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现代铁素体不锈钢的性能及应用
中国特钢协会不锈钢分会专家委员会—李天宝

在许多应用不锈钢的环境中，由于现代铁素体不锈钢的诸多特性和优点，使不锈钢材料的应用从300系列奥氏体不锈钢向400系列铁素体不锈钢的钢种转换。由于现代铁素体不锈钢的诸多特性和优点，使紫铜管，白铜管逐步被400系列铁素体不锈钢不同牌号的材料所替代。要求材料实现转换和替代的其他原因还有：
1、冶金技术的提高，可实现C、N含量小于250ppm；冷轧技术的提高可实现高铬含量的冷轧薄带；可实现对照300系列不锈钢相同使用环境来对照牌号的相互转换。可以适用紫铜管，白铜管的使用条件。
1、铜和镍价波动很快，且波动大，不能适应经济稳定发展的需要。
2、紫铜管，白铜管价格昂贵，失去了性价优势。
3、由于环境保护政策的要求使超纯铁素体不锈钢得到更广泛的应用。
由此，在铁素体不锈钢应用选材中，对其性能了解和应用性能的掌握显得尤其重要的。
铁素体不锈钢系指铬含量在10.5%～30%，具有体心立方晶体结构，在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。铁素体不锈钢可根据其所含铬量的不同大致分为Cr11%～15%，Cr16%～20%和Cr21%～30%三大类。也可以分为五类铁素体系列不锈钢
其化学成份见表1.

五类铁素体系列不锈钢
铁素体不锈钢分为五大类，其中三类为标准牌号，两类为特殊牌号。迄今为止，用量最大和应用范围最广的主要集中于标准钢号。因此，标准铁素体不锈钢一般完全能够满足和适用大多数应用领域的要求。

第 1 类（409 或 410L 型）。 这类钢在所有不锈钢中铬含量最低，因而最便宜，最适合在没有腐蚀或轻微腐蚀及允许有局部轻微生锈的环境下使用。409 型不锈钢起初专门为汽车排气系统消音器（腐蚀不严重的外部）所设计。410L 型不锈钢常用于容器、公共汽车和长途大轿车，最近用作液晶显示器的外框。
第 2 类（430 型）。它是一类使用最广的铁素体不锈钢，含有较高的铬，具有较好的耐蚀性，其多数性能与 304 类似。在某些应用领域，可替代 304 型不锈钢，一般在室内使用具有足够的耐蚀性。典型的用途包括洗衣机滚筒、室内面板等。典型的 430 经常作为 304 替代材料，用于厨房设施、洗碗机、壶和锅等。其焊接特性可参见 37 页。
第 3 类 （包括 430Ti、439、441 等）。与第 2 类相比，这类型牌号具有良好的焊接性和成形性。在多数情况下，其性能甚至优于 304。典型用途包括水槽、热交换管（制糖业、能源等）、汽车排气系统（比 409 寿命长）和洗衣机的焊接部位。第 3 类牌号甚至可替代 304 用于性能要求更高的场合。

