖 5為鉻鎳奧氏體鋼產生晶間腐蝕的鉻、鎳含量與臨界碳含量的關系，證實了鉻的有益作用和鎳的有害作用。至于對奧氏體不銹鋼耐點蝕的縫隙腐蝕的性能，鎳的作用不顯著。

圖5鉻鎳奧氏體不銹鋼產生晶間腐蝕的鉻、鎳含與臨界碳含量的關系

鉬

鉬形成鐵素體的能力與鉻相當。鉬還促進不銹鋼中金屬間化合物。σ相、χ相、η相等的沉淀，對鋼的耐蝕性和力學性能都會產生不利影響。為使奧氏體不銹鋼能保持單一的奧氏體組織，隨鋼中鉬含量的增加，需相應提高鎳、氮及錳等奧氏體形成元素的含量。

鉬在奧氏體不銹鋼中有明顯的固溶強化效果（圖 1)。隨鉬含量的增加，鋼的高溫持久強度、抗蠕變性能均有較大的提高，因此含鉬不銹鋼也常在較高溫度下使用。

加入鉬使鋼的高溫變形抗力增大，而鋼中常存在少量的δ鐵素體，因而含鉬不銹鋼的熱加工性能比不含鉬的差。鉬含量越高，熱加工性能越差。如果鋼中有金屬間化合物沉淀，將會顯著惡化鋼的塑性和韌性。

鉬在奧氏體不銹鋼中的主要作用是擴大其使用范圍，提高鋼在還原介質中的耐蝕性，如 H2SO4、H3PO4，以及一些有機酸和尿素環境，并提高鋼的耐點蝕及耐縫隙腐蝕性能。但在氧化性介質中，鉬的作用是有害的，在鉬含量大于 3.5％后， HNO3中的腐蝕率急劇增加。因此，含鉬的奧氏體不銹鋼不用于耐硝酸腐蝕的條件下。圖6為鉬對鉻鎳奧氏體不銹鋼（18％Cr-l0%~15％Ni)在海洋大氣掛片條件下點蝕的影響，顯示出鉬的良好作用。一些研究工作表明，在不銹鋼中，Mo 是以Mo-的形式溶解在溶液中，在 Cl-存在的條件下，鈍化膜破裂后生成金屬活性面。由于 MoO42-的吸附，抑制了金屬的再溶解。大量實驗已證明，鉬的作用僅在鋼中含有較高的鉻含量時才有效。

圖6鉬對18％Cr-10%~15%Ni鋼在海洋大氣掛片條件下點腐蝕的影響

鉬對奧氏體不銹鋼的耐應力腐蝕有害。在高濃度氯化物應力腐蝕條件下，鉬含量在3％以下時，隨鉬含量的增加，耐應力腐蝕性能下降；在鉬含量大于3％時， 隨鉬含量的增加，耐應力腐蝕性能隨之提高。在含微量氯化物及飽和氧的水溶液中，應力腐蝕多以點蝕為起源，在這種情況下，鉬對奧氏體不銹鋼的耐應力腐蝕性能有利。

銅

銅在奧氏體不銹鋼的作用是顯著降低其冷作硬化傾向，提高冷加工成形性能。銅與鉬配合可以進一步提高奧氏體不銹鋼在還原性介質中的耐蝕性。在奧氏體中，銅的加入量范圍在 1%-4％時對鋼的組織沒有明顯影響。

奧氏體不銹鋼中，在一定銅含量范圍內，隨銅含量的增加，鋼的強度隨之下降， 塑性提高，應變強化指數n值下降。在銅含量達到3%-4％時，n值達到一個最低的穩定值。

圖7為銅含量對鉻鎳奧氏體不銹鋼（16%~18%Cr-7%Ni，wc≤0.08%）室溫力學性能與加工硬化指數的影響。固溶銅的增加使鋼的強度下降和塑性提高的原因是：銅能顯著地增加鉻鎳奧氏體不銹鋼的層錯能并能穩定奧氏體組織，層錯能的增加阻礙了不全位錯的形成，有利于錯位的交叉滑移，防止了位錯的堆積，提高了材料的塑性。銅含量的增加還抑制拉伸試驗過程中形成誘發α‘相的形成和應變強化。

