不銹鋼基本組成元素有碳、鉻、鎳，有的還加入鉬、銅、氮等合金元素。碳和合金成分的含量、種類與不銹鋼的相組織構成有著密切的關系。判定某一具體成分的不銹鋼會具有何種組織結構，一種較簡單的方法是借助于Schaeffler圖。
這個圖可以比較近似地表示出不銹鋼化學成分與具有的金相組織之間的關系。這個圖最初是為了估算不銹鋼焊縫金屬組織而制訂的，后來推廣到可變形的不銹鋼中。建立這個圖時，通常把存在于不銹鋼中的合金元素分為穩定奧氏體的元素和穩定鐵素體的元素，并把它們的相應作用程度按重量百分數表示出來，即折合成鉻當量和鎳當量的形式。這種當量可以用公式計算出來。Schaeffler圖出現后，在實踐中不斷地被修改完善，圖1－1便是一個常見的、基本形式的Schaeffler圖。
使用這個圖時，所用的鉻當量和鎳當量計算分別見公式1－1和公式1－2。
鉻當量:Cr eq=Cr%+Mo%+1. 5×Si%+0. 5×Nb% 1－1
鎳當量:Ni e q=Ni%+ 3 0×C%+ 0. 5×Mn% 1－2
圖1－1 Schaeffler圖
例如:某一爐號鋼的化學成分如表1－1所示，估算其相組成。
表1－1 化學成分(質量%)
按公式1－1計算鉻當量:
Creq= 23.00+ 1.10+ 1.5×0.60= 25.00
按公式1－2計算鎳當量:
Nieq=5.50+30×0.07+ 0.5×0.80=8.00
按圖1－1可估算，當Creq= 25.00(橫坐標)、Nieq= 8.00(縱坐標)時，該鋼具有70%左右的鐵素體，30%左右的奧氏體。屬鐵素體－奧氏體雙相不銹鋼。
不同研究者還考慮其他合金元素對組織的影響情況，對Schaeffler圖作出修訂，不同資料可能提供不同形式的相圖，所以，使用這類相圖時，應注意使用條件和鉻當量、鎳當量的計算方法。
不銹鋼的主要組成元素
一、鉻
在不銹鋼的合金元素中，鉻是最重要的元素。
由于鉻形成的致密、穩定的Cr2O3薄膜的保護，阻止了介質對金屬基體的繼續滲入腐蝕，所以，鋼中如果含鉻量達5%，就顯示出一定的耐腐蝕作用。但不是所有含鉻的鋼都可以作不銹鋼使用，經過多年的研究和實踐，人們發現，依據腐蝕的電化學理論，為了提高鋼的電極電位，把鉻加入到鐵基固溶體中時，只有鉻含量達到一定濃度，即當鉻的原子比達到1/8、2/8、3/8、…n/8，鐵基固溶體的電極電位才會跳躍式地增高，腐蝕也因此而減弱，鋼的耐腐蝕性能才會明顯地提高，見圖1－2和圖1－3。
圖1－2 鐵－鉻合金在1N的FeSO4溶液中與甘汞電極的比較電位以及在3N的HNO3中的腐蝕率
圖1－3 鉻鋼在海水中的腐蝕速度與含鉻量的關系
鉻原子引起鋼的電極電位第一次突變增高是鉻占1/8原子比，即12.5%原子比時，如果折算成質量百分數則為:
這個11.7%的鉻含量就是構成不銹鋼中的含鉻量的最低界限，亦即鋼中鉻含量高于這個界限才可稱為不銹鋼。
