不锈钢的腐蚀和耐腐蚀原理

    镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁素体，呈体心立方(BCC)结构，加入镍，促使晶体结构从体心立方(BCC) 结构转变为面心立方(FCC)结构，这种结构被称为奥氏体。然而，镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：镍、碳、氮、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。目前，人们已经研究出很多公式来表述奥氏体形成元素的相对重要性，最著名的是下面的公式：    奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%从这个等式可以看出：碳是一种较强的奥氏体形成元素，其形成奥氏体的能力是镍的30倍，但是它不能被添加到耐腐蚀的不锈钢中，因为在焊接后它会造成敏化腐蚀和随后的晶间腐蚀问题。氮元素形成奥氏体的能力也是镍的30倍，但是它是气体，想要不造成多孔性的问题，只能在不锈钢中添加数量有限的氮。添加锰和铜会造成炼钢过程中耐火生命减少和焊接的问题。

    从镍等式中可以看出，添加锰对于形成奥氏体并不非常有效，但是添加锰可以使更多的氮溶解到不锈钢中，而氮正是一种非常强的奥氏体形成元素。在200系列的不锈钢中，正是用足够的锰和氮来代替镍形成100%的奥氏体结构，镍的含量越低，所需要加入的锰和氮数量就越高。例如在201型不锈钢中，只含有4.5%的镍，同时含有0.25%的氮。由镍等式可知这些氮在形成奥氏体的能力上相当于7.5%的镍，所以同样可以形成100%奥氏体结构。这也是200系列不锈钢的形成原理。在有些不符合标准的200系列不锈钢中，由于不能加入足够数量的锰和氮，为了形成100%的奥氏体结构，人为的减少了铬的加入量，这必然导致了不锈钢抗腐蚀能力的下降。

    在不锈钢中，有两种相反的力量同时作用：铁素体形成元素不断形成铁素体，奥氏体形成元素不断形成奥氏体。最终的晶体结构取决于两类添加元素的相对数量。铬是一种铁素体形成元素，所以铬在不锈钢晶体结构的形成上和奥氏体形成元素之间是一种竞争关系。因为铁和铬都是铁素体形成元素，所以400系列不锈钢是完全铁素体不锈钢，具有磁性。在把奥氏体形成元素-镍加入到铁-铬不锈钢的过程中，随着镍成分增加，形成的奥氏体也会逐渐增加，直至所有的铁素体结构都被转变为奥氏体结构，这样就形成了300系列不锈钢。如果仅添加一半数量的镍，就会形成50%的铁素体和50%的奥氏体，这种结构被称为双相不锈钢。

400系列不锈钢是一种铁、碳和铬的合金。这种不锈钢具有马氏体结构和铁元素，因此具有正常的磁特性。400系列不锈钢具有很强的抗高温氧化能力，而且与碳钢相比，其物理特性和机械特性都有进一步的改善。大多数400系列不锈钢都可以进行热处理。

    300系列不锈钢是一种含有铁、碳、镍和铬的合金材料，一种无磁性不锈钢材料，比400系列不锈钢具有更好的可锻特性。由于300系列不锈钢的奥氏体结构，因此它在许多环境中具有很强的抗腐蚀性能，具有很好的抗金属超应力引起的腐蚀所造成的断裂的性能，而且其材料特性不受热处理的影响。

奥氏体不锈钢中铁素体含量计算

November 25th, 2009 

摘要：介绍了奥氏体不锈钢中铁素体的作用和测量方法，分析了奥氏体不锈钢中铁素体形成机理，重点阐述了采用不锈钢组织图和合金元素铬当量与镍当量控制奥氏体不锈钢中铁素体含量的计算方法。不锈钢阀门网。

1 概述

奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性、耐热性、耐低温性及良好的易成形性和优异的可焊接性，是不锈钢系列材料中重要的一类，其产量约占不锈钢总产量的 70%。不锈钢阀门主体材料几乎全部采用奥氏体不锈钢，而阀门行业对奥氏体不锈钢的认识水平，还仅涉及其化学成分和力学性能方面。随着科技进步，在核电站、核反应堆工程用核安全级阀门、国防军工用特种阀门以及大型化工装置中“SHA 级”管道重要阀门，都相继对奥氏体不锈钢焊接母材和焊缝中的铁素体含量进行了规定。因此，必须掌握奥氏体不锈钢中铁素体含量的测量和计算方法。

2 奥氏体不锈钢中铁素体的作用

分析奥氏体不锈钢中铁素体的作用是十分重要的技术基础，只有通过深入的研究，充分的了解和掌握铁素体的正面（有利）和负面（不利）的作用，才能正确的加以利用或控制。奥氏体不锈钢中铁素体的作用，对阀门来讲，最重要的方面是对焊接性能的影响，其次是对材料耐腐蚀性能、力学性能和加工性能的影响。

2.1 含量

不锈钢阀门的承压件（阀体、阀盖和阀瓣）大部分材料采用 ASTM A351 中的 C F类不锈钢铸件和 ASTM A182 中的 F304 和 F316 类不锈钢锻件，其属于 18-8 型和 18-12 型（其数值表示 Cr 和 Ni 的大致含量）奥氏体不锈钢。

不锈钢按晶体结构分为奥氏体、铁素体和马氏体。奥氏体具有面心立方晶体结构，无磁性。铁素体具有体心立方晶体结构，有磁性。应当指出，冶金产品称谓的奥氏体不锈钢，并不表明它的组织结构必须是 100% 的奥氏体。在不锈钢阀门和零件验收时，常可见到用磁铁来吸引被检测物体，若出现有弱磁性就以此认为产品存在质量问题，其实这是对奥氏体不锈钢的一种误解，这种做法往往容易造成错误判断。

奥氏体不锈钢中通常都会有一定数量的铁素体。依据《金属手册》中第三卷《性能与选择：不锈钢》，在《铸造不锈钢的性能》中指出：对于 CF 类铸造不锈钢，通常具有 5% ~ 25% 的铁素体。为此，美国材料与试验协会（ASTM）将阀门用奥氏体不锈钢铸件标准的名称定义为 ASTM A351《承压件用奥氏体 奥氏体-铁素体（双相）铸钢》。

2.2 焊接性能

奥氏体不锈钢在焊接中的主要问题是焊缝和热影响区的热裂纹以及耐蚀性，这类问题也是奥氏体钢工艺焊接性和使用焊接性的指标。

2.2.1 防止焊缝的热裂纹

奥氏体不锈钢焊缝中铁素体起着极其重要的作用。奥氏体不锈钢焊缝中常常需要形成一定数量 δ 相铁素体（4% ~ 12%），以防止焊缝产生凝固裂纹（热裂纹）。δ 铁素体是奥氏体不锈钢（含焊缝金属）在一次结晶过程（凝固过程）中生成并保留至常温的铁素体。由于铁素体含碳量很低，性能与纯铁相似，有良好的塑性和韧性，低的强度和硬度。铁素体的有利作用是对 S、P、Si 和 Nb 等元素溶解度较大，能防止这些元素的偏析和形成低熔点共晶，从而阻止凝固裂纹产生。

焊接过程实际上是一个在焊接结构上，母材金属与焊材局部进行的冶金和热处理过程。焊缝中的铁素体可以有效的阻止低溶点共晶生成和减少偏析程度以及二次晶界的错位运动，因而可防止热影响区裂纹和高温低塑性裂纹。总之，焊接中的 δ 铁素体对防止和降低奥氏体焊缝金属的热裂纹和微裂纹作用是肯定的，它显著的改进了焊接性，提高了焊接结构的安全程度。

