不銹鋼是石油、化工、化肥、食品、國防、餐具、合成纖維和石油提煉等產(chǎn)業(yè)行業(yè)中廣泛使用的金屬材,而很多容器、管道、閥門、泵、等一般都因與各種腐蝕性介質(zhì)接觸遭受腐蝕而報(bào)廢.據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界每年因腐蝕而報(bào)廢的鋼材約占鋼材年產(chǎn)量的1／4.而不銹鋼的產(chǎn)量占鋼鐵總產(chǎn)量的1%.因此,材料受到腐蝕而失效是當(dāng)今材料研究與發(fā)展中的三大主要題目之一.
不銹鋼是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種.
通常所說的不銹鋼是不銹鋼與耐酸鋼的總稱.
不銹鋼不一定耐酸,但耐酸鋼同時(shí)又是不銹鋼.
所謂不銹鋼是指能抵抗大氣及弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼種.腐蝕速度＜0.01mm／年者為完全耐腐蝕鋼,速度＜0.1mm／年者為耐蝕鋼.所謂的耐酸鋼是指在各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能耐酸的鋼．腐蝕速度＜0.1mm／年者為完全耐蝕,腐蝕速度＜1mm／年者為耐蝕.因此,不銹鋼并不是不腐蝕、只不過腐蝕速度較慢而已、盡對不被腐蝕的鋼是不存在的.
值得留意的是在同一介質(zhì)中．不同種類的不銹鋼腐蝕速度大不相同而同一種不銹鋼在不同的介質(zhì)中腐蝕行為也大不一樣.例如．Ni-Cr不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性很好．但在非氧化介質(zhì)中(如鹽酸）的耐蝕性就不好了.因此把握各類不銹鋼的特點(diǎn)、對于正確選擇和使用不銹鋼是很重要的.
不銹鋼不僅要耐蝕,還要承受或傳遞載荷,因此還需要具有較好的力學(xué)性能.不銹鋼一般以板、管等型材加工成構(gòu)件或零件,因此．要有良好的切削加工性能和良好的焊接性能.
不銹鋼按典型組織分為：鐵素體（F）型不銹鋼；馬氏體（M）型不銹鋼；奧氏體（A）型不銹鋼；奧氏體-鐵素體（A-F）雙相型不銹鋼；沉淀硬化型不銹鋼.
一、金屬腐蝕
（一）金屬的腐蝕過程
在外界介質(zhì)的作用下使金屬逐漸受到破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕.腐蝕基本上有兩種形式．化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕.在生產(chǎn)實(shí)際中碰到的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕,化學(xué)腐蝕中不產(chǎn)生電流,巨在腐蝕過程中形成某種腐蝕產(chǎn)物.這種腐蝕產(chǎn)物一般都覆蓋在金屬表面上形成一層膜,使金屬與介質(zhì)隔離開來.
假如這層化學(xué)天生物是穩(wěn)定、致密、完整并同金屬表層牢固結(jié)合的,則將大大減輕甚至可以防止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展,對金屬起保護(hù)作用.形成保護(hù)膜的過程稱為鈍化.例如,天生SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜,這些氧化膜結(jié)構(gòu)致密、完整、無疏松、無裂紋且不易剝落,可起到保護(hù)基體金屬、避免繼續(xù)氧化的作用.例如鐵在高溫氧化時(shí)天生的Fe2O3.反之,有些氧化膜是不連續(xù)的,或者是多孔狀的．對基體金屬沒有保護(hù)作用.例如．有些金屬的氧化物,如Mo2O3、WO3在高溫下具有揮發(fā)性,完全沒有覆蓋基體的保護(hù)作用.
可見,氧化膜的產(chǎn)生及氧化膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是化學(xué)腐蝕的重要特征.因此,進(jìn)步金屬耐化學(xué)腐蝕的能力,主要是通過合金化或其它方法,在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、完整致密的并與基體結(jié)合牢固的氧化膜,也稱為鈍化膜,電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕更重要的、更普遍的形式,它是由不同的金屬或金屬的不同電極電位而構(gòu)成原電池所產(chǎn)生的.
這種原電池腐蝕是在顯微組織之間產(chǎn)生的故又稱之為微電池腐蝕.電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是有電介質(zhì)存在,不同金屬之間、金屬微區(qū)之間或相之間有電位差異連通或接觸,同時(shí)有腐蝕電流產(chǎn)生.
