不锈钢

不锈钢（Stainless Steel）是一种由多种元素组成的铁合金，其中铁、铬和碳这三种是主要元素，部分还含有钼mù、硅、锰等其他元素^[4][5]，是指在自然环境或某些工业介质中具有一定化学稳定性的钢的总称，一般包括不锈钢和耐酸钢，属于特殊性能钢^[6]。普通不锈钢具有不锈性，但是通常是不耐腐蚀的，而耐酸钢通常同时具有良好的不锈性和耐蚀性^[7]。主要性能特点包括耐腐蚀特性、力学性能、工艺特性、磁性和其他特性等^{[8][9][10][11]}。不锈钢常用的分类方法是根据金相组织结构分为五类^[12][13][14]，考虑到各类不锈钢自身特点，被用于车辆领域、建筑领域、工业领域和生活领域等等多个方向^[1][2][3]。

1820～1822年英国物理学家法拉第（Michael Faraday）最早把钢的生锈问题作为课题来研究。在20世纪初，法国学者吉烈特（L.B.Guillet）、波特万（A.M.Portevin）以及英国科学家吉森（W.Giesen）分别发表了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金的冶金学报告，发现了这些合金的耐腐蚀性能。1908～1911年德国理论研究者蒙纳尔茨（P.Monnartz）和鲍切尔斯（W.Borchers）发现了钝化现象，并提出了高铬合金的钝化理论，这一时期的研究为开发工业用不锈钢奠定了理论基础^[15]。

1914-1916年期间，科学家布雷尔利（Henry Blair）准备着手研制一种耐腐蚀的合金，在机缘巧合之下，他和他的助手发现将含铬的合金钢放在各种酸、碱、盐的溶液中都不受侵蚀。布雷尔利对它进行了一系列化验发现，只有添加12%的铬炼出的合金钢才是最理想的，不锈钢就此正式诞生^[16]。

与此同时，美国，英国开始进行不锈钢的商业生产，1924-1935间，美国科研人员申请了氧气炼不锈钢、氧化还原法炼不锈钢和铁矿石氧化碳的改进法等专利，吹氧炼不锈钢的方法也逐渐普及，不锈钢的性能逐渐优化。由于以上的技术进步，使西方国家的不锈钢年总产量于1984年已经达到800万吨，不锈钢产量迅速增加^[17]。

2000年－2006年，我国不锈钢消费量年平均增长率在21.17%以上^[18]。2001年，我国不锈钢表观消费量为225万吨，超越美国成为世界不锈钢第一消费大国。^[19]2008年，中国不锈钢表观消费量达到624万吨，同比下降5.17%。^[20]2011年11月份，我国不锈钢产量增长了11.1%至1250万吨。^[21]

要改善钢材的抗腐蚀性，就需要通过增加铁基固溶液的电极电势，在氧化剂的催化下，在金属的表层上生成一层致密而又稳固的保护层。在这一点上，铬是最好的金属，因此，在工业上使用的所有的不锈钢都是含铬的合金，而铁、铬是最基本的金属元素^[4]。

在不锈钢中，除了铁、铬和碳这三种主要元素之外，还有许多其它的元素。按钢材中所含有的主要元素分为：铬、铬镍niè、铬镍锰、铬锰氮等不锈钢。在钢中加入其它合金，以提高其性能，将其划分为铁素体形成元素(Cr，Mo，Si，Ti，Nb 等)及奥氏体形成元素(Ni，Mn，C，N 等)两类。其中有些是用来增强不锈钢抗腐蚀性，有些是用来提高机械性能和其他性质，还有一些是经常存在于钢材中的杂质^[4][5]。