δ 铁素体在焊缝中具有一定的负作用。对于焊后需要 600℃ 以上热处理的焊件或长期在 600 ~ 850℃ 温度下工作的焊件，由于在上述高温下 δ 相铁素体会析出 б 相铁素体，б 相具有四方结晶构造，且富含 Cr 造成周围 Cr 的贫化，引起焊缝金属的脆化。此时应将焊缝铁素体的含量控制在 3% ~ 8%，或者采用重新固溶处理，将 б 相铁素体溶解回基体中。

2.2.2 改善焊接接头的耐蚀性

焊接接头是指整个焊接区，包括焊缝和熔合区以及热影响区。奥氏体钢的焊接结构常常因为腐蚀而损坏甚至报废，最常见的腐蚀类型是晶间腐蚀和应力腐蚀。由于铁素体是以分散并均布成小坑状存在于奥氏体晶粒之间，削弱奥氏体柱状晶和树枝晶的方向性，隔断奥氏体晶界连续网状碳化铬析出，从而防止晶间腐蚀，因此铁素体对提高耐晶间腐蚀的作用有好处。通过试验证明，由于铁素体对应力腐蚀开裂不敏感，因此含有铁素体的奥氏体钢焊缝的耐应力腐蚀性能优于同成分但含有很少铁素体的奥氏体钢焊缝。

2.3 耐腐蚀性能

焊接材料（母材和焊材）中的 δ 相铁素体能显著改善焊缝及热影响区抗晶间腐蚀和应力腐蚀的机理。依据同样的机理可以得出，对于奥氏体不锈钢铸件和锻件母材中少量的铁素体（5% ~ 12%），总体上讲有利于改善材料的抗晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能。另一方，对于某些特殊的腐蚀环境，例如在尿素和醋酸等介质中铁素体会发生选择性腐蚀，应对铁素体含量进行。

2.4 力学性能和加工性能

奥氏体不锈钢中的铁素体对材料的力学性能有显著影响。铁素体含量增加时强度增加，同时，延展性和冲击强度减低（表 1）。利用此特性，可采用铁素体的含量来达到所需要的材料力学性能和加工性能。

铁素体含量过高会损害奥氏体不锈钢的可锻性，特别是用于大锻造比的锻件，铸坯铁素体的含量是合理而必要的（通常在 3% ~ 8%）。同样道理用于冷变形的奥氏体钢，如冷伸压、深冲压，冷拔和冷挤压的奥氏体钢，铁素体含量应进一步（通常在 5% 以下）。

不锈钢阀门的主体（阀体和阀盖）材料，国内企业一般采用 CF 类奥氏体不锈钢铸件。铸件中的铁素体含量，除了有利于铸件作为焊接母材，防止焊缝热裂纹和微裂纹外，铁素体还有利于防止铸造凝固成形过程中裂纹和偏析产生，以及增加铸件材料力学性能。不锈钢阀门网。

3 铁素体形成机理

所有不同种类的不锈钢都是铬含量在 12% 以上的铁基合金。铁基合金在高温下（大于 800℃）基本晶体结构为面心立方体-奥氏体。当温度下降到常温时，晶体结构变成体心立方体-铁素体（或马氏体）。

如果在铁铬合金中加入 7% 以上 Ni 或增加 C、N 或 Mn 等一种或多种奥氏体形成元素，高温下的奥氏体晶体在常温下将处于稳定状态，即常温下的奥氏体。如果加入的奥氏体形成元素的总量（镍当量）不够多，则常温下只能有一部分是奥氏体，另一部分则是铁素体。由此得出，不锈钢的组织结构是由合金元素含量决定的。对于奥氏体不锈钢，合金元素的作用可分成两大类，即铁素体形成元素（称为铬当量元素）和奥氏体形成元素（称为镍当量元素）。两大类元素之间的平衡关系决定了奥氏体中铁素体含量的多少。奥氏体形成元素主要有 Ni、Mn、C 和 N，铁素体形成元素主要有 Cr、Mo、Si、Nb 和 Ti。

Cr 是典型的铁素体形成元素，也是不锈钢中必不可少的元素，所有不锈钢都是铬含量在 12% 以上的铁基合金。Cr 的主要作用是耐腐蚀，提高抗高温氧化性能。

Ni 是典型的形成并稳定奥氏体元素。图 1 可以看出镍的作用，在图中斜线以上，所示温度下奥氏体是稳定的。在这条线以下铁素体和马氏体都具有稳定的晶体结构。Ni 的作用是增强抗酸的腐蚀能力，提高抗非氧化性介质的耐蚀性，同时提高材料韧性、延展性和优良的综合性能，使它更易于加工和焊接。

Mo 是促进铁素体形成元素，它的铬当量为 1。Mo 可提高钝化膜的强度，显著增强耐局部腐蚀性。特别是抗氯离子点蚀，同时能提高还原性介质中，如硫酸、磷酸及有机酸中的耐蚀性。Mo 还可提高奥氏体钢的高温强度。由于 Mo 是铁素体形成元素，为了平衡组织，加Mo的不锈钢中应当相应增加 Ni 等奥氏体形成元素含量。例如 CF3M，加入 2.0% ~ 3.0% Mo 后，Ni 含量也增加到 9.0% ~ 13.0%。

Si 是强铁素体形成元素，其铬当量为 1.5。Si 可提高钢的高温性能和在强氧化性介质（如发烟）中的耐腐蚀。同时还可改善铸造特性。

Nb 是铁素体形成元素，其铬当量为0.5。Nb 和 Ti 在不锈钢中起稳定碳的作用，能优先与碳结合形成稳定的碳化物，并均匀的分布在基体中，阻止 Cr 的碳化物生成，防止晶间腐蚀。Nb 的抗晶间腐蚀稳定性比 Ti 更高，Nb 还可增强奥氏体钢的高温强度。Ti 也是铁素体形成元素。在计算时可采用与Nb相同的铬当量。

C 是强烈的扩大奥氏体区域元素，其镍当量为 30。碳对增加奥氏体不锈钢的强度作用非常明显，但由于碳与铬非常容易化合生成碳化铬，造成奥氏体晶界贫铬，显著降低抗晶间腐蚀性能。因此，降低含碳量是防止晶间腐蚀最有效的措施，奥氏体钢含碳量应控制在 0.08% 以下（低碳级）和 0.03%（超低碳级）。

N 是剧烈的奥氏体形成和稳定元素，其镍当量为 30。可显著提高钢的强度，增强抗局部腐蚀（点蚀及缝隙腐蚀）能力，并能减少 б 相析出，防止高温脆性，使奥氏体具有良好的抗敏化能力。利用 N 的这一特征，近 20 年来，美国、法国以及中国相继研制开发出了含氮或控氮不锈钢，代表性的含氮钢种是 AISI 304N 和 AISI 304LN（含氮 0.10% ~ 0.16%）。控氮钢种又称为核级钢，如 304NG、X2CND18-12（法国 RCC-M 标准）和 316NG（含氮 0.06% ~ 0.10%）。此类新钢种明显的提高了强度，改善了钢的抗晶间腐蚀和应力腐蚀性能，成功的解决了沸水（BWR）核反应堆运行中出现的 IGSCC（晶间应力腐蚀）破裂事故。此类核级控氮钢已成功应用到压水（PWR）核反应堆中。