圖7銅含量對鉻鎳奧氏體不銹鋼(wc≤0.08%)室溫力學性能與加工硬化指數的影響

一般來說，奧氏體不銹鋼n值較大，這是由于在加工過程中形變誘發。α‘相形成的緣故。銅的加入抑制了形變誘發α‘相的形成，從而降低n值。有些奧氏體不銹鋼（303,304等鋼）存在冷加工壓縮開裂傾向，銅的加入可以改善其冷成形性。銅顯著降低鋼的熱加工性，在奧氏體不銹鋼中鎳含量較低時更為明顯，因而在鋼中銅含量較高時，鎳含量也應相應提高。銅能顯著提高奧氏體不銹鋼對硫酸、磷酸等還原性介質的耐蝕性，當用銅和鉬復合合金化時，效果更為突出。國內研究銅的作用機制的結果表明，銅的加入加速了不銹鋼中鉬的溶解，形成 MoO42-，強烈促使不銹鋼中鉻的鈍化及鉻向表面膜中富集，導致鋼的耐蝕性提高。在諸如硝酸等氧化性介質中，銅的加入并不降低鋼的耐蝕性，但會降低鉻鎳奧氏體不銹鋼的耐點蝕和耐應力腐蝕的性能。

錳

在鉻鎳奧氏體不銹鋼中，錳含量一般不超過 2％，生產中多控制在 1.5％左右。在之后發展的鎳不銹鋼中，錳成為重要的合金元素，其主要作用是與氮和一定數量的鎳形成穩定的奧氏體。一些 Cr-Mn-Ni-N型奧氏體不銹鋼已被許多國家列入各自的不銹鋼標準中。無鎳的 Cr-Mn-N不銹鋼只在一定范圍內使用。近期出現的高氮奧氏體不銹鋼，為了提高氮的溶解度 ，已出現高錳含量（(5％-10％）的鉻鎳奧氏體不銹鋼。圖8為鉻、錳含量對氮在14%Ni奧氏體鋼溶解度的影響。

圖8 Cr,Mn對N在14%Ni奧氏體鋼中溶解度的影響

錳含量小于2％時，其含量的變化對常用鉻鎳不銹鋼的組織，包括奧氏體的穩定性，沒有明顯的影響。

鉻鎳奧氏體不銹鋼的強度隨其中錳含量的增加而提高。無鎳的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼在低溫時會出現韌脆轉變溫度，如圖 9所示，這與鉻鎳奧氏體鋼有顯著差別，而 Cr-Mn-N鋼有鎳存在時，其低溫韌性有明顯改善（圖4）。這表明，僅有錳和氮而無鎳無法獲得鉻鎳奧氏體不銹鋼所具有的優良低溫韌性。

圖9 Cr18Mn15N不銹鋼的低溫韌性

錳可以改善鉻鎳奧氏體不銹鋼的熱塑性，錳含量為 1.5％時已有明顯的效果。錳與硫有較強的親和力，形成 MnS，有利于消除鋼中的殘余硫的有害作用，但 MnS 的形成常導致鉻鎳奧氏體不銹鋼耐氯化物點腐蝕和縫隙腐蝕能力的下降。鋼中的硫降低到一定程度，錳的不利影響基本可以消除。

硅

硅在奧氏體不銹鋼中的含量一般都在 0.8%-1.0％以下。硅作為合金元素，視其用途不同，含量范圍在2％-7％。

硅是強烈形成鐵素體的元素，在奧氏體不銹鋼中，隨硅含量的提高，δ鐵素體將增加，金屬間化合物σ相的形成也會加速和增多，從而影響鋼的性能。圖 10為硅含量對022Crl8Nil5Si不銹鋼析出相的影響，圖中π相是一種具有β-Mn結構 （立方）的氮化物，Cr3Si是一種拓撲密堆相。為保持奧氏體不銹鋼的單一奧氏體組織，隨著硅含量的提高，鎳和氮的含量也要相應提高。

