什么是不銹鋼？不銹鋼的組織成分是什么？這些組織對不銹鋼有何影響？小尤優(yōu)課堂的第十一講，我們一起來了解不銹鋼的知識。

1、什么是不銹鋼？

在材料科學(xué)領(lǐng)域中，將Cr含量大于10.5%，且以耐蝕性和不銹性為主要使用性能的一系列鐵基合金稱為不銹鋼。通常對在大氣、水蒸氣和淡水中等腐蝕性較弱的介質(zhì)中不銹和耐蝕的鋼種稱為不銹鋼，對在酸堿鹽等腐蝕性強(qiáng)烈的環(huán)境中具有耐蝕性的鋼種稱為耐酸鋼。（鋼是碳含量小于2.11%的鐵碳（或鐵基）合金。）

按基體組織不銹鋼分類如下：

（1）鐵素體不銹鋼

含鉻12％～30％。其耐蝕性、韌性和可焊性隨含鉻量的增加而提高 ， 耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于其他種類不銹鋼。

這類鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點(diǎn)。這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低等缺點(diǎn)，因而限制了它的應(yīng)用。

（2）奧氏體不銹鋼

含鉻大于18％，還含有8％左右的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素。綜合性能好，可耐多種介質(zhì)腐蝕。無磁性而且具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過相變使之強(qiáng)化，僅能通過冷加工進(jìn)行強(qiáng)化。如加入S，Ca，Se，Te等元素，則具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕外，如果含有Mo、Cu等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。高硅的奧氏體不銹鋼對濃硝酸也有良好的耐蝕性。由于奧氏體不銹鋼具有全面的和良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

（3）奧氏體- 鐵素體雙相不銹鋼

兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，并具有超塑性。是奧氏體和鐵素體組織各約占一半的不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點(diǎn)。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼。

（4）馬氏體不銹鋼

強(qiáng)度高，但塑性和可焊性較差。通過熱處理可以調(diào)整其力學(xué)性能的不銹鋼，通俗地說，是一類可硬化的不銹鋼。典型牌號為Cr13型，如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。淬火后硬度較高，不同回火溫度具有不同強(qiáng)韌性組合，主要用于蒸汽輪機(jī)葉片、餐具、外科手術(shù)器械。根據(jù)化學(xué)成分的差異，馬氏體不銹鋼可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。根據(jù)組織和強(qiáng)化機(jī)理的不同，還可分為馬氏體不銹鋼、馬氏體和半奧氏體（或半馬氏體）沉淀硬化不銹鋼以及馬氏體時效不銹鋼等。

2、不銹鋼為什么耐腐蝕

• 主要取決于鋼中所含的合金元素

鉻是使不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素，當(dāng)鋼中含鉻量達(dá)到12％左右時，鉻與腐蝕介質(zhì)中的氧作用，在鋼表面形成一層很薄的氧化膜（ 自鈍化膜），可阻止鋼的基體進(jìn)一步腐蝕。除鉻外，常用的合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，以滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。

所有金屬都和大氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，在表面形成氧化膜。而且所形成的氧化鐵繼續(xù)進(jìn)行氧化，使銹蝕不斷擴(kuò)大，最終形成孔洞。

不銹鋼的耐腐蝕性取決于鉻，但是因為鉻是鋼的組成部分之一，所以保護(hù)方法不盡相同。

在鉻的添加量達(dá)到10.5％時，鋼的耐大氣腐蝕性能顯著增加，但鉻含量更高時，盡管仍可提高耐腐蝕性，但不明顯。原因是用鉻對鋼進(jìn)行合金化處理時，把表面氧化物的類型改變成了類似于純鉻金屬上形成的表面氧化物。這種緊密粘附的富鉻氧化物保護(hù)表面，防止進(jìn)一步地氧化。這種氧化層極薄，透過它可以看到鋼表面的自然光澤，使不銹鋼具有獨(dú)特的表面。而且，如果損壞了表層，所暴露出的鋼表面會和大氣反應(yīng)進(jìn)行自我修理，重新形成這種氧化物"鈍化膜"，繼續(xù)起保護(hù)作用。