第 4 类（包括 434、436、444 型等）。这类牌号通过添加钼增加耐蚀性，其典型的应用领域是热水箱、太阳能热水器、汽车排气系统、电加热壶和微波炉部件、汽车装饰条和户外面板等。444 钢的耐蚀性能与 316 相当。
第 5 类（包括 446、445/447 型等）。这类牌号通过添加更多的铬和含有钼来提高耐蚀性和抗氧化性。这类牌号的耐蚀性和抗氧化性优于 316。典型用途在沿海建筑，水热交换器和其它含氯离子较高耐蚀环境。国产海酷一号的耐蚀性与金属钛相当。
性能优异的现代铁素体不锈钢
高质量铁素体不锈钢已经出现多年，通过大量的深入研究，目前已经形成了系列性能优异的商业牌号。这类铁素体不锈钢对市场和经验丰富的生产企业来说并不陌生。但奇怪的是，大家对这类牌号似乎漠不关心，这是历史原因造成的。430 不锈钢曾经是早期唯一认可的铁素体不锈钢种，但早期的用户对这个钢种的使用，特别是在焊接或腐蚀严重的条件下，没有足够的技术支持。经过一些事件，在最近几十年形成了铁素体不锈钢性能差而奥氏不锈钢性能优良的错误认识。铁素体不锈钢很早就得到了改进。现代技术的全面支持和钢种的增加和多样化来保证在性能上满足用户的需求。铁素体不锈钢的性能可与奥氏体不锈钢相比，因此，把铁素体不锈钢认为是性能差的或极其优异都是错误的。他们之间仅仅是性能和用途不同。
铁素体不锈钢特殊的优异特性表现为：
铁素体不锈钢有磁性。
铁素体不锈钢的热膨胀率低（加热时膨胀程度小于奥氏体不锈钢）。
铁素体不锈钢的高温抗氧化性好（表面氧化剥落倾向小于奥氏体不锈钢）
铁素体不锈钢热传导率高（铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢热传导更加均匀）。
含有稳定化元素铌的铁素体不锈钢有良好的蠕变抗力（在长时间应力作用下的应变比奥氏体不锈钢小）
铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢更易于切削和加工（奥氏体不锈钢的切削加工需要专用工具和大功率的机械，造成工具损耗也更大）。
在冷加工变形时，铁素体不锈钢的形变回复倾向比奥氏体不锈钢小
铁素体不锈钢的屈服强度更高（与碳钢相当），高于 304 不锈钢。
铁素体不锈钢，不同于奥氏体不锈钢，无应力腐蚀断裂倾向。
耐蚀性
不锈钢之“不锈”是由于 Cr 含量赋予了其特殊的耐蚀性
从某种程度上来讲，所有钢种都有发生腐蚀的倾向，然而，不锈钢由于其含铬比碳钢更耐蚀。铬（不是镍，但人们常误以为耐蚀的原因是镍）是不锈钢获得耐蚀性的主要成分。
耐局部腐蚀性
不锈钢在使用过程中通常不需要维护，但是，在某些情形下，为延长使用寿命，少量维护（例如，去掉沉积物）也是必要的。
不锈钢的耐蚀性主要取决于化学成分而与奥氏体或铁素体相结构无关。从耐蚀性角度来讲，铁素体相与奥氏体相甚至可以被看作是不锈钢家族中两个可互换的成员。
五类铁素体系不锈钢与奥氏体 304 不锈钢耐蚀性相比，非常鲜明地体现了铬的作用，同时也进一步说明含镍（奥氏体）不锈钢与大多数铁素体不锈钢的耐蚀性相当。

典型的铁素体/奥氏体/双相钢的耐局部腐蚀

10 16 17 18 20 24 26 30 35 38 40

上图给出的结果表明，只有含钼的铁素体不锈钢比 304不锈钢具有更优异的耐局部腐蚀（点蚀）性能。然而，稳定化的铁素体不锈钢，在图中尽管位于 304 不锈钢之下，但是仍具有很好的耐点蚀性。
第 1 类铁素体不锈钢最适合于一些温和的环境条件，例如室内（使用过程中不锈钢或者不与水接触或被定期擦干）或室外，不锈钢表面的一些轻微腐蚀是可以接受的，在这样的服役环境中铁素体不锈钢的寿命比碳钢更长。
第 2 类铁素体不锈钢在温和的环境条件下更耐蚀，甚至包括与水间歇接触的一些环境条件。
第 3 类铁素体不锈钢适用环境与第二类不锈钢类似，但更容易进行焊接加工。
第 4 类铁素体不锈钢比 304 不锈钢耐蚀性优异，其使用范围更为广泛。
第 5 类铁素体不锈钢，例如含有非常高的铬，大约 29%左右，以及 4% 钼，在海水中其耐蚀性与钛金属相当。
PRE 指数
PRE 或点蚀当量指数是衡量不锈钢在含氯离子环境中耐点蚀性的指标，PRE 值越大，耐点蚀性越好。

