不銹鋼材料在生產生活中的應用及性能分析

王祥昀

摘 要 目前，不銹鋼已經成為人類生產生活中不可缺少的材料，廣泛應用于食品、醫療衛生、家裝建材、工業設備生產制造等各個領域。其力學性能與普通鋼鐵材料相比更加優異，可以在特殊環境下服役工作。然而不銹鋼的腐蝕，特別是奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕是不銹鋼生產制造過程中最大的障礙，因此對不銹鋼腐蝕機理和防治措施的研究勢在必行。文章通過對不銹鋼腐蝕和力學性能的分析和討論，可以指導相應的工業生產和科學研究。

關鍵詞 不銹鋼；晶間腐蝕；應力應變；σ相

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）230-0190-03

不銹鋼是能在空氣、水、蒸汽和酸、堿、鹽等溶液中耐腐蝕合金鋼的總稱。不銹鋼的含鉻量大于10.5%，與此同時還含有Ni、Ti、Mn、N、C、Nb、Mo、Cu、Si等元素。不銹鋼具有各種優良性質，廣泛應用于各個領域，是一種重要的合金材料。不銹鋼因具有耐腐蝕及耐熱性，不僅可以在特殊環境下服役工作，同時兼具美觀性和環保性，可被回收再利用，而且生命周期成本較低，非常符合現代社會低碳環保的理念。此外經過特殊處理的不銹鋼具有抗菌性，可以用來制造餐具、手術器械等器皿。

不銹鋼可按其金相組織的不同分為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體鐵素體雙相不銹鋼。

奧氏體不銹鋼的鉻元素含量在18%到20%之間，鎳元素含量在8%到10%之間，還含有少量鉬、鈦、氮等元素。奧氏體不銹鋼具有良好的塑韌性、耐腐蝕性、無磁或弱磁性，是應用最為廣泛的一種不銹鋼，主要用于制造耐腐蝕設備、運輸管道以及鐘表外殼等領域[ 1 ]。

馬氏體不銹鋼的含碳量較高，因而強度較高，硬度較大，耐磨性較好，具有良好的力學性能，但耐腐蝕性較差。馬氏體不銹鋼主要應用于對力學性能要求較高的部件上，如彈簧、汽車軸承、汽輪機葉片等。在不同的回火溫度下，馬氏體不銹鋼會具有不同的強度和韌性。

鐵素體不銹鋼含鉻量約為15%～20%，而且一般不含鎳，其耐腐蝕性、韌性、可焊性優良，并隨含鉻量的增加而顯著提升。此外還具有較好的抗氧化性及耐氯化物應力腐蝕性能，可用于制造耐腐蝕零部件及在高溫下工作的設備，是奧氏體不銹鋼在許多領域的良好替代品從而大幅度降低了生產成本。但鐵素體不銹鋼σ相的析出會降低不銹鋼的塑性和韌性，制約了其使用條件。

奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼中既有鐵素體，又有奧氏體，且其相對含量均大于15%。雙相不銹鋼兼具奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優點，并且具有良好的耐孔蝕性，廣泛應用于各個工業領域。

1 不銹鋼腐蝕原因及耐腐蝕性能機理

1.1 不銹鋼耐蝕性機理

目前關于不銹鋼的耐蝕有兩種不同的機理即鈍化膜機理和穩定化元素固溶機理，這兩種機理分別可以解釋不同的情況。鈍化膜理論被認為是不銹鋼耐蝕性的基本機理，此機理表明在不銹鋼表面存在一層以Cr2O3為主要成分的薄鈍化膜，正是這個薄鈍化膜的產生阻止了腐蝕。不銹鋼的鈍化膜由于厚度極薄，一般只有幾微米，而且比重比基體大，鈍化膜中鉻的含量比基體高三倍以上，因此具有抵抗腐蝕的能力[ 2 ]。第二個耐蝕機理為穩定化元素固溶機理，由于不銹鋼的應用環境非常復雜，只含有單一成分的Cr2O3 薄膜無法滿足對高耐蝕性的要求。所以要根據使用條件的不同加入銅、氮、鉬等穩定化元素，經過固溶處理使其彌散進入不銹鋼，進而改變鈍化膜的元素組成，提高其耐蝕性。

