不锈钢是以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5%，碳含量最大不超过1.2%的钢。不锈钢在空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性，是化肥、石油、化工、国防等工业部门中广泛使用的材料。

不锈钢是在腐蚀介质中承受或传递载荷的，因此不锈钢的性能要求是：高的耐蚀性、良好的力学性能、良好的工艺性和好的经济性。

6.4.2.1　金属腐蚀的基本知识

按腐蚀过程进行的机理，金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。化学腐蚀是指金属与化学介质直接发生纯化学反应造成的腐蚀，如Fe在高温下的氧化腐蚀。电化学腐蚀是由于不同金属或金属的不同相之间，电极电位不同，构成了原电池而产生的腐蚀，如Fe在室温下的腐蚀。电化学腐蚀是金属腐蚀更重要更普遍的形式。

产生电化学腐蚀的条件是：有两个不同电极电位的金属或同一金属中有不同电极电位的区域，以形成正、负电极；有电传导（电极之间有导线相接或电极之间相接触发生了短路）；电极之间存在电解液。

化学腐蚀与电化学腐蚀的区别是：在电化学腐蚀中，有电流产生；而在化学腐蚀中，无电流产生。

在原电池中，电极电位相对较低者，作为负极（阳极），本身要发生电化学反应（阳极反应），失去电子，被腐蚀；而电极电位较高者，获得电子将产生氢气（阴极析氢）。

同一金属内不同电极电位的两个相组成的原电池，称为微电池。在合金中，化合物（如第二相、夹杂物等）都较固溶体的电极电位高，因而固溶体将被腐蚀。例如用硝酸酒精腐蚀珠光体组织，其中的铁素体被腐蚀，而渗碳体不被腐蚀，结果铁素体的条带凹陷，渗碳体的条带凸起，在光学显微镜的照明下，可以看到清晰的珠光体条纹。

从金属腐蚀的机理中，可找出提高抗蚀能力的途径。

提高合金基体（一般都是固溶体）的电极电位；使合金得到单一固溶体，尽量减少微电池的数量；使合金的表面形成稳定的表面保护膜，阻止合金与水溶液等电解质接触。

实现提高耐蚀性几条途径的主要方法是在钢中加入合金元素，加入不同的元素，可在一条或几条途径上产生作用，使钢耐蚀。

（1）加入Cr，提高基体的电极电位：图6.20所示为Cr对Fe-Cr合金电极电位的影响。从图中可见，当Cr量达12.5%原子比（即 1/8）时，电极电位由－0.56 V提高到了＋0.2 V，此时，钢已能耐大气、水溶液和稀硝酸的腐蚀。当Cr量达25%原子比（即2/8）时，电极电位由＋0.2 V提高到了＋1.6 V，可耐更强烈腐蚀介质的腐蚀。

图6.20　Cr对Fe-Cr合金电极电位的影响

（2）加入Cr、Si、Al形成致密的氧化膜：在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，能在钢的表面形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，能阻止腐蚀介质与基体金属的进一步接触，从而可以提高钢的耐蚀性。

（3）加入Cr、Ni、Mn、N等形成单相奥氏体组织等：当wCr＞18%，wNi＞8%时，就能获得单相奥氏体；wNi＞3%，wCr＞18%，得到奥氏体-铁素体双相不锈钢。获得单相铁素体钢，需很高的含Cr量，低的含Ni量。

（4）加入Ti、Nb等元素，形成碳化物，防止晶间腐蚀。

（5）加入Mo、Cu等，提高不锈钢在非氧化性酸中抗点蚀的能力。

常用不锈钢的牌号及化学成分见表6.23，热处理制度、力学性能及应用举例见表6.24。

表6.23　常用不锈钢的牌号与化学成分（摘自GB/T 1220-2007）

续表

表6.24　常用不锈钢的热处理、力学性能及应用举例（摘自GB/T 1220-2007）

续表

6.4.2.2　马氏体不锈钢

马氏体不锈钢的主要钢种类型有：低碳及中碳的Cr13型钢，如12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13等；低碳高铬低镍钢，如14Cr17Ni2钢；高碳的Cr18型钢，如95Cr18、90Cr18MoV。(www.daowen.com)