當然，隨著腐蝕介質條件的不同，有時鋼中的鉻含量還要提高，如在氧化性較強的介質中，鉻含量要高于16%的鋼才會有明顯的鈍化能力。工業中應用的不銹鋼的鉻含量一般在12%～30%。可以說，幾乎沒有一種不銹鋼不含鉻，所以說，鉻是不銹鋼中最重要的、起決定性作用的合金元素。
二、鎳
鎳是優良的耐腐蝕材料，但是，因價格昂貴以及其他一些因素的限制，在工業上很少應用純鎳，常常是作為一個重要的合金元素加入鐵碳合金中來發揮作用。鎳是形成和穩定奧氏體的元素，但是，在低碳的鎳鋼中要獲得純奧氏體組織，鎳含量要達到24%以上，而含鎳量達到27%才能使鋼在某些介質中改善耐蝕性，見圖1－4。
圖1－4 鎳對0.2%～0.3%碳的鋼在10%硫酸中耐腐蝕性能的影響
可是，當鎳與鉻共同存在于鋼中時，鎳的作用會發生很大的變化。比如，在含17%鉻的鐵素體不銹鋼中，加入2%左右的鎳以后，變成了馬氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼強度低，抗拉強度不足400N/mm2，不能通過熱處理方法
強化，而變成馬氏體不銹鋼后，在加熱和冷卻時會發生相變，就可以用熱處理方法來調整性能，如1Cr17Ni2鋼，經980～1020℃加熱油淬后，再經不同溫度的回火，其抗拉強度可在600～1100N/mm2之間調整，以滿足使用要求。再比如，當把鎳含量繼續提高到8%左右時，一般情況下可獲得單相奧氏體組織，即被廣泛應用的18－8奧氏體不銹鋼，其比相同含鉻量的鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼有更優良的耐腐蝕性能，而且，加工性能、焊接性能、低溫下的塑性和沖擊韌性更好。
由此可見，鎳在不銹鋼中的應用主要是配合鉻才能更好地發揮作用，才能改變不銹鋼的組織，從而使不銹鋼的力學性能、加工性能和在某些腐蝕介質中的耐腐蝕性能得到很大的改善。
三、碳
碳是鋼的主要組成元素，碳在鋼中的含量及分布形式決定了鋼的組織和性能。碳在不銹鋼中對組織、力學性能、耐腐蝕性能有很大的影響，可以說是起主導作用的。
碳是一種強烈擴大奧氏體區域和穩定奧氏體組織的元素，其作用程度大約是鎳的30倍，所以，碳含量對不銹鋼組織、性能的影響是明顯的。典型的例子，含鉻為17%的不銹鋼，當含碳量不足0.12%時是鐵素體不銹鋼，無相變，不能用熱處理方法強化，退火使用的硬度不足200HB;而當含碳量增加到0.7%以上時，則成為馬氏體不銹鋼，淬火、回火后硬度可大于50HRC。再比如，含鉻為13%的不銹鋼，隨著含碳量的增加，熱處理后的硬度有明顯的提高。見圖1－5。
圖1－5 含碳量對13%鉻鋼調質后的硬度影響(980℃油淬，650℃回火)
從以上兩例可見，碳在不銹鋼中對改善組織和力學性能的作用是有益的。這種作用為不銹鋼在有高強度、高硬度要求的零件上的應用創造了條件。
但是，也應該看到，碳和鉻的親合力很大，極易與不銹鋼中的鉻結合形成碳－鉻化合物，碳越多，被結合的鉻也越多，這必然使固溶體中的鉻減少，從而使鋼的耐腐蝕能力受到影響，特別是這種鉻的碳化物沿晶粒界析出時，會引起該處產生貧鉻區，引起晶間腐蝕。從這方面看，碳對不銹鋼的耐腐蝕性能起到有害的作用。見圖1－6。所以，隨著冶金技術的進步，根據對不銹鋼耐腐蝕性能的需求，出現了越來越多的低碳、超低碳的新的不銹鋼鋼種。
