不锈钢：广泛应用于工业的抗腐蚀金属材，解决材料腐蚀失效问题的关键

不锈钢是广泛应用于石油、化工、化肥、合成纤维、石油炼制等工业部门的金属材料。许多容器、管道、阀门、泵等一般因与各种腐蚀性介质接触而被腐蚀而报废。据统计，全世界每年因腐蚀报废的钢材约占年钢材产量的1/4。不锈钢产量占钢铁总产量的1%。因此，材料因腐蚀而失效是当今材料研发的三大问题之一（另外两个问题是疲劳和磨损）。

不锈钢是指具有耐腐蚀能力的钢种。不锈钢通常是指不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢也是不锈钢。所谓不锈钢，是指能抵抗大气和弱腐蚀介质腐蚀的钢种。腐蚀速率<0.01毫米/年的为完全耐腐蚀；腐蚀率<0.1毫米/年的被归类为耐腐蚀。所谓耐酸钠，是指能承受各种强腐蚀介质的钢。腐蚀速率<0.1毫米/年的为完全耐腐蚀，腐蚀速率<1毫米/年的为耐腐蚀。所以。不锈钢不会腐蚀，只是腐蚀缓慢。没有一种钢材是绝对不腐蚀的。

值得注意的是，在同一介质中。不同类型的不锈钢其腐蚀速率差异很大，同一不锈钢在不同介质中的腐蚀行为也有很大差异。例如。镍铬不锈钢在氧化介质中具有良好的耐蚀性。但在非氧化性介质（如盐酸）中的耐腐蚀性不好。因此，掌握各类不锈钢的特性对于正确选择和使用不锈钢非常重要。

不锈钢不仅要耐腐蚀，还要承受或传递载荷，因此还需要具有良好的机械性能。不锈钢一般是由板材、管材等型材加工成构件或零件，因此。它必须具有良好的切削性能和良好的焊接性能。

不锈钢分为典型的正火组织：铁素体（F）不锈钢、马氏体（M）不锈钢、奥氏体（A）不锈钢和奥氏体-铁素体（AF）双相不锈钢。和沉淀硬化或过渡）不锈钢。

1、金属腐蚀过程

金属在外界介质作用下逐渐遭到破坏的现象称为腐蚀。腐蚀基本上有两种形式。化学腐蚀和电化学腐蚀。实际生产中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。化学腐蚀不产生电流，腐蚀过程中会形成一定的腐蚀产物。这种腐蚀产物一般覆盖在金属表面并形成一层薄膜，将金属与介质隔离。如果这层化学产物稳定、致密、完整、牢固地与金属表面结合，就会大大减少甚至阻止腐蚀的进一步发展，保护金属。形成保护膜的过程称为钝化。例如生成SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜。这些氧化膜结构致密、完整、无疏松、无裂纹、不易剥落。它们可以保护贱金属并避免持续氧化。例如，铁在高温下氧化时会生成Fe2O3。相反，一些氧化膜是不连续的或多孔的。对母材没有保护作用。例如。有些金属氧化物，如Mo2O3、WO3，在高温下易挥发，覆盖基材起不到保护作用。

可见，氧化膜的生成以及氧化膜的结构和性能是化学腐蚀的重要特征。因此，提高金属抗化学腐蚀的能力，主要是通过合金化或其他方法，在金属表面形成一层与基体牢固结合的稳定、完整、致密的氧化膜（也称钝化膜）。腐蚀是金属腐蚀中更为重要和常见的形式。它是由于不同金属或金属之间的电极电位不同造成的。这种电偶腐蚀是在微观结构之间产生的。因此，也称为微电池腐蚀。电化学腐蚀的特点是不同金属、金属微区或相之间存在电介质、电位差连接或接触，同时产生腐蚀电流。

2. 腐蚀类型

工业生产中金属材料的腐蚀失效形式多种多样。不同材料在不同载荷、不同介质环境作用下的腐蚀形式主要有以下几类：

全面腐蚀：裸露的金属表面发生大面积较均匀的腐蚀。虽然它减少了元件的有效面积及其使用寿命，但其危害比局部腐蚀要小。

晶间腐蚀：指沿晶界的腐蚀，破坏晶粒之间的连接。这种腐蚀的危害是最大的。它会导致金属变脆或失去强度，敲击时会失去金属的声音，很容易引发突发事故。等级腐蚀是奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式。这是由于品位边界区域与晶内成分之间的成分或应力差异导致电极电位不同，从而导致品位边界区域的电极电位显着降低。

应力腐蚀：金属在腐蚀介质和拉应力（外应力或内应力）共同作用下产生的裂纹。断裂方式主要为沿晶断裂，也有穿晶断裂。这是一种危险的低应力脆性断裂。应力腐蚀常发生在氯化和碱性气氛氧化物或其他水溶性介质中。它是许多设备事故的原因。相当大的比例。

点蚀：点蚀是发生在金属表面局部区域的腐蚀损伤的一种形式。点蚀形成后能迅速向金属深处发展并最终渗透金属。点蚀的危害很大，尤其是对各种容器。发生点蚀后，应及时打磨或涂漆，以免腐蚀加深。