二、腐蝕類型
金屬材料在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中的腐蝕失效形式是多種多樣的.不同材料在不同負(fù)荷及不同介質(zhì)環(huán)境的作用下,其腐蝕形式主要有以下幾類：
一般腐蝕：金屬裸露表面發(fā)生大面積的較為均勻的腐蝕,雖降低構(gòu)件受力有效面積及其使用壽命,但比局部腐蝕的危害性小.
晶間腐蝕：指沿品界進(jìn)行的腐蝕,使晶粒的連接遭到破壞.這種腐蝕的危害性最大,它可以使金屬變脆或喪失強(qiáng)度,敲擊時(shí)失往金屬聲響,易造成忽然事故.晶間腐蝕為奧氏體不銹鋼的主要腐蝕形式,這是由于晶界區(qū)域與晶內(nèi)成分或應(yīng)力有差別,引起晶界區(qū)域電極電位明顯降低而造成的電極電位助差別所致.
應(yīng)力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力（外加應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力）的共同作用下產(chǎn)生破裂現(xiàn)象.斷裂方式主要是沿晶的、也有穿晶的,這是一種危險(xiǎn)的低應(yīng)力脆性斷裂、在氯化介質(zhì)和堿性氧化物或其它水溶性介質(zhì)中常發(fā)生應(yīng)力腐蝕,在很多設(shè)備的事故中占相當(dāng)大的比例.
點(diǎn)腐蝕：點(diǎn)腐蝕是發(fā)生在金屬表面局部區(qū)域的一種腐蝕破壞形式、點(diǎn)腐蝕形成后能迅速地向深處發(fā)展,最后穿透金屬.點(diǎn)腐蝕危害性很大,尤其是對各種容器是極為不利的.出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕后應(yīng)及時(shí)磨光或涂漆,以避免腐蝕加深.
點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生的原因是在介質(zhì)的作用下,金屬表面鈍化膜受到局部損壞而造成的.或者在含有氯離子的介質(zhì)中,材料表面缺陷疏松及非金屬夾雜物等都可引出發(fā)點(diǎn)腐蝕.
腐蝕疲憊：金屬在腐蝕介質(zhì)及交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞、其特點(diǎn)是產(chǎn)生腐蝕坑和大量裂紋.明顯降低鋼的疲憊強(qiáng)度,導(dǎo)致過早斷裂.腐蝕疲憊不同于機(jī)械疲憊,它沒有一定的疲憊極限,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,疲憊強(qiáng)度一直是下降的.
除了上述各種腐蝕形式以外,還有由于宏觀電池作用而產(chǎn)生的腐蝕.例如,金屬構(gòu)件中鉚釘與鉚接材料不同、異種金屬的焊接、船體與螺旋槳材料不同等因電極電位差別而造成的腐蝕.
從上述腐蝕機(jī)理可見,防止腐蝕的著眼點(diǎn)應(yīng)放在：盡可能減少原電池?cái)?shù)目,使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的、與鋼的基體結(jié)合牢固的鈍化膜；在形成原電池的情況下,盡可能減少兩極間的電極電位差.
不銹鋼的合金化原理
進(jìn)步鋼耐蝕性的方法很多,如表面涂一層耐蝕金屬、涂敷非金屬層、電化學(xué)保護(hù)和改變腐蝕環(huán)境介質(zhì)等.但是利用合金化方法,進(jìn)步材料本身的耐蝕性是最有效的防止腐蝕破壞的措施之一,其方法如下：
（1）加進(jìn)合金元素,進(jìn)步鋼基體的電極電位,從而進(jìn)步鋼的抗電化學(xué)腐蝕能力.一般鋼中加進(jìn)Cr、Ni、Si多元素均能進(jìn)步其電極電位.由于Ni較缺,Si的大量加進(jìn)會使鋼變脆,因此,只有Cr才是明顯進(jìn)步鋼基體電極電位常用的元素.
Cr能進(jìn)步鋼的電極電位,但不是呈線性關(guān)系.實(shí)驗(yàn)證實(shí)鋼的電極電位隨合金元素的增加,存在著一個(gè)量變到質(zhì)變的關(guān)系,遵循1/8規(guī)律.
