王祥昀

摘 要 目前，不锈钢已经成为人类生产生活中不可缺少的材料，广泛应用于食品、医疗卫生、家装建材、工业设备生产制造等各个领域。其力学性能与普通钢铁材料相比更加优异，可以在特殊环境下服役工作。然而不锈钢的腐蚀，特别是奥氏体不锈钢的晶间腐蚀是不锈钢生产制造过程中最大的障碍，因此对不锈钢腐蚀机理和防治措施的研究势在必行。文章通过对不锈钢腐蚀和力学性能的分析和讨论，可以指导相应的工业生产和科学研究。

关键词 不锈钢；晶间腐蚀；应力应变；σ相

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）230-0190-03

不锈钢是能在空气、水、蒸汽和酸、碱、盐等溶液中耐腐蚀合金钢的总称。不锈钢的含铬量大于10.5%，与此同时还含有Ni、Ti、Mn、N、C、Nb、Mo、Cu、Si等元素。不锈钢具有各种优良性质，广泛应用于各个领域，是一种重要的合金材料。不锈钢因具有耐腐蚀及耐热性，不仅可以在特殊环境下服役工作，同时兼具美观性和环保性，可被回收再利用，而且生命周期成本较低，非常符合现代社会低碳环保的理念。此外经过特殊处理的不锈钢具有抗菌性，可以用来制造餐具、手术器械等器皿。

不銹钢可按其金相组织的不同分为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体铁素体双相不锈钢。

奥氏体不锈钢的铬元素含量在18%到20%之间，镍元素含量在8%到10%之间，还含有少量钼、钛、氮等元素。奥氏体不锈钢具有良好的塑韧性、耐腐蚀性、无磁或弱磁性，是应用最为广泛的一种不锈钢，主要用于制造耐腐蚀设备、运输管道以及钟表外壳等领域[ 1 ]。

马氏体不锈钢的含碳量较高，因而强度较高，硬度较大，耐磨性较好，具有良好的力学性能，但耐腐蚀性较差。马氏体不锈钢主要应用于对力学性能要求较高的部件上，如弹簧、汽车轴承、汽轮机叶片等。在不同的回火温度下，马氏体不锈钢会具有不同的强度和韧性。

铁素体不锈钢含铬量约为15%～20%，而且一般不含镍，其耐腐蚀性、韧性、可焊性优良，并随含铬量的增加而显著提升。此外还具有较好的抗氧化性及耐氯化物应力腐蚀性能，可用于制造耐腐蚀零部件及在高温下工作的设备，是奥氏体不锈钢在许多领域的良好替代品从而大幅度降低了生产成本。但铁素体不锈钢σ相的析出会降低不锈钢的塑性和韧性，制约了其使用条件。

奥氏体-铁素体双相不锈钢中既有铁素体，又有奥氏体，且其相对含量均大于15%。双相不锈钢兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，并且具有良好的耐孔蚀性，广泛应用于各个工业领域。

1 不锈钢腐蚀原因及耐腐蚀性能机理

1.1 不锈钢耐蚀性机理

目前关于不锈钢的耐蚀有两种不同的机理即钝化膜机理和稳定化元素固溶机理，这两种机理分别可以解释不同的情况。钝化膜理论被认为是不锈钢耐蚀性的基本机理，此机理表明在不锈钢表面存在一层以Cr2O3为主要成分的薄钝化膜，正是这个薄钝化膜的产生阻止了腐蚀。不锈钢的钝化膜由于厚度极薄，一般只有几微米，而且比重比基体大，钝化膜中铬的含量比基体高三倍以上，因此具有抵抗腐蚀的能力[ 2 ]。第二个耐蚀机理为稳定化元素固溶机理，由于不锈钢的应用环境非常复杂，只含有单一成分的Cr2O3 薄膜无法满足对高耐蚀性的要求。所以要根据使用条件的不同加入铜、氮、钼等稳定化元素，经过固溶处理使其弥散进入不锈钢，进而改变钝化膜的元素组成，提高其耐蚀性。

