不銹鋼在各種腐蝕環(huán)境中的特性及選擇。

　　當(dāng)許多容器、管道、閥門、泵、食品、國防、餐具、化纖和煉油等工業(yè)中，不銹鋼被廣泛用于金屬材料，而許多容器、管道、閥門、泵、等通常由于與各種腐蝕性介質(zhì)的接觸受到腐蝕而被報廢。根據(jù)統(tǒng)計，每年世界范圍內(nèi)因腐蝕而報廢的鋼材約占每年鋼材產(chǎn)量的四分之一。在鋼鐵生產(chǎn)總量中，不銹鋼占1%。材料受腐蝕而失效是當(dāng)今材料研究和發(fā)展的三大難題之一。

　　不銹鋼板是指具有耐腐蝕性能的一類鋼。

　　常用的不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的合稱。

　　不銹鋼不必耐酸，但耐酸鋼也是不銹鋼。

　　不銹鋼是指能夠抵抗大氣和弱腐蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼種。全耐蝕鋼，腐蝕速率小于0.1mm/年；耐腐蝕鋼，腐蝕速率小于0.1mm/年。我們所說的耐酸鋼是指在各種強腐蝕性介質(zhì)中耐酸的鋼。如果腐蝕速率小于0.1mm/年，則完全耐腐蝕，且腐蝕速率小于1mm/年。因此，不銹鋼不是無腐蝕性的，但腐蝕速度相對較慢，而且絕對沒有鋼。

　　值得一提的是，在同一介質(zhì)中，不同類型不銹鋼的腐蝕速率有很大差異，同一種不銹鋼在不同介質(zhì)中的腐蝕行為也有很大差異。例如，鎳鉻不銹鋼在氧化性介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性，但對非氧化性介質(zhì)（如鹽酸）的耐腐蝕性較差。因此，掌握各種不銹鋼的特性對正確選用不銹鋼非常重要。

　　不銹鋼不僅要耐腐蝕，還要承受或傳遞載荷，因此必須具有良好的力學(xué)性能。不銹鋼板材、管材等型材一般加工成零部件，因此必須具有良好的切割性能和焊接性能。

　　根據(jù)典型結(jié)構(gòu)，不銹鋼分為：鐵素體（F）不銹鋼；馬氏體不銹鋼；奧氏體（A）不銹鋼；奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼；沉淀硬化型不銹鋼。

　　1.金屬腐蝕。

　　(1)金屬的腐蝕過程。

　　腐蝕是指由于外部介質(zhì)的作用而逐漸損壞的現(xiàn)象。腐蝕主要有兩種形式：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。實際生產(chǎn)中遇到的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕過程中不產(chǎn)生電流，腐蝕過程中形成一定的腐蝕產(chǎn)物。這種腐蝕產(chǎn)物通常覆蓋金屬表面，形成一層薄膜，將金屬與介質(zhì)隔離開來。

　　如果這一層的化學(xué)產(chǎn)物穩(wěn)定、致密、完整，與金屬表層結(jié)合牢固，將大大減少甚至阻止腐蝕的進一步發(fā)展，保護金屬。這種保護薄膜的過程稱為鈍化。如氧化膜，如SiO2、Al2O3、Cr2O3等，其結(jié)構(gòu)致密、完整、不松散、不開裂、不易剝離。它保護母材，避免持續(xù)氧化。一種Fe2O3，如鐵，在高溫下被氧化時產(chǎn)生。相反，一些氧化膜是不連續(xù)的或多孔的，對金屬沒有保護作用。一些金屬氧化物，如Mo2O3和WO3，在高溫下會揮發(fā)，完全不受基體的保護。

　　顯然，氧化膜的形成以及氧化膜的結(jié)構(gòu)和性能是化學(xué)腐蝕的重要特征。因此，提高金屬抗化學(xué)腐蝕的能力，主要是通過合金化或其他方法在金屬表面形成穩(wěn)定、完整、致密、與基體結(jié)合的氧化膜，即鈍化膜。電化學(xué)腐蝕更多的是金屬腐蝕。原電池是一種重要而普遍的形式，由不同的金屬或金屬的不同電極電位組成。

　　這種類型的原電池腐蝕發(fā)生在微結(jié)構(gòu)之間，因此被稱為微電池腐蝕。電化學(xué)腐蝕的特點是電介質(zhì)的存在。不同金屬與金屬微區(qū)之間的連接或接觸存在電位差，同時產(chǎn)生腐蝕電流。