Mn 是扩大及稳定奥氏体元素，其镍当量为 0.5。通常 N 和 Mn 联合使用成为代替和节约 Ni 的主要材料。Mn 可提高强度，增加 N 在钢中的溶解度，但是 Mn 可促进 б 相析出，造成钢有脆性，同时不利于钢的低温韧性和可焊性。

常用合金元素对不锈钢的作用见表 2。

4 铁素体含量测量方法

奥氏体不锈钢中 δ 相铁素体含量的测量共有 3 种方法，磁性仪测量法、金相检验法和计算法。

4.1 磁性仪测量法

利用铁素体的磁性特性，奥氏体钢中 δ 相铁素体含量与钢的铁磁性成正比，采用专用的磁性测量仪可直接测量读出铁素体含量。

δ 相铁素体是奥氏体状态不锈钢在凝固过程中生成并保留到常温的铁素体，对铸件和焊缝可直接测量。而对于锻轧等变形状态奥氏体不锈钢，例如其锻件、棒材、板材、焊条或焊丝等材料，由于 δ 相铁素体已严重错位，铁磁特性已改变，故应按照相关规范（如 ASME 第 Ⅲ 卷《核动力设备》）进行制作试样。本身自溶焊接，通常采用钨极无焊丝氩气保护进行自溶焊接，才能对自然状态的凝固表面进行测量，并且至少应读取 6 个不同位置的读数，取其平均值。应注意的是国外磁性仪通常是按美国 WRC（焊接研究学会）采用的“铁素体含量级别序数”（FN）校正，得出的铁素体值单位为 FN，与铁素体含量百分比数基本等同。

4.2 金相检验法

利用 δ 相铁素体在奥氏体钢中是以不连续小坑型均匀分布的特点，在金相显微镜下观测 δ 相铁素体“小坑”在奥氏体中分布情况和所占面积比例，并与相关国家或专业标准（我国已发布国家标准）中的标准金相图比较，并可检验出 δ 相铁素体含量。

采用金相法应注意的事项与磁性仪测量法相同，即对奥氏体锻件板材，焊条等应按规定进行本身自溶焊接后制成凝固态试块才能观测。

4.3 计算法

铁素体含量计算法的程序是根据材料化学分析单提供的化学成分，按照规定的 Cr 和 Ni 当量计算公式，分别计算出合金元素的铬当量和镍当量值。然后将计算的铬和镍当量值，在不锈钢组织图中找到坐标值，两坐标的相交点，便是铁素体含量值。采用计算法比用磁性仪测量法和金相检验法方便得多，而且不受仪器设备，一般具备化学分析能力或掌握材料的化学成分报告单，便可用这一方法，快速的评定出铁素体的含量。依据何种组织图评定和相应的铬和镍当量的计算公式，是采用计算法应掌握的关键。

4.3.1 谢夫尔图

谢夫尔（Schaefier）图适用于所有奥氏体、铁素体或马氏体以及双相和沉淀硬化类不锈钢的铸件、锻件或变形件，也适用于常规的不锈钢焊后自然状态的焊缝组织评定。

谢夫尔图是最早也是应用最广的不锈钢组织图（图2），谢夫尔图的铬和镍当量计算公式为：

铬当量 = %Cr + %Mo + (1.5×%Si) + (0.5×%Nb)

镍当量 = %Ni + (30×%C) + (0.5×%Mn)

从计算公式中可以看出，谢夫尔图没有考虑奥氏体形成元素 N 的作用，因此估算铁素体含量的精确度为 ±4%，但它广泛作为阀门主体材料（铸锻件）铁素体含量的评定图。例如 《RCC-M-压力堆核岛机械设备设计和建造规则》中规定奥氏体-铁素体不锈钢制造的 1、2 和 3 级核安全设备中的承压铸件，铁素体含量按 RCC-M MC1000 规定中的谢夫尔曲线图评定，不考虑 N 含量。不锈钢阀门网。

4.3.2 德龙图

德龙（Delong）图是在谢夫尔图的基础上改进的，此图加入了奥氏体形成元素 N 的作用，更适合于含氮和控氮不锈钢以及气体保护焊的焊接组织评定。德龙图的铬和镍当量计算公式为：

铬当量 = %Cr + %Mo + (1.5×%Si) + (0.5×%Nb)

镍当量 = %Ni + (30×%C) + (30×%N) + (0.5×%Mn)

德龙图进一步改进了曲线精确度，考虑了 N 的作用，估算铁素体含量的精确度为 ±2%，图 3 是所规定采用的德龙图，主要用于焊接材料的 δ 铁素体含量计算。

ASME 提供的德龙图不仅给出了 δ 铁素体含量的百分比，同时还给出了“铁素体含量级别序数”（FN），简称为“铁素体序数”（FN），它是美国焊接研究学会（WRC）采用的技术术语，用来表示奥氏体不锈钢焊缝中铁素体含量的标准化的数值。用以代替铁素体百分比含量值，“铁素体序数”（FN）可以认为与“铁素体百分比含量”相同。

在运用德龙图时，应注意镍当量中 N 元素的影响。在 ASME 中关于 N 含量有明确的规定，最好采用实测的含氮量。如果没有实测值时，可采用下列推荐的含氮量。① 熔化气体保护焊（GMAW）的焊缝为 0.08%，自保护管状焊条熔化极气体保护焊为 0.12%。② 其他方法的焊缝为 0.01%。大量的试验数据证明，当用上述 ASME 推荐的含 N 量代入德龙图的镍当量计算式，得出的 δ 铁素体计算值与实测值十分接近，因此在应用德龙图时，必须遵循 ASME 上述的规定。

法国 RCC-M 也提供了与 ASME 十分近似的德龙图，只给出了 δ 铁素体含量百分比，没有引入铁素体序数（FN）概念，仅在指明按 RCC-M 规范制造设备时采用。

另外不锈钢的组织图还有 WRC（1992）图，此图是美国焊接研究学会（WRC）制订的，以铁素体序数（FN）表示铁素体含量。该图已把铁素体序数（FN）扩大到 100FN，主要适用于双相不锈钢（铁素体与奥氏体各占 50% 左右）。

5 铁素体含量验收标准

目前我国奥氏体不锈钢及其焊接材料和焊缝金属中铁素体的合适含量还没有统一的标准，对奥氏体不锈钢中铁素体含量进行规定的主要是核电站、核反应堆、国防军工专用设备及重要化工装置用奥氏体钢铸件、焊接母材和焊材。根据相关的标准、控制范围和经验指标，综合介绍如下（δ 代表铁素体含量）。

1.要求无磁性材料，如雷达和扫雷器上的无磁性铸件，δ ≤ 0.1%。 

2.特别腐蚀要求，防止选择性腐蚀，如尿素级焊接母材及焊材，δ ≤ 0.5%。 

3.使用于 -150℃ 以下低温环境焊缝金属，δ ≤ 1.0%；使用于 -150 ~ 150℃，非稳定化焊缝金属，δ = 4% ~ 12%，稳定化焊缝金属，δ = 6% ~ 15%。 