因此，所有的不銹鋼元素都具有一種共同的特性，即鉻含量均在10.5％以上。

3、不銹鋼含元素不同，作用不同

工業(yè)上應(yīng)用的不銹鋼都是同時存在幾種以至十幾種元素的，當(dāng)幾種元素共存于不銹鋼這一個統(tǒng)一體中時，它們的影響要比單獨(dú)存在時復(fù)雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且要注意它們互相之間的影響，因此不銹鋼的組織決定于各種元素影響的總和。不銹鋼中最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對不銹鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、鈦、錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、硅、氮以外，都是化學(xué)元素周期表中位于過渡族的元素。

• 鉻在不銹鋼中的決定作用：

決定不銹鋼屬性的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼都含有一定數(shù)量的鉻。迄今為止，還沒有不含鉻的不銹鋼。鉻之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后，促使其內(nèi)部的矛盾運(yùn)動向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展。這種變化可以從以下方面得到說明：

①鉻使鐵基固溶體的電極電位提高

②鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化

鈍化是由于陽極反應(yīng)被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論、吸附論及電子排列論。

• 碳在不銹鋼中的兩重性：

碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成—系列復(fù)雜的碳化物。所以，從強(qiáng)度與耐腐蝕性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。

總的來講，目前工業(yè)中獲得應(yīng)用的不銹鋼的含碳量都是比較低的，大多數(shù)不銹鋼的含碳量在0.1～0.4％之間，耐酸鋼則以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不銹鋼僅占鋼號總數(shù)的一小部分，這是因為在大多數(shù)使用條件下，不銹鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出于某些工藝上的要求，如易于焊接及冷變形等。

• 鎳在不銹鋼中的作用是在與鉻配合后才發(fā)揮出來的：

鎳是優(yōu)良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中是形成奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量要達(dá)到24％；而只有含鎳27％時才使鋼在某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能顯著改變。所以鎳不能單獨(dú)構(gòu)成不銹鋼。但是鎳與鉻同時存在于不銹鋼中時，含鎳的不銹鋼卻具有許多可貴的性能。

基于上面的情況可知，鎳作為合金元素在不銹鋼中的作用，在于它使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，從而使不銹鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善。

• 錳和氮可以代替鉻鎳不銹鋼中鎳：

錳對于奧氏體的作用與鎳相似。但說得確切一些，錳的作用不在于形成奧氏體，而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發(fā)生明顯的改變。這是因為錳對提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護(hù)作用也很低，所以工業(yè)上雖有以錳合金化的奧氏體鋼，但它們不能作為不銹鋼使用。錳在鋼中穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的二分之一，即2％的氮在鋼中的作用也是穩(wěn)定奧氏體，并且作用的程度比鎳還要大。例如，欲使含18％鉻的鋼在常溫下獲得奧氏體組織，以錳和氮代鎳的低鎳不銹鋼與無鎳的鉻錳氮不銹鋼，目前已在工業(yè)中獲得應(yīng)用，有的已成功地代替了經(jīng)典的18-8鉻鎳不銹鋼。

• 不銹鋼中加鈦或鈮是為了防止晶間腐蝕：

• 鉬和銅：

可以提高某些不銹鋼的耐腐蝕性能。

• 硅：

形成鐵素體的元素，在一般不銹鋼中為常存雜質(zhì)元素。

• 磷：

在一般不銹鋼中都是雜質(zhì)元素，但其在奧氏體不銹鋼中的危害性不像在一般鋼中那樣顯著，故含量可允許高一些，如有的資料提出可達(dá)0.06％，以利于冶煉控制。利用磷對鋼的強(qiáng)化作用，也有加磷作為時效硬化不銹鋼的合金元素。

• 硫和硒：

在一般不銹鋼中也是常有雜質(zhì)元素。但向不銹鋼中加0.2～0.4％的硫，可提高不銹鋼的切削性能，硒也具有同樣的作用。硫和硒提高不銹鋼的切削性能，是因為它們降低不銹鋼的韌性，硫與硒均降低不銹鋼的耐腐蝕性能，所以實際應(yīng)用它們作為不銹鋼的合金化元素的很少。