由 PRE 对照表可见，每一种奥氏体不锈钢都有与之相对应的耐蚀性相当的铁素体不锈钢。
在通用的 PRE 简化公式中，PRE=%Cr+3.3%Mo，由公式可知钼耐点腐蚀能力是铬的 3.3 倍。然而，铬通常是保证耐蚀性的基本成分，钼在不锈钢中不可取代铬，但可以提高不锈钢的耐蚀性能。
由于在大多数的应用中镍对抗点腐蚀不起任何作用，因此在上述公式中没有考虑镍含量。
铁素体不锈钢的连接
许多连接不锈钢的方法都能够很好地应用于铁素体不锈钢。

焊接：通过母材和添充金属熔化后重结晶使相互分离的两个或更多的材料达到完全的结合。
软钎焊：使用熔点在 450°C 以下的添充金属，加热其到钎焊温度（低于母材金属的熔点）以获得连接。
硬钎焊：与软钎焊相同，但焊接温度 > 450°C。
机械连接：包括嵌合，卷边结合，铆接和机械紧固等。
粘接：使用粘接剂并对干净和活性的表面施加压力来实现，粘接剂通过氧气，水或化学反应来实现连接作用。
焊接
诸多为碳钢而研发的焊接方法也可以使用在不锈钢焊接中，只有少数真正适合于不锈钢并且已经成为标准的方法有：电弧焊、电阻焊、电子束焊，激光焊和磨擦焊。
焊接是连接金属的最经济且效率最高的方法。这个过程使得结构的轻量化成为可能（通过选用最佳材料），连接所有的工业金属并可提供设计的适应性。
不锈钢的焊接性受其化学成分，金相组织和物理性能的影响，铁素体不锈钢在进行焊接时，具有一些比奥氏体不锈钢所不能比的非常实用的优势，这是由于其有较低的热膨胀系数，较低的电阻率和较高的导热性。
稳定化和非稳定化的铁素体类钢
一般说来，铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比，焊后产生晶间腐蚀的倾向要小
尤其是对于经“稳定化处理”的铁素体不锈钢来说，更是这样。所谓稳定化处理，就是添加强碳化物形成元素，如钛 (Ti) 和铌 (Nb)。这些元素在钢中与碳牢固结合起来，在焊接过程中，避免碳与铬结合形成铬的碳化物。这样就避免了在晶间产生贫铬区，经稳定化处理过的铁素体不锈钢的确没有晶间腐蚀倾向。
为了保证完全稳定化，钛的含量必须高于五倍的碳含量，或者铌加钛的含量必须高于三倍的碳含量。有时，适当加入氮，氮与钛、铌形成的氮化物可以细化熔合区的晶粒。
非稳定化处理的铁素体不锈钢不含钛或铌，因此在热影响区具有晶间腐蚀敏感性，这是由于产生了铬的碳化物。这种现象叫“敏化”，其程度主要取决于碳含量。
敏化态的不锈钢的耐蚀性可以通过在 600-800°C 的温度范围内退火处理而恢复。

高匹配的添充金属
为了保证焊缝也具有耐蚀性，使用的任何铁素体添充金属的 Cr，Mo，Ti 和（或）Nb 合金元素的含量要稍高于其母材中的含量。这是由于在焊接区会由于热的作用而使铬烧损。另外，也可以使用奥氏体填充金属，Cr 和 Mo 的含量要高于母材。
保护气体
由于含 Cr 高，不锈钢在熔化状态下被强烈氧化。如果在焊接过程中没有使其与空气隔离，铬就会烧损并形成氧化物，结果会丧失致密性，降低焊接接头的耐蚀性。对焊缝表面和附近区域的保护通常是通过提供惰性气体的保护来实现的。这种保护气体可以是纯氩（Ar）或氦气（He）或者是二
者的混合气体。
在焊接铁素体不锈钢时，保护气体应是纯氩或者是氩和氦的混合气体。氩氢混合气体通常用于奥氏体不锈钢中，但这可能会引起焊接接头的氢脆。在焊接铁素体不锈钢时，氩是最常见的背保气体（用来保护工件的背面）。在焊接铁素体不锈钢时是绝对禁止用氮气的。
铁素体不锈钢焊接问题的发现和解决
除了上述危险之外，还会在高温下由“形成相”和“晶粒粗化”而产生的脆化。这些危险的解决方法列在下面的“补救方法”表中。