1.2 不锈钢的腐蚀机理

按腐蚀过程中的影响因素分类，不锈钢的腐蚀可分为应力腐蚀、点蚀、间隙腐蚀和晶间腐蚀。

不锈钢的应力腐蚀是不锈钢在拉应力与腐蚀介质共同作用下产生的腐蚀。应力腐蚀中的应力主要来自加工过程中的参与应力，由于应力的作用，金属原子处于不稳定状态，在特定腐蚀介质的作用下，易失去电子而被腐蚀。要产生应力腐蚀，除了需要足够拉力和特定的腐蚀环境外，金属材料还要具有特定的成分和内部结构。

点腐蚀是金属在表面某些点部位发生的轻微腐蚀，易发生于含有卤离子或金属夹杂物的条件下。卤离子中氯离子既能破坏钝态，又能阻止钝态的产生，是对点状腐蚀影响最大的元素。点腐蚀的外观隐蔽因而其潜在破坏性极大，是一种危险的腐蚀形式。当小蚀孔扩大为直径大于等于30μm的孔蚀源后由于蚀孔内外电势不同，会形成大阴极小阳极的电池结构，由于阳极面积小，电流密度较大，腐蚀的速度会不断的提高。

间隙腐蚀是在金属缝隙中发生的腐蚀，其原理与点腐蚀基本相同。主要区别是发生的位置不同，间隙腐蚀主要发生在构件的接触间隙处，间隙处由于溶解氧不足，无法维持不锈钢的钝态而发生腐蚀，此外间隙腐蚀在较温和条件下也能发生。

晶间腐蚀是一种局部腐蚀，它破坏晶粒间的结合，从而使金属的强度大大降低。发生晶间腐蚀的金属，表面依旧光亮，而内部已遭破坏。晶间腐蚀不易检查，危害性极大。奥氏体不锈钢的含碳量较高，易发生晶间腐蚀。

1.3 奥氏体不锈钢晶间腐蚀

用以解释晶间腐蚀的理论主要有“贫Cr理论”和“晶界杂质选择性溶解理论”[ 2 ]。常温下，碳在奥氏体不锈钢中的溶解度较低，约为0.02到0.03wt%，低于奥氏体不锈钢的含碳量。因此，不锈钢中的碳处于过饱和状态，在不锈钢处于敏化温度区间（427℃到816℃），C和Cr形成碳化物在晶界处大量析出。由于Cr的原子半径较大，在不锈钢中扩散较慢，晶界处的Cr得不到及时补充，其含量会大幅度降低。当晶界处Cr含量低于钝化所需的临界浓度11.7wt%时，晶界贫铬区与中心富铬区形成活化—钝化微电偶结构，产生晶界腐蚀。贫铬理论可以解释不锈钢在一般性氧化介质中的腐蚀。而在强氧化性介质中，晶间腐蚀发生在经过固溶处理的不锈钢上，对这种情况应选用晶界区选择性溶解理论解释。晶界上析出了沉淀析出相或有杂质（P、Si等）造成晶界偏析时，这些物质在强氧化性介质中发生了选择性溶解，进而造成晶间腐蚀。

影响晶间腐蚀的因素有腐蚀介质、不锈钢成分、加工方式和温度等。腐蚀介质直接影响着不锈钢的腐蚀，一般在酸性介质中不锈钢的晶间腐蚀较严重。不锈钢中C、Cr、Ni等元素对不锈钢的晶间腐蚀都有影响。随着含碳量降低，不锈钢的晶间腐蚀会减轻，奥氏体不锈钢中Cr的含量升高在低温敏化区会加速晶间腐蚀，而在高温敏化区会延长产生晶间腐蚀的时间[ 2 ]。Ni含量的升高会降低碳的溶解度，使晶间腐蚀加剧。不锈钢的不同加工过程对晶间腐蚀也有很大影响。经铸造的不锈钢因产生气孔、夹杂、偏析等缺陷而易发生晶间腐蚀，热作成型时若在敏化温度区间内停留时间过长则易产生晶间腐蚀。

