不銹鋼的分類

1.按化學(xué)成分可分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼、鉻錳不銹鋼、鉻鎳鉬不銹鋼、超低碳不銹鋼、高鉬不銹鋼、高純不銹鋼等。

2.金相組織可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體不銹鋼等。

3.根據(jù)鋼材的性能特點(diǎn)和用途:如耐硝酸不銹鋼、耐硫酸不銹鋼、耐點(diǎn)蝕不銹鋼、耐應(yīng)力不銹鋼、高強(qiáng)度不銹鋼等。

4.根據(jù)鋼的功能特性:如低溫不銹鋼、無磁不銹鋼、易切削不銹鋼、超塑性不銹鋼等。

提高不銹鋼耐腐蝕性的途徑

(1)使不銹鋼對特定介質(zhì)具有穩(wěn)定鈍化區(qū)的陽極極化曲線。

(2)增加不銹鋼基底的電極電位，并降低腐蝕原電池的電動勢。

(3)使鋼具有單相結(jié)構(gòu)，減少微電池的數(shù)量。

(4)在鋼材表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，如添加硅、鋁、鉻等。，能在許多腐蝕和氧化情況下形成致密的保護(hù)膜，提高鋼材的耐腐蝕性能。

(5)減少或消除鋼中的各種不均勻性也是提高鋼耐腐蝕性能的重要措施。

向鋼中添加合金元素是提高耐蝕性的主要方法。加入不同的合金元素可以通過一種或幾種方式同時起作用來提高鋼的耐腐蝕性能。

合金元素對鐵的極化和電極電位的影響

合金元素的種類和含量直接影響不銹鋼的耐蝕性，合金元素的影響首先是對鐵的極化性能和電極電位的影響。

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合金元素對鐵極化性能的影響

常用金屬如鐵、鉻、鎳和鈦的陽極極化過程具有獨(dú)特的極化形式。陽極通過后，陽極電位上升，陽極電流(腐蝕速率)隨之變化，規(guī)律幾乎相同。極化曲線的典型形式如下圖所示。隨著陽極極化電位的升高，腐蝕電流并不是均勻降低的，而是先升高，再降低到最小值，并保持這個電流通過一定的電位上升階段，然后電流又升高。這種極化曲線稱為活化與鈍化過渡的陽極極化曲線，可分為三個區(qū)域:活化區(qū)(A)、鈍化區(qū)(B)和過鈍化區(qū)(T)。

極化對提高金屬的耐蝕性具有重要意義，增強(qiáng)陽極極化或陰極極化的因素可以提高金屬的耐蝕性。去極化或去極化的因素會降低金屬的耐腐蝕性。不同的合金元素對鐵的極化性能有不同的影響。擴(kuò)大鈍化區(qū)的元素，即降低Ecp、P區(qū)電位、提高Er點(diǎn)電位的元素，都提高了鋼的耐蝕性；任何增強(qiáng)鈍化性能的元素，即Icp和I1點(diǎn)位置左移，都會降低腐蝕電流，提高耐蝕性。所有提高Er點(diǎn)電位的元素都傾向于降低點(diǎn)蝕，因?yàn)楫?dāng)Er點(diǎn)電位較低時，當(dāng)電位在過鈍化電位附近波動時，容易引起鈍化膜的局部擊穿和點(diǎn)蝕。在鋼中常用的合金元素中，Cr能強(qiáng)烈改善純鐵的鈍化性能，使Ecp、Ep、Er點(diǎn)電位升高，Icp、I1點(diǎn)位置左移。鉻是提高鐵耐蝕性最有效的元素。鎳、硅、鉬等元素。還可以擴(kuò)大鈍化面積，提高鈍化性能。Mo不僅能增強(qiáng)鐵的鈍化性能，還能提高Er點(diǎn)電位，從而提高鐵的耐點(diǎn)蝕性能。