钨极氩弧焊（GTAW 或 TIG/WIG）
在这种方法中（也称为钨或 Wolfam 惰性气体方法），熔化金属所需要的能量是由钨极和工件之间产生的电弧来提供的。

需要强调的是铁素体不锈钢除具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀性能优良耐水中氯离子含量见表2，是此类钢耐蚀性方面的主要特点。与用量最大的Cr-Ni奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或仅含少量镍，因而是一种节镍不锈钢；铁素体不锈钢的强度高，而冷加工硬化倾向较低，导热系数为奥氏体不锈钢的130%～150%，线膨胀系数仅为Cr-Ni奥氏体不锈钢的60%～70%。虽然铁素体不锈钢有如此多的优点，但自问世近80年间，与奥氏体不锈钢相比，其用途是非常有限的，产量也比较低，究其原因主要是当时铁素体不锈钢，特别是Cr＞16%的铁素体不锈钢存在一些缺点和不足，突出地表现在它们的室温，低温韧性差，缺口敏感性高，对晶间腐蚀比较敏感，而且这些缺点随铁素体不锈钢截面尺寸的增加，冷却速度的变慢和焊接的热影响而更加强烈地显示出来。虽然人们早在近半个世纪前已经了解到铁素体不锈钢中C，N等间隙元素的存在是使铁素体不锈钢产生上述缺点的关键因素，但限于当时的冶金技术并未获得解决。上世纪70年代以后，由于不锈钢精炼技术的发展，AOD，VOD(包括SS-VOD*)，真空冶炼和连续电子束炉冶炼等工艺的出现，已能生产出低碳、氮、氧的高纯和超高纯铁素体不锈钢，从而使铁素体不锈钢的上述缺点和不足得到了有效的克服，而且进一步发展了许多新的可焊性能好，加工性优良的铁素体不锈钢。2000年以后，原有的铁素体不锈钢中碳(氮)含量有了更大程度的降低。高铬、高钼，超低碳、低氮的所谓超级铁素体不锈钢的出现，使铁素体不锈钢在耐苛刻介质腐蚀，耐氯化物的点蚀和缝隙腐蚀等应用方面进入了一个崭新阶段。

1：铁素体不锈钢相图及相，合金无素对其组织和性能的影响。
1.1 铁素体不锈钢的相图及相
1.1.1 Fe-Cr二元合金的相图
Fe,Cr的原子半径分别为0.25，0.256nm，二者非常接近，而电负分别为1.8，1.6，相差也不多，因此，它们可以形成连续固溶体。图1-1为Fe-Cr平衡图。从图中可知：
①A5铁的熔点因铬的加入而降低，Fe-Cr合金的最低熔点及其相应的化学成分分别为1505℃及22%Cr；
②铬是扩大α相区，缩小γ相区的铁素体形成的元素。它可使γ相区缩小到850～1400℃的范围内；
③A3温度（αγ）因铬量的增加而不降，铬得高到～8%时，转变温度降到极小值～850℃。铬量再提高，A3温度开始迅速上升，到12%～13%时，约达到1000℃；
图1-1 Fe-Cr二元相图
④A4温度（δγ），纯铁约在1400℃。随铬量增加，转变温度下移，当铬量达12%～13%时，降至～1000℃。在1000℃上下，转变温度线汇合而形成封闭的γ相区。当铬量ρ于12%～13%后，δ不再转变成γ相，从溶点到高温，Fe-Cr合金一直保持铁素体的组织结构；
⑤在γ与α相区间，有一个狭窄的α+γ的双相区。在此温度区间内，合金是α+γ双相结构，但它们能否保持到室温，取决于冷却速度；
⑥当温度低于820℃时，高铬的Fe-Cr合金可形成金属间化合物σ相。
1.1.2 碳，氮等对Fe-Cr二元相图的影响
铁素体不锈钢系含碳、氮等元素的Fe-Cr合金。而碳，氮等元素对Fe-Cr二元合金相图的主要影响是使α+γ双相区向铬量更高的方向移动。图1-2和图1-3是部分试验结果。可以看出，当C 0.013%，N 0.015%时，使α+γ
图3-57 镍对30%Cr铁素体不锈钢脆性转变温度（81.3J）的影响
○-真空感应炉冶炼；
●-电子束炉冶炼
注：电子束炉冶炼比真空感应炉冶炼钢中C+N量要低得多
图1-2 碳对Fe-Cr合金相图中y+a/a相界的影响
图1-3 碳对Fe-Cr合金相图中
y+a/a相界的影响

