自人類開始利用鋼鐵材料以來，一直存在防止鋼鐵材料生銹的問題。1911-1912年，開發(fā)的不銹鋼，至今已有100多年的歷史。不銹鋼是高合金的鋼鐵材料，含有多種合金元素。按照組織的不同，可將不銹鋼分為奧氏體系、鐵素體系、馬氏體系、雙相系和析出硬化系等多種類型。本文首先介紹了按日本JIS標(biāo)準(zhǔn)分類的各種不銹鋼系列，其次分析了不銹鋼的組織及性能，最后論述了不銹鋼的耐蝕性、抗氧化性和力學(xué)性能等特征。

　　1. 不銹鋼的定義及日本JIS分類

　　不銹鋼定義為Cr含量10.5%以上，C含量1.2% 以下，提高耐蝕性的合金鋼。Cr含量定為10.5%是因為從Cr含量為10%起，合金表面生成的鈍態(tài)膜穩(wěn)定性增大，耐蝕性大幅度提高。

　　所謂鈍態(tài)膜是在Fe-Cr合金表面生成的鈍態(tài)氧化物保護(hù)膜，是含結(jié)晶水的水合氫氧化鉻（如CrOx（OH）3-2x·nH2O）主體的非晶質(zhì)膜。隨著Cr含量的增加，從結(jié)晶性尖晶石結(jié)構(gòu)向非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，12%-19%Cr以上基本變?yōu)榉蔷з|(zhì)。厚度是約3nm，Cr含量越高的鋼，膜越薄。鈍態(tài)膜實際的結(jié)構(gòu)尚不完全清楚。


　　圖1是從10%Cr開始鈍態(tài)膜中Cr急劇濃縮的示意圖。因為鈍態(tài)膜是通過氧化生成的穩(wěn)定的膜，所以即使損傷，本身也有再生能力。雖然根據(jù)條件的不同，情況有所變化，但大部分狀態(tài)下，鈍態(tài)膜會再生。所以不銹鋼即使加工、研磨也仍然保持美麗的光澤。

　　按組織分類，不銹鋼可以大致分為奧氏體（γ）系、鐵素體（α）系、馬氏體（α’）系、雙相（α-γ）系和析出硬化系五種，JIS標(biāo)準(zhǔn)也是這樣分類的。為了提高不銹鋼的耐蝕性和加工性，添加了Cr、Ni、Mo、Si、Mn、N、Cu、Ti、Nb和Al等多種合金元素。這些合金元素分為易生成鐵素體相（α相）的元素和易生成奧氏體相（γ相）的元素，圖2是將其作用當(dāng)量化，整理的不銹鋼舍夫勒組織圖。該組織圖是調(diào)研了焊接時的熔敷金屬形成的圖，因此，大體適用軋制退火材的組織，所以很有價值。根據(jù)各種不銹鋼的化學(xué)成分計算了Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，繪制在圖上，就清楚了各鋼種的組織。各種不銹鋼在該組織圖上可分別用一個點來表示。

　　目前，在日本的標(biāo)準(zhǔn)體系中，不銹鋼JIS鋼種（SUS）有84個。如果包括耐熱鋼標(biāo)準(zhǔn)（SUH），有104個Cr含量在10.5%以上的耐蝕性鋼種。除此以外，還規(guī)定了特殊用途的鋼種。鋼種代號規(guī)定為SUS，大體規(guī)定是奧氏體系為300系，鐵素體系和馬氏體系為400系，雙相系為320系，析出硬化系為630系，高M(jìn)n奧氏體系為200系等。還有分類為耐熱鋼的不銹鋼（含Cr10%以上的鋼種），鋼種代號為SUH。耐熱鋼在組織上也分類為奧氏體系、鐵素體系和馬氏體系。表1是JIS的鋼種分類及特征。