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對鐵電極電位的影響

一般金屬固溶體的電極電位總是低于其他化合物的電極電位，所以在腐蝕過程中，金屬固溶體總是作為陽極被腐蝕。提高鐵的電極電位可以提高耐蝕性。

研究表明，在鐵中加入Cr形成固溶體時，鐵固溶體的電極電位可以顯著提高，如下圖所示。隨著電極電位的增加，材料的耐腐蝕性能明顯提高。

鉻由于對鐵的鈍化性能和電極電位有良好的作用，已成為各種不銹鋼的主要合金元素。

合金元素對不銹鋼耐蝕性和基體組織的影響

不銹鋼的基體組織是獲得所需機(jī)械性能和工藝性能的保證，更重要的是良好耐腐蝕性能的保證。單相鐵素體鋼和單相奧氏體鋼是兩種耐腐蝕性能良好的不銹鋼。合金元素對基體組織的影響取決于合金元素是鐵素體(α)穩(wěn)定劑還是奧氏體(γ)穩(wěn)定劑。當(dāng)α穩(wěn)定劑占主導(dǎo)地位時，可獲得單相α不銹鋼。否則，獲得單相γ不銹鋼。

01

合金元素對不銹鋼耐蝕性的影響

一個

鉻

鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性的主要元素。當(dāng)鉻含量(原子比)達(dá)到1/8，2/8，...，鐵的電極電位將跳躍，并且耐腐蝕性也將提高。鉻是α穩(wěn)定元素。氧化鉻致密，能形成耐腐蝕的保護(hù)膜。

2

碳和氮

碳能強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體，其穩(wěn)定奧氏體的能力約為Ni的30倍。同時是不銹鋼強(qiáng)化的主要元素；碳和鉻可形成一系列碳化物，嚴(yán)重影響不銹鋼的耐腐蝕性能。同時，碳會惡化不銹鋼的加工性能和焊接性能，使鐵素體不銹鋼變脆。因此，碳的應(yīng)用和控制是不銹鋼生產(chǎn)和發(fā)展中的一項重要工作。

碳和鉻的結(jié)合對不銹鋼結(jié)構(gòu)形成的影響如下圖所示。該圖表明，當(dāng)碳含量低，鉻含量高時，將獲得鐵素體組織。當(dāng)碳含量高，鉻含量低時，會得到馬氏體組織。在鉻不銹鋼中，當(dāng)鉻含量低于17%時，隨著碳含量的增加，可以獲得馬氏體基體的不銹鋼。當(dāng)碳含量低且鉻含量為13%時，可以獲得鐵素體不銹鋼。當(dāng)鉻含量從13%增加到27%時，穩(wěn)定鐵素體的能力增強(qiáng)，鋼中的碳含量相應(yīng)增加(從0.05%增加到0.2%)，鐵素體基體仍能維持。

三

鎳

鎳是不銹鋼中的三種重要元素之一。鎳可以提高不銹鋼的耐腐蝕性。鎳也是γ相穩(wěn)定元素，是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進(jìn)奧氏體形成的主要元素。鎳能有效降低Ms點(diǎn)，使奧氏體保持在很低的溫度(低于-50℃)而不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

隨著鎳含量的增加，奧氏體鋼中C、N的溶解度會降低，碳、氮化合物脫溶析出的傾向增加。隨著鎳含量的增加，晶間腐蝕的臨界碳含量降低，即鋼對晶間腐蝕的敏感性增加。鎳對奧氏體不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性和耐縫隙腐蝕性的影響不顯著。此外，鎳還能提高奧氏體不銹鋼的高溫抗氧化性能，這主要與鎳改善了氧化鉻膜的成分、結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)，但鎳的存在會降低鋼的高溫抗硫化性能。

四

錳

錳是一種弱的奧氏體形成元素，但它具有很強(qiáng)的穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的作用。奧氏體不銹鋼中錳部分替代鎳，2%的錳相當(dāng)于1%的鎳。錳還能提高鉻不銹鋼在乙酸、甲酸、乙醇酸等有機(jī)酸中的耐蝕性，比鎳更有效。當(dāng)鋼中的Cr含量超過14%時，僅通過添加Mn不能獲得單一的奧氏體組織。當(dāng)不銹鋼中的鉻含量大于17%時，它具有較好的耐腐蝕性能。因此，工業(yè)上已經(jīng)使用的以Mn代替Ni的奧氏體不銹鋼主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型鋼，如12Cr18Mn9Ni5N等。，而不含鎳的Fe-Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼的含量較少。

五

氮

早期的Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼主要使用氮來節(jié)約鎳。近年來，氮已成為鉻鎳奧氏體不銹鋼的重要合金元素。

