不銹鋼是指主加元素鉻含量能使鋼處于鈍化狀態(tài)，又具有不銹特性的鋼。為此，不銹鋼w（Cr）應(yīng)高于12%（不銹鋼是一類以Fe-Cr、Fe-Cr-C、Fe-Cr-Ni為合金系的高合金鋼，作為此類的鋼必須含有質(zhì)量分數(shù)不低于10.5%的鉻，含有這個最低鉻含量的鋼在其表面可以形成一個惰性氧化物層，這個惰性氧化物層可以保護內(nèi)層的金屬在不含腐蝕介質(zhì)的空氣中不被氧化和腐蝕。某些鉻的質(zhì)量分數(shù)低于11%的鋼，比如用于電站的w（Cr）=9%鉻的合金鋼有時也被劃為不銹鋼，同時也要指出某些w（Cr）=12%的鋼，甚至更高鉻含量的鋼，暴露在空氣中也會生銹。這是因為某些鉻被結(jié)合成碳化物或其他化合物而降低了母材中的鉻含量，使其低于形成連續(xù)氧化物保護層所必須的鉻含量水平，如25%Cr-4%C）。此時，鋼的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，使鋼的電極電位和在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性發(fā)生突變性提高。在非氧化介質(zhì)（HCl、H2SO4）中，鉻的作用并不明顯，除了鉻外，不銹鋼中還須加入能使鋼鈍化的鎳、鉬等其它元素。通常所說的不銹鋼實際是不銹鋼和耐酸鋼的總稱，不銹鋼一般泛指在大氣、水等弱酸、堿、鹽等強腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。兩者在化學成分上的共同特點是w（Cr）均在12%以上，但由于合金化的差異，不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般具有良好的不銹鋼性能。
一、不銹鋼發(fā)展史
1、 1821：法國人Berthier 進行在鋼中加鉻的試驗；
2、 1897：德國人Goldschmidt開發(fā)了生產(chǎn)低碳含鉻合金鋼的技術(shù)；
3、 1904~1909：在法國和德國生產(chǎn)了w（Cr）=13%和17%的合金鋼；
4、 1913：英國人Brearly在Thomas Firth and Sons公司澆鑄了第一塊商業(yè)鑄錠，鑄件號No.1008，成分（質(zhì)量分數(shù)）：0.24%C、0.2%Si、0.44%Mn、12.86%Cr。
5、 1916：9月5日美國w（Cr）=9%～16%，w（Cr）<0.7%的鋼發(fā)布專利：專利號1，197，256。
把鉻加到鋼中并揭示其耐腐蝕的有利效應(yīng)要歸功于法國人Berthier，他在1821年開發(fā)了一種w（Cr）=1.5%的合金并建議用于餐刀。然而對這種鋼的早期實驗發(fā)現(xiàn)：隨鉻含量增加其成型性劇烈變壞（由于早期合金的碳含量很高），因而直到20世紀初期開發(fā)這種鋼的興趣仍然不大。對于耐蝕鋼的興趣在1900年到1915年期間又重新興起，很多冶金學家為開發(fā)耐蝕鋼而獲得信貸。這各重新興起開發(fā)耐蝕鋼活動的催化劑是1897年Goldschmidt在德國開發(fā)了生產(chǎn)低碳含鉻合金鋼的技術(shù)。隨后不久Guillet(1904), Portevin(1909) 和Giesen(1909)等發(fā)表了描述w（Cr）=13%的馬氏體不銹鋼和w（Cr）=18%的鐵素體不銹鋼的微觀組織和性能的論文。1909年Guillet還發(fā)表了一篇關(guān)于鉻-鎳鋼研究的論文，這種鋼的奧氏體類不銹鋼的前驅(qū)。
英國人Brearly被認為是不銹鋼的發(fā)明者，當時是為了研究由w（Cr）=5%鋼制作的來復槍槍膛因內(nèi)部腐蝕而失效的問題，通過研究在1913年8月他鑄成了成份（質(zhì)量分數(shù)）為12.86%Cr, 0.25%C, 0.20%Si, 和0.44%Mn的合格鑄錠。這種鋼被用來制造了12個實驗槍管，雖然并沒有像所期望的那樣改進槍管的腐蝕問題，但其中某些材料被用來制造餐刀刀片而開始了應(yīng)用不銹鋼的紀元。
二、不銹鋼的種類、化學成分及其用途
不銹鋼按照組織類型，可分為五類，即鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。
不銹鋼的重要特性之一是耐蝕性，然而不銹鋼的不銹性和耐蝕性都是相對的，有條件的，受到諸多因素的影響，包括介質(zhì)種類、濃度、純凈度、流動狀態(tài)、使用環(huán)境的溫度、壓力等，目前還沒有對任何腐蝕環(huán)境都具有耐蝕性的不銹鋼。因此，不銹鋼的選用應(yīng)根據(jù)具體的使用條件加以合理選擇，才能獲得良好的使用效果。