在马氏体不锈钢中，随着含碳量的提高，强度提高，而耐蚀性将降低。随着含铬量的增加，耐蚀性提高。加入Ni的目的是提高耐蚀性、强度及韧性，加入Mo、V则是为了提高硬度。

马氏体不锈钢在氧化性介质（如大气、水蒸气、氧化性酸）中耐蚀，在非氧化性介质（如盐酸、碱、硫酸）中不耐蚀。

马氏体不锈钢因含碳量较高，有较高的强度和耐磨性，而其耐蚀性、塑性、焊接性能等，则较奥氏体、铁素体不锈钢差。在马氏体不锈钢中含碳较低的钢，如 12Cr13、20Cr13、14Cr17Ni2 等，类似于调质钢，主要用作耐蚀机械零件，如汽轮机叶片、水压机阀等。而含碳较高的钢，如30Cr13、40Cr13、95Cr18等，类似于工具钢，主要用于医用手术工具、不锈钢弹簧、轴承等。

Cr13是价格最低廉的不锈钢。由于Cr13型马氏体类钢能淬火产生马氏体转变，可以获得优越的热处理强化，所以这类钢可进行多种热处理，以控制和调节这种相变，满足不同的力学性能的要求。

12Cr13、20Cr13一般用于耐蚀结构件，使用调质态，以获得高的综合力学性能。

12Cr13的淬火温度为980～1 050 °C，油冷，淬火后的组织为少量铁素体＋低碳板条马氏体，硬度约43 HRC。淬火后及时于700～750 °C回火，回火后应快冷，组织为回火索氏体。

20Cr13的淬火温度为1 000～1 050 °C，油冷，淬火后的组织为板条马氏体＋少量残余奥氏体，硬度约50 HRC。淬火后及时于700～750 °C回火，回火后应油冷，组织为保留马氏体位向的回火索氏体。

40Cr13、95Cr18、90Cr18MoV用于高硬度和高耐磨零件，其热处理采用淬火低温回火处理。40Cr13可加热到1 050～1 100 °C淬火，油冷或硝盐分级淬火以减少变形，淬火后组织为马氏体＋碳化物＋少量残余奥氏体。回火温度为 200～300 °C，空冷，回火组织为回火马氏体＋碳化物。

6.4.2.3　铁素体不锈钢

铁素体不锈钢的成分特点是含碳量较低，最高含碳量≤0.12%；按含铬量，钢种类型分为3组，Cr13型、Cr17型、Cr27～30；7个牌号的钢中有3个加入了钼，目的是提高不锈钢抗有机酸及氯离子腐蚀的能力，加入铝是为了提高钢的抗氧化能力。

铁素体不锈钢在室温下的平衡组织为：铁素体＋Cr23C6型碳化物。铁素体不锈钢中无γ相变，从高温到低温，基体组织一直保持为α-铁素体组织。

铁素体不锈钢的耐蚀性较好，特别在硝酸、氨水中有较高的耐蚀性，同时其抗氧化性也较好，而强度较低，主要用于受力不大的耐酸结构和抗氧化钢，如生产硝酸、氮肥的设备和化工管道等。

铁素体不锈钢在热加工后常进行退火处理，一般采用空冷或水冷来避免475 °C脆性。

6.4.2.4　奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢的成分特点如下：

（1）含碳量很低。最高含碳量也小于0.15%，有些钢种的含碳量小于0.030%。

（2）利用Cr、Ni配合获得单相奥氏体组织等。奥氏体不锈钢的基本成分为wCr≥18%，wNi≥8%，因而简称为18-8型不锈钢。镍、铬对形成奥氏体来说是相辅相成的，镍是奥氏体形成元素，镍量为 8%～25%，铬量为 1%～18%，都促进奥氏体的形成；Cr提高钢的电极电位，遵循/8n规律，镍也有助于钝化，当Cr、Ni总量＝18＋8＝26时，不锈钢的耐蚀电位接近/8n规律中n=2时的电位值，既得到了单相奥氏体，又得到了很高的基体电极电位，使耐蚀性达到了较高的水平。典型钢号如1Cr18Ni9、0Cr18Ni9。

