不銹鋼材料在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用及性能分析

王祥昀

摘 要 目前，不銹鋼已經(jīng)成為人類生產(chǎn)生活中不可缺少的材料，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療衛(wèi)生、家裝建材、工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)制造等各個(gè)領(lǐng)域。其力學(xué)性能與普通鋼鐵材料相比更加優(yōu)異，可以在特殊環(huán)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(chǎn)制造過程中最大的障礙，因此對(duì)不銹鋼腐蝕機(jī)理和防治措施的研究勢在必行。文章通過對(duì)不銹鋼腐蝕和力學(xué)性能的分析和討論，可以指導(dǎo)相應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究。

關(guān)鍵詞 不銹鋼；晶間腐蝕；應(yīng)力應(yīng)變；σ相

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(shí)還含有Ni、Ti、Mn、N、C、Nb、Mo、Cu、Si等元素。不銹鋼具有各種優(yōu)良性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)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(huán)境下服役工作，同時(shí)兼具美觀性和環(huán)保性，可被回收再利用，而且生命周期成本較低，非常符合現(xiàn)代社會(huì)低碳環(huán)保的理念。此外經(jīng)過特殊處理的不銹鋼具有抗菌性，可以用來制造餐具、手術(shù)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(yīng)用最為廣泛的一種不銹鋼，主要用于制造耐腐蝕設(shè)備、運(yùn)輸管道以及鐘表外殼等領(lǐng)域[ 1 ]。

馬氏體不銹鋼的含碳量較高，因而強(qiáng)度較高，硬度較大，耐磨性較好，具有良好的力學(xué)性能，但耐腐蝕性較差。馬氏體不銹鋼主要應(yīng)用于對(duì)力學(xué)性能要求較高的部件上，如彈簧、汽車軸承、汽輪機(jī)葉片等。在不同的回火溫度下，馬氏體不銹鋼會(huì)具有不同的強(qiáng)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(yōu)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(yīng)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(shè)備，是奧氏體不銹鋼在許多領(lǐng)域的良好替代品從而大幅度降低了生產(chǎn)成本。但鐵素體不銹鋼σ相的析出會(huì)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(duì)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(yōu)點(diǎn)，并且具有良好的耐孔蝕性，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

1 不銹鋼腐蝕原因及耐腐蝕性能機(jī)理

1.1 不銹鋼耐蝕性機(jī)理

目前關(guān)于不銹鋼的耐蝕有兩種不同的機(jī)理即鈍化膜機(jī)理和穩(wěn)定化元素固溶機(jī)理，這兩種機(jī)理分別可以解釋不同的情況。鈍化膜理論被認(rèn)為是不銹鋼耐蝕性的基本機(jī)理，此機(jī)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(gè)薄鈍化膜的產(chǎn)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(gè)耐蝕機(jī)理為穩(wěn)定化元素固溶機(jī)理，由于不銹鋼的應(yīng)用環(huán)境非常復(fù)雜，只含有單一成分的Cr2O3 薄膜無法滿足對(duì)高耐蝕性的要求。所以要根據(jù)使用條件的不同加入銅、氮、鉬等穩(wěn)定化元素，經(jīng)過固溶處理使其彌散進(jìn)入不銹鋼，進(jìn)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(jī)理

按腐蝕過程中的影響因素分類，不銹鋼的腐蝕可分為應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、間隙腐蝕和晶間腐蝕。

不銹鋼的應(yīng)力腐蝕是不銹鋼在拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的腐蝕。應(yīng)力腐蝕中的應(yīng)力主要來自加工過程中的參與應(yīng)力，由于應(yīng)力的作用，金屬原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在特定腐蝕介質(zhì)的作用下，易失去電子而被腐蝕。要產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，除了需要足夠拉力和特定的腐蝕環(huán)境外，金屬材料還要具有特定的成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

點(diǎn)腐蝕是金屬在表面某些點(diǎn)部位發(fā)生的輕微腐蝕，易發(fā)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(tài)，又能阻止鈍態(tài)的產(chǎn)生，是對(duì)點(diǎn)狀腐蝕影響最大的元素。點(diǎn)腐蝕的外觀隱蔽因而其潛在破壞性極大，是一種危險(xiǎn)的腐蝕形式。當(dāng)小蝕孔擴(kuò)大為直徑大于等于30μm的孔蝕源后由于蝕孔內(nèi)外電勢不同，會(huì)形成大陰極小陽極的電池結(jié)構(gòu)，由于陽極面積小，電流密度較大，腐蝕的速度會(huì)不斷的提高。

間隙腐蝕是在金屬縫隙中發(fā)生的腐蝕，其原理與點(diǎn)腐蝕基本相同。主要區(qū)別是發(fā)生的位置不同，間隙腐蝕主要發(fā)生在構(gòu)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(tài)而發(fā)生腐蝕，此外間隙腐蝕在較溫和條件下也能發(fā)生。