奧氏體不銹鋼在各種類型不銹鋼中應(yīng)用最廣泛，品種也最多。由于奧氏體不銹鋼的鉻、鎳含量較高，因此在氧化性、中性以及弱還原性介質(zhì)中均具有良好的耐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性優(yōu)良，冷熱加工性能俱佳，焊接性優(yōu)于其它類型不銹鋼，因而廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、食品工業(yè)、醫(yī)療器械、紡織印染設(shè)備以及石油、化工 、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。
鐵素體不銹鋼的應(yīng)用比較廣泛，其中Cr13和Cr17型鐵素體不銹鋼主要用于腐蝕環(huán)境不十分苛刻的場合，例如室內(nèi)裝飾、廚房設(shè)備、家電產(chǎn)品、家用器具等。超低碳高鉻含鉬鐵素體不銹鋼因?qū)β然飸?yīng)力腐蝕不敏感，同時具有良好的耐點蝕、縫隙腐蝕性能，因而廣泛用于熱交換設(shè)備、耐海水設(shè)備、有機酸及制堿設(shè)備等。
馬氏體不銹鋼應(yīng)用較為普遍的是Cr13型馬氏體不銹鋼。為獲得或改善某些性能，添加鎳、鉬等合金元素，形成一些新的馬氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼主要用于硬度、強度要求較高，耐腐蝕要求不太高的場合，如量具、刀具、餐具、彈簧、軸承、氣輪機葉片、水輪機轉(zhuǎn)輪、泵、閥等。
雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體兩相組成的不銹鋼，而且各相占有較大的比例。雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的一些特點，韌性良好 、強度較高，耐氯化物應(yīng)力腐蝕。適于制作海水處理設(shè)備、冷凝器，熱交換器等，在石油、化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨或復合添加硬化元素，通過適當熱處理獲得高強度、高韌性并具有良好腐蝕性的一類不銹鋼。通常作為耐磨、耐蝕、高強度結(jié)構(gòu)件，如軸、齒輪、葉片等轉(zhuǎn)動部件和螺栓、銷子、墊圈、彈簧、閥、泵等零部件以及高強度壓力容器、化工處理設(shè)備等。
三、不銹鋼的組織特點
因化學元素含量的上下限和熱處理狀態(tài)的差異，從各元素對不銹鋼組織的影響和作用程度來看，基本上有兩類元素。一類是形成或穩(wěn)定奧氏體的元素：碳、鎳、錳、氮和銅等，其中碳和氮作用程度最大。另一類是縮小甚至封閉γ相區(qū)即形成鐵素體的元素：鉻、硅、鉬、鈦、鈮、鉭、釩、鎢和鋁等，其中鈮的作用程度最小。
不銹鋼的組織有以下幾種組織類型：
1. 奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。為改善某些性能，滿足特殊用途要求，在一些鋼中單獨或復合添加了氮、鈮、銅、硅等合金元素。奧氏體不銹鋼通常在室溫下為純奧氏體組織，也有一些奧氏體不銹鋼室溫下的組織為奧氏體加少量鐵素體，這種少量鐵素體有助于防止熱裂紋的產(chǎn)生。奧氏體不銹鋼不能用熱處理方法強化，但由于這類鋼具有明顯的冷加工硬化性，可通過冷變形方法提高強度。經(jīng)冷變形產(chǎn)生的加工硬化，可采用固溶處理使之軟化。
2. 鐵素體不銹鋼
今年來鐵素體不銹鋼逐漸向低碳高純度發(fā)展，使鐵素體不銹鋼的脆化傾向和焊接性得到明顯改善。該類鋼在固溶狀態(tài)下為鐵素體組織。當鋼中w（Cr）超過16%時，仍存在加熱脆化傾向。在400～600℃溫度區(qū)間停留易出現(xiàn)475℃脆化，在650～850℃溫度區(qū)間易引起σ相析出而導致的脆化，加熱至900℃以上易造成晶粒粗化，使韌性降低。這類鋼還有脆性轉(zhuǎn)變特性，其脆性轉(zhuǎn)變溫度與鋼中碳、氮含量，熱處理時的冷卻速度以及截面尺寸有關(guān)，碳、氮含量越低，截面尺寸越小，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低。475℃脆化和σ相析出引起的脆化，可通過熱處理方法予以消除。采用516℃以上短時加熱后空冷，可消除475℃脆化，加熱到900℃以上急冷可消除σ相脆化。
3. 馬氏體不銹鋼
馬氏體不銹鋼w（Cr）范圍在12%～18%，w（C）范圍在0.1%～1.0%，也有一些含碳量更低的馬氏體不銹鋼，如0Cr13Ni5Mo等。馬氏體不銹鋼加熱時可形成奧氏體，一般在油或空氣中冷卻即可得到馬氏體組織，含碳量較低的馬氏體不銹鋼淬火狀態(tài)的組織為板條馬氏體加少量鐵素體，如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。當w（C）超過0.3%時，正常淬火溫度加熱時碳化物不能完全固溶，淬火后的組織為馬氏體加碳化物。
馬氏體不銹鋼可以達到很寬的強度范圍，屈服強度可以從退火狀態(tài)下的275MPa到淬火+回火狀態(tài)下的1900MPa。對于大多數(shù)的工程應(yīng)用，淬火后的鋼一般要進行回火，以得到所需的韌性和塑性。
4. 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼
鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼室溫下的組織為鐵素體加奧氏體，通常鐵素體的體積分數(shù)不低于50％。雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，具有較低的熱裂傾向，而與鐵素體不銹鋼相比，則具有較低的加熱脆化傾向，其焊接熱影響區(qū)鐵素體的粗化程度也較低。但這類鋼仍然存在鐵素體不銹鋼的各種加熱脆性傾向。
5. 沉淀硬化不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼包括馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不銹鋼和奧氏體沉淀硬化不銹鋼。由于這類鋼中含有較多硬化元素，比普通奧氏體不銹鋼的焊接性差。
四、不銹鋼的物理性能和力學性能
1. 不銹鋼物理性能
奧氏體不銹鋼比電阻可達碳鋼的5倍，線膨脹系數(shù)比碳鋼的約大50%，而馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的線膨脹系數(shù)大體上和碳鋼的相等。奧氏體不銹鋼的熱導率為碳鋼的1/2左右。奧氏體不銹鋼通常是非磁性的。鉻當量和鎳當量較低的奧氏體不銹鋼在冷加工變形較大的情況下，會產(chǎn)生形變誘導馬氏體，從而產(chǎn)生磁性。用熱處理方法可消除這種馬氏體和磁性。
2. 不銹鋼的力學性能
馬氏體不銹鋼在退火狀態(tài)下，硬度最低，可淬火硬化，正常使用時的回火狀態(tài)的硬度又稍有下降。鐵素體鋼的特點是常溫沖擊韌性低。當高溫長時間加熱時，力學性能將進一步惡化，可能導致475℃脆化、σ脆性或晶粒粗大等。奧氏體不銹鋼常溫具有低的屈強比（40%～50%），伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。某些奧氏體不銹鋼經(jīng)高溫加熱后，會產(chǎn)生σ相和晶界析出碳化鉻引起的脆化現(xiàn)象。在低溫下，鐵素體和馬氏體不銹鋼的夏比沖擊吸收功均很低，而奧氏體不銹鋼則有良好的低溫韌性。對含有百分之幾鐵素體的奧氏體不銹鋼，則應(yīng)注意低溫下塑性和韌性降低的問題。
五、不銹鋼的耐腐蝕性能
金屬受介質(zhì)的化學及電化學作用而破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕，不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕（表面腐蝕）和局部腐蝕，局部腐蝕包括晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。據(jù)統(tǒng)計，在不銹鋼腐蝕破壞事故中，由均勻腐蝕引起的僅占約10%,而由局部腐蝕引起的則高達90%以上，由此可見，局部腐蝕是相當嚴重的。
1. 均勻腐蝕
均勻腐蝕是指接觸的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。檢查方法多半使用失重法。
2. 局部腐蝕
①. 晶間腐蝕
在腐蝕介質(zhì)作用下，起源于金屬表面沿晶界深入金屬內(nèi)部的腐蝕稱為晶間腐蝕。它是一種局部性腐蝕。晶間腐蝕導致晶粒間的結(jié)合力喪失，材料強度幾乎消失，是一種很值得重視的危險的腐蝕現(xiàn)象。導致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的原因很多，概括有以下幾種:
a．碳化鉻析出引起的晶間腐蝕
b．σ相析出引起的晶間腐蝕
c．晶界吸附引起的晶間腐蝕
d．穩(wěn)定元素高溫溶解引起的晶間腐蝕
②. 點蝕及縫隙腐蝕
點蝕及縫隙腐蝕的共同機理是腐蝕區(qū)間產(chǎn)生“閉塞電池腐蝕”作用所致，但各自的具體原因不相同。
點蝕是指在金屬材料表面產(chǎn)生的尺寸約小于1.0mm的穿孔性或蝕坑性的宏觀腐蝕。點蝕的形成主要是由于材料表面鈍化膜的局部破壞所引起的。
縫隙腐蝕是金屬構(gòu)件縫隙處發(fā)生的斑點狀或潰瘍形宏觀蝕坑。它是以腐蝕部位的特征命名的。和點蝕形成機理有差異之點在于縫隙腐蝕主要是由介質(zhì)的電化學不均勻性引起的。因此，改善運行條件、改變介質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)形式是防止縫隙腐蝕的重要措施。
③. 應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）
應(yīng)力腐蝕是指在靜拉伸應(yīng)力與電化學介質(zhì)共同作用下，因陽極溶解過程引起的斷裂。在應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下有三種不同類型的局部腐蝕——應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞。