1.2 不銹鋼的腐蝕機理

按腐蝕過程中的影響因素分類，不銹鋼的腐蝕可分為應力腐蝕、點蝕、間隙腐蝕和晶間腐蝕。

不銹鋼的應力腐蝕是不銹鋼在拉應力與腐蝕介質共同作用下產生的腐蝕。應力腐蝕中的應力主要來自加工過程中的參與應力，由于應力的作用，金屬原子處于不穩定狀態，在特定腐蝕介質的作用下，易失去電子而被腐蝕。要產生應力腐蝕，除了需要足夠拉力和特定的腐蝕環境外，金屬材料還要具有特定的成分和內部結構。

點腐蝕是金屬在表面某些點部位發生的輕微腐蝕，易發生于含有鹵離子或金屬夾雜物的條件下。鹵離子中氯離子既能破壞鈍態，又能阻止鈍態的產生，是對點狀腐蝕影響最大的元素。點腐蝕的外觀隱蔽因而其潛在破壞性極大，是一種危險的腐蝕形式。當小蝕孔擴大為直徑大于等于30μm的孔蝕源后由于蝕孔內外電勢不同，會形成大陰極小陽極的電池結構，由于陽極面積小，電流密度較大，腐蝕的速度會不斷的提高。

間隙腐蝕是在金屬縫隙中發生的腐蝕，其原理與點腐蝕基本相同。主要區別是發生的位置不同，間隙腐蝕主要發生在構件的接觸間隙處，間隙處由于溶解氧不足，無法維持不銹鋼的鈍態而發生腐蝕，此外間隙腐蝕在較溫和條件下也能發生。

晶間腐蝕是一種局部腐蝕，它破壞晶粒間的結合，從而使金屬的強度大大降低。發生晶間腐蝕的金屬，表面依舊光亮，而內部已遭破壞。晶間腐蝕不易檢查，危害性極大。奧氏體不銹鋼的含碳量較高，易發生晶間腐蝕。

1.3 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕

用以解釋晶間腐蝕的理論主要有“貧Cr理論”和“晶界雜質選擇性溶解理論”[ 2 ]。常溫下，碳在奧氏體不銹鋼中的溶解度較低，約為0.02到0.03wt%，低于奧氏體不銹鋼的含碳量。因此，不銹鋼中的碳處于過飽和狀態，在不銹鋼處于敏化溫度區間（427℃到816℃），C和Cr形成碳化物在晶界處大量析出。由于Cr的原子半徑較大，在不銹鋼中擴散較慢，晶界處的Cr得不到及時補充，其含量會大幅度降低。當晶界處Cr含量低于鈍化所需的臨界濃度11.7wt%時，晶界貧鉻區與中心富鉻區形成活化—鈍化微電偶結構，產生晶界腐蝕。貧鉻理論可以解釋不銹鋼在一般性氧化介質中的腐蝕。而在強氧化性介質中，晶間腐蝕發生在經過固溶處理的不銹鋼上，對這種情況應選用晶界區選擇性溶解理論解釋。晶界上析出了沉淀析出相或有雜質（P、Si等）造成晶界偏析時，這些物質在強氧化性介質中發生了選擇性溶解，進而造成晶間腐蝕。

影響晶間腐蝕的因素有腐蝕介質、不銹鋼成分、加工方式和溫度等。腐蝕介質直接影響著不銹鋼的腐蝕，一般在酸性介質中不銹鋼的晶間腐蝕較嚴重。不銹鋼中C、Cr、Ni等元素對不銹鋼的晶間腐蝕都有影響。隨著含碳量降低，不銹鋼的晶間腐蝕會減輕，奧氏體不銹鋼中Cr的含量升高在低溫敏化區會加速晶間腐蝕，而在高溫敏化區會延長產生晶間腐蝕的時間[ 2 ]。Ni含量的升高會降低碳的溶解度，使晶間腐蝕加劇。不銹鋼的不同加工過程對晶間腐蝕也有很大影響。經鑄造的不銹鋼因產生氣孔、夾雜、偏析等缺陷而易發生晶間腐蝕，熱作成型時若在敏化溫度區間內停留時間過長則易產生晶間腐蝕。