4.锻材、管件、棒材和板材的铸坯，δ = 3% ~ 8%。 

5.冷冲压和冷拔材料的铸坯，δ ≤ 5%。 

6.适用于 540 ~ 900℃，б 相形成温度的母材及焊材，δ = 3% ~ 8%。 

7.核反应堆核安全级设备焊接材料。 

1.中国钠冷却增值反应堆，δ = 3% ~ 12%。 

2.美国 ASME，δ ≥ 5 FN（FN-铁素体序数）。 

8.核电站（沸水堆、压水堆）和核安全级设备。 

1.中国压水堆焊接材料，δ = 5% ~ 12%，承压铸件，δ = 10% ~ 18%。 

2.美国 ASME，焊接材料，δ ≥ 5 FN。 

3.法国 RCC-M，压水堆和承压铸件，δ = 12% ~ 25%（理想含量为 15% ~ 20%）。 

本文中的焊接材料和焊缝金属，不包括阀门密封面堆焊材料及密封面金属。

6 结语

奥氏体不锈钢中通常都含有一定数量的铁素体（5% ~ 15%）。铁素体的作用具有双重性，奥氏体不锈钢母材和焊材中一定数量的铁素体（5% ~ 15%）对防止焊接热裂纹，提高焊缝抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力都有十分重要的作用，同时铸件中一定数量的铁素体含量（5% ~ 20%）对防止铸造热裂纹，提高铸件力学性能也都是有利的。在一些特定的环境，如高温、超低温以及选择腐蚀环境，应控制其不利作用。为此，研究奥氏体不锈钢中铁素体的作用，掌握铁素体的原理、测量和计算方法，对研制和开发高参数不锈钢阀门，特别是设计制造核安全级不锈钢阀门，具有十分重要的意义。

付工总结的知识： 

1Cr18Ni9不锈钢中δ铁素体是由于成分不均匀引起的，是在铸态时就有的，热处理时基本消除不掉，只能消除一部分（由于在固溶温度时，成分趋于均匀化，碳化物、杂质等固溶进入奥氏体）；425-870°时先产生Cr23C6，然后产生Fe-Cr金属间化合物（即σ相，性能很差）；金相中δ铁素体是直方的，α铁素体是月牙型圆的。一般Cr18Ni9不锈钢中都含有10%以下的δ铁素体

1. 不锈钢的腐蚀与耐腐蚀的基本原理 

          金属受环境介质的化学及电化学作用而被破坏的现象即腐蚀。化学腐蚀的环境介质是非电解质（汽油、苯、润滑油等），电化学腐蚀的环境介质是电解质（各种水溶液）。电化学腐蚀是涉及电子转移的化学过程，该过程能否进行取决于金属能否离子化，而离子化的趋势可用金属的标准电极电位（ε0）来表示。

由于碳化物、夹杂物，以及组织、化学成分和内部应力的不均匀等的作用，将促使各部分在电解液中产生相互间的电极电位差。电极电位差愈大，微阳极和微阴极间的电流强度愈大，钢的腐蚀速度也愈大，微阳极部分产生严重的腐蚀。在电化学腐蚀中能够控制腐蚀反应速度的现象称为极化，极化可使阳极与阴极参与反应的速度得到减弱和减缓。电解液中离子的缓慢移动、原子缓慢结合成气体分子或电解液中离子的缓慢溶解，都可能是极化的表现形式。反应面积、搅拌或电解液流动、氧气、温度等因素，都将影响极化的速度。用极化技术与临界电位可衡量金属与合金在氯化物溶液中点腐蚀与缝隙腐蚀的敏感性。当不锈钢与异种金属接触时，需考虑电化学腐蚀。但若不锈钢是正极，则不会产生电流腐蚀。

钝化状态金属的耐腐蚀性取决于铬含量、环境中的氯化物和氧含量以及温度。某些元素（如氯）可以击穿钝化膜，造成钝化膜不连续处的金属被腐蚀，故使用钝化状态金属的用户应特别注意点腐蚀、应力腐蚀开裂、敏化以及贫氧腐蚀等。为了提高不锈钢的耐腐蚀性能，其应处于钝化状态（必要条件），钝化后腐蚀电流密度要低（腐蚀速度），钝化状态的电位范围要宽（相对稳定性）。

对于含镍材料来说，腐蚀有两种主要形式：一种是均匀腐蚀，另一种是局部腐蚀。在海洋大气中的铁锈就是一种一般或均匀腐蚀的典型例子。此处金属在其整个表面上均匀地被腐蚀。在这种情况下，钢表面形成疏松层，这层腐蚀产物很容易去除。另一方面，像合金400这种耐腐蚀性较好的金属，它们在海洋大气中表现出良好的均匀抗腐蚀性。这是由于合金400可形成一种非常薄而坚韧的保护膜。均匀腐蚀是一种最容易处理的腐蚀形式，因为工程师可以定量地确定金属的腐蚀率并可精确地预测金属的使用寿命。

不锈钢耐腐蚀性机理：在不锈钢表面形成明显的Cr2O3薄膜，O和Cr的含量有最低要求（10.5%）以获得连续的保护性薄膜，以抑制侵蚀的发生。若保护性薄膜被损坏，它可以自然恢复。氧化膜的抗腐蚀性能取决于Mo、Ni、Cr、及N的含量。提高Cr含量可以提高不锈钢的抗侵蚀性和当Cr2O3薄膜被损坏时增强了其自修复能力。Cr2O3薄膜对基体结构（铁素体或奥氏体）没有任何影响。

蚀斑：在较高温度范围内处于氯化物、氟化物或氧化性溶液中，最初产生在夹杂物、表面损伤等保护膜不连续表面，而后将产生穿孔或形成新的保护膜（除去腐蚀物质和冲洗过的部分）。主要产生于海边环境、盐水、海水或高氧化性溶液环境。为此，需除去或减少氯、氟含量，加强冲洗维护，提高铬、钼含量。

缝隙腐蚀：在氯化物、氟化物或硫环境中，最初存在缝隙且氧极少，导致产生腐蚀直至缝隙扩展、裂开。主要产生于接缝、焊缝或附着物之下。为此，需消除缝隙和避免搭接，采用腐蚀抑制剂，不透水密封，提高铬、钼含量。

        由局部腐蚀而引起的破坏是很难预测的。因而，设备的寿命也不能精确地预计。这里给出几种局部腐蚀的例子。

第一例是电化学腐蚀。当两种或多种不同的金属在某种导电液（电解液）存在条件下接触和连接时，电化学腐蚀就发生了。此时，两种金属间建立了势能差，同时电流将流动。电流会从抗腐蚀能力较差的金属（即阳极）流向抗腐蚀能力较强的金属（即阴极）。腐蚀由阴极上的反应情况而控制，如氢气的生成或氧气的还原。 如果某一大的阴极面与某一小的阳极面相连接时，阳极和阴极之间即会产生大的电流流动。这种情况必须避免。另一方面，当我们将此情况颠倒一下，即让某一大的阳极面与小的阴极面相连接时，两种金属之间则会产生小的电流流动。这种情况是我们所期望的。 在实用指南中，我们将位于某一容器或槽中的焊接金属接点设计为阴极。紧固件装置是这样设计的，即将阴极紧固件（小面积）与阳极件（大面积）连接在一起。此概念的例子是将钢板用铜铆钉铆接在一起并暴露在流动速度低的海水中，铜质固定件为小的阴极面，而钢板为大的阳极面。这种设计是非常便利的，而且可产生良好的相容性。 另一方面，如果相反进行连接，即用钢铆钉来固定铜板，则在钢铆钉上会产生非常快的腐蚀。此时，铜板则由于钢的腐蚀而被阴极保护。有趣的是在这种情况下，铜离子的释放被停止，铜板将被海水中的有机物缠结。通常，铜的腐蚀可阻止缠结有机物的附着。在电厂设计中，电化学腐蚀是非常重要的，而且不应被忽视。 

