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超純鐵素體不銹鋼厚壁管是現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計，超純鐵素體不銹鋼厚壁管在室溫使用環境下都為鐵素體組織，在鋼種的開發設計過程中發現，不同的合金元素的添加對其性能和特征都會起到相應的作用。

（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，能形成一系列復雜的碳化物，會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]。目前工業中應用的不銹鋼厚壁管的含碳量都較低，現代研究表明，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，促使其內部的矛盾運動向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發展。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被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現象。構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先于Fe原子與O原子結合成鉻氧化物，這一次致密的鉻氧化物保護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進行反應，另一方面，當氧化膜遭到破壞時，致密的鉻氧化物保護膜能夠迅速的自我修復。Cr元素的含量可以對不Fe-Cr系不銹鋼厚壁管的組織進行有效的調控，根據研究表明，當鉻元素的含量超過14%時，Fe-Cr系合金可以保證材料內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作為間隙原子會對滑移產生一定的釘扎作用而阻礙其發生，因此會降低鐵素體不銹鋼厚壁管的成形性能。除此之外，N還會對鐵素體不銹鋼厚壁管的耐一般腐蝕、耐點蝕、耐應力腐蝕等性能產生有害的影響。

（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，還能提高鋼的強度和硬度，增強鋼的二次硬化效應。這種作用對不銹鋼厚壁管的使用會產生極大的益處。除此之外，鉬還可以擴大鋼在還原介質中的鈍化范圍，提高鈍化膜的強度和耐蝕性，也可以提高鋼對氯化物的應力腐蝕斷裂能力。利用固溶強化的方法，鉬可以析出FeaMo2等來提高鐵素體不銹鋼厚壁管的強度和抗回火能力，并提高鋼的高溫強度和抗蠕變性能。

（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元素會優先于C元素結合形成TiC，這種特性可以避免由于碳與鉻化合而形成貧鉻區，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元素也會優先于C元素結合形成NbC，這種特性可以避免由于碳與鉻化合而形成貧鉻區，防止晶間腐蝕[31]。鋸元素可以提高不銹鋼厚壁管的強度，高溫熱蠕變性能以及耐晶間腐蝕能力。另外，鋸與鈦還具有雙穩定化效應。

（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，和鉬一樣，形成的碳化物在加工時可以阻礙晶粒長大，鎢還能提高不銹鋼厚壁管的蠕變強度，對鋼的力學性能及熱強性的影響與鉬相似。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能夠起到穩定鐵素體的作用。另外W還會起到提高擴散激活能，降低鉻元素的高溫擴散行為。

（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“工業點金石”，由于其特殊的電子層結構，能起到精煉、脫氣、脫硫和消除其他有害雜質的作用，進而改善夾雜物的形態和分布，改善鋼的鑄態組織和性能，提高鋼的質量。

現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發生相變，因此，要想提高鐵素體不銹鋼厚壁管的強度和塑性等性能，晶粒細化是非常好的手段。當鋼中加入了稀土元素的時候，鋼液在凝固過程中等軸晶區會被擴大，晶粒的長大也會被抑制，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得到一定的提高。除此之外，稀土Ce的添加能夠促進鉻元素的擴散，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，通過這個過程，鋼中夾雜物有所減少B9]，另外，稀土參與復合形成的稀土夾雜物的形態也會發生改變，有研究表面，添加了稀土之后，鋼中的夾雜物的形狀變得規則化，并逐漸轉變成接近球形的規則形狀。這樣可以降低材料的各向異性，并且對鋼的強塑性提高都有益處。

稀土元素的添加會引起一種被稱為“活性元素效應”的現象，從而降低鋼的氧化速度并且提高其抗氧化性能。稀土元素添加進鐵素體不銹鋼厚壁管之后，一方面稀土元素會伴隨并促進Cr元素在氧化層反應界面附近的基體處富集，另一方面，少量鉻元素會進入氧化層中，參與并促進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的元素包括Si、Al、Cu、Ni、Mn等，這些元素添加進鐵素體不銹鋼厚壁管中往往會給鐵素體不銹鋼厚壁管的各項性能帶來雙重作用，即一方面會給材料的某些性能帶來提升，另一方面也會對一部分性能造成影響。

一般認為，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導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，還原性環境中材料表面陽極溶解現象被抑制，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生作用，一方面錳元素會與氧結合，這部分氧化物的熱膨脹系數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，防止因氧化層嚴重剝落而導致氧化物保護層變得不完整。另一方面錳元素與氧的結合可以降低氧化過程中鉻元素的過量消耗，降低因為鉻元素過量消耗而形成貧鉻區的趨勢。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生異常氧化，使得表面完整性被嚴重破壞。

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生許多好處，比如讓材料在酸性液體中迅速產生鈍化膜防止反應繼續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。但是鎳的儲備量較少，大量使用不利于全球資源可持續發展，另外鎳元素會降低材料的耐應力腐蝕能力，因此，當今社會以錳代鎳的相關研究蓬勃發展。