　　2. 不銹鋼的組織及性能

　　按組織分，不銹鋼可分為奧氏體系、鐵素體系、馬氏體系、雙相系和析出硬化系，由于這些組織的不同，鋼種的性能也有很大差異。

　　2.1 奧氏體系不銹鋼

　　奧氏體系不銹鋼的加工性、焊接性和耐蝕性均優(yōu)越，所以占世界不銹鋼消費(fèi)量約60%。奧氏體系不銹鋼的代表鋼種是SUS304（18Cr-8Ni-0.05C）。SUS304也是應(yīng)用最廣的不銹鋼。晶體結(jié)構(gòu)是FCC，因為生成加工誘導(dǎo)馬氏體，所以伸長率為約60%。在日常生活環(huán)境中，具有充分的耐蝕性，但為了進(jìn)一步提高耐蝕性，大多添加Mo，最大的缺點是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。通過增減Ni含量等，可以控制加工誘導(dǎo)馬氏體生成，也有SUS301（17Cr-7Ni）等兼顧高強(qiáng)度和高韌性的鋼種。為了抑制焊接部位的晶間腐蝕，將C含量降低到約0.02%，開發(fā)了SUS304L和SUS316L等L型的鋼種。此外，近年來，Ni原料價格的高漲，使成本上升。因此，進(jìn)行了用Mn替換Ni的200系的SUS201（17Cr-4.5Ni-6.5Mn-0.2N）的利用和高耐蝕性鐵系體系SUS等節(jié)省資源型不銹鋼的開發(fā)。

　　2.2 鐵素體系不銹鋼

　　代表性鐵素體系不銹鋼是SUS430（16Cr-0.05C），但為了提高耐蝕性、加工性和焊接性，開發(fā)了多個鋼種?；旧喜缓琋i，所以價格比較便宜，作為普通不銹鋼被廣泛應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)的不銹鋼Cr含量為11%-30%。SUS430在熱軋工藝的高溫區(qū)域為α相和γ相雙相組織，所以在冷軋退火工藝，進(jìn)行α單相區(qū)域的熱處理，為鐵素體單相組織。通過高Cr化和低C，高溫的γ相沒有，在全溫度區(qū)域為α單相組織。晶體結(jié)構(gòu)是BCC，伸長率為30%左右。深沖性重要的r值高。作為進(jìn)一步提高加工性的方法進(jìn)行了低C、N化（高純度化）和添加Ti、Nb（穩(wěn)定化）元素。添加Ti、Nb對提高焊接性也有效。高純度穩(wěn)定化的JIS代表性鋼種是SUS430LX（16Cr-0.01C-0.2Ti,Nb）和SUS436L（18Cr-1Mo-0.01C-0.2Ti）等。為了提高耐蝕性，進(jìn)行了高Cr化并添加Mo元素。此外，在通常的使用環(huán)境下，鐵素體系SUS不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

　　2.3 馬氏體系不銹鋼

　　代表性的馬氏體系不銹鋼有SUS410S（13Cr-0.08C）和SUS420J2（13Cr-0.3C）等。馬氏體系不銹鋼在高溫下為奧氏體組織，通過急冷相變?yōu)轳R氏體組織。根據(jù)C含量為極硬的高強(qiáng)度，所以用于發(fā)揮其特征的用途。淬火狀態(tài)的馬氏體組織硬且脆，不易加工。因此，通常進(jìn)行退火后，在軟質(zhì)的鐵素體相和碳化物的組織狀態(tài)下進(jìn)行加工、切削和沖裁等，

　　然后淬火，一般為提高韌性再進(jìn)行回火處理。為使其具有良好的易切削性，添加S、P。

　　2.4 雙相系不銹鋼


　　從圖2的舍夫勒組織圖可知，如果Cr含量為24%以上，Ni為6%以上，為鐵素體相和奧氏體相的雙相混合組織，代表性鋼種有SUS329J4L（25Cr-6.5Ni-3Mo-0.15N）。因為是鐵素體和奧氏體的混合組織，所以耐應(yīng)力腐蝕裂紋性優(yōu)越，高合金，耐孔蝕性也良好。而且，是雙相組織，強(qiáng)度和韌性也高，用于海水用結(jié)構(gòu)材等要求耐蝕性和強(qiáng)度的用途。為了改善焊接部位的耐蝕性，大多數(shù)鋼種添加N。通常設(shè)計為耐蝕性好的鐵素體相50% 奧氏體相50%。