晶間腐蝕是一種局部腐蝕，它破壞晶粒間的結(jié)合，從而使金屬的強(qiáng)度大大降低。發(fā)生晶間腐蝕的金屬，表面依舊光亮，而內(nèi)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(fā)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(zhì)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(tài)，在不銹鋼處于敏化溫度區(qū)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(kuò)散較慢，晶界處的Cr得不到及時(shí)補(bǔ)充，其含量會(huì)大幅度降低。當(dāng)晶界處Cr含量低于鈍化所需的臨界濃度11.7wt%時(shí)，晶界貧鉻區(qū)與中心富鉻區(qū)形成活化—鈍化微電偶結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生晶界腐蝕。貧鉻理論可以解釋不銹鋼在一般性氧化介質(zhì)中的腐蝕。而在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中，晶間腐蝕發(fā)生在經(jīng)過固溶處理的不銹鋼上，對(duì)這種情況應(yīng)選用晶界區(qū)選擇性溶解理論解釋。晶界上析出了沉淀析出相或有雜質(zhì)（P、Si等）造成晶界偏析時(shí)，這些物質(zhì)在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中發(fā)生了選擇性溶解，進(jìn)而造成晶間腐蝕。

影響晶間腐蝕的因素有腐蝕介質(zhì)、不銹鋼成分、加工方式和溫度等。腐蝕介質(zhì)直接影響著不銹鋼的腐蝕，一般在酸性介質(zhì)中不銹鋼的晶間腐蝕較嚴(yán)重。不銹鋼中C、Cr、Ni等元素對(duì)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(huì)減輕，奧氏體不銹鋼中Cr的含量升高在低溫敏化區(qū)會(huì)加速晶間腐蝕，而在高溫敏化區(qū)會(huì)延長產(chǎn)生晶間腐蝕的時(shí)間[ 2 ]。Ni含量的升高會(huì)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(duì)晶間腐蝕也有很大影響。經(jīng)鑄造的不銹鋼因產(chǎn)生氣孔、夾雜、偏析等缺陷而易發(fā)生晶間腐蝕，熱作成型時(shí)若在敏化溫度區(qū)間內(nèi)停留時(shí)間過長則易產(chǎn)生晶間腐蝕。

針對(duì)影響晶間腐蝕的因素，可提出相應(yīng)的控制措施來避免晶間腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生?？刂坪剂靠蓽p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(shí)可人為控制和減少不銹鋼在敏化溫度區(qū)間的時(shí)間可降低晶間腐蝕的發(fā)生幾率。

2 不銹鋼的力學(xué)性能

2.1 常溫下不銹鋼的力學(xué)性能

不銹鋼具有與普通低碳鋼不同的力學(xué)性能，不銹鋼具有非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、較低的比例極限、一定的各向異性、明顯的應(yīng)變硬化特性[ 3 ]。建筑行業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的不銹鋼構(gòu)件多為冷加工成型的不銹鋼圓管和方矩管，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，R-O模型更為接近工程實(shí)際，通過建立R-O模型可以對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能進(jìn)行估算和模擬。

2.2 經(jīng)高溫后不銹鋼的力學(xué)性能

經(jīng)過高溫后，不銹鋼的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生一定的變化。

高溫對(duì)不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線前期影響較小，后期影響較大。溫度工況低于600℃時(shí)對(duì)不銹鋼影響較小，高于600℃時(shí)影響較大。經(jīng)高溫后冷卻后，不同種類不銹鋼的力學(xué)性能變化有很大不同。

冷卻方式對(duì)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯影響。冷卻方式一共有兩種：淬水和空冷。當(dāng)式樣的溫度工況低于600℃時(shí)，不同溫度以及不同冷卻方式對(duì)高溫冷卻后不銹鋼材料力學(xué)性能整體的影響較小；而當(dāng)溫度工況大于或等于600℃時(shí)，不同溫度工況和不同冷卻方式對(duì)材料力學(xué)性能有著較明顯的影響[ 4 ]，其抗拉強(qiáng)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(xù)的冷卻溫度相差過大導(dǎo)致晶體形核和長大過程較為劇烈，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能的顯著變化。

2.3 σ相析出對(duì)不銹鋼力學(xué)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(rèn)的σ相析出機(jī)理是鐵素體的共析分解，鐵素體的共析分解是一個(gè)擴(kuò)散型相變過程，σ相析出產(chǎn)生更多的非共格相界面，引起不銹鋼力學(xué)性能的變化[ 5 ]。σ相對(duì)不銹鋼的韌塑性、強(qiáng)度、硬度和耐磨性均有影響。

韌性是衡量金屬材料強(qiáng)度和塑性的綜合力學(xué)指標(biāo)。σ相的析出會(huì)顯著降低不銹鋼的沖擊韌性，雙相不銹鋼的沖擊韌性對(duì)σ相的析出尤其敏感，同時(shí)，σ相也會(huì)降低不銹鋼的塑性。

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

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，不銹鋼因其優(yōu)異的性能在裝飾、家居、醫(yī)療等行業(yè)起到越來越重要的作用。同時(shí)由于不銹鋼具有可回收利用的性質(zhì)，符合我國可持續(xù)發(fā)展的要求，在未來的發(fā)展中將會(huì)有更多的應(yīng)用。未來不銹鋼的研究應(yīng)重點(diǎn)為不銹鋼腐蝕的防護(hù)及性能的提升，相信通過科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，不銹鋼會(huì)為我們國家未來的發(fā)展提供強(qiáng)有力的工業(yè)上的保障和源源不斷的動(dòng)力。

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