圖1－6 含碳量對18Cr－8Ni鋼晶間腐蝕深度影響(敏化處理1000h在H2?SO4－Cu-SO4中試驗)
由上可見，碳在不銹鋼中發揮著有益和有害的兩個方面的作用，這一點應是選擇和使用不銹鋼及制訂正確熱處理方法時予以注意的。
四、鉬
鉬是形成鐵素體的元素，如果要使鋼獲得奧氏體組織，應考慮鋼中鉬的影響。因此，含鉬的奧氏體不銹鋼中都適當地提高了鎳的含量，以平衡鉬的作用。在馬氏體不銹鋼中含有鉬時，熱處理應適當提高淬火溫度，以保證含鉬的碳化物充分溶解。
鉬加入不銹鋼中，可增強鋼的鈍化作用，從而提高鋼的耐腐蝕性能。如高鉻鐵素體不銹鋼加入2%～3%鉬，可提高在有機酸中的耐腐蝕性。鉬加入雙相不銹鋼后，使鋼在含氯離子介質中的抗孔蝕能力顯著提高。見圖1－7。
圖1－7 鉬含量對孔蝕腐蝕速率的影響(試驗溫度150℃)
介質: 50g/L FeCl3+ 1/20M HCl
○: 25Cr—(7～10) Ni—N
×: 20Cr—(4～6) Ni—N
有人認為，鉬在鋼中是富集在靠近鋼基體的鈍化膜中，提高了鈍化膜的穩定性。但鉬的存在會促進鋼中σ相等金屬間相的形成，有使鋼材脆性增加的可能。
五、銅
銅是形成奧氏體的元素，但作用效果不大，對組織無顯著影響。銅能提高奧氏體的穩定性。不銹鋼中加入銅，主要是提高在硫酸中的抗腐蝕能力，特別是與鉬一起加入，效果更顯著，這可能與其在硫酸中有較高的穩定性有關。銅在沉淀硬化不銹鋼中，因時效處理析出富銅的強化相而使鋼強化。
六、鈦和鈮
鈦和鈮都是強烈形成碳化物的元素，都比鉻更容易形成碳化物，鈦和鈮存在于不銹鋼中，會使鋼中的碳盡可能地與鈦或鈮結合，這樣，就會使鋼中的鉻能盡量穩定地存在于固溶體中，使固溶體中有足以保證耐腐蝕性能的鉻的含量，保證鉻不沿晶界析出，也就保證了在晶界處不存在貧鉻區，即可有效地防止不銹鋼產生晶間腐蝕。
當然，加入鈦或鈮的含量應根據鋼中碳的含量來確定。一般來說，不銹鋼中鈦或鈮的加入量與鋼中碳的含量的關系可大致按下面的公式計算:
T i=［(C－0. 0 2)×5］%～0. 8% 1－3
N b= 1 0×C% 1－4
為保證不產生晶間腐蝕，除保證鋼中有足夠量的鈦或鈮外，還應進行適當的熱處理，以充分發揮鈦或鈮的作用。
不銹鋼加入鈦或鈮后，應注意的一個問題是，它們都是形成鐵素體的元素，有可能使奧氏體鋼中產生少許鐵素體，如果熱處理或使用不當，有形成σ相的可能，引起脆性，對加工性能產生不利的影響。
七、氮
氮是一種強烈擴大奧氏體區和穩定奧氏體組織的元素，其作用效果相當于鎳的25～30倍。所以，有的奧氏體鋼，如1Cr17Mn6Ni4N，由于加入了氮，與錳共同作用取代了一部分鎳，達到了節約鎳的效果。
對于雙相不銹鋼來說，有意識地加入氮是為了提高鋼的耐腐蝕性，特別是提高在含有氯離子介質中的耐點(孔)腐蝕和耐縫隙腐蝕性能。盡管對氮提高不銹鋼耐腐蝕性能的機制有不同的解釋，但對氮在不銹鋼中所發揮的作用都是一致肯定和重視的。