点蚀产生的原因是金属表面的钝化膜在介质的作用下被部分破坏。或者在含有氯离子的介质中，材料表面的疏松缺陷和非金属夹杂物都会引起点蚀。

腐蚀疲劳：金属在腐蚀介质和交变应力作用下的损伤，其特征是产生腐蚀坑和大量裂纹。显着降低钢的疲劳强度，导致过早断裂。腐蚀疲劳与机械疲劳不同，它没有一定的疲劳极限。随着循环次数的增加，疲劳强度总是降低。

除了上面提到的各种形式的腐蚀外，还有由于宏观电池效应引起的腐蚀。例如，金属构件中铆钉和铆接的不同材料、异种金属的焊接、船体和螺旋桨的不同材料等因电极电位差异而引起的腐蚀等。

从上述腐蚀机理可以看出，防腐蚀的重点应该是：尽可能减少原电池数量，使钢材表面形成稳定、完整的钝化膜，与钢材结合牢固。钢基体；在这种情况下，尽量减小两个电极之间的电极电位差。

不锈钢的合金化原理

提高钢材耐腐蚀性能的方法有很多，如在表面涂敷一层耐腐蚀金属、涂覆非金属层、电化学保护以及改变腐蚀性环境介质等。然而，采用合金化方法提高材料本身的耐腐蚀性能是防止腐蚀破坏的最有效措施之一。方法如下；

(1)添加合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般在钢中添加Cr、Ni、Si元素可以提高其电极电位。由于缺乏Ni，加入大量Si会使钢变脆。因此，只有Cr是常用的显着提高钢基体电极电位的元素。

Cr可以提高钢的电极电位，但其关系不是线性的，如图5.1所示。实验证明，随着合金元素的增加，钢的电极电位存在着由量变到质变的转变。

关系遵循 1/8 规则。当Cr含量达到一定值，即1/8原子（l/8、2/8、3/8……）时，电极电位会发生突变。因此，几乎所有的不锈钢中，Cr含量都在12.5%（原子）以上，即11.7%（质量）以上。

(2)添加合金元素，使钢材表面形成稳定、完整的净化膜，与钢基体结合牢固。从而提高钢的耐化学腐蚀性能。例如，在钢中添加Cr、Si.Al等合金元素，可以在钢的表面形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，可以提高钢的耐腐蚀性能。

(3)添加合金元素使钢在室温下以单相状态存在，减少微电池数量，提高钢的耐腐蚀性能。如果添加足够量的Cr或Cr-Ni，则钢在室温下将获得单相铁素体或单相奥氏体。

(4)添加Mo、Cu等元素，提高钢的抗非氧化性酸腐蚀的能力。

(5)添加Ti、Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而降低晶间腐蚀倾向。

(6)添加Mn、N等元素代替部分Ni，获得单相奥氏体组织，也可以大大提高不锈钢在有机酸中的耐蚀性能。

不锈钢的种类及特点

不锈钢的分类方法有两种：一种是根据合金元素的特性，分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种是根据合金元素的特性，分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种是根据钢在正火状态下的组织状态，分为M不锈钢、F不锈钢、A不锈钢。和AF双相不锈钢。

1.马氏体不锈钢

典型的马氏体不锈钢牌号包括1Cr13~4Cr13和9Cr18。 1Cr13钢具有良好的加工性能。无需预热即可进行深拉、弯曲、压接和焊接。 2Crl3冷变形前不需预热，但焊接前需预热。 ICrl3和2Cr13主要用于制造汽轮机叶片等耐腐蚀结构件，而3Cr13和4Cr13主要用于制造手术刀和医疗器械的耐磨零件； 9Cll8可用作耐腐蚀轴承和切削工具。

2.铁素体不锈钢

铁素体不锈钢的Cr含量一般为13%～30%，碳含量小于0.25%。有时会添加其他合金元素。金相组织主要为铁素体。加热和冷却时不发生αγ相变，不能通过热处理强化。具有较强的抗氧化性，合金元素的添加可在有机酸和含Cl介质中提供较强的耐腐蚀性。同时还具有良好的热加工性和一定的冷加工性。黑色不锈钢主要用于制造要求较高耐腐蚀性和较低强度要求的构件。广泛用于制造硝酸、氮肥生产设备以及化工行业用管道等。典型的黑色金属不锈钢有Crl7型、Cr25型和Cr28型。其成分性能及热处理工艺见表

3、奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢是为了克服马氏体不锈钢耐腐蚀性能不足和铁素体不锈钢脆性过大而开发的。基本成分为Crl8%、Ni8%，简称18-8钢。其特点是含碳量小于0.1%，Cr和Ni结合得到单相奥氏体组织。

