不锈钢应用与原理

不锈钢定义

在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能,使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈钢。代表性能的有13铬钢，18-铬镍钢等高合金钢。
从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。 
为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有12%以上的铬。 
不锈钢种类： 
不锈钢可以按用途、化学成分及金相组织来大体分类。 
以奥氏体系类的钢由18%铬-8%镍为基本组成，各元素的加入量变化的不同，而开发各种用途的钢种。 
以化学成分分类： 
①． cr系列：铁素体系列、马氏体系列 
②． cr-ni系列：奥氏体系列，异常系列，析出硬化系列。 
以金相组织的分类： 
①． 奥氏体不锈钢 
②． 铁素体不锈钢 
③． 马氏体不锈钢 
④． 双相不锈钢 
⑤． 沉淀硬化不锈钢 

不锈钢的标识方法

钢的编号和表示方法 
①用国际化学元素符号和本国的符号来表示化学成份，用阿拉伯字母来表示成份含量：
如：中国、俄国 12crni3a 
②用固定位数数字来表示钢类系列或数字；如：美国、日本、300系、400系、200系； 
③用拉丁字母和顺序组成序号，只表示用途。 
我国的编号规则 
①采用元素符号 
②用途、汉语拼音，平炉钢：p、 沸腾钢：f、 镇静钢：b、甲类钢：a、t8：特8、
gcr15：滚珠 
◆合结钢、弹簧钢，如：20crmnti 60simn、（用万分之几表示c含量） 
◆不锈钢、合金工具钢（用千分之几表示c含量），如：1cr18ni9 千分之一（即
0.1%c）,不锈 c≤0.08% 如0cr18ni9,超低碳c≤0.03% 如0cr17ni13mo 
国际不锈钢标示方法 
美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中： 
①奥氏体型不锈钢用200和300系列的数字标示， 
②铁素体和马氏体型不锈钢用400系列的数字表示。例如，某些较普通的奥氏体不锈钢
是以201、 304、 316以及310为标记， 
③铁素体不锈钢是以430和446为标记，马氏体不锈钢 是以410、420以及440c为标
记，双相（奥氏体－铁素体）， 
④不锈钢、沉淀硬化不锈钢以及含铁量低于50%的高合金通常是采用专利名称或商标命名。
4)．标准的分类和分级 
4-1分级： 
①国家标准gb 
②行业标准yb 
③地方标准 
④企业标准q/cb 
4-2 分类： 
①产品标准 
②包装标准 
③方法标准 
④基础标准 
4-3 标准水平（分三级）： 
y级：国际先进水平 
i级：国际一般水平 
h级：国内先进水平 
4-4国标 
gb1220-84 不锈棒材（i级） 
gb4241-84 不锈焊接盘园（h级） 
gb4356-84 不锈焊接盘园（i级） 
gb1270-80 不锈管材（i级） 
gb12771-91 不锈焊管（y级） 
gb3280-84 不锈冷板（i级） 
gb4237-84 不锈热板（i级） 
gb4239-91 不锈冷带（i级）

不锈钢专业名词

通俗地说，不锈钢就是不容易生锈的钢，实际上一部分不锈钢，既有不锈性，又有耐酸性（耐蚀性）。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。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，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；按用途分则有耐硝酸不锈钢、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。 

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硝酸肯有良好的耐蚀性。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。 

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，因而限制了它的应用。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。 

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。

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。粹火后硬度较高，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。

不锈钢的物理化学机械特性
不锈钢的物理性能主要用以下几方面来表示： 
①．热膨胀系数：因温度变化而引起物质量度元素的变化。膨胀系数是膨胀－温度曲线的斜率，瞬时膨胀系数是特定温度下的斜率，两个指定的温度之间的平均斜率是平均热膨胀系数。膨胀系数可以用体积或者是长度表示，通常是用长度表示。 
②．密度：物质的密度是该物质单位体积的质量，单位是kg/m3或1b/in3。　 
③．弹性模量：当施加力于单位长度棱住的两端能引起物体在长度上的单位变化时，单位面积上所需的力称为弹性模量。单位为1b/in3或n/m3。 
④．电阻率：在单位长度立方体材料的两对面之间测量的电阻，单位用ω•m，μω•cm或（已废的）ω/(circular mil.ft)来表示。 
⑤．磁导率：无量纲系数，表示物质易被磁化的程度，是磁感应强度与磁场强度之比。 
⑥．熔化温度范围：确定合金开始凝固和凝固完了的温度。 
⑦．比热： 单位质量的物质温度改变1度所需要的热量。在英制和cgs制中二者比热的数值相同，因为热量的单位（biu或cal)取决于单位质量的水升高1度听需的热量。国际单位制中比热的数值与英制或cgs制是不同的，因为能量的单位（j）是按不同的定义定的。比热的单位是btu(1b•0f)及j/（kg •k）。 
⑧．热导率：物质导热的速率的量度。在单位截面积物质上建立单位长度上的1度的温度梯度时，那么热导率定义为单位时间传导的热量，热导率的单位为 btu/(h•ft•0f)或w/(m •k)。 
⑨．热扩散率：是确定物质内部温度前迁速率的一种性能，是热导率对比热和密度乘积的比值，热扩散率单位以btu/(h•ft•0f)或w/(m•k)表示。