双相区的位置从13%Cr移到了17%Cr；而当C 0.04%，N 0.03%时，则进一步移到21%Cr；而当C 0.019%，N 0.02%时，则可移至26%Cr，与此同时，碳和氮还使双相区最宽位置向更高的温度方向移动。
1.1.3 铁素体不锈钢中的相
铁素体不锈钢中的相主要有碳化物，氮化物，金属间相和马氏体相等。
图1-4 镍对Fe-Cr二元相图的影响
（1）碳化物和氮化物
研究表明，碳和氮在铁素体中的溶解度非常低。例如，在含铬26%的铁素体不锈钢中1093℃时，碳在钢中的溶解度为0.04%，而在927℃仅为0.004%，温度再低要降到0.004%以下；927℃以上时，氮在钢中溶解度为0.023%，而在593℃仅为0.006%，因此，铁素体不锈钢在高温加热和在随后冷却的过程中，即使急冷，也常常难以防止碳化物和氮化物的析出。
铁素体不锈钢中的碳化物主要是（Cr，Fe）23C6和（Cr，Fe）7C3。
铁素体不锈钢中的氮化物主要是CrN和Cr2N。
钢中的碳化物和氨化物对铁素体不锈钢的性能是有害的。突出地表现在对耐蚀性、韧性、缺口敏感性等的影响上，这将在1.2.3中加以介绍
（2）金属间相
铁素体不锈钢中的金属间相主要有a′相和σ相
图1-5 退火温度对Cr28铁素体不锈钢
强度和韧性的影响
①a′相早期曾发现，铬含量＞
图1-6 钢的屈服强度（a）及延伸率（b）与
482℃时效时间的关系
15%的铁素体不锈钢在400~500℃范围内长时间保温会产生强烈的脆化，并使钢的强度硬度显著提高（图1-5）。种现象一般称之为475℃脆化。图1~6~图1-10指出了00Cr11，0Cr18，00Cr26Mo1，00Cr29MO4Ni2等铁素体不锈钢482℃和371℃~593℃时效时，钢的强度与塑性的变化。
图1-7 断裂出现的转变温度（FATT）
与482℃时效时间的关系
现已研究确定，导致铁素体不锈钢475℃脆性的原因是a′相的析出，a′相是一种富铬相，含铬量可高达60%~83%，含铁量为37%~17.5%，尺寸为10~20nm左右。此相具有体心立方结构且无磁性，晶格常数为877nm， 牙塔介于铁与铬的品格常数之间。图1-11系Fe-Cr合金中，a′相存在的相图。从相图中可以看出，a′相的产生是由于520℃以下σ→a+a′反应的结果。由于a′相的析出较为缓慢，因此，从a′及σ相在a相的溶解度线上加热所得到的单相a，既使在空冷条件下，也不会有a′的相析出，只有随后在520℃以下时效，才会有a′相沉淀而导致钢的脆化。