針對影響晶間腐蝕的因素，可提出相應的控制措施來避免晶間腐蝕現象的產生。控制含碳量可減少碳化物的析出，或采用雙相組織能提高含鉻量，大大提高抗晶間腐蝕能力，同時可人為控制和減少不銹鋼在敏化溫度區間的時間可降低晶間腐蝕的發生幾率。

2 不銹鋼的力學性能

2.1 常溫下不銹鋼的力學性能

不銹鋼具有與普通低碳鋼不同的力學性能，不銹鋼具有非線性的應力-應變關系、較低的比例極限、一定的各向異性、明顯的應變硬化特性[ 3 ]。建筑行業實際應用中的不銹鋼構件多為冷加工成型的不銹鋼圓管和方矩管，實驗發現，R-O模型更為接近工程實際，通過建立R-O模型可以對不銹鋼的力學性能進行估算和模擬。

2.2 經高溫后不銹鋼的力學性能

經過高溫后，不銹鋼的力學性能會發生一定的變化。

高溫對不銹鋼應力-應變曲線前期影響較小，后期影響較大。溫度工況低于600℃時對不銹鋼影響較小，高于600℃時影響較大。經高溫后冷卻后，不同種類不銹鋼的力學性能變化有很大不同。

冷卻方式對材料應力-應變曲線有明顯影響。冷卻方式一共有兩種：淬水和空冷。當式樣的溫度工況低于600℃時，不同溫度以及不同冷卻方式對高溫冷卻后不銹鋼材料力學性能整體的影響較小；而當溫度工況大于或等于600℃時，不同溫度工況和不同冷卻方式對材料力學性能有著較明顯的影響[ 4 ]，其抗拉強度、彈性模量、屈服極限與前者相比均有明顯的變化。其主要原因可能為高溫和后續的冷卻溫度相差過大導致晶體形核和長大過程較為劇烈，宏觀上表現為力學性能的顯著變化。

2.3 σ相析出對不銹鋼力學性能的影響

σ相是不銹鋼中的一種富含Cr、Mo、Si等元素的析出相，存在于多種不銹鋼中。目前較為公認的σ相析出機理是鐵素體的共析分解，鐵素體的共析分解是一個擴散型相變過程，σ相析出產生更多的非共格相界面，引起不銹鋼力學性能的變化[ 5 ]。σ相對不銹鋼的韌塑性、強度、硬度和耐磨性均有影響。

韌性是衡量金屬材料強度和塑性的綜合力學指標。σ相的析出會顯著降低不銹鋼的沖擊韌性，雙相不銹鋼的沖擊韌性對σ相的析出尤其敏感，同時，σ相也會降低不銹鋼的塑性。

大部分研究者認為，σ相的析出能在一定程度上提高不銹鋼的強度，且不銹鋼的強度隨σ相含量的增加而增加。同時由于相硬度較高，其σ的析出會提高不銹鋼的硬度和耐磨性[ 5 ]。總之，σ相的析出能提高材料的硬度、耐磨性和強度，但使韌性大大降低，通常將其視為有害相。

3 結論

隨著經濟的發展，生活水平的提高，不銹鋼因其優異的性能在裝飾、家居、醫療等行業起到越來越重要的作用。同時由于不銹鋼具有可回收利用的性質，符合我國可持續發展的要求，在未來的發展中將會有更多的應用。未來不銹鋼的研究應重點為不銹鋼腐蝕的防護及性能的提升，相信通過科技的不斷發展和進步，不銹鋼會為我們國家未來的發展提供強有力的工業上的保障和源源不斷的動力。

參考文獻

[1]劉亞丕，牛振標，周焊峰，等.現代不銹鋼材料：結構、性能、特點和應用[J].磁性材料及器件，2016，47（1）：71-78.

[2]郭新剛，宋鵬濤，王永寧.奧氏體不銹鋼的腐蝕機理研究[J].科技創新與應用， 2013（17）：8-9.

[3]鄭寶鋒，舒贛平，沈曉明.不銹鋼材料常溫力學性能試驗研究[J].鋼結構，2011，26（5）：1-6.

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[5]王永強，林蘇華，李娜，等.σ相析出對不銹鋼力學性能的影響概述[J].鋼鐵研究學報，2016，28（2）：1-8.