4、不銹鋼主要鋼種的性能與特性

• 304鋼：

由于具有較好的耐腐蝕性，強(qiáng)度高，壽命長，并且有良好的色澤和表面光澤度，因此作為不銹耐熱鋼使用最廣泛，適用于食品用設(shè)備，一般化工設(shè)備，特別是裝飾行業(yè)例如不銹鋼圍欄。其中0Cr18Ni9是0Cr19Ni9的節(jié)Cr鋼種。

• (304Cu2)0Cr18Ni9Cu2：

屬于超深沖用不銹鋼冷軋板，用于器皿以及廚房用品等制品行業(yè)深沖制造的需要。

• SUS304J1：

與304Cu2相比，Cr與Ni含量低，生產(chǎn)成本低，耐腐蝕性和加工性能相當(dāng)，用途相同。

• 316、317系列：

與0Cr18Ni9相比Mo的合金化使鋼耐酸性和耐氯化物孔蝕的性能明顯提高，被用于的石油、化工、化肥等工業(yè)的設(shè)備、容器、管道等部件。

• 301系列：

該鋼種在大氣條件下具有較好的耐腐蝕性，冷加工后強(qiáng)度和硬度較高，應(yīng)用于不生銹的條件下承受較高載荷的設(shè)備或構(gòu)件。例如鐵道車輛和傳動帶螺栓螺母以及彈簧件。

• 321系列：

作焊芯、抗磁儀表、醫(yī)療器械、耐酸容器、設(shè)備襯里及輸送管道等設(shè)備和零件。

• 430鋼：

具有良好耐腐蝕性的通用鋼種，用于建筑內(nèi)的裝飾、重油燃燒器部件、家庭用具、家用電器部件。

• 409鋼：

焊接性能好，用于汽車排氣處理裝置。

5、不銹鋼腐蝕的種類和定義

（1）應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）

是指承受應(yīng)力的合金在腐蝕性環(huán)境中由于裂紋的擴(kuò)展而互生失效的一種通用術(shù)語。應(yīng)力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌，但它也可能發(fā)生于韌性高的材料中。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應(yīng)力（不論是殘余應(yīng)力還是外加應(yīng)力，或者兩者兼而有之）和特定的腐蝕介質(zhì)存在。

（2）點(diǎn)腐蝕

是一種導(dǎo)致腐蝕的局部腐蝕形式。

（3）晶間腐蝕

晶粒間界是結(jié)晶學(xué)取向不同的晶粒間紊亂錯合的界域，因而，它們是鋼中各種溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物（如碳化物和δ相）沉淀析出的有利區(qū)域。因此，在某些腐蝕介質(zhì)中，晶粒間界可能先行被腐蝕乃是不足為奇的。這種類型的腐蝕被稱為晶間腐蝕，大多數(shù)的金屬和合金在特定的腐蝕介質(zhì)中都可能呈現(xiàn)晶間腐蝕。

（4）縫隙腐蝕

是局部腐蝕的一種形式，它可能發(fā)生于溶液停滯的縫隙之中或屏蔽的表面內(nèi)。這樣的縫隙可以在金屬與金屬或金屬與非金屬的接合處形成，例如，在與鉚釘、螺栓、墊片、閥座、松動的表面沉積物以及海生物相接蝕之處形成。

（5）全面腐蝕

是用來描述在整個合金表面上以比較均勻的方式所發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象的術(shù)語。當(dāng)發(fā)生全面腐蝕時，材料由于腐蝕而逐漸變薄，甚至材料腐蝕失效。不銹鋼在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中可能呈現(xiàn)全面腐蝕。