過高的氮含量可能使不銹鋼鑄件產生氣孔等缺陷，所以，加入氮的量要合理控制，一般不超過0.2%。
八、錳
錳也是擴大奧氏體區和穩定奧氏體組織的元素，其作用效果相當于鎳的1/2。錳在不銹鋼中的應用主要是取代一部分鎳，特別是缺鎳的國家以錳代鎳生產奧氏體不銹鋼。
錳對不銹鋼耐腐蝕性作用不大，因為錳對提高鐵基固溶體電極電位能力不大，形成氧化膜的防護作用也很低。
當鋼中鉻含量大于15%時，若錳含量超過10%，則組織中會增加δ相含量，反而對鋼的耐腐蝕性能和力學性能產生不利作用，所以，還應注意控制錳的加入量。
九、硅
硅也是鐵素體形成元素，能提高不銹鋼在氧化性介質中的耐腐蝕性能、抗晶間腐蝕性能和抗點腐蝕性能。
硅的加入還可改善鋼的鑄造性能。
但硅含量太高又易促進σ相形成，使鑄件脆化，降低鋼的力學性能。
十、鋁
鋁在不銹鋼中應用較少，研究者發現，當鋼中鋁達到一定含量時，可使鋼鈍化，提高在氧化性酸中的抗腐蝕性。
在一些沉淀硬化不銹鋼中加入鋁，是利用其在時效處理時能析出鎳－鋁金屬間化合物的特點，使鋼強化。
十一、硫和硒
在某些不銹鋼中有意識地提高硫(S)的含量或加入硒(Se)元素，主要是為提高不銹鋼，特別是奧氏體不銹鋼的切削性能。
硫和硒的加入會降低鋼的韌性，對耐腐蝕性也表現出不利作用。所以，一般很少使用。
十二、鎢
以前，在不銹鋼中很少應用鎢(W)這個元素。隨著雙相不銹鋼的研究開發，發現鎢對雙相不銹鋼提高耐縫隙腐蝕的作用是明顯的。一般認為，在不銹鋼中鎢的功能類似于鉬，可抑制金屬的再溶解，從而起到緩腐蝕作用，還有的研究認為，一定含量的鎢可減少鋼的中溫脆化傾向，所以，在國內外開發的雙相不銹鋼中，加入鎢元素已經不少見了。
十三、其他元素
除了上述各元素外，有的為提高不銹鋼的某些性能還加入其他一些元素，如為提高不銹鋼的硬度加入鈷(Co)，為提高不銹鋼熱強性加入釩(V)，為改善工藝性能加入稀土元素(RE)等。
以上對每種合金元素在不銹鋼中的作用和影響進行了說明。需要指出的是，不銹鋼是多種元素共存的，這時它們的影響要比每個元素在不銹鋼中的單獨作用更復雜。所以，不僅要考慮每種元素的自身作用，還要考慮它們之間的相互作用和影響。
比如，在不銹鋼組織結構方面，由于碳、鎳、錳、氮、銅是形成和穩定奧氏體的元素，而鉻、鉬、鈦、鈮、釩、鎢、鋁是形成和穩定鐵素體的元素，這兩類元素共存于不銹鋼時，不銹鋼的組織就決定于它們相互作用的結果。所以，有單相鐵素體不銹鋼或奧氏體不銹鋼，有雙相不銹鋼，有可以在加熱冷卻發生相變而通過熱處理方法調整性能的不銹鋼。
再比如，為了提高在某些還原性介質中的耐腐蝕性加入鉬元素，而且又要保持奧氏體組織，就必須提高不銹鋼中的鎳含量，來平衡鉬的影響。
總之，在分析、使用不銹鋼，在確定不銹鋼熱處理規范時，都應全面、綜合地考慮每種合金元素及其幾種合金元素的綜合作用。
上面談的是幾種合金元素在不銹鋼中的基本作用，每一種元素在不同類型的不銹鋼中的作用還有差異。這部分內容將在具體的不銹鋼類型中予以說明。