　　二、腐蝕類型。

　　工業(yè)生產(chǎn)中金屬材料的腐蝕失效形式多種多樣。在不同的載荷和介質(zhì)環(huán)境下，不同材料的腐蝕形式表現(xiàn)為以下幾類：

　　普通腐蝕：大面積腐蝕腐蝕發(fā)生在暴露的金屬表面。雖然降低了構(gòu)件的有效受力范圍和使用壽命，但對局部腐蝕的危害較小。

　　晶間腐蝕：指沿產(chǎn)品邊界發(fā)生的腐蝕，破壞晶粒連接。這種腐蝕危害最大，它能使金屬變脆或失去強度，在撞擊時失去金屬聲音，容易引起突發(fā)事故。在奧氏體不銹鋼中，晶間腐蝕是由于晶界區(qū)和晶內(nèi)區(qū)成分或應(yīng)力的差異，使晶界區(qū)電極電位顯著降低，從而導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的腐蝕。

　　壓力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力（外部應(yīng)力或內(nèi)部應(yīng)力）的共同作用下發(fā)生斷裂。斷裂以晶體斷裂為主，也有穿晶斷裂。這是一種危險的低應(yīng)力脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕常發(fā)生在氯化介質(zhì)、堿性氧化物或其它水溶性介質(zhì)中，是造成設(shè)備事故的重要原因。比例。

　　點蝕：點蝕是腐蝕損傷的一種形式，發(fā)生在局部區(qū)域金屬表面。點蝕形成后，能迅速滲透到金屬中，最終滲透到金屬中。點蝕危害很大，尤其是對各種容器。發(fā)現(xiàn)銹蝕后，應(yīng)及時打磨或涂漆，防止銹蝕加深。

　　金屬表面鈍化的原因是由于介質(zhì)的作用使金屬表面的鈍化膜局部損壞?；蛟诤新入x子的介質(zhì)中，松散的表面和非金屬夾雜物會導(dǎo)致點蝕。

　　腐蝕疲勞：金屬在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的作用下被破壞，其特點是形成腐蝕坑和大量裂紋。顯著降低鋼材的疲勞強度，導(dǎo)致早期斷裂。與機械疲勞不同，腐蝕疲勞沒有一定的極限，疲勞強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

　　除了上述各種形式的腐蝕外，還有電池宏觀作用引起的腐蝕。例如，金屬零件不同于鉚接材料的鉚釘。由于電極電位的不同以及船體和螺旋槳材料的不同，異種金屬的焊接會引起腐蝕。

　　從上述腐蝕機理可以看出，防止腐蝕的關(guān)鍵是盡量減少原電池的數(shù)量，使鋼表面形成穩(wěn)定完整的鈍化膜，并與鋼基體牢固結(jié)合；在形成原電池時，盡量減小兩極之間的電極電位差。

　　不銹鋼合金化原理。

　　改善鋼材抗腐蝕性能的方法有：表面鍍層耐蝕、涂層非金屬層、電化學(xué)保護及變腐蝕環(huán)境介質(zhì)等。但采用合金化方法，提高材料本身的抗腐蝕性能是防止腐蝕破壞最有效的措施之一。

　　(1)鋼中加入合金元素，提高其電極電位，從而提高其抗電化學(xué)腐蝕能力。普通鋼中加入碳、鐵、硅等元素可以提高鋼的電極電位。當(dāng)Ni較少時，Si的大量添加會使鋼發(fā)生脆化，所以只有Cr是常用的提高鋼電極電位的元素。

　　Cr可增加鋼的電極電位，但不呈線性關(guān)系。試驗表明，鋼的電極電位隨合金元素的增加，存在著從量變到質(zhì)變的1/8規(guī)律。

　　在Cr含量達到一定值時，即1/8原子(l/8、2/8、3/8……)，電極電位就會發(fā)生突變。結(jié)果，幾乎所有不銹鋼的Cr含量都高于12.%(原子)，也就是11.7%(質(zhì)量)以上。

　　(2)合金元素的加入使鋼表面形成一層穩(wěn)定、完整的純化膜，它與鋼的基體結(jié)合牢固。這樣，鋼的抗化學(xué)腐蝕能力得到提高。例如在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素，可使鋼表面形成致密的氧化膜，如Cr2O3、SiO2、Al2O3等，從而提高鋼的耐蝕性。