         第二个局部腐蚀的例子是浸蚀腐蚀。一块石头有可能堵塞在某一铜合金冷凝器的管子中。此时，石头的下游方向将立即产生紊流现象。这就会引起对铜保护氧化膜的浸蚀或磨损，并使未保护的铜合金金属暴露，以致产生进一步的腐蚀。这种循环趋于继续加剧浸蚀和腐蚀，直至造成管子穿孔为止。浸蚀腐蚀可通过采用良好的隔离技术来防止。 

         电厂技术人员常碰到的第三种局部腐蚀形式是缝隙腐蚀。缝隙腐蚀：是指在金属构件缝隙处发生斑点状或溃疡形的宏观蚀坑，当金属表面出现某种沉淀或附着物时产生，是局部腐蚀的一种形式，它可能发全于溶液停滞的缝隙之中或屏蔽的表面内。间隙类型（金属-金属、金属-异种金属）、间隙深度、内外面积比等几何尺寸因素，氧含量、氧离子浓度、PH值、温度、扩散与对流、微生物等环境因素，金属溶解、氧消耗、氢产生等电化学反应，金属组织不纯、表面氧化、钝化膜的特性等冶金因素，都将影响间隙腐蚀的发生与扩散。正好在沉淀物下面或缝隙内，溶液中的氧含量是低的，在缝隙的外面大量溶液中的氧含量很高，这就建立了一个电池，其沉淀物下或缝隙中是阳极而其外面是阴极。含氯化物介质的缝隙的内部，PH值下降而氯化物浓集。这种酸性氯化物条件导致腐蚀加快并且是自动起媒介作用的。接着便发生了严重的局部腐蚀。这样的缝隙可以在金属与金属或金属与非金属的接合处形成，例如，在与铆钉、螺栓、垫片、阀座、松动的表面沉积物以及海生物相接烛之处形成。缝隙腐蚀可以在螺栓头或垫圈作为阳极区时发生。防止沉淀物和结垢生成或使用高合金含量的材料将有助于减少缝隙腐蚀。 

    点腐蚀（第四种局部腐蚀形式）是指在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微而分散发生高度的局部腐蚀，常见蚀点的尺寸小于1.00mm，深度往往大于表面孔径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。点蚀与缝隙腐蚀相似，尤其是在扩展阶段。与缝隙腐蚀不同的是，点蚀在金属表面没有缝隙出现的情况下也可产生。与缝隙腐蚀相同的是，点蚀也是由于特殊的腐蚀剂如氯化物而造成的。它通常是由于金属表面上的某个缺陷而引起的。例如，在不锈钢或镍合金保护性氧化层中的某个缺陷。与焊接有关的缺陷，如杂质（MnS，可通过降低Mn、S含量，加入Ti、Zr等方法消除）、第二相（δ-铁素体、σ相）、电弧冲击处、飞溅物点蚀可通过采用抗腐蚀能力高的合金或消除引起点蚀的化学元素的方法来防止。 

         一旦两种形式的腐蚀开始，则点蚀和缝隙腐蚀的扩展情况是相同的。金属离子，如不锈钢的铁离子，反应并形成亚铁离子。亚铁离子进一步氧化成三价铁离子。氯化物试图转移到坑或缝隙区内并且PH值降低至大约1或更低。在该区中氧含量很低。在坑或缝隙的外面大量溶液中，氧含量很高。 随着坑的底部趋于阳极化，坑或缝隙的周围区趋于阴极化，于是电池电流的关系即被形成。当坑或缝隙中的腐蚀进一步扩展时，则变为自催化反应。三价铁离子与氯离子作用形成氯化铁。该反应不断重复并快速产生金属穿孔现象。点腐蚀发生的氯离子浓度较高，而间隙腐蚀在较低的氯离子浓度下也会发生。点蚀或缝隙腐蚀是一种非常危险的腐蚀形式，因为它高度局部化并能快速造成金属的穿透破坏。 

         第五种局部腐蚀形式即应力腐蚀开裂（SCC）指承受应力的合金在腐蚀性环境中由于烈纹的扩展而互生失效的一种通用术语，其常见钢种包括不含Ti、Nb的18-8型和17-12-Mo型钢、超低碳不锈钢。在此情况下，金属表面上形成疏松、片状的腐蚀层。即使低速流动也会将腐蚀物的疏松层很容易地除去。于是，新的未腐蚀的金属又被暴露出来，从而将形成许多另外的片状层。再一次重复，这些片状层被很容易地除去并且过程在继续进行着。使用不易起化学反应的合金可以避免剥落腐蚀。应力腐蚀分为穿晶应力腐蚀和晶间应力腐蚀。穿晶应力腐蚀主要发生在含氯离子介质中，很少发生在氢氧化物介质中；晶间应力腐蚀发生在一般的水溶液介质中。应力腐蚀的影响因素主要是氯离子水溶液和碱性溶液（120℃以上会产生应力腐蚀）。氯离子应力腐蚀的影响因素有：材质、组织和状态、氯离子浓度（300×10-6以上会产生应力腐蚀，小于20×10-6不会发生应力腐蚀）、氧含量、温度（75℃以上会产生应力腐蚀，低于50℃不会产生应力腐蚀）、PH值、应力大小。应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。Ni含量在8～12％时发生应力腐蚀的倾向性最大。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力（不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之）和特定的腐蚀介质存在。型纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。在微观上，穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹，而沿晶界扩图的裂纹称为沿晶裂纹，当应力腐蚀开裂扩展至其一深度时（此处，承受载荷的材料断面上的应力达到它在空气中的断裂应力），则材料就按正常的裂纹（在韧性材料中，通常是通过显微缺陷的聚合）而断开。因此，由于应力腐蚀开裂而失效的零件的断面，将包含有应力腐蚀开裂的特征区域以及与已微缺陷的聚合相联系的“韧窝”区域。

         第六种局部腐蚀形式为选择性浸出或脱合金成分腐蚀。在此情况下，一种元素，通常为最不易起化学作用的元素，被腐蚀介质有选择地去除而留下一个机械薄弱区。典型的例子是蒸汽和水介质中黄铜的脱合金化。它可取名为失锌现象，这里锌被有选择地去除而铜又被重新镀在金属表面上。这种形式的腐蚀现在已很少见到，它可通过采用不易经受脱合金化的合金来防止。