　　2.5 析出硬化系不銹鋼

　　析出硬化系是利用作為合金元素添加的Cu和Al等析出硬化（富Cu相、Ni3Al相）的不銹鋼。析出硬化系的代表鋼種有Ni含量少的SUS630（17Cr-4Ni-4Cu-0.3Nb）和SUS631（17Cr-7Ni-1Al）。母相組織，SUS630時是馬氏體相，SUS631時是準(zhǔn)穩(wěn)定奧氏體組織。都為馬氏體組織后，進(jìn)行時效處理（400-600℃），高強(qiáng)度化。

　　3 不銹鋼的耐蝕性和抗氧化性

　　3.1 不銹鋼的耐蝕性

　　因為不銹鋼具有耐蝕性，所以稱其為不銹鋼，其耐蝕性的原因是表面生成厚度僅為3nm的鈍態(tài)膜。下面介紹主要合金元素對不銹鋼基本電化學(xué)性能和耐蝕性的影響。

　　表示不銹鋼的電化學(xué)性能時，經(jīng)常使用陽極極化曲線?？v坐標(biāo)是電流密度，對應(yīng)腐蝕速度。橫坐標(biāo)是電位，對應(yīng)金屬材料使用的環(huán)境。電流密度急劇降低時是鈍態(tài)區(qū)域，但Cr含量在10%以上時，鈍態(tài)區(qū)域向較低電位區(qū)域擴(kuò)大，在日常生活環(huán)境產(chǎn)生的0V（SCE）附近鈍態(tài)化。這一變化，與從Cr含量10%開始，鈍態(tài)膜中的Cr急劇濃縮的現(xiàn)象對應(yīng)。

　　3.2 合金元素對不銹鋼耐蝕性的影響

　　合金元素對不銹鋼耐蝕性的影響很大，在此介紹主要影響元素。作為抑制鈍態(tài)化臨界電流密度的元素有Ni、Mo、Cu、Cr、N、Nb、Ti和V等。Cr、Mo、N、W、Si、Ti、Nb、V、Cu和Ni等使孔蝕電位上升。而Cr、Ni、W、Ti、Si使鈍態(tài)保持電流密度降低，提高鈍態(tài)膜的穩(wěn)定性。這些影響需要根據(jù)條件進(jìn)行具體分析，為了提高耐蝕性需要在各個用途中驗證。下面說明在眾多的合金元素中經(jīng)常利用的Mo、Cu、Ni、N。

　　1）Mo

　　Mo是提高HCl等非氧化性酸中耐腐蝕性和耐孔蝕性最常使用的元素。根據(jù)XPS的表面分析，發(fā)現(xiàn)在鈍態(tài)區(qū)域濃縮的同時，伴有Cr的濃縮。Mo作為MoO4 2-溶解，成為抑制劑抑制活性溶解。添加Mo的JIS代表性鋼種有SUS316L（17Cr-13Ni-2Mo-0.02C）、SUS444（19Cr-2Mo-0.01C-0.2Nb）、SUS329J4L（25Cr-6.5Ni-3Mo-0.15N）等。

　　2）Cu

　　Cu是作為提高耐硫酸性的合金元素而添加的。在活化態(tài)的電位區(qū)域，以金屬狀態(tài)