不锈钢的性能与组织
目前已知的化学元素有100多种，在工业中常用的钢铁材料中可以遇到的化学元素约二十多种。对于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践而形成的不锈钢这一特殊钢系列来说，最常用的元素有十几种，除了组成钢的基本元素铁以外，对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是：碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外，都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。 
实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的，当几种元素共存于不锈钢这一个统一体中时，它们的影响要比单独存在时复杂得多，因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用，而且要注意它们互相之间的影响，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。

1)．各种元素对不锈钢的性能和组织的影响和作用 
1-1.铬在不锈钢中的决定作用：决定不锈钢性属的元素只有一种，这就是铬，每种不锈钢都含有一定数量的铬。迄今为止，还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素，根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后，促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以下方面得到说明：

①铬使铁基固溶体的电极电位提高

②铬吸收铁的电子使铁钝化
钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属与合金钝化的理论很多，主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。

1-2. 碳在不锈钢中的两重性 
碳是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成—系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。 

认识了这一影响的规律，我们就可以从不同的使用要求出发，选择不同含碳量的不锈钢。 
例如工业中应用最广泛的，也是最起码的不锈钢——0crl3～4cr13这五个钢号的标准含铬量规定为12～14％，就是把碳要与铬形成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的，目的即在于使碳与铬结合成碳化铬以后，固溶体中的含铬量不致低于11.7％这一最低限度的含铬量。 
就这五个钢号来说由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有区别的，0cr13～2crl3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3crl3和4cr13钢，多用于制造结构零件，后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18－8铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03％以下，或者加入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时，我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾—定的耐腐蚀功能，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9cr18和9cr17movco钢，含碳量虽高达0.85～0.95％，由于它们的含铬量也相应地提高了，所以仍保证了耐腐蚀的要求。 
总的来讲，目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。 

1-3. 镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的 
镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体的元素，但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量要达到24％；而只有含镍27％时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。 
基于上面的情况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。 

1-4. 锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍 
铬镍奥氏体钢的优点虽然很多，但近几十年来由于镍基耐热合金与含镍20％以下的热强钢的大量发展与应用，以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大，而镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区，因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。所以在不锈钢与许多其他合金领域（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中，特别是镍 的资源比较缺乏的国家，广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践，在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。 
锰对于奥氏体的作用与镍相似。但说得确切一些，锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的 含锰量从0到10．4%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40mn18cr4,50mn18cr4wn、zgmn13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。 锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一，即2％的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。 

1-5.不锈钢中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀。 

1-6.钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能。 

1-7.其他元素对不锈钢的性能和组织的影响 

以上主要的九种元素对不锈钢的性能和组织的影响，除这些元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外，不锈钢中还含有一些其他的元素。有的是和一般钢一样为常存杂质元素，如硅、硫、磷等．也有的是为了某些特定的目的而加入的，如钴、硼、硒、稀土元素等。从不锈钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说，这些元素相对于已讨论的九种元素，都是非主要方面的，虽然如此，但也不能完全忽略，因为它们对不锈钢的性能与组织同样也发生影响。 
硅是形成铁素体的元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。 
钴作为合金元素在钢中应用不多，这是因为钴的价格高及其在其它方面（如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等）有着更重要的用途。在一般不锈钢中加钴作合金元素的也不多，常用不锈钢如9crl7movco钢（含1.2-1.8％钴）加钴，目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度，因为这种不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。 
硼：高铬铁素体不锈钢crl7mo2ti钢中加0．005％硼，可使在沸腾的65％醋酸中的耐腐蚀性能提高。加微量的硼（0.0006～0.0007％）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善。少量的硼由于形成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大，但含有较多的硼（0．5～0．6％）时，反而可防止热裂纹的产生。因为当含有0．5～0．6％的硼时，形成奥氏体－硼化物两相组织，使焊缝的熔点降低。熔池的凝固温度低于半溶化区时，母材在冷却时产生的张应力，由处于液态．固态的焊缝金属承受，此时是不致引起裂缝的，即使在近缝区形成了裂纹，也可以为处于液态－固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。 
磷：在一般不锈钢中都是杂质元素，但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显著，故含量可允许高一些，如有的资料提出可达0．06％，以利于冶炼控制。个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达0．06％（如2crl3nimn9钢）以至0.08％（如cr14mnl4ni钢）。利用磷对钢的强化作用，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，ph17－10p钢(含0．25％磷)乃ph－hnm钢（含0．30磷）等。 
硫和硒：在一般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0．2～0．4％的硫，可提高不锈钢的切削性能，硒也具有同样的作用。硫和硒提高不锈钢的切削性能，是因为它们降低不锈钢的韧性，例如一般18－8铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含0．31％硫的18－8钢（0．084％c、18．15％cr、9．25％ni）的冲击值为1．8公斤/平方厘米；含0。22％硒的18－8钢（0．094％c、18．4％cr、9％ni）的冲击值为3．24公斤/平方厘米。硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能，所以实际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。