6、常用304、316奧氏體不銹鋼腐蝕

• 304奧氏體不銹鋼

304奧氏體不銹鋼（新標(biāo)準(zhǔn)的06Cr19Ni10鋼、舊標(biāo)準(zhǔn)的0Cr18Ni9鋼）由于具有較好的耐腐蝕性，強(qiáng)度高，壽命長，并且有良好的色澤和表面光澤度，常溫和低溫下有良好的韌性、塑性、焊接性、耐腐蝕性及無磁性。304奧氏體不銹鋼之所以在大氣環(huán)境下具有優(yōu)良的耐腐蝕性能是由于其表面形成的一層Cr鈍化膜，如果材料本身存在夾雜物，以及環(huán)境導(dǎo)致局部腐蝕條件苛刻都有可能導(dǎo)致材料腐蝕，小則影響產(chǎn)品外觀，大則成為后期使用的安全隱患。

在304奧氏體不銹鋼緊固件產(chǎn)品表面出現(xiàn)大量銹蝕點(diǎn)，例如，板式換熱器304板片。從材料組織、夾雜物水平、耐晶界腐蝕性能、銹蝕點(diǎn)形貌、銹蝕發(fā)生位置成分、銹層組成等幾個方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，304奧氏體不銹鋼銹蝕一般分為以下幾類：

一是由于固溶處理不充分或者在碳化物析出溫度范圍內(nèi)使用，導(dǎo)致碳化物在晶界的析出，材料局部貧鉻引起的晶界腐蝕；

二是由于材料表面夾雜物，破壞材料表面均勻性，從而引發(fā)局部銹蝕；

三是在氯離子等穿透能力較強(qiáng)離子存在下發(fā)生的應(yīng)力腐蝕。

• 316奧氏體不銹鋼

316—繼304之后，第二個得到最廣泛應(yīng)用的鋼種，主要用于食品工業(yè)和外科手術(shù)器材，添加鉬元素使其獲得一種抗腐蝕的特殊結(jié)構(gòu)。由于較之304其具有更好的抗氯化物腐蝕能力因而也作“船用鋼”來使用。

316L含碳量比316低，抗晶間腐蝕性比316優(yōu)良高溫蠕變強(qiáng)度高?？稍诳量痰臈l件使用,加工硬化性好,無磁性。

不銹鋼不銹的特性與鋼中的鉻含量有直接關(guān)系，隨著鉻含量的提高而增強(qiáng)。當(dāng)鉻含量達(dá)到10.5%以上時，鋼的這一特征發(fā)生突變，從易生銹到不銹，從不耐蝕到耐腐蝕，而且含鉻量從10.5%以后隨著鉻含量的不斷提高，其耐銹性和耐蝕性也不斷得到改善。一般不銹鋼的最高鉻含量為26%，更高的鉻含量已沒有必要。

往期回顧：
【小尤優(yōu)課堂】你才知道？停用腐蝕是運(yùn)行腐蝕的3-5倍！
【小尤優(yōu)課堂】生水直接加防腐阻垢劑原來這么厲害！
【小尤優(yōu)課堂】蓄冰盤管上的白銹到底是什么？
【小尤優(yōu)課堂】制冷系統(tǒng)使用乙二醇，你必須知道這些
【小尤優(yōu)課堂】魚目混珠的市場，如何正確挑選防腐阻垢劑？
【小尤優(yōu)課堂】特殊時期如何安全有效的進(jìn)行消毒？
【小尤優(yōu)課堂】關(guān)于清洗劑最全的知識，看這一篇就夠了
【小尤優(yōu)課堂】熱水鍋爐氧腐蝕的危害及預(yù)防
【小尤優(yōu)課堂】分散阻垢多重要？不看不知道，一看嚇一跳
【小尤優(yōu)課堂】供熱采暖系統(tǒng)的補(bǔ)水箱，怎樣利用才能節(jié)能降耗？

覺得文章好看，歡迎點(diǎn)贊、轉(zhuǎn)發(fā)、關(guān)注
想了解更多水處理相關(guān)知識，歡迎關(guān)注：
尤潔科技官方微信：尤潔水處理（youjieshuichuli）
尤潔科技官網(wǎng)：beijingyoujie.com