　　在表面選擇性濃縮，抑制基底的活性溶解，提高耐蝕性。最近有報告指出，在暴露環(huán)境下，Cu有促進(jìn)鈍態(tài)膜中Cr濃縮的作用。添加Cu，提高耐蝕性的JIS鋼種有SUS315J2（18Cr-12Ni-3Si-2Cu-1Mo）和SUS443J1（21Cr-0.4Cu-0.01C-0.2Ti）等。

　　3）Ni

　　Ni也與Cu一樣以活化態(tài)濃縮，加速H 的還原反應(yīng)，促進(jìn)鈍態(tài)化。還是比Fe高的平衡電位，交換電流密度也低，所以，腐蝕電位較高，起到降低溶解速度作用。

　　4）N

　　N的作用與其他合金元素不同，所以對其提高耐蝕性的機(jī)理進(jìn)行了許多研究，其中以對鈍態(tài)膜的作用和抑制孔蝕作用為主。有報告指出，通過XPS等表面分析，鈍態(tài)膜中，特別是在與基底的界面N濃縮存在。認(rèn)為N作為N3-存在，具有阻礙Cl-離子導(dǎo)致鈍態(tài)膜損壞的作用。另外，還發(fā)現(xiàn)在抑制活性溶解的同時，促進(jìn)Cr向鈍態(tài)膜中濃縮。

　　在孔蝕發(fā)生的初期階段，N在凹坑內(nèi)部活化態(tài)溶解，其溶解生成物NH4 阻止凹坑內(nèi)部的氧化，有助于鈍態(tài)膜再生，起到提高耐孔蝕性的作用。在較高電位中，溶解的N氧化，成為NO3-離子，起到抑制劑的作用。因此，使孔蝕電位上升的作用在孔蝕發(fā)生初期通過加速再鈍態(tài)化，抑制孔蝕發(fā)生和發(fā)展。

　　雖然許多合金元素對不銹鋼的耐局部腐蝕性都有影響，但耐蝕性指標(biāo)常用耐孔蝕性指數(shù)表示。

　　耐孔蝕性指數(shù)：Cr 3.3%Mo 16N（N只適用于奧氏體系和雙相系）

　　各合金元素的系數(shù)根據(jù)鋼種、腐蝕環(huán)境，再加上孔蝕或間隙腐蝕有些差異，有時也有其他元素的影響。因此，如果根據(jù)JIS鋼種的基本成分計算耐孔蝕性指數(shù)，可以大致比較各鋼種的耐局部侵蝕性。

　　3.3 不銹鋼的抗氧化性

　　不銹鋼不僅耐蝕性好，而且抗氧化性亦優(yōu)越。因含Cr量高，生成保護(hù)性的Cr2O3氧化膜，抑制氧化的發(fā)展。為了形成具有連續(xù)保護(hù)性的Cr2O3氧化膜，需要根據(jù)氧化條件確定高于臨界Cr濃度。在Fe-Cr合金中形成的氧化膜結(jié)構(gòu)依據(jù)Cr含量、溫度和氧分壓變化。在1000℃附近的常壓，根據(jù)近似氧分壓氧化時的狀態(tài)可知，形成穩(wěn)定的Cr2O3層的是Cr含量高于18%的鋼。代表性的抗氧化性不銹鋼是SUS310S（25Cr-20Ni）。