圖10硅含量對022Cr18Ni15Si不銹鋼析出相的影響

在通常硅含量的范圍內（(1.0％以下），隨鋼中硅含量的降低，將提高18％Cr~10%Ni超低碳奧氏體不銹鋼在硝酸介質中的耐蝕性。目前硝酸級不銹鋼，除具有極低的碳含量（0.015％）外，還應控制盡量低的硅含量（<0.1%)。

鉻鎳奧氏體不銹鋼中的硅含量在1％以上時，雖然使鋼的耐稀硝酸性能下降，但卻提高其在高濃硝酸和含 Cr6＋的硝酸及高溫濃硫酸中的耐蝕性。硅提高奧氏體不銹鋼在強氧化性介質中耐蝕性的主要機制是能在不銹鋼表面上形成Si02膜和抑制磷的有害作用。在實際工業中，高硅奧氏體不銹鋼已成功地應用于高溫硫酸工程。

氮

氮作為合金元素早期用于 Cr-Mn-N和 Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼中，以節約鎳。除節鎳效果外，氮通過固溶強化可顯著提高奧氏體不銹鋼的強度，而不顯著損害其塑性和韌性，同時氮還可以提高鋼的耐均勻腐蝕、耐點蝕、耐縫隙腐蝕和耐晶間腐蝕的性能。

由于氮的良好作用，用氮合金化的奧氏體不銹鋼不斷取得進展并獲得應用。目前應用的含氮奧氏體不銹鋼可以分為三種類型：

(1)控氮型。在超低碳（簇0.02%-0.03％）鉻鎳奧氏體不銹鋼中加入 0.05％一 0.12％N，用以提高鋼的強度，使其達到含穩定化元素鈦或普通低碳（≤0.08％）奧氏體不銹鋼的水平。

(2)中氮型。含 有0.12％~0.40%N，是在正常大氣壓力條件下冶煉和澆鑄所得到的氮合金化奧氏體不銹鋼。這類鋼以耐腐蝕為主要目的，同時具有較高的強度。

( 3)高氮型。氮含量在0.40％以上。高氮型奧氏體不銹鋼在加壓條件下冶煉和澆鑄，或者調整鋼中的鉻、錳含量，在常規條件下冶煉和澆鑄，將氮加入到足夠高的水平。主要在固溶態或半冷加工狀態下使用，既具有高強度，又耐腐蝕。

氮形成奧氏體的能力與碳相當，約為鎳的30倍。氮在奧氏體不銹鋼中可代替部分鎳，可降低鋼中的鐵素體含量，并使奧氏體更穩定，甚至可避免出現馬氏體轉變。在鉻鎳奧氏體不銹鋼中，氮含量的增加可形成Cr2N型氮化物。

氮顯著提高奧氏體鋼的強度（圖1)，每加入0.010％N，可提高鉻鎳奧氏體不銹鋼的室溫強度（σ0.2、σb)60~100MPa，其塑性仍保持足夠高的水平。圖 12 顯示氮含量對18Cr-12Ni-2Mo奧氏體不銹鋼室溫強度和塑性的影響。在高氮奧氏體鋼中，氮亦可以提高其強度，氮含量為1.2％的低碳Cr-Ni-Mn-N系奧氏體不銹鋼的屈服強度可達 800-900MPa。曾對低碳的 18Cr-18Mn-N奧氏體鋼的力學性能進行過研究，經固溶處理后可獲得單一的奧氏體組織，圖13為氮含量對其室溫屈服強度和斷裂韌度的影響。研究結果表明，在氮固溶于奧氏體的情況下，其含量高至0.74％時，斷裂韌度不降低，而其屈服強度顯著提高。通過冷加工變形，可以進一步提高其屈服強度。在固溶氮含量為0.58％時，經過40％的冷變形，鋼的屈服強度可達 1400~1500MPa，其斷裂韌度將由很高的 500MPa·m1/2降至依然不錯的200 MPa·m1/2。