（3）加入Mo、Cu等，提高不锈钢在硫酸、盐酸和某些有机酸中耐腐蚀性能以及提高钢的抗点蚀能力。Mo 是铁素体形成元素，需增加 Ni 量，获得奥氏体组织。典型钢号如06Cr17Ni12Mo2等，也有Mo、Cu复合加入的，如06Cr18Ni12Mo2Cu2等。

（4）加入Nb、Ti等，提高不锈钢抗晶间腐蚀的能力，Nb、Ti等也是铁素体形成元素，需增加Ni量，获得奥氏体组织，如06Cr18Ni11Ti、06Cr18Ni11Nb等。

（5）加入Mn、N等代替Ni，以节约Ni，如12Cr17Mn6Ni5N、12Cr18Mn8Ni5N等。

在奥氏体不锈钢中还有各类元素同时加入，以提高钢的综合性能，典型钢号如06Cr18Ni12Mo3Ti等。

奥氏体不锈钢在平衡状态下的组织为奥氏体＋铁素体＋碳化物。而在实际使用状态下，经固溶处理后的组织，为单相奥氏体组织。

在所有不锈钢中，奥氏体不锈钢的耐蚀性最好，塑性最好，易于加工成各种形状的钢材，具有良好的焊接性能、韧性，特别是低温韧性最好，且无磁性。

但奥氏体不锈钢含有大量的合金元素，价格昂贵，容易加工硬化，使切削加工较难进行。此外，奥氏体钢线膨胀系数高，导热性差，在加热及冷却时应注意这一点。

奥氏体不锈钢是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈钢产量的2/3，主要用于制造生产硝酸、硫酸等化工设备的构件，冷冻工业用低温设备构件。因其无磁性，形变强化后可作钟表发条等零件。

奥氏体不锈钢在 450～850 °C 保温或缓冷时，以及焊接热影响区会出现晶间腐蚀现象。产生晶间腐蚀的原因是，富 Cr 的 Cr23C6在此温度区间沿晶界析出，使其周围基体产生贫铬区，贫铬区的电极电位将陡降，在形成微电池时，成为阳极，而沿晶界边缘发生腐蚀。防止措施有：降低钢中碳量，碳降至 0.03%以下，将不会产生晶间腐蚀；加入Ti、Nb等形成稳定碳化物（TiC或NbC），避免在晶界上析出富Cr的Cr23C6；采用适当热处理工艺。

奥氏体不锈钢因不能相变强化，只能形变强化，且可冷拉成细丝，冷轧成很薄的钢带或钢管。经过大量变形后，钢的强度大为提高，尤其是在0 °C以下轧制时，bσ可达 2 000 MPa以上。这是因为除加工硬化外，还叠加了应力诱发马氏体转变，但也产生了铁磁性。

奥氏体不锈钢经1 000～1 150 °C的固溶处理，能消除焊接、热加工和其他工艺操作造成的应力和晶间腐蚀倾向。奥氏体不锈钢均要经过固溶处理，以获得单相奥氏体。

固溶处理后，加热到850～950 °C保温后空冷。含Ti、Nb的钢，在加热保温中，Cr的碳化物溶解，Ti、Nb的碳化物不完全溶解，并且在冷却过程中，充分析出，使碳不可能再形成Cr的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀倾向。不含Ti、Nb的钢，在加热保温中，使奥氏体-碳化物晶界的Cr浓度提高，消除了贫Cr区，提高了不锈钢抗晶间腐蚀的能力。