针对影响晶间腐蚀的因素，可提出相应的控制措施来避免晶间腐蚀现象的产生。控制含碳量可减少碳化物的析出，或采用双相组织能提高含铬量，大大提高抗晶间腐蚀能力，同时可人为控制和减少不锈钢在敏化温度区间的时间可降低晶间腐蚀的发生几率。

2 不锈钢的力学性能

2.1 常温下不锈钢的力学性能

不锈钢具有与普通低碳钢不同的力学性能，不锈钢具有非线性的应力-应变关系、较低的比例极限、一定的各向异性、明显的应变硬化特性[ 3 ]。建筑行业实际应用中的不锈钢构件多为冷加工成型的不锈钢圆管和方矩管，实验发现，R-O模型更为接近工程实际，通过建立R-O模型可以对不锈钢的力学性能进行估算和模拟。

2.2 经高温后不锈钢的力学性能

经过高温后，不锈钢的力学性能会发生一定的变化。

高温对不锈钢应力-应变曲线前期影响较小，后期影响较大。温度工况低于600℃时对不锈钢影响较小，高于600℃时影响較大。经高温后冷却后，不同种类不锈钢的力学性能变化有很大不同。

冷却方式对材料应力-应变曲线有明显影响。冷却方式一共有两种：淬水和空冷。当式样的温度工况低于600℃时，不同温度以及不同冷却方式对高温冷却后不锈钢材料力学性能整体的影响较小；而当温度工况大于或等于600℃时，不同温度工况和不同冷却方式对材料力学性能有着较明显的影响[ 4 ]，其抗拉强度、弹性模量、屈服极限与前者相比均有明显的变化。其主要原因可能为高温和后续的冷却温度相差过大导致晶体形核和长大过程较为剧烈，宏观上表现为力学性能的显著变化。

2.3 σ相析出对不锈钢力学性能的影响

σ相是不锈钢中的一种富含Cr、Mo、Si等元素的析出相，存在于多种不锈钢中。目前较为公认的σ相析出机理是铁素体的共析分解，铁素体的共析分解是一个扩散型相变过程，σ相析出产生更多的非共格相界面，引起不锈钢力学性能的变化[ 5 ]。σ相对不锈钢的韧塑性、强度、硬度和耐磨性均有影响。

韧性是衡量金属材料强度和塑性的综合力学指标。σ相的析出会显著降低不锈钢的冲击韧性，双相不锈钢的冲击韧性对σ相的析出尤其敏感，同时，σ相也会降低不锈钢的塑性。

大部分研究者认为，σ相的析出能在一定程度上提高不锈钢的强度，且不锈钢的强度随σ相含量的增加而增加。同时由于相硬度较高，其σ的析出会提高不锈钢的硬度和耐磨性[ 5 ]。总之，σ相的析出能提高材料的硬度、耐磨性和强度，但使韧性大大降低，通常将其视为有害相。

3 结论

随着经济的发展，生活水平的提高，不锈钢因其优异的性能在装饰、家居、医疗等行业起到越来越重要的作用。同时由于不锈钢具有可回收利用的性质，符合我国可持续发展的要求，在未来的发展中将会有更多的应用。未来不锈钢的研究应重点为不锈钢腐蚀的防护及性能的提升，相信通过科技的不断发展和进步，不锈钢会为我们国家未来的发展提供强有力的工业上的保障和源源不断的动力。

参考文献

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[2]郭新刚，宋鹏涛，王永宁.奥氏体不锈钢的腐蚀机理研究[J].科技创新与应用， 2013（17）：8-9.

[3]郑宝锋，舒赣平，沈晓明.不锈钢材料常温力学性能试验研究[J].钢结构，2011，26（5）：1-6.

[4]范圣刚，张岁寒，孟畅.高温冷却后奥氏体不锈钢力学性能试验研究[J].浙江大学学报（工学版），2017（12）：56-62.

[5]王永强，林苏华，李娜，等.σ相析出对不锈钢力学性能的影响概述[J].钢铁研究学报，2016，28（2）：1-8.