         晶间腐蚀（第七种形式）出现于某些特殊的合金中，通常当它们在焊接或热处理期间加热到其敏感温度区时即可能会发生晶间腐蚀。晶粒间界是结晶学取向不同的晶粒间紊乱错合的界城，因而，它们是钢中各种溶质元素偏析或金属化合物（如碳化物和δ相）沉淀析出的有利区城。当诸如某些不锈钢合金加热到425-870℃，铬的碳化物即会在晶粒边界析出。导致碳化物附近出现贫铬区同时影响晶界区的钝化性。在特殊介质中，如或高温水中，可能出现低铬区的溶蚀现象。晶粒是以一种砂糖似的表面出现的。当用一取样器擦过时，它们很容易被擦掉。不锈钢和镍合金的晶间腐蚀可以通过采用低碳合金、加入碳化物形成元素如钛或铌，或利用稳定化退火来使之避免。晶间腐蚀是一种有选择性的腐蚀破坏，它与一般选择性腐蚀不同之处在于，腐蚀的局部性是显微尺度的，而宏观上不一定是局部的。晶界上优先腐蚀，虽然外观上保持着金属光泽，但晶粒间渐渐失去联系以致晶粒脱落。晶间腐蚀的影响因素：金属的化学成分和金相组织。含碳量愈高，愈易产生晶间腐蚀。铁素体的存在可以防止晶间腐蚀，但晶粒度过大则会加速晶间腐蚀。焊前钢材的受热情况，若钢材受过550～850℃的预热，则易发生晶间腐蚀。焊接、使用过程中存在应力。在中等氧化性环境中易产生晶间腐蚀。为此，应选用稳定性好的低碳不锈钢，极低含碳量和较高钛、铌、钽、锆含量的焊接材料，但该种焊缝强度低且易产生热裂。

         应力腐蚀裂纹（SCC）是第八种局部腐蚀形式。产生应力腐蚀裂纹的条件有三种： ·敏感合金,  外加或残余的拉应力,  特殊腐蚀剂。 应力腐蚀裂纹可能出现的一个典型例子是一条由AISI  316型不锈钢（UNS  S31600）制成的绝热蒸汽管线。绝热材料中可能存在的氯化物当其受到雨淋时即可转移到金属表面。这种情况满足了应力腐蚀裂纹的产生条件：一种敏感合金——316型不锈钢；一种特殊腐蚀剂——含氯化物的水；以及应力——冷加工的或焊接的管道。如果通过裂纹区做一横断面金相检查，将会观察到典型的穿晶（跨过晶粒和晶界）和分支裂纹。这就是奥氏体不锈钢的典型氯化物应力腐蚀裂纹。消除上述三种中的任何一种条件即可防止应力腐蚀裂纹的产生。

刀刃腐蚀。当焊接321、347不锈钢时，受热部分温度高达1150℃时，易导致TiC和Nb部分析出。这时，碳在靠近焊缝处富集成一个很窄的富集区域，在焊缝冷却时形成碳铬化合物。该碳富集区域只有几个晶粒宽，能长久形成一条细线，即刀刃腐蚀。含Nb不锈钢比含Ti不锈钢更能抵抗刀刃腐蚀，提高热处理温度也不能消除刀刃腐蚀。与晶间腐蚀不一样的是，刀刃腐蚀发生在紧邻焊缝很窄的区域内，而晶间腐蚀发生在离焊缝较远的区域；刀刃腐蚀发生在稳定型不锈钢中。

        局部腐蚀的最后一个例子是腐蚀疲劳。它出现于旋转零件中，如泵的轴。点蚀常发生在依次产生应力上升区的表面上。在存在周期性应力并伴随有腐蚀的应用场合中会导致疲劳裂纹的加速发展。疲劳条纹（标志）可在断口表面上很典型地观察到，它是腐蚀疲劳的警告征兆。使用高强度合金或减小应力的方法可以防止腐蚀疲劳。

      全面腐蚀：是用来描述在整个合金表面上以比较均勺的方式所发生的腐蚀现象的术语。当发生全面腐蚀时，村料由于腐蚀而逐渐变薄，甚至材料腐蚀失效。不锈钢在强酸和强碱中可能呈现全面腐蚀。全面腐蚀所引起的失效问题并不怎么令人担心，因为，这种腐蚀通常可以通过简单的浸泡试验或查阅腐蚀方面的文献资料而预测它。

2. 不锈钢中合金元素的作用：

1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 

  2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 

  3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 

  4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 

  5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 

  6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 

  7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 

  8、 钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 

  9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 

  10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 

  11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 

  12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 

  13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 

  14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。 

  15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 

  16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 

  17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。 

  18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。 

3. 不锈钢的生产原理与种类

  不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成,既有不锈性，又有耐酸性（耐蚀性）。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高，当铬含量达到一定的百分比时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的分类方法很多。按室温下的组织结构分类，有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢；按主要化学成分分类，基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统；按用途分则有耐不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等等，按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等；按功能特点分类又可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。

 不锈钢的种类：

   3.1、奥氏体不锈钢 

    在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓肯有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。

   3.2、铁素体不锈钢

    在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而了它的应用。炉外精炼技术（AOD或VOD）的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。 

   3.3、奥氏体--铁素体双相不锈钢                             

    是奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。

   3.4、马氏体不锈钢

    通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为Cr13型，如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。淬火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同，还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体（或半马氏体）沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。

在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁素体，呈体心立方(BCC)结构，加入镍，促使晶体结构从体心立方(BCC) 结构转变为面心立方(FCC)结构，这种结构被称为奥氏体。然而，镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：镍、碳、氮、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。目前，人们已经研究出很多公式来表述奥氏体

形成元素的相对重要性，最著名的是下面的公式： 

     奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu% 

 从镍等式中可以看出，添加锰对于形成奥氏体并不非常有效，但是添加锰可以使更多的氮溶解到不锈钢中，而氮正是一种非常强的奥氏体形成元素。在200系列的不锈钢中，正是用足够的锰和氮来代替镍形成100%的奥氏体结构，镍的含量越低，所需要加入的锰和氮数量就越高。例如在201型不锈钢中，只含有4.5%的镍，同时含有0.25%的氮。由镍等式可知这些氮在形成奥氏体的能力上相当于7.5%的镍，所以同样可以形成100%奥氏体结构。这也是200系列不锈钢的形成原理。在有些不符合标准的200系列不锈钢中，由于不能加入足够数量的锰和氮，为了形成100%的奥氏体结构，人为的减少了铬的加入量，这必然导致了不锈钢抗腐蚀能力的下降。 

人们平时经常要使用到不锈钢。其实不锈钢的名字起得有点问题。不锈钢也会生锈。那为什么不锈钢有时候闪闪发亮，又有时与期望的外表相悖呢？让我们一起从几个方面来了解一下不锈钢。

    1、成分和一般性能

    一般地，固态金属和合金都是由不规则排列的晶粒构成的，这些晶粒有着确定的结晶状组织叫晶格。不锈钢中以晶粒的晶体结构成为铁素体、奥氏体、马氏体，或其中两种或多种的混合体。铁素体是常温下铁和低碳合金的基本晶体结构，奥氏体则是在高温（>800℃）的晶粒中纯铁的结晶方式。如果在铁或铁铬合金（铁素体组织）中加入Ni、Mn、N、C，就会形成在常温下稳定的面心立方体晶格，即为奥氏体。所形成的材料称为奥氏体不锈钢，这样的不锈钢容易成型和弯曲，容易焊接。（如常见的18-8不锈钢）。马氏体在常温下很稳定，它比较接近于铁素体，体心结构。马氏体硬度高，强度好，难以焊接，实际上马氏体合金很少进行变形处理。合金获得耐腐蚀性能的主要化学元素是铬（Cr），在耐腐蚀金属材料中，关于Cr对材料耐腐蚀性能的影响有一个著名的n/8定律。即当Cr在金属中的质量百分比为1/8、2/8、3/8……时，金属的耐腐蚀性能就有一次突变。当Cr含量达到11-14，金属在大气环境下的腐蚀就可以忽略不计，这就是不锈钢名字的来历。化学元素镍（Ni）是不锈钢中作用仅次于Cr的元素，它是奥氏体稳定化元素。随钢中Ni含量的增加，奥氏体的数量也增加，稳定化温度越低，使得人们可以在室温下得到稳定的奥氏体材料。锰（Mn）在不锈钢中的作用类似于Ni，用Mn代替Ni可以提高不锈钢的强度。钼（Mo）可以增强耐点蚀、缝隙腐蚀的能力氮（N）可以增强耐缝隙腐蚀能力，提高强度，同时稳定奥氏体。Cu、Si等元素可以提高耐腐蚀能力，改善铸造性能。