當(dāng)Cr含量達(dá)到一定值時(shí)即1／8原子（l／8、2／8、3/8……）時(shí),電極電位將有一個(gè)突變.因此,幾乎所有的不銹鋼中,Cr含量均在12.%（原子）以上,即11.7%（質(zhì)量）以上.
（2）加進(jìn)合金元素使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的純化膜.從而進(jìn)步鋼的耐化學(xué)腐蝕能力.如在鋼中加進(jìn)Cr,Si.Al等合金元素,使鋼的表層形成致密的Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜,就可進(jìn)步鋼的耐蝕性.
（3）加進(jìn)合金元素使鋼在常溫時(shí)能以單相狀態(tài)存在,減少微電池?cái)?shù)目從而進(jìn)步鋼的耐蝕性.如加進(jìn)足足數(shù)目的Cr或Cr－Ni,使鋼在室溫下獲得單相鐵素體或單相奧氏體.
（4）加進(jìn)Mo、Cu等元素,進(jìn)步抗腐蝕的能力.
（5）加進(jìn)Ti,Nb等元素,消除Cr的晶間偏析,從而減輕了晶間腐蝕傾向.
（6）加進(jìn)Mn、N等元素,代替部分Ni獲得單相奧氏體組織,同時(shí)能大大進(jìn)步鉻不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性.
不銹鋼的種類和特點(diǎn)
不銹鋼有兩種分類法：一種是按合金元素的特點(diǎn),劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼.
另一種是按在正火狀態(tài)下鋼的組織狀態(tài),劃分為M不銹鋼、F不銹鋼、A不銹鋼、A一F雙相不銹鋼.
三、馬氏體不銹鋼
典型的馬氏體不銹鋼有1Cr13～4Cr13和9Cr18等
1Cr13鋼加工工藝性能良好.可不經(jīng)預(yù)熱進(jìn)行深沖、彎曲、卷邊及焊接.2Crl3冷變形前不要求預(yù)熱,但焊接前需預(yù)熱,1Crl3、2Cr13主要用來制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機(jī)葉片等,而3Cr13、4Cr13主要用來制作醫(yī)療器械外科手術(shù)刀及耐磨零件；9Crl8可做耐蝕軸承及刀具.
四、鐵素體不銹鋼
鐵素不銹鋼的含Cr量一般為13％～30％合碳量低于0.25%.有時(shí)還加進(jìn)其它合金元素.金相組織主要是鐵素體,加熱及冷卻過程中沒有αγ轉(zhuǎn)變,不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化.抗氧化性強(qiáng).同時(shí),它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性.鐵?體不銹鋼主要用來制作要求有較高的耐蝕性而強(qiáng)度要求較低的構(gòu)件,廣泛用于制造生產(chǎn)硝酸、氮肥等設(shè)備和化工使用的管道等.
典型的鐵素體不銹鋼有Crl7型、Cr25型和Cr28型.
五、奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼是克服馬氏作不銹鋼耐蝕性不足和脆性過大而發(fā)展起來的.基本成分為Crl8%、Ni8%簡稱18－8鋼.其特點(diǎn)是合碳量低于0.1%,利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織.
奧氏作不銹鋼一般用于制造生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設(shè)備構(gòu)件、冷凍產(chǎn)業(yè)低溫設(shè)備構(gòu)件及經(jīng)形變強(qiáng)化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發(fā)條等.
奧氏體不銹鋼具有良好的抗均勻腐蝕的性能,但在局部抗腐蝕方面,仍存在下列題目：
1、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕
奧氏作不銹鋼在450～850℃保溫或緩慢冷卻時(shí),會出現(xiàn)晶問腐蝕.
含碳量越高,晶間蝕傾向性越大.此外,在焊接件的熱影響區(qū)也會出現(xiàn)晶間腐蝕.這是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6.使其四周基體產(chǎn)生貧鉻區(qū),從而形成腐蝕原電池而造成的.這種晶間腐蝕現(xiàn)象在前面提到的鐵素體不銹鋼中也是存在的.
工程上常采用以下幾種方法防止晶間腐蝕：
（1）降低鋼中的碳量,使鋼中合碳量低于平衡狀態(tài)下在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度,即從根本上解決了鉻的碳化物（Cr23C6）在晶界上析出的題目.通常鋼中合碳量降至0.03％以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求.