在氮含量小于 0.67％時，鉻鎳奧氏體不銹鋼仍有低的韌脆轉變溫度，在-200℃的低溫下仍有足夠高的沖擊性能，但當氮含量達到0.84％時，其韌脆轉變溫度較高，-200℃的沖擊韌性已顯得過低。

圖12氮對022Cr19Ni10鋼室溫力學性能的影響

圖13固溶氮含量對奧氏體不銹鋼（18Cr18Mn-N）屈服強度和斷裂韌度的影響

在一些酸性介質中，氮提高奧氏體不銹鋼耐一般腐蝕性能。適量的氮還提高奧氏體不銹鋼敏化態的耐晶間腐蝕性能，這是由于氮作為活性元素優先沿晶界聚集 ，氮降低碳原子和鉻原子的擴散能力，從而抑制碳化物 M23C6的析出和延緩。σ相、χ相的形成。

氮還提高鉻鎳鉬奧氏體不銹鋼耐稀硝酸腐蝕的性能。在氯化物環境中，氮顯著提高奧氏體不銹鋼耐點腐蝕和耐縫隙腐蝕的性能。研究表明，氮僅是強化鉻、鉬元素在奧氏體中的耐蝕作用，鉻、鉬的存在是氮改善奧氏體不銹鋼耐蝕作用的前提。氮耐點蝕和耐縫隙腐蝕的能力約相當于鉻的30倍。

鈦和鈮

在奧氏體不銹鋼中， 鈦和鈮主要是作為穩定化元素加入的，以防止敏化態晶間腐蝕的發生。鈦和鈮與碳的親和力遠大于鉻，加入到奧氏體不銹鋼中優先與碳結合成 TiC或 NbC，防止或減少 M23C6型碳化物的形成，從而防止敏化態晶間腐蝕的發生。以加鈦或鈮的方法防止奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，必須使鋼中全部碳都能與之結合成碳化物，可以計算出所需的鈦、鈮含量分別為碳含量的3.99或7.78倍。此外，還應考慮鈦或鈮與其他元素的作用，它們與氧和氮的親和力也很大，實際應用中必須將這些因素考慮進去。

其他元素

硫在奧氏體不銹鋼中被視為有害雜質 ，其含量被限制在0.03％一 0.035％。硫的有害作用主要是：降低奧氏體不銹鋼的熱塑性，影響鋼的熱加工性， 這是由于在高溫下 MnS或（Fe,Mn)S沿晶界析出有關；硫還降低奧氏體不銹鋼的耐蝕性，MnS易溶于酸性氯化物溶液，常成為腐蝕源導致耐點腐蝕和耐縫隙腐蝕性能的顯著降低。

硫的加入可提高奧氏體不銹鋼的切削加工性能，在易切削奧氏體不銹鋼中，硫被視為合金元素。

磷在奧氏體不銹鋼中一般被視為有害雜質，標準中規定磷含量不大于 0.035％-0.045％，在Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼中，磷含量可以放寬到0.06％，磷的有害作用主要是：顯著降低鉻鎳奧氏體不銹鋼在固溶態和敏化態下耐各種濃度硝酸腐蝕的性能；明顯增強鉻鎳奧氏體不銹鋼在濃硝酸和含 Cr5+ 的硝酸中固溶態晶間腐蝕的敏感性，降低在這些使用條件下的耐蝕性。磷的這種有害作用多用磷的晶界偏聚來解釋。在某些條件下，鉻鎳奧氏體不銹鋼中的磷含量應控制在0.01％以下，有的用途甚至要低于0.005％。