奥氏体不锈钢一般用于制造硝酸、硫酸等化工设备部件以及制冷行业的低温设备部件。变形强化后可用作不锈钢弹簧、钟表弹簧。

奥氏体不锈钢具有良好的耐均匀腐蚀能力，但在耐局部腐蚀方面还存在以下问题：

1、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀

奥氏体不锈钢在450~850℃保温或缓慢冷却时，会发生晶间腐蚀。碳含量越高，晶间腐蚀倾向越大。此外，焊件热影响区也会发生晶间腐蚀。这是由于富铬的Cr23C6在晶界上析出所致。它会在周围基体中造成铬贫化区域，从而引起原电池的腐蚀。这种晶间腐蚀现象在前面提到的铁素体不锈钢中也存在。

工程上常采用以下方法来防止晶间腐蚀：

(1)降低钢中的碳含量，使钢中的总碳含量低于平衡条件下在奥氏体中的饱和溶解度，从根本上解决碳化铬(Cr23C6)在晶界析出的问题。 。通常钢中含碳量可降至0.03%以下，以满足耐晶间腐蚀的要求。

(2)添加Ti、Nb等能形成稳定碳化物(TiC或NbC)的元素，避免Cr23C6在晶界析出，可防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。

(3)通过调整钢中奥氏体形成元素和铁素体形成元素的比例，使其具有奥氏体+铁素体双相组织，其中铁素体占5%～12%。这种双相结构不易发生晶间腐蚀。

(4)采用适当的热处理工艺，可以防止晶间腐蚀，获得最佳的耐蚀性能。

2、奥氏体不锈钢的应力腐蚀

由应力（主要是拉应力）和腐蚀共同作用而引起的开裂称为应力腐蚀开裂，简称SCC（Stress Crack Corrosion）。奥氏体不锈钢在含有氯离子的腐蚀介质中容易发生应力腐蚀。当Ni含量达到8%~10%时，奥氏体不锈钢应力腐蚀倾向最大。继续增加Ni含量至45%～50%，应力腐蚀倾向逐渐减小直至消失。

防止奥氏体不锈钢应力腐蚀最重要的方法是在冶炼时添加Si2%～4%，并控制N含量在0.04%以下。此外，P、Sb、Bi、As等杂质的含量也应尽可能降低。此外，还可采用AF两用钢，该钢在Cl-和OH-介质中对应力腐蚀不敏感。当初始细裂纹遇到铁素体相而不再继续扩展时，体素含量应在6%左右。

3、不锈钢的奥氏体变形强化

单相奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可冷拔成很薄的钢丝，冷轧成很薄的钢带或钢管。经过大量变形后，钢材的强度大大提高，特别是在零下温度区轧制时。抗拉强度可达2 000 MPa以上。这是因为除了冷作硬化效应外，还叠加了变形引起的M相变。

奥氏体不锈钢经变形强化后可用于制造不锈弹簧、钟表弹簧、航空结构中的钢丝绳等。如果变形后需要焊接，只能采用点焊。变形增加了应力腐蚀的倾向。而铁磁性是由于部分γ->M转变而产生的，使用时应考虑到这一点（如在仪器零件中）。

再结晶温度随变形量的变化而变化。当变形量为60%时，再结晶温度降至650℃。冷变形奥氏体不锈钢的再结晶退火温度为850~1050℃。在850℃下需要保温3小时。 1050℃煮沸片刻，然后用水冷却。

4、不锈钢的奥氏体热处理

奥氏体不锈钢常用的热处理工艺有：固溶处理、稳定化处理和消除应力处理。

(1)固溶处理。将钢加热到1050~1150℃，然后用水淬火的主要目的是使奥氏体中的碳化物溶解，并在室温下保持这种状态，从而使钢的耐腐蚀性能大大提高。如上所述，为了防止晶间腐蚀，通常采用固溶处理，将Cr23C6溶解在奥氏体中，然后快速冷却。对于薄壁零件，可采用风冷，一般采用水冷。

(2)稳定化处理。通常在固溶处理后进行。常用于含Ti、Nb的18-8钢。固溶处理后，将钢加热至850~880℃，然后空冷。此时，Cr碳化物完全溶解，钛被除去。碳化物在冷却过程中未完全溶解并充分析出，使碳无法形成晶格碳化物，从而有效消除晶间腐蚀。

(3)减压治疗。消除应力处理是消除钢材冷加工或焊接后残余应力的热处理工艺。一般加热至300~350℃进行回火。对于不含稳定化元素Ti、Nb的钢，加热温度不宜超过450t，以避免碳化铬析出，引起晶间腐蚀。对于超低碳及合金Ti、Nb不锈钢的冷加工件和焊接件，需加热至500～950℃，然后缓慢冷却以消除应力（上限温度用于消除焊接应力） ），可减少晶间腐蚀倾向，提高钢的强度。耐应力腐蚀。

4、奥氏体-铁素体双相不锈钢

在奥氏体不锈钢的基础上，适当提高Cr含量，降低Ni含量，并结合重熔处理，可获得奥氏体和铁素体（含40～60%δ铁素体）的双相组织车身）不锈钢，典型钢种有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。双相不锈钢比里氏体不锈钢具有更好的焊接性，焊后不需要热处理，晶间腐蚀和应力腐蚀倾向较小。但由于Cr含量较高，易形成σ相，使用时应注意。