　　(3)合金元素的加入可使鋼在常溫下單相存在，減少微電池數(shù)，從而提高鋼的耐蝕性。例如添加足夠數(shù)量的Cr或Cr-Ni，在室溫下得到單相鐵素體或單相奧氏體。

　　(4)添加Mo、Cu等元素以增強抗腐蝕能力。

　　(5)加入Ti、Nb等元素，可消除Cr的晶間偏析，從而緩解晶間腐蝕傾向。

　　(6)添加Mn、N等元素替代部分Ni得到單相奧氏體組織，可顯著提高鉻不銹鋼對有機酸的耐蝕性。

　　不銹鋼品種及特性。

　　不銹鋼分為兩大類：一類是按合金元素特性分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。

　　二是根據(jù)鋼在正火狀態(tài)下的組織狀態(tài)，分為M不銹鋼、F不銹鋼、A不銹鋼、A一F兩相不銹鋼。

　　三、馬氏體不銹鋼。

　　馬氏體不銹鋼主要有1Cr13~4Cr13、9Cr18等。

　　Cr13鋼的加工工藝性能優(yōu)良?？蛇M行深沖，彎曲，卷邊，焊接，無需預(yù)熱。2Crl3冷變形前不需要預(yù)熱，但焊接前需要預(yù)熱，1Crl3、2Cr13主要用于制造渦輪葉片等耐腐蝕結(jié)構(gòu)件，而3Cr13、4Cr13主要用于制造醫(yī)療器械外科手術(shù)刀和耐磨零件；9Crl8可做耐腐蝕軸承和刀具。

　　四、鐵素體不銹鋼。

　　鐵素不銹鋼的含碳量一般在13%~30%的范圍內(nèi)，在0.25%以下。有時候添加其他合金元素。金相組織以鐵素體為主，加熱和冷卻時無αγ相變，無法用熱處理強化。極強的抗氧化。此外，它還具有良好的熱加工性能和一定的冷加工性能。鐵素體不銹鋼主要用于制造對腐蝕性能有較高要求的抗腐蝕性能的構(gòu)件，廣泛用于生產(chǎn)硝酸、氮肥等設(shè)備及化工管道等。

　　鐵素體不銹鋼主要有Crl7、Cr25、Cr28三種。

　　五、奧氏體不銹鋼。

　　在馬氏不銹鋼中，奧氏體不銹鋼是一種抗腐蝕能力差、脆性大的材料?；蠟?%,Ni8%簡稱18-8鋼的基料。特征為合碳量小于0.1%，用Cr、Ni配合得到單相奧氏體組織。

　　奧氏作不銹鋼一般用于生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設(shè)備元件，冷凍工業(yè)的低溫設(shè)備構(gòu)件，經(jīng)形變強化后可用作不銹鋼彈簧、鐘表發(fā)條等。

　　奧氏體不銹鋼具有較好的抗均勻腐蝕性能，但局部抗腐蝕仍存在以下問題：

　　奧氏體不銹鋼晶間腐蝕。

　　在450~850℃進行保溫或緩慢冷卻時，奧氏不銹鋼會發(fā)生晶問腐蝕。

　　隨著碳含量的增加，晶間蝕傾向性增加。晶間腐蝕是焊接件熱影響區(qū)的主要原因之一。Cr23C6是由Cr23C6在晶界上析出的產(chǎn)物。這就使得它周圍的基體產(chǎn)生貧鉻區(qū)，從而形成腐蝕原電池。上述鐵素體不銹鋼也存在著上述晶間腐蝕現(xiàn)象。

　　在工程中，常用下列方法防止晶間腐蝕：

　　(1)降低鋼中碳含量，使鋼中碳含量低于平衡狀態(tài)時在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度，從根本上解決了鉻碳化物(Cr23C6)析出晶界的問題。鋼中碳含量通常低于0.03%就能滿足抗晶間腐蝕的要求。

　　(2)添加Ti、Nb等能形成穩(wěn)定碳化物(TiC或NbC)的元素，避免在晶界上析出Cr23C6，可以防止奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。

　　(3)調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使之具有奧氏體+鐵索體雙相組織，鐵素體占5%一12%。這樣的雙相組織不容易產(chǎn)生晶間腐蝕。