　　4. 不銹鋼的力學(xué)性能

　　不銹鋼具有馬氏體系、鐵素體系、奧氏體系、雙相系和析出硬化系等多種組織。晶體結(jié)構(gòu)有BCC和FCC等多種類型。

　　4.1 不銹鋼的加工硬化性能


　　表2是各種JIS不銹鋼代表性的力學(xué)性能。SUS430等鐵素體系的伸長率為30%，而SUS304等準(zhǔn)穩(wěn)定奧氏體系為約60%，這就使加工性具有很大的差異。因此，凸肚成形時適用奧氏體系，深沖加工時需要r值大的，在這點上高純度鐵素體系不銹鋼優(yōu)越。圖3是鐵素體系的SUS430和奧氏體系的SUS304的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。奧氏體系伸長率優(yōu)越是因FCC結(jié)構(gòu)，所以堆垛層錯能（SFE）小，由于抑制堆垛層錯的恢復(fù)和泰勒因子不同，均勻伸長率和加工硬化率變大，作為更重要的影響因素，像SUS304這樣的準(zhǔn)穩(wěn)定性奧氏體系不銹鋼，由于產(chǎn)生變形中的形變誘導(dǎo)馬氏體，加工硬化變大。作為影響奧氏體系不銹鋼SFE的合金元素，Cu、Ni、C等有提高SFE，減小加工硬化的效果。但Cr、Si、N有降低SFE，加大加工硬化的效果。作為生成形變誘導(dǎo)馬氏體難易度的指標(biāo)，一般常用Md30（℃）表示。


　　Md30（℃）=551-462（%C %N）-9.2（%Si）-8.1（%Mn）-13.7（%Cr）-29（%Ni %Cu）-18.5（%Mo）-68（%Nb）-1.42（ν-8.0）

　　其中，ν表示ASTM晶粒度號。


　　在準(zhǔn)穩(wěn)定奧氏體系中，利用形變誘導(dǎo)馬氏體相變，可以獲得高強(qiáng)度不銹鋼。圖4是各種不銹鋼的冷軋率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。與穩(wěn)定系的SUS310S和鐵素體系的SUS430相比，SUS304和SUS301等的亞穩(wěn)定奧氏體系不銹鋼具有大的加工硬化性能，通過采用按照所需強(qiáng)度的冷壓下率的硬材，生產(chǎn)強(qiáng)度、加工性和韌性優(yōu)越的鐵路車輛用高強(qiáng)度鋼等。

　　4.2 不銹鋼的固溶強(qiáng)化及其他性能

　　關(guān)于奧氏體系不銹鋼的固溶強(qiáng)化性能，Ni、Co、Mn等奧氏體穩(wěn)定化元素強(qiáng)化能力小，Si、Mo等鐵素體穩(wěn)定化元素強(qiáng)化能力大，間隙型的C、N具有更大的效果。

　　研究了合金元素對0.2%屈服強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示，奧氏體系不銹鋼時，N與C不同，不妨礙耐蝕性，而且固溶度也大，所以可以積極用于提高強(qiáng)度。

　　研究了N對固溶強(qiáng)化的影響。最近，采用特殊的生產(chǎn)方法，正在開發(fā)N添加到1%的鋼種。

　　關(guān)于鐵素體系不銹鋼，間隙型元素C、N量具有很大影響。不僅提高伸長率，而且控制織構(gòu)。為提高r值，將C、N降低到100ppm以下，C、N結(jié)/合后，添加穩(wěn)定化的Ti、Nb。超低C、N化對改善韌性有效果。在化工廠等較厚的結(jié)構(gòu)件用途中，因為應(yīng)力腐蝕裂紋不能使用奧氏體系不銹鋼時，適合采用將C、N降低到50ppm、提高韌性的高純度鐵素體系不銹鋼SUS447J1（30Cr-2Mo-0.005C-0.2Nb）等。

　　在超低溫環(huán)境下，具有FCC結(jié)構(gòu)的低溫韌性良好的奧氏體系不銹鋼是有效的。SUS304和SUS316等在-200℃也顯示良好的韌性，所以用于LNG罐等結(jié)構(gòu)件。

　　最近，作為實現(xiàn)氫社會的措施，SUS316L（17Cr-13Ni-2Mo-0.02C）有望作為在氫氣站和燃料電池車的高壓氫氣環(huán)境下也不產(chǎn)生脆化的材料使用。在氫致脆化中，形變中生成的馬氏體帶來不良影響。SUS316L是不易生成形變誘導(dǎo)馬氏體的鋼種，但在這種用途時，需要進(jìn)一步進(jìn)行提高奧氏體穩(wěn)定度的成分微調(diào)。