铬是不锈钢最基础的元素成分，可以提高不锈钢的抗腐蚀能力。随着含铬含量的增大，含铬钢抗蚀能力逐渐增强，尤其是在13%左右的铬含量下，其电极电势明显增强，抗腐蚀能力出现跳跃性的变化^[4]。铬和铁可以得到连续的固溶体，缩小奥氏体相区。铬能与碳生成各种碳化物，其对碳的亲合性比钨、银等高。铬减少了珠光体中的碳含量，减小了奥氏体中碳的极限溶解度，减缓了碳化物的降解速率，同时也增加了钢材的回火脆化趋势^[22]。

钼是一种铁素体形成元素，能够稳定不锈钢表面的金属氧化物，它可以改善其抗腐蚀性能，尤其是对于铬钝化能力不够的还原性和有氯离子的环境中，其效果更加明显，可提高耐点蚀能力，对裂缝的腐蚀起到很好的抑制作用^[4][23]。

钼能在钢中以铁素体、奥氏体、碳化物等形式存在，是降低奥氏体相区的主要成分。在含钼量较小时，与铁和碳形成复合的碳化物，在一定浓度下，可以生成一种特定的钼类化合物。钼对钢材的淬cuì透力有促进作用，其作用较铬强，但比锰略低。钼也可改善钢的耐热性能，若仅有一种合金，则可使钢的回火脆性增大，与铬、锰共存时，钼可降低或抑制其它因素引起的回火脆性^[22]。

硅是产生铁素体的强元素。随着含硅含量的提高，不锈钢的拉伸强度和弹性极限提高，但韧性略有降低。随着铁素体区的增大，蠕变性能恶化，导致了相的形成范围和速率增大。加入硅可以极大地改善钢材的抗腐蚀性和点蚀性能，在氯离子介质中加入硅能改善其抗应力侵蚀断裂的能力^[23]。在不锈钢中加入一定量的硅，可以改善其抗氧化能力和抗硫化能力，使其在浓硝酸、浓硫酸等环境中具有优良的耐腐蚀能力，其原因是在不锈钢的表层上形成了大量的硅基氧化物保护薄膜^[24][25]。

钛、铌ní是奥氏合金中具有较强的铁素体生成成分，能有效地改善其耐热性能。由于含钛沉淀和夹杂物，大大削弱了钢材的抗点蚀能力^[23]。钛和铌在不锈钢中的主要作用是细化晶粒的组织，形成钛、铌的碳化物和碳氮化物，这样就可以将钢中的碳固化，形成稳定的碳化物，这样就可以降低对不锈钢的不利影响，在改善了钢材的强度和抗腐蚀能力的基础上，改善了其冷成型的特性^[24][25]。钛、铌对提高不锈钢的可焊性有一定的作用，但过量的钛、铌会导致材料的高温塑性下降，影响其机械加工的效果^[4]。

碳、氮元素在奥氏体中具有很强的生成和稳定作用，碳和氮元素易于与其他元素结合而生成碳、氮化物，从而增强了不锈钢的强度，但降低了抗冲击韧度，提高了韧脆性转化的温度^[24][25]。在不锈钢中，碳、氮元素的主要功能是使其保持奥氏体的稳定，是钢中的重要元素，对钢的强化有一定的促进作用。随着钢中含碳量的增加，其固溶铬的损耗增加，其抗腐蚀性能降低得更严重^[26]。但是随着钢中含氮量的增加，不锈钢抗腐蚀性能没有下降，同时，对其晶体腐蚀也没有明显的影响^[23]。

在奥氏体型不锈钢中，镍是一种重要的元素。镍使奥氏体相区增大，从而对奥氏体起到了稳定作用。奥氏体钢的硬度和抗拉强度都会随含镍含量的升高而降低，而韧度和结晶之间的碳化物的析出趋势变得更明显，从而导致了较大的晶间侵蚀。加入镍后，合金的抗应力蚀断裂能力得到改善，而在合金中加入镍的量为45~50%时，可以防止应力侵蚀断裂^[23]。一般用于奥氏体组织的形成和稳定，获得高韧性、高机械强度和高可焊性的合金^[4]。

