1.3.1　鐵素體形成元素的影響

1.3.1.1　鉻對不銹鋼及其焊縫性能的影響

添加鉻主要是為鋼提供耐腐蝕性。這對于氧化性的環境如含有硝酸的環境特別有效。添加鉻后在鋼的表面形成一種化學配比為（Fe，Cr）₂O₃的氧化物。因為鉻和氧的親和力遠高于鐵，所以鉻的存在增加了這種氧化物的穩定性。鉻的質量分數高于11％的鋼就被認為在大氣環境中是不銹的。在侵蝕性更強的環境中能穩定的氧化物則要求含有更高的鉻含量。

鉻是強鐵素體形成元素，是使鋼獲得不銹性的工業可利用的唯一元素。鉻使奧氏體相區縮小，在其含量約大于12％時，奧氏體相區完全消失。這就意味著含Cr12％以上的合金不發生γ→α轉變，因而也不會產生晶粒細化和硬化。因此，w（Cr）大于12％的Fe-Cr系合金是全鐵素體合金。而在Fe-Cr-C系或Fe-Cr-Ni-C系合金中增加鉻含量將在馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼中促使鐵素體的形成和殘留。在鐵素體系合金鋼中鉻是穩定鐵素體組織的主要合金元素。鉻也是形成金屬間化合物的一種重要成分，而金屬間化合物有使不銹鋼脆化的傾向。

總之，鉻與鐵的原子半徑非常接近，其電負性也相差無幾，因此兩者可以形成連續固溶體。鉻加入鐵中可使鐵的臨界點和組織結構（體心立方及面心立方）發生較大變化。同時由于鉻在體心立方（BCC）和面心立方（FCC）晶格中都可作為置換原子，因而從力學性能的觀點看鉻在一定程度上可起固溶強化作用。然而在鐵素體合金鋼中，特別是鋼中有碳和氮存在時，高的鉻含量會使韌性和塑性變得很差。高鉻鐵素體類鋼必須精心地處理或者是把碳和氮含量降得很低，以便在焊接后得到合格的力學性能。

1.3.1.2　鉬對不銹鋼及其焊縫性能的影響

很多不銹鋼中加入鉬，鉬的作用因鋼種不同而不同。在鐵素體、奧氏體和雙相不銹鋼中鉬可以加到6％，對于超級不銹鋼，加入量可以更高，這是為了改進耐腐蝕性，特別是改進耐點蝕和耐縫隙腐蝕能力。在奧氏體不銹鋼中鉬也能提高高溫強度，例如在18Cr-8Ni鋼中加入質量分數為2％的鉬可以使760℃時的高溫強度提高40％。不過，鉬也會有副作用，因為含鉬的鋼熱加工會更困難。在某些馬氏體不銹鋼中加鉬是為了形成碳化物，只加入質量分數為0.5％的鉬就可以改善鋼的二次硬化性能，提高室溫屈服強度和抗拉強度，并改進高溫性能。

像鉻一樣，鉬也使γ相區縮小，這意味著鉬促進鐵素體形成，是鐵素體形成元素。11.5％的鉻可使γ相區完全消失，對鉬而言，只需要2.9％就可使γ相區消失。鉬與鐵可形成金屬間相，其中最重要的是含鉬約45％的Laves相（Fe₂Mo），當鉬量達5％時，該相就會析出。在鐵鉻鉬合金中還能生成金屬間化合物χ相（Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀），由于鉻的存在，χ相向低鉬含量移動，含鉻17％時，χ相從含3％鉬開始析出，當鉬含量更高時，Laves相也將析出。在鐵-鉻系中，χ相析出區比σ相析出區的溫度更高，由此可解釋為什么含鉬的不銹鋼比不含鉬的不銹鋼需要更高溫度的固溶退火處理。這些金屬間相對含鉬不銹鋼和焊縫金屬的韌性及抗腐蝕性是有害的。

1.3.1.3　硅對不銹鋼及其焊縫性能的影響

在所有不銹鋼中實際上都含有硅，加入硅主要是為了熔煉時金屬的脫氧。在大多數不銹鋼中其質量分數為0.3％～0.6％。有時用鋁來替代硅作為脫氧劑，但在不銹鋼中很少見。已經發現加入質量分數為4％～5％的硅可以改善耐腐蝕性能，而在某些耐熱鋼中加入質量分數為1％～3％的硅可以改善在高溫時阻止形成氧化皮的能力。而硅在促使形成鐵素體或者奧氏體方面的作用尚不完全清楚。在奧氏體不銹鋼中質量分數為1％以下的硅含量對相平衡似乎沒有作用，然而更高的含量會促使形成鐵素體。在鐵素體和馬氏體不銹鋼中硅同樣能促使生成鐵素體。因此，一般將硅看成是鐵素體形成元素，在可相變的馬氏體不銹鋼中，加入硅將促進鐵素體形成，這時必須控制鋼的成分，避免形成單一鐵素體組織而失去淬硬性。在奧氏體鋼中，隨著硅量的提高δ鐵素體量將增加，同時金屬間相（σ或χ）的形成也將加速和增多，可引起脆化。為保證得到純奧氏體組織，在提高硅量的同時，要相應提高鋼中和焊縫中的奧氏體形成元素（Ni、N等）。在含硅的奧氏體不銹鋼中可存在類似M₂₃C₆的π相［M11（CN）₂］、Cr3Si（β相），由于鋼中形成π相，使得σ相的析出速度變慢。所以，氮的加入對含硅的奧氏體鎳-鉻不銹鋼有積極的作用。硅容易形成低熔點相，因此對焊縫熱裂紋有較大的影響。在一次結晶成γ相的鋼中，由于偏析現象，低熔點相主要在一次析出的奧氏體晶粒的晶界處形成。在焊縫金屬中，一次凝固形成δ鐵素體相時，硅的有害作用比一次凝固形成γ相時更大。硅作為不銹鋼中的合金元素，其含量在4％～5％時可大大提高Cr-Ni奧氏體鋼耐強硝酸腐蝕性能，加入量在1％～3％時可以提高抗氧化性。

另外，由于硅能改進熔融鋼的流動性，因而在焊接用填充材料中硅的加入量可稍高于常規值。某些不銹鋼特別是奧氏體不銹鋼在熔融狀態下很黏滯，因而加入硅可大大改善其流動性。

1.3.1.4　鋁對不銹鋼及其焊縫性能的影響

鋁是鐵素體形成元素，形成鐵素體的能力是鉻的2.5～3倍。在大多數不銹鋼及其焊縫中，鋁是作為脫氧劑加入的，由于含鋁夾雜物增加了鋼對點蝕的敏感性，故在通常情況下不采用鋁作為脫氧劑。作為合金元素，在不同的鋼中使用的目的不同，但鋁的主要作用是時效強化和提高回火穩定性及增加二次硬化效應。