　　(4)采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可防止晶間腐蝕，獲得最佳的耐腐蝕性。

　　奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕。

　　由于應(yīng)力(主要是拉應(yīng)力)和腐蝕的綜合作用而產(chǎn)生的裂紋稱為應(yīng)力腐蝕裂紋，簡稱SCC。在含氯離子腐蝕介質(zhì)中，奧氏體不銹鋼易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。在含氮量為8%一10%的情況下，奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕傾向性最大，繼續(xù)使含Ni量至45~50%的應(yīng)力腐蝕傾向逐漸降低直至消失。

　　預(yù)防奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的主要途徑是添加Si2~4%，在冶煉過程中控制N含量在0.04%以下。另外，P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)應(yīng)盡量降低。此外還可以選擇A-F型雙相鋼，該鋼對應(yīng)力腐蝕和OH-不敏感。最初開始的微細裂紋遇到鐵素體相后不再繼續(xù)擴展，鐵素體含量約為6%。

　　3、奧氏作不銹鋼的變形強化。

　　單相態(tài)的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能，可冷拔成非常細的鋼絲，冷軋成非常薄的帶或鋼管。大變形后，鋼的強度大幅度提高，特別是在軋制零下溫區(qū)時，效果更加明顯。拉伸強度達到2000MPa以上。由于形變誘發(fā)M轉(zhuǎn)變除了冷硬化效應(yīng)外，還會疊加形變誘發(fā)M轉(zhuǎn)變。

　　經(jīng)過形變強化的奧氏不銹鋼可用于制造不銹彈簧、鐘表發(fā)條、航空結(jié)構(gòu)用鋼絲繩等。變形后如需進行焊接，則只能采用點焊工藝，變形使應(yīng)力腐蝕傾向增大。而且，由于部分γ->M的轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生鐵磁性，在使用時應(yīng)該考慮到(例如在儀器部件中)。

　　形變溫度隨形變量變化，當(dāng)形變量為60%時，再結(jié)晶溫度降為650℃，冷變形奧氏體不銹鋼再結(jié)晶退火溫度為850~1050℃，850℃時需保溫3h,850℃時的再結(jié)晶溫度為650℃。

　　4、奧氏用于不銹鋼的熱處理。

　　在奧氏體不銹鋼中，常用的熱處理方法有固溶處理、穩(wěn)定處理和去應(yīng)力處理等。

　　(1)固溶處理。加熱鋼水淬火至1050~1150℃，其主要目的是使碳化物在奧氏體中溶解，并保持這種狀態(tài)至室溫，從而大大改善鋼的耐腐蝕性能。

　　為了防止晶問的腐蝕，一般采用固溶化法，使Cr23C6在奧氏體中溶解，然后迅速冷卻。對薄壁件可以采用空氣冷卻，一般采用水冷卻。

　　(2)穩(wěn)定處理。通常經(jīng)過固溶處理后進行，常用于含有Ti、Nb的18-8鋼，經(jīng)固處理后，將鋼加熱至850~880℃保溫，此時Cr的碳化物完全溶解，脫而鈦的碳化物不完全溶解，并在冷卻過程中充分析出，使碳不可能再形成鉻的碳化物，從而使碳不能再形成鉻的碳化物，從而有效地消除晶間腐蝕。

　　(3)消除應(yīng)力。熱處理工藝一般加熱至300~350℃，回火溫度為300~350℃，以消除冷焊或焊接殘余應(yīng)力。對不含穩(wěn)定元素Ti、Nb的鋼，其加熱溫度不得超過450℃，以免鉻碳化物析出而造成晶間腐蝕。對超低碳及含Ti、Nb不銹鋼的冷加件和焊接，需在500~950℃下進行，加熱、緩冷、消除應(yīng)力(消除焊接應(yīng)力的上限溫度)，可減輕晶間腐蝕傾向，提高鋼的應(yīng)力腐蝕抗力。

　　六、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

　　以奧氏不銹鋼為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加Cr含量，降低Ni含量，并與回溶化處理相結(jié)合，可以獲得奧氏體和鐵素體(含40~60%δ-鐵素體)的不銹鋼，典型鋼號有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Ti等。雙相不銹鋼焊接性能好，焊后無需熱處理，且晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向較小。但是Cr的含量較高，容易形成σ相，在使用時應(yīng)注意。