（2）加進(jìn)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,即可防上奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕.
（3）通過調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例,使其具有奧氏體+鐵索體雙相組織,其中鐵素體占5％一12％.這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕.
（4）采用適當(dāng)熱處理工藝,可以防止晶間腐蝕,獲得最佳的耐蝕性.
2、奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕
應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）與腐蝕的綜合作用所引起的開裂稱為應(yīng)力腐蝕開裂,簡稱SCC（StressCrackCorrosion）.奧氏體不銹鋼輕易在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕.當(dāng)含Ni量達(dá)到8%一10%時(shí),奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕傾向性最大,繼續(xù)增加含Ni量至45～50%應(yīng)力腐蝕傾向逐漸減小,直至消失.
防止奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的最主要途徑是加進(jìn)Si2～4％并從冶煉上將N含量控制在0.04％以下.此外還應(yīng)盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)的含量.另外可選用A-F雙相鋼,它在Cl-和OH-介質(zhì)中對應(yīng)力腐蝕不敏感.當(dāng)初始的微細(xì)裂紋碰到鐵素體相后不再繼續(xù)擴(kuò)展,鐵素體含量應(yīng)在6%左右.
3、奧氏作不銹鋼的形變強(qiáng)化
單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能,可以冷拔成很細(xì)的鋼絲,冷軋成很薄的鋼帶或鋼管.經(jīng)過大量變形后,鋼的強(qiáng)度大力進(jìn)步,尤其是在零下溫區(qū)軋制時(shí),效果更為明顯.抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000MPa以上.這是由于除了冷作硬化效果外,還疊加了形變誘發(fā)M轉(zhuǎn)變.
奧氏作不銹鋼經(jīng)形變強(qiáng)化后可用來制造不銹彈簧、鐘表發(fā)條、航空結(jié)構(gòu)中的鋼絲繩等.形變后若需焊接,則只能采用點(diǎn)焊工藝、形變使應(yīng)力腐蝕傾向性增加.并因部分γ->M轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生鐵磁性,在使用時(shí)（如儀表零件中）應(yīng)予以考慮.
再結(jié)晶溫度隨形變量而改變,當(dāng)形變量為60％時(shí),其再結(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℃則需保溫3h,1050℃時(shí)透燒即可,然后水冷.
4、奧氏作不銹鋼的熱處理
奧氏體不銹鋼常用的熱處理工藝有：固溶處理、穩(wěn)定化處理和往應(yīng)力處理等.
（1）固溶處理.將鋼加熱到1050～1150℃后水淬,主要目的是使碳化物溶于奧氏體中,并將此狀態(tài)保存到室溫,這樣鋼的耐蝕性會有很大改善.
如上所述,為了防止晶問腐蝕,通常采用固溶化處理,使Cr23C6溶于奧氏體中,然后快速冷卻.對于薄壁件可采用空冷,一般情況采用水冷.（2）穩(wěn)定化處理.一般是在固溶處理后進(jìn)行,常用于含Ti、Nb的18-8鋼,固處理后,將鋼加熱到850～880℃保溫后空冷,此時(shí)Cr的碳化物完全溶解,脫而鈦的碳化物不完全溶解,且在冷卻過程中充分析出,使碳不可能再形成鉻的碳化物,因而有效地消除了晶間腐蝕.
（3）往應(yīng)力處理.往應(yīng)力處理是消除鋼在冷加工或焊接后的殘余應(yīng)力的熱處理工藝一般加熱到300～350℃回火.對于不含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的鋼,加熱溫度不超過450℃,以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕.對于超低碳和含Ti、Nb不銹鋼的冷加工件和焊接件,需在500～950℃,加熱,然后緩冷,消除應(yīng)力（消除焊接應(yīng)力取上限溫度）,可以減輕晶間腐蝕傾向并進(jìn)步鋼的應(yīng)力腐蝕抗力.
六、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼
在奧氏不銹鋼的基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加Cr含量并減少Ni含量,并與回溶化處理相配合,可獲得具有奧氏體和鐵素體的雙相組織（含40～60％δ-鐵素體）的不銹鋼,典型鋼號有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等.雙相不銹鋼有較好的焊接性,焊后不需熱處理,而且其晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向性也較小.但由于含Cr量高,易形成σ相,使用時(shí)應(yīng)加以留意.