锰是奥氏体中的一种较弱的形成元素，它对奥氏体的稳定有很强的影响，并可改善钢的抗点腐蚀性能^[26]。锰是一种很好的脱氧剂和脱硫剂，能在铁、奥氏体中固溶，使奥氏体区增大。锰是一种较弱的碳化物生成元素，添加到钢材中能得到均匀细化的组织，避免了渗碳过程中碳化物在渗碳层中的积聚，但增加了其过热敏感性和回火脆性^[22]。从耐蚀性能上看，添加锰会降低其抗腐蚀性。另外，锰还具有一定的抗硫化能力和提高高铬镍奥氏体不锈钢的高温热塑性的作用^[24][25]。

这类不锈钢除铁基外，主要合金元素是铬。有的还分别含有硅、铝、钨、铜、镍等一种或几种元素，这些元素在钢中的含量分别在1%~3%之间^[27]。

这类不锈钢除铁基外，主要合金元素是铬和镍。有的还分别含有钦、硅、钿、钨、钒等一种或几种元素，这些元素在钢中的含量在4%以下^[27]。

这类不锈钢除铁基外，主要合金元素是铬和锰，大多数钢中还含有0.5%以下的氮。有的还分别含有镍、硅、铜等一种或几种元素，这些元素在钢中的含量分别只有5%以下^[27]。

铁素体钢是一种高铬钢，其铬含量为13%-30%。当铬元素的占比分数大于13%时，铁素体的微观组织结构不发生变化，无γ相变，从高到低的温度都能维持其铁素体的形态结构。在退火状态和在室温条件下，其晶体结构以体心立方晶格型为主^[13]。该系列钢材具有良好的耐腐蚀性、抗氧化能力，尤其是在抗应力侵蚀方面，但其机械和加工性能都比较一般，主要应用在耐酸性、强度低的建筑和抗氧化钢材上^[14]。

奥氏体不锈钢是以奥氏体为主要组织成分的不锈钢，钢中含Cr约18%、Ni 8%~25%，C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。在常温条件下的凝固过程中，其晶体结构以平面立方晶格状为主。奥氏体不锈钢中铬、镍等其它金属成分含量高。抗腐蚀、塑性好、易于成型、加热时不发生同质转化、可焊性好，韧性好，低温韧度好，一般情况下无冷脆性。其再结晶温度高于铁素体，适用于在工作温度在550℃以上的高温高强度钢材^[14]。部分奥氏体不锈钢可以包含一些铁素体组织，被称作亚稳态的奥氏体不锈钢，在低温或冷态后部分奥氏体会向马氏体转化^[13]。

奥氏体-铁素体双相不锈钢在常温下同时存在着奥氏体组织和铁素体组织，两者的比例为1:1时，其综合特性最好，较少相的含量必须大于规定的指标^[13]。双相不锈钢具有良好的耐应力腐蚀性能，奥氏体的存在使其具有良好的脆化性能，以获得良好的冷热加工性能和焊接性能。另外，由于铁素体的加入，其屈服强度、抗应力腐蚀敏感性均有所改善，而这两相的同时出现会使合金的结晶化趋势减小，同时也会减少其晶间侵蚀趋势^[14]。

马氏体不锈钢是一种以马氏体为主要组织成分的不锈钢。马氏体不锈钢的含铬量为12%~18%，同时还包含一些碳化物和镍化物等奥氏体成分，因此在高温下会产生大量的或全部的γ相，而基底是具有磁化性质的马氏体，经过热处理可以调节它们的力学性能^[12][14]。

在合适的热处理条件下，其微观组织结构基本上是由奥氏体组成，而在经过一定时间的冷却，形成了马氏体组织。其晶体结构在高碳组分为体心四方晶格，低碳组分为体心立方晶格，是一种经热处理的强化不锈钢。它因其机械性质优良，耐腐蚀能力适中，在650℃以下有较高的耐热能力，在各工业领域得到了广泛的使用^[12][13]。