在奧氏體不銹鋼中加入氮可以穩(wěn)定奧氏體組織，提高強(qiáng)度和耐腐蝕性能，特別是抗局部腐蝕性能，如晶間腐蝕、點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。在普通低碳和超低碳奧氏體不銹鋼中，抗晶間腐蝕能力可以提高。原因是氮影響了敏化處理時碳化鉻的析出過程，增加了晶界鉻的濃度。在高純度奧氏體不銹鋼中，沒有碳化鉻沉淀。此時氮的作用是:第一，氮增加了鈍化膜的穩(wěn)定性，降低了平均腐蝕速率；第二，氮化鉻雖然在高氮含量的鋼中析出，但氮化鉻的析出速度很慢，敏化處理不會造成晶間缺鉻，對晶間腐蝕影響不大。它能抑制氮和磷在晶界的偏聚，提高鋼的抗晶間腐蝕能力。

目前含氮奧氏體不銹鋼主要是耐腐蝕，強(qiáng)度高?？煞譃榭氐?、中氮型、高氮型三種。氮控型是在超低碳(C≤0.02%~0.03%)鉻鎳奧氏體不銹鋼中加入0.05% ~ 0.10%的N，以提高鋼的強(qiáng)度，優(yōu)化鋼的抗晶間腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能。中氮型含氮0.10% ~ 0.50%，在常壓下熔煉澆注；高氮氮含量大于0.40%。一般是在增壓下熔煉澆注。主要用于固溶或半冷工作狀態(tài)。它具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性。目前，含氮量為0.8%~1.0%的高氮奧氏體鋼已投入實(shí)際使用并開始工業(yè)化生產(chǎn)。

六

鈦、鈮、鉬和稀土元素

鈦和鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，它們可以先于鉻和碳形成碳化物，防止晶間腐蝕并提高耐腐蝕性。鈦和鈮的加入必須與鋼中的碳保持一定的比例。

鉬可以提高不銹鋼的鈍化能力，擴(kuò)大鈍化介質(zhì)的范圍，如熱硫酸、稀鹽酸、磷酸、有機(jī)酸等。含鉬鈍化膜在許多介質(zhì)中穩(wěn)定性高，不易溶解?？梢苑乐笴l-對鈍化膜的破壞，所以含鉬不銹鋼具有抗點(diǎn)蝕的能力。

稀土元素，如鈰、鑭、釔等。，加入到不銹鋼中，能微溶于基體中，凈化晶界，變質(zhì)夾雜物，使組織均勻化，減少析出物的析出和晶界偏析，從而提高鋼的耐腐蝕性能和力學(xué)性能。

02

合金元素對不銹鋼顯微組織的影響

合金元素對不銹鋼基體組織的影響可分為兩類:鐵素體形成元素，如鉻、鉑、硅、鈦、鈮等；奧氏體形成元素，如碳、氮、鎳、錳、銅等。當(dāng)這兩種功能不同的元素同時加入鋼中時，不銹鋼的結(jié)構(gòu)取決于它們的綜合功能。簡單處理，鐵素體形成元素的作用換算成鉻，稱為鉻當(dāng)量[Cr]，奧氏體形成元素的作用換算成鎳，稱為鎳當(dāng)量[Ni]。根據(jù)鉻當(dāng)量[Cr]和鎳當(dāng)量[Ni]制作圖表，顯示鋼的實(shí)際成分和獲得的顯微組織。

可以看出，12Cr18Ni9鋼處于a相區(qū)，為奧氏體不銹鋼；Cr28不銹鋼處于鐵素體相區(qū)，是鐵素體不銹鋼。30Cr13不銹鋼處于馬氏體相區(qū)，是馬氏體不銹鋼。為了獲得單相奧氏體組織，這兩種合金元素必須達(dá)到一定的平衡，否則鋼中會出現(xiàn)一定量的鐵素體組織，成為多相組織。

合金成分和組織對不銹鋼力學(xué)性能的影響

01

不銹鋼的強(qiáng)化機(jī)制

不銹鋼的強(qiáng)化機(jī)制除相變強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化外，還有廣泛的固溶強(qiáng)化。下圖顯示了各種強(qiáng)化機(jī)制對8%~10%Ni奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的影響。