    2、常用不锈钢系列

    (1).奥氏体不锈钢    指的是Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Mn-Ni合金。晶粒中具有奥氏体相或面心立方晶体结构，这是由加入的合金元素Ni、Mn和N抑制奥氏体/铁素体转化温度，使常温下奥氏体稳定而得到的。奥氏体不锈钢没有磁性，主要为18-8不锈钢（如1Cr48Ni9Ti），含18-20的Cr8-10.5Ni。

    (2).铁素体不锈钢    指的是Fe-Cr合金。焊接难度很大，具有磁性，冷加工可以使之硬化。如1Cr19Mo2Ti等

    (3).马氏体不锈钢    也是Fe-Cr合金，但是碳（C）的含量高于铁素体钢。具有磁性，热处理可以使之硬化，焊接制作难度大。

    (4).沉淀硬化或失效硬化不锈钢   Fe-Cr-Ni合金。在加热到中高温500-900℃并保温一段时间后会产生沉淀，出现一些由合金元素形成小颗粒的化合物，会使晶格扭曲，使材料硬化或强化。这种材料只要用于对强度和耐腐蚀性能很高的环境。如S17400合金等。许多这样的材料可以在退火状态下进行加工。最好的用途之一是高尔夫球杆。

    (5).奥氏体-铁素体双相不锈钢   通常是Fe-Cr-Ni合金，是著名的耐腐蚀金属材料。有时候也含有Mo等元素。其强度好于一般的奥氏体材料，耐腐蚀性能在有氯离子存在的氯化物应力腐蚀环境中尤其突出。

    关于不锈钢的生产，现在一般采用电弧炉冶炼后炉外精炼的的方法，精炼时使用氩氧脱碳（AOD）或真空脱碳（VOD），可以生产出更纯、更洁净、成分控制更好的不锈钢。不锈钢的耐腐蚀性能会受到生产中的机械加工和热加工的影响。奥氏体不锈钢一定要用退火状态的。这个退火与一般碳钢和低合金钢的退火不同，他们的是从退火温度缓慢冷却，而奥氏体不锈钢的退火是快速冷却，是在退火温度1040-1130℃保温后在淬火介质中淬火。退火不足或不当都可能使奥氏体不锈钢遭受晶间腐蚀，这是因为晶界处会有沉淀的碳化物析出。

    不锈钢在大气或水溶液中的耐腐蚀性能主要是Cr等元素提高了金属材料的平衡电极电位，从而阻止了微电池的阳极，也就是金属的氧化。不锈钢能耐腐蚀是因为表面上可以形成一层致密的钝化膜，这层钝化膜可以在受到破坏后自行修复，它能够使金属和腐蚀介质分隔开。就是这层钝化膜的作用，使得不锈钢不会遭受均匀腐蚀，能使不锈钢失效的腐蚀行为都是局部的腐蚀如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂等。

    现在我们说说不锈钢的点蚀和缝隙腐蚀。点蚀是金属表面不同位置局部性的腐蚀。点蚀可以穿透钝化膜向下发展。缝隙腐蚀发生在金属和距离它很近的不导电的物体之间，经常扩展到缝隙之外。这两种腐蚀形态在有氯化物存在时最容易发生。出现点蚀的原因是不锈钢表面受损、有杂质、有缺陷或表面沾有脏东西。缝隙腐蚀则一般发生在材料与垫片的连接处、有氧化皮或硬的生物附着物的地方和金属搭接处。由于侵蚀面积比金属总面积小的多，所以腐蚀很快很严重。有氯化物存在时尤其严重。点蚀和缝隙腐蚀很相象，基本原理是一样的，但在暴露的钢板上是不会发生点蚀的，却可以发生缝隙腐蚀，因为钢板往往是一张压一张地放在一起的。不锈钢中加入元素Mo可以提高耐点蚀性能和耐缝隙腐蚀性能。另外完善的设计和良好的制作工艺可以使钢材表面平滑、没有尖锐的角并可以使压在两板之间缝隙里的水之类的流体介质排出，同样有助于提高耐点蚀和缝隙腐蚀能力。

    Cr：主要起到防腐蚀作用，一般来说含量越高耐腐蚀性越强，尤其是在氧化性介质中。钢铁中含铬达到12.5%时即为不锈钢。同时它是金相铁素体的主要元素。在耐热钢中铬也是不可缺少的金属元素。铬在钢中的角色多元且重要，它会形成安定而硬的碳化物，而且具抗蚀性。

    Ni：镍元素也具有防腐蚀作用，尤其在还原性介质中，在氧化性腐蚀性介质中与铬一起具有协同作用。同时它是金相奥实体的主要元素。在高温还原性介质中的耐热钢中也是重要的组成元素。

    Mn：锰和镍具有很多相似的地方，在一些不锈钢中锰可以完全代替镍。但锰有很多自己的特点，如提高材料的机械强度和中温性能。此外还有增加N的在金相中的溶解度作用。

    Ti：在不锈钢中钛仅仅起到调质作用。不锈钢的碳含量较高时，在焊接时容易引起铬偏析，即形成各的碳化物，是焊缝附近缺铬，降低了不锈钢的耐腐蚀性。为了降低上述现象的产生，一般在不锈钢中加入少量的钛或铌，钛优先于铬与碳结合。过去由于炼钢技术有限，一般采用加钛方法避免铬的偏析，现在主要通过降低碳含量来避免上述现象产生。

1、不锈钢的定义：

2、不锈钢的分类：

按金相组织划分(GB/T13304-1991)