在腐蝕環(huán)境中選擇不銹鋼時(shí),除應(yīng)對不銹鋼的具體使用條件有詳細(xì)的了解外,還需要考慮的主要因素有：不銹鋼的耐蝕性、強(qiáng)度、韌性和物理性能、加工、成形性能、資源、價(jià)格和取得的難易.
1.耐蝕性能
耐蝕性包括不銹性和耐酸,堿,鹽等腐蝕介質(zhì)的性能以及高溫下抗氧化,硫化,氯化,氟化等的性能.由于選用不同不銹鋼主要是為了解決實(shí)際工程中所遇到的各種腐蝕問題,為此在腐蝕環(huán)境中不銹鋼的耐蝕性如何是選材人員首先需要考慮的.腐蝕是金屬與介質(zhì)間由于化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞,而耐蝕性指不銹鋼抵抗介質(zhì)腐蝕破壞的能力,故當(dāng)選材中涉及耐蝕性時(shí),需要注意以下幾點(diǎn).
1.耐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)是人為確定的,既要承認(rèn)它,使用它,又不能受它的約束,要根據(jù)具體使用要求來確定是否耐蝕的具體標(biāo)準(zhǔn).
目前對不銹鋼的耐蝕性多采用10級標(biāo)準(zhǔn),選擇哪一級做為耐腐蝕的要求,要考慮設(shè)備,部個(gè)的特點(diǎn)(薄厚,大小).使用壽命長短,產(chǎn)品質(zhì)量(如雜質(zhì),顏色,純度)等的要求,一般說來,對使用過程中要求光潔鏡面或尺寸精密的設(shè)備儀表和部件,可選擇1~3級標(biāo)準(zhǔn);對要求密切配合,長期不漏或要求使用限長的設(shè)備,部件選2~5級,對要求不高檢修方便或要求壽命不很長的設(shè)備,部件則可選用4~7級,除特殊例外,不銹鋼在使用條件下年腐蝕率超過1mm者一般多不選用,需要指出,10級標(biāo)準(zhǔn)對于產(chǎn)生局部腐蝕時(shí)是不適用的.
2.耐蝕性是相對的,有條件的,常說的不銹鋼的不銹性,耐蝕性系指指相對于生銹和不耐蝕而言,是指在一定條件下(介質(zhì),濃度,溫度,雜質(zhì),壓力,流速等一定時(shí)).截至目前為止,還沒有在任何腐蝕環(huán)境中均具有不銹性,耐蝕性的不銹鋼,因此選項(xiàng)材人員心須針對具體使用條件加以選擇,不銹鋼牌號選定后,使用部門還要針對所選用的不銹鋼的特性正確使用,即合理選材加正確使用才能達(dá)到具有不銹性或耐腐蝕的目的.
3.選擇不銹鋼既要考慮其耐一般腐蝕的性能,又要考慮其耐局部腐蝕的性能,在一些水介質(zhì)和化工介質(zhì)中,后者更需予以注意,這是因?yàn)?選材人員一般多重視不銹鋼的耐一般腐蝕性能,而在使用條件下,它們對局部腐蝕,例如對應(yīng)力腐蝕孔蝕等的敏感性如何則考慮較少;不銹鋼的局部腐蝕多在耐一般腐蝕性能很好的腐蝕環(huán)境中發(fā)生,局部腐蝕常常導(dǎo)致不銹鋼設(shè)備,部件的突然破壞,其危害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般腐蝕.
4.在一些使用條件下,還會遇到這種情況,當(dāng)工作介質(zhì)中或所生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品中,即使含有微量的某種或某此不銹鋼中的金屬離子時(shí),便會影響化工工藝過程工工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量(包括光澤,顏色,純度等).這種情況在核燃料制藥和顏料等工業(yè)中最為常見,此時(shí)常常選用不含某種元素的不銹鋼或適當(dāng)提高所選用不銹鋼耐蝕性檔次,以便使金屬離子降低到允許的限度.
5.不銹鋼制造設(shè)備,部件若因腐蝕而失效時(shí),應(yīng)當(dāng)進(jìn)行腐蝕破壞原因的分析,查明原因后采取措施,而不應(yīng)扔了之.