鉻、硅和碳提供基體的固溶強(qiáng)化，使奧氏體基體的屈服應(yīng)力增加數(shù)倍。其次，α-鐵素體第二相的存在，晶粒尺寸的細(xì)化和析出相的析出，使奧氏體大大強(qiáng)化。

02

各種不銹鋼的強(qiáng)度和塑性

各種不銹鋼由于其不同的成分和微觀結(jié)構(gòu)以及它們的強(qiáng)度和塑性而具有不同的性能。

在所有不銹鋼中，奧氏體不銹鋼的塑性最好，沉淀硬化不銹鋼的強(qiáng)度最高。馬氏體具有良好的綜合力學(xué)性能，即高強(qiáng)度和一定的延展性。

鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼具有更高的強(qiáng)度和更好的延展性。鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度性能相似，但后者的延展性遠(yuǎn)高于其他類型的不銹鋼。(圖中也列出了純鐵的曲線進(jìn)行對比)。

腐蝕介質(zhì)對不銹鋼耐腐蝕性的影響

金屬的耐腐蝕性不僅與金屬材料本身有關(guān)，還與腐蝕介質(zhì)的種類、濃度、溫度、壓力等腐蝕環(huán)境的條件有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，腐蝕性介質(zhì)的氧化能力影響最大，應(yīng)根據(jù)工作介質(zhì)的特性正確選擇不銹鋼的鋼種。

在大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì)中，只要不銹鋼基體的固溶Cr含量大于13%，就能保證不銹鋼的耐蝕性。例如液壓機(jī)閥門、蒸汽發(fā)生器的渦輪葉片、蒸汽管和其它部件。

在氧化性介質(zhì)中，如硝酸，硝酸的NO3-具有很強(qiáng)的氧化性，所以不銹鋼表面容易形成氧化膜，鈍化時間短。然而，酸中的H+是陰極去極化劑。隨著H+濃度的增加，陰極的去極化作用加強(qiáng)，鈍化所需的鉻含量也增加。因此，只有含高鉻的氧化膜在硝酸中具有良好的穩(wěn)定性。在沸騰的硝酸中，12Cr13不銹鋼不耐腐蝕，而鉻含量為17%~30%的Cr17和Cr30鋼在濃度為0%~65%的硝酸中耐腐蝕。

在非氧化性介質(zhì)中，如稀硫酸、鹽酸、有機(jī)酸等，這類腐蝕性介質(zhì)含氧量低，需要延長鈍化時間。當(dāng)介質(zhì)中的氧含量低到一定程度時，不銹鋼就無法鈍化。比如在稀硫酸中，由于介質(zhì)中的SO42-不是氧化劑，溶解在介質(zhì)中的氧含量比較低，基本上沒有鈍化鋼鐵的能力，鉻不銹鋼的腐蝕速度甚至比碳鋼還快，所以一般的鉻不銹鋼或鉻鎳不銹鋼很難達(dá)到鈍化，所以不耐腐蝕。因此，在這種介質(zhì)中工作的不銹鋼需要添加元素來提高鋼的鈍化能力，如鉬、銅等元素。鹽酸也是非氧化性酸，不銹鋼不耐腐蝕。一般需要鎳鉬合金在合金表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，保證合金不被腐蝕。

在強(qiáng)有機(jī)酸中，由于氧含量低，介質(zhì)中有H+存在，一般的鉻和鉻鎳不銹鋼很難鈍化。為了提高不銹鋼的鈍化能力，必須在鋼中加入鉬、銅、錳等元素。因此，最好選擇鉻錳不銹鋼。在此基礎(chǔ)上，加入一定量的Mo和Cu，使鋼易于鈍化，耐腐蝕。

在含Cl-的介質(zhì)中，Cl-易破壞不銹鋼表面的氧化膜，穿過氧化膜作用于鋼材表面，造成鋼材的點(diǎn)蝕。所以海水對不銹鋼的腐蝕性很強(qiáng)。實(shí)際上，沒有一種不銹鋼能抵抗所有介質(zhì)的腐蝕。因此，應(yīng)根據(jù)具體的腐蝕環(huán)境，結(jié)合各類不銹鋼的特點(diǎn)，綜合考慮選擇不銹鋼。