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什么是不锈钢

来源:博创兴(博创兴金属整理发布)   时间:2021-10-10

不锈钢应指在空气中或接近中性的介质中不产生锈蚀的钢;耐蚀钢应指在一些含有化学腐蚀介质,如酸、碱、盐及其溶液、海水和一些腐蚀性气体中能够不产生或少产生腐蚀的钢;耐热钢应指在较高温度环境中能够抗氧化、抗蠕变的钢。当然,一般的耐蚀钢和耐热钢都具有不锈的特性。习惯上,又常把不锈钢和耐蚀钢简称为不锈钢。

 

一、不锈钢的定义及界定范围

根据我国钢的分类标准,钢的定义为:“以铁(Fe)为主要元素,含碳(C)量一般在2%以下,并含有其他元素的材料”。按该标准,对钢以主要性能及使用特性分类,将不锈钢、耐蚀钢、抗氧化钢和耐热钢归属为一类,统称“不锈、耐蚀和耐热钢”,但是,严格来说,它们是有区别的。

在本书中,为便于说明问题和考虑习惯,将不锈钢界定为:含适当的碳,含铬(Cr) 12%以上,或还含有其他合金元素、能在含有腐蚀介质的液体或气体中具有抵抗腐蚀能力的铁基合金。

二、不锈钢的耐腐蚀机制

不锈钢的不锈性和耐腐蚀性是指其对遭受周围环境腐蚀的抵抗能力,或者说其对腐蚀产生的迟钝程度,简称钝化。关于不锈钢钝化现象的解释有很多理论,比如,从化学理论解释,认为不锈钢所以耐腐蚀,是因为其在与介质作用时,表面会有一层以Cr2 O3为主的薄膜,即钝化膜,这层膜的特点是很薄,在铬含量大于10.5%的条件下,一般只有几微米;这个膜的比重大于金属基体比重,说明膜很致密,因此,这层膜很难被腐蚀介质击穿,从而有效地保护金属基体不被腐蚀。再比如电子理论说,认为金属的钝性状态与未填满的电子层有关,在铁铬合金的不锈钢中,由于铬力求吸收电子,使铁(Fe)原子失去电子而被钝化了。还有的学者认为,当铁铬合金固溶体中的含铬量达到1/8(即12.5%)时,其电极电位可由-0.56V跃增至+ 0.2V,这个电极电位的提高,使金属在电解液中更稳定了,即不易被腐蚀了。

上述理论都是以铬的作用为依托的。实际上,由于材料所处环境的多样性、复杂性,在某些条件下还需添加其他合金元素,以提高和巩固材料的耐腐蚀性,如加入钼(Mo)元素,会使腐蚀产物MoO2-靠近基体而促进基体钝化;加入铜(Cu)元素,使不锈钢表面钝化膜中含有CuO,其与腐蚀介质不发生作用,从而提高材料的耐腐蚀性;加入氮(N)元素,会因钝化膜中富集Cr2 N,使钝化膜中的铬浓度提高,而提高材料的耐腐蚀性。

需要指出的是,不锈钢的耐腐蚀性是有条件的。介质种类、浓度、温度、压力、流速等各方面因素的差异对不锈钢产生的腐蚀效果是不同的,所以,不锈钢的不锈是相对的,不是绝对的、万能的。这一点务必引起我们的注意。

三、不锈钢的开发与发展

现在,不锈钢作为重要材料被人们重视,但是,至今不锈钢才有不足百年的历史。较早的是英国Brearley于1931年的报道,含碳量为0.4%的钢当含9%~16%的铬时,具有良好的抗腐蚀性能。这可能就是最早的不锈钢。相继,德国Strauss和Maurer等人通过研究指出:含足够量铬和镍(Ni)的钢有抗氧化和耐酸的作用。1917—1918年,法国根据Chevenard的研究成果,生产了含铬10%~15%,含镍20%~40%的专用钢。在此期间,美国也对含铬钢的耐腐蚀性进行了研究并推广使用含铬不锈钢。这些都是我们目前所熟知的铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢的前期成就。

在不锈钢的使用中,人们逐渐感觉到了不足。奥氏体不锈钢耐腐蚀性好,但强度较低,不能通过热处理调整强度,所以,不适合有较高强度要求的零件的使用。而马氏体不锈钢虽可通过热处理方法调整性能,保证具有较高的机械强度,但其耐腐蚀性稍差,因而在应用上受到限制。因此,逐渐开发了既具有较好耐腐蚀性,又可通过热处理方法调整机械性能的沉淀硬化不锈钢。

随着不锈钢应用范围的扩大,以及在某些介质中的构件由于不均匀的局部腐蚀而发生应力腐蚀破裂事故的增多,引起了科学家的注意,并研制开发了新型不锈钢钢种,即具有铁素体和奥氏体两种相组成的双相不锈钢。

经过近百年的发展,已使不锈钢具有铁素体系、马氏体系、奥氏体系、沉淀硬化系和铁素体-奥氏体系(双相不锈钢系)等五大系列、众多品种的钢铁材料,并在钢铁世界里占有重要的地位。

 

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