沉淀硬化型不锈钢是一种能够在经过时效处理后析出第二相进行沉淀而得到增强的不锈钢。它的基体是奥氏体或马氏体组织结构，其强度高、韧性好、耐腐蚀性能好，广泛用于航天和高科技行业^[12][14]。未经沉淀硬化热处理前，室温时可为奥氏体、马氏体或铁素体组织。经适当的沉淀硬化热处理，基体中可析出碳化物、金属间化合物等析出相使钢强化和硬化^[13]。

不锈钢具有良好的耐腐蚀性能是由于在铁碳合金中加人了铬所致，在普通的碳钢上添加超过12%的铬合金，可以在一定的条件下，在钢材表面产生一种不会被腐蚀的保护膜，使其与外界介质隔离而不易发生化学作用保持金属光泽，具有不生锈的特性。随着铬含量的增加，钢材的耐腐蚀性能也随之提高^[8][7]。在氧化条件下，该薄膜能被强化，但在还原条件下会使其发生损伤，从而导致钢材的锈蚀^[9]。如果在加工和应用中发生损坏，还可重新生成，因此，一般认为，不锈钢是指含有超过12%铬的抗腐蚀性的铁基合金^[28]。

不锈钢材料的力学性能主要包括拉伸强度、屈服强度、蠕变强度、疲劳强度，冲击韧性等。不锈钢的化学成分、热处理工艺等因素对其力学性能有明显的影响。加入不同的化学元素会对不锈钢的拉伸和屈服性能产生一定的作用，而组成的差别则决定了不锈钢的强度特征。其蠕变特性不但与其自身的组织形式有关，而且还与多种外界环境的相互作用有关。材料组成及热处理工艺对其疲劳强度的影响较大，普通的铁素体不锈钢耐热疲劳能力较好，而奥氏体型不锈钢在高温下韧性较好^[9]。

不锈钢材料的工艺性能是指不锈钢制品的成型性能、焊接性能、切削性能以及淬透性等几方面。工艺特性对不锈钢产品的性能和制造费用有很大的影响，即使在各个领域都有很好表现的钢材，但在处理困难或者容易损坏的情况下，它的应用也会受到很大的限制^[9]，而不锈钢的机械加工特性较好，例如强度高，硬度高，延展性好，成型性好，容易加工和焊接^[8]。

部分不锈钢具有受外磁场吸引或排斥的性质。马氏体及铁素体不锈钢属于强磁性，但奥氏体不锈钢通常属非磁性。奥氏体不锈耐热钢在冷加工时，有时将发生马氏体转变而产生磁性，可用热处理方法来消除这种马氏体的磁性另外，在奥氏体的焊缝金属中，若含有铁素体则呈弱磁性。双相不锈钢的磁性则介于奥氏体钢与马氏体钢之间^[11]。

不锈钢材料的线膨胀系数、密度和电阻率是其特性的重要指标。奥氏体型不锈钢的线膨胀系数约为低碳钢的二分之一，但其热传导率只有低碳钢的约三分之一，而马氏体型的不锈钢与低碳钢相比，其线膨胀系数接近于低碳钢，但其导热系数只有低碳钢的一半左右^[9][10]。

不锈钢冶炼最初采用坩gān埚法，之后发展到电炉冶炼工艺，20 世纪 60 年代开发出 VOD和 AOD 等炉外精炼技术后，不锈钢冶炼进入了高速发展时期^[29]。世界上不锈钢的主要冶炼方法有三种，即一步法、二步法、三步法^[30]。

一步法：电炉一步冶炼不锈钢。一步工艺对原材料的要求较高，生产中材料和能源消耗较大，生产成本较高，熔炼时间较长，产量较差，同时由于所制得的不锈钢制品种类较少，因此很少采用此法生产不锈钢^[30]。

二步法：1965 年和1968年VOD（真空吹氧脱碳精炼法）和AOD（氧脱碳精炼法）精炼装置先后问世，这些设备在改变不锈钢生产过程中发挥了重要的影响。前者是真空吹氧脱碳，后者是用氯气和氮气稀释气体来脱磺。这两种精炼设施的任何一种与电炉相配合，就形成了不锈钢的二步法生产工艺^[30]。