F、M、A、A-F、PH

按合金元素种类划分

Cr、Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、 Cr-Mn-Ni

3、不锈钢的特点及用途：

良好耐腐蚀性、氧化性、

优异的力学性能、物理性能、工艺 性能

化工、能源、机械、轻工等行业得到广泛的应用。

二、金属学基础

1、不锈钢中常见的合金元素

C、Cr、Ni、Mn、Si、N、Nb、Ti、Mo

奥氏体形成元素：C、Ni、Mn 、N、Cu等

铁素体形成元素：Cr、Si、Ti、Nb、Al、Mo等

2、合金元素的作用  

提高基体金属的电极电位

在室温下获得单相固溶体组织

表面形成结构致密、不溶于腐蚀介质、电阻高的保护膜。

单合金元素的作用

C :稳定A元素，强化M钢的重要元素，极易与其他合金元素形成合金碳化物，导致不锈钢的晶界腐蚀。

Cr :F形成元素，提高基体金属的电极电位，易与C生成M7C3、M23C6，钝化能力很强，形成Cr2O3

Ni :稳定A元素，提高基体金属的电极电位，减少δ铁素体的含量

Mn :与Ni作用相似，稳定A元素，减少δ铁素体的含量，可以代替Ni。

Ti 、Nb :F形成元素，强化铁素体，优先于Cr与C结合生成TiC、NbC

Al、Si :F形成元素，强化铁素体，和O结合生成致密的Al2O3 、SiO2氧化膜，过量降低钢的塑性。

Mo :F形成元素，强化铁素体，提高耐腐蚀性能

三、不锈钢的分类、牌号、特点

    1   铁素体不锈钢

    2   马氏体不锈钢

    3    奥氏体不锈钢

    4    双相不锈钢

    5     沉淀硬化不锈钢

1、铁素体不锈钢

1.1、成分、牌号、特点

成分：含Cr：11~30%，尚可含少量的Mo、Nb、Ti，基本上不含Ni。Cr17型和Cr25型

常用牌号：0Cr13Al、1Cr17、 1Cr17Mo、 00Cr27Mo、 00Cr30Mo2等

特点：加热不发生相变；有强磁；冷加工成型和焊接工艺较差；具有三种脆性倾向：475℃、相析出脆、高温脆性

1.2  热处理及金相组织

退火 ：（Cr17≈ 850 ℃ ）、（Cr25≈ 1050 ℃ ）

组织：铁素体+ M7C3（或M23C6）

过热：M+F

长期时效（ 500~800 ℃）  σ相析出

 950 ℃以上加热淬火 高温脆性，无法消除。

2、马氏体不锈钢

2.1 成分、牌号、特点

成分：含Cr12~14%，含C：0.1~0.4%，Cr13型。

常用牌号：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等

特点：含碳量较高，淬火后得到马氏体组织；有较高的强度、硬度、耐磨性；通过热处理得到所要求的性能；切削加工性能较好。焊接性能差；有回火脆性。

2.2  热处理及金相组织

退火或高温回火 ：铁素体+ M23C6

淬火： 马氏体+少量δ铁素体

淬火+高温回火：保留马氏体位向索氏体

过热：晶粒粗大，大量 δ铁素体形成

欠热：未溶解碳化物存在

淬火+低温回火 ：回火马氏体

3、奥氏体型不锈钢

3.1、成分、牌号、特点

成分：含Cr：16~25%，含Ni：7~20%，基本成分18%Cr，8%Ni，通常称为18-8型不锈钢。

常用牌号：304（18Cr-8Ni）、321 （18Cr-9Ni-Ti） 、347 （18Cr-9Ni-Nb） 316（18Cr-12Ni-2.5Mo）等

特点 ：不能热处理强化；无磁性，具有优异的的耐腐蚀性；有良好的冷热成型性和焊接性能；切削加工较困难。

3.2、热处理及金相组织

固溶处理：1050~1100℃， 组织：奥氏体

过热：晶粒长大，δ铁素体形成。

敏化：500~850℃，组织：晶界析出 M23C6 晶界贫铬

稳定化： 850~900℃，组织：A+MC（TiC、NbC）抑制晶间腐蚀

4、奥氏体-铁素体双相钢

4.1 成分、牌号、特点

成分：在铬镍系不锈钢基础上增加铁素体形成元素（Cr、Mo）减少奥氏体形成元素（Ni、Mn）

常用牌号：0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi

特点：双相组织；有磁性；比奥氏体钢强度高，耐腐蚀性好，热加工成型好，焊接性能好，仍具有铁素体钢的某些脆性。

4.2 热处理及金相组织

固溶处理（950~1000℃） δ铁素体+奥氏体

长期时效（ 500~800 ℃）  σ相析出

5、沉淀硬化不锈钢

5牌号、特点

通过热处理的手段使钢中的碳化物沉淀析出，从而达到提高强度目的。

常用牌号：0Cr17NI4CuNb、1Cr17Ni7Al

特点：固溶后为马氏体或半奥氏体组织，最终沉淀析出马氏体组织；有很高的强度；耐均匀腐蚀能力优于马氏体型钢；加工成型和焊接性能良好。

四 、不锈钢中的组织和相

1、F、A、M、 M7C3、M23C6、δ铁素体、σ相

2、鉴别方法

A与F：A有孪晶组织，F呈带状或枝晶分布

赤血盐氢氧化钾溶液。F玫瑰色、A光亮色

热染法（500℃） F亮黄色、A浅兰色

氢氧化钾水溶液（电解） F灰色、A白色

碳化物与σ相

碱性高锰酸钾：浅侵蚀碳化物为浅棕色、 σ相橘红色；深侵蚀碳化物为绿色、 σ相棕橙色

高锰酸钾、氢氧化钠水溶液（电解）： σ相橘红色

草酸电解：

热染法（500~700℃）加热 碳化物白色、 σ相橙色

不锈钢金相检验项目和方法

1、低倍检验：

试验方法：GB/T226-1991 钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验方法

组织评定：参照GB/T1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》。

 GB/T1220-1992《不锈钢棒》标准中规定不得有肉眼可见得缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮及白点。

2、高倍检验：

非金属夹杂物：GB/T10561-19 《钢中非金属夹杂物显微评定方法》、ASTM E45 、

奥氏体晶粒度：GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》ASTM E112

铁素体含量 ：GB/T13305-1981《奥氏体不锈钢中α相面积含量金相检验法》、 GB/T1954-1980《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量法》

GB/T4234-1994《外科植入物用不锈钢》标准中规定铁素体含量、夹杂物级别、晶粒度级别。

耐热钢的金相检验

概述

1、定义：向钢中加入合金元素提高其热强性和抗氧化性能。

2、使用温度：400~650℃

3、分类：根据金相组织分类，

铁素体耐热钢

珠光体-铁素体耐热钢

马氏体耐热钢

奥氏体耐热钢

铁素体耐热钢

1、合金元素： Cr：12~28%，少量的Si、Al、Ti。

2、典型牌号：0Cr13Al、1Cr17、2Cr25N

3、用途：燃烧室、喷嘴等

4、组织：铁素体

珠光体-铁素体耐热钢

1、合金元素：合金元素含量不超过5~7%，属低合金钢

2、典型牌号：15CrMo、12Cr1MoV、17CrMo1V等

3、用途：工作温度350~670℃，锅炉管、汽包和气轮机的紧固件、主轴、叶轮等

4、组织：正火+高温回火，铁素体+珠光体+少量回火贝氏体

马氏体 耐热钢

1、合金元素：Cr：12%，加入W、Mo、V、Si。

2、典型牌号：1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12NiWMoV、4Cr10Si2Mo等

3、用途：工作温度475~540℃，气轮机的叶片、螺栓、内燃机的进、排汽阀等

4、组织：淬火+高温回火，回火索氏体

奥氏体耐热钢

1、合金元素：含有较多的扩大和稳定奥氏体的元素，由18-8型钢演变

2、典型牌号：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti、4Cr14Ni14W2Mo、2Cr25Ni20等

3、用途：工作温度600℃以上，强度要求不高的耐热受力件，高温炉中部件、汽阀等

4、组织：固溶，奥氏体+M23C6

耐热钢金相检验项目和方法

1、原始组织的检验：

内燃机部件金相检验在行业标准中有特殊规定（NJ354-1985、NJ309-1983）

高压锅炉用无缝钢管的GB5310-1995

2、运行金相检验：

珠光体球化