三步法：即电炉+复吹转炉+VOD三步冶炼不锈钢。其特点是以电加热炉为熔炼装置，仅承担含铬镍半成品钢的工作，复吹转炉主要任务是吹氧快速脱碳，以达到最大回收铬的目的，VOD真空吹氧机主要用于进一步的除碳除气和化学成份调整。三步法较更适用于缺乏氟fú的区域，以高含碳率的铁水作为原材料，生产低碳低氮不锈钢的比例更高^[30]。

AISI（美国钢铁学会）标准规定，不锈钢钢号用三位组成，第一位数字表示钢的类型，第二、第三位数字表示具体钢号在该类型钢中的顺序号，钢号末尾有的加英文字母或化学元素符号以区别与同号钢在成分上的一些差异。^[31]

不锈钢系列类别常用不锈钢特点和用途2XX（200系）铬镍氮奥氏体钢201不锈钢主要用做于装饰管、工业管，一些浅拉伸制品202不锈钢应用于建筑装饰商场、玻璃扶手、公共设施等场所3XX（300系）铬镍奥氏体钢304不锈钢耐高温，加工性能好，韧性高，用于工业、家具装饰和食品医疗行业316不锈钢耐蚀性极佳，用以制作或加工海用设备、染料、造纸等4XX（400系）高铬马氏体钢或低碳高铬铁素体钢409不锈钢价格低廉，常用作汽车排气管、热交换机等410不锈钢具有较高的硬度和韧性，耐腐蚀，用作机械零件、石油精炼装置等5XX（500系）低铬马氏体钢500不锈钢主要是耐热钢6XX（600系）耐热钢和耐热镍基合金630不锈钢最常用的沉淀硬化不锈钢，一般用于海上平台、直升机甲板等

车身结构用高强度的不锈钢制成，可以大幅减轻汽车的重量，增强车身结构的刚度，汽车的车身和内饰部分使用不锈钢可以提高汽车的维护寿命。另外，由于其耐氯碱侵蚀、耐高温等优点，因此在车辆的排气零件中广泛应用^[1]。

在汽车上使用不锈钢及产品的优势在于：防腐性好，维修量低，外观漂亮，无需经过任何加工，生产过程简单，生产时间短，与同类产品相比，采用不锈钢车身，其质量可降低20%~35%，对汽车的质量和速度都具有较大的提升。另外，不锈钢的使用安全性能好，有利于环保和节约能源^[2]。

建筑行业是不锈钢应用最早的领域之一。不锈钢结构是一种常见的结构材料，广泛应用在高层建筑中的外墙、室内、楼梯、室内装修及构件等。经过表面处理、着色、镀层的不锈钢板，可有效地克服接触模具容易产生指纹的问题，从而拓展了不锈钢的使用领域^[1]。

在造船工业中，不锈钢能有效地抵抗海洋中的氯化物腐蚀，适用于船用装饰、易腐蚀零件、船用机械等，根据运载物品的特性选用相应的耐腐蚀不锈钢、低温不锈钢等^[2]。在环保工业中，工业废气，渣滓和废水处理设施必须为不锈钢材质。在吸收塔和冷却器等部位应选用双相不锈钢及高牌号奥氏体不锈钢，以抵抗二氧化硫、氯离子和铁离子的侵蚀^[1]。

不锈钢具备结构材料所要求的许多理想性能，已广泛应用于生活中的方方面面。例如在厨房器具方面主要有水洗槽和电气、煤气热水器，家电产品主要有全自动洗衣机的滚筒。在手机等精密电子设备中，灵活应用了不锈钢的高强度、弹性和非磁性等特性，使得不锈钢的应用扩大，还有在各种金属制品中，具有良好清洁度和耐久性的不锈钢发挥了重要作用^[3]。