图1-8 18%Cr钢（a）及Cr26Mo1钢（b）的屈服
强度与时效时间的关系

图1-9 18%Cr钢（a）及Cr26Mo1钢（b）的FATT
与时效时间的关系

图1-10 Cr29Ni4M02钢的延伸率（a）及
FATT（b）与时效时间的关系

图1-12 铬对Fe-Cr合金形成σ相的临界时间的影响
图1-11 低温时的Fe-Cr 合金相图

当重新加热到550℃以上时，由于a′的溶解，又会使钢的塑、韧性得到恢复。a′还会使钢在硝酸中的耐蚀性下降。
图1-13 工业生产的铁素体不锈钢与Fe-Cr二元合金中σ相的存在范围
1-D.C.Lodwigson;
2-H.S.Link;
3-J.J.Heger
② σ 相铁素体不锈钢在500～925℃温度范围内加热或停留时，同样会使钢产生严重脆化。研究表明，此种脆化的原因是由于σ相的析出。从图1—1的Fe–Cr二元相图中可以看出，Fe—Cr合金中有σ相区的存在，而且σ 相的铬量范围在42～50%；α+σ 相区的铬量≥20%，其存在温度为500～800℃。由于σ相是一种无磁且具有高硬度的脆性相。因而常常引起钢的韧性下降。由于σ相富铬，它们的析出又常常引起铬变化
而使钢的耐蚀性下降。连续成网状的σ相较岛状者更为有害。
图1—12指出了形成σ相的临界时间与合金中铬量的关系。可以看出，铬量可加速度σ相形成；只有长时间保温才能形成σ相。
图1-14 Cr17%不锈钢（430型），788℃处理×100
在铁素不锈钢中，除Fe，Cr外还含有其它元素，因此，σ相的行为要比Fe—Cr二合金复杂。例如，当Fe—Cr合金中含有Mo，Si，Mn，Ni等元素时，可使σ相区向低铬浓度的方向移动。因此，工业生产的铁素体不锈钢不仅σ相的存在范围扩大，而且其沉淀速度也显著增加。图1—13系工业生产的铁素体不锈钢与Fe—Cr二合金中α+σ相区的比较。显然，铬量低到10%左右仍位于α+σ相区内。研究已证实，含铬12%～16%的铁素体不锈钢经10000和76000时效已观察到了σ相。
除σ相外，在含钼的高铬铁素体不锈钢中还发现有χ相存在。χ相同样是一种脆性相，因而显著降低钢的缺口韧性。研究表明χ相中Mo，Cr元素的富集还高于σ相且其析出速度要较σ相为快。表1—1列出了钢中钼量对18%Cr和20%Cr二种铁素体不锈钢，χ相和σ相析出温度和时间的影响。

表1-1 钢中钼量对产生金属间相所需温度和时间的影响
Mo，%
产生σ相
产生χ相
时间，h
温度，℃
时间，h
温度，℃
20%Cr *
0
8000
625
ND

2
8000
650
350
680
3.5
8000
625
5
750
5
ND

＜0.1
850
18%Cr*
0
ND

ND

1
300
650
ND

2
10
650
300
750
3
20
750
20
800
5
＜0.1
700
＜0.1
850
*20%Cr-0.004%C-0.002%N；18%Cr-0.015%C-0.015%N-0.2%Ti。
ND-经10000h时效也未产生。

需要指出的是，铁素体不锈钢中一旦出现σ相和χ相，可采用加热到它们的形成温度以上保温后急冷的办法来加以消除。
（3）马氏体
碳～0.06%，铬15%～18%和含碳0.08%以下，铬25%～30%是二类最常见的铁素体不锈钢。试验表明，含铬15%～18%的铁素体不锈钢。900℃以下组织几乎完全是由纯铁素体的基体上与晶界和基体上析出的细小弥散的碳化物所组成（图1—14）。但高于900℃处理时，由于有奥氏体形成，因此在随后冷却时将有马氏体生成（图1—15）。含铬25%的铁素体不锈钢（C 0.08%），其退火组织与15%～18%Cr钢相同，仅是碳化物比较粗大。但当高于950℃加热并水冷处理时，其马氏体的数量则很少。
铁素体不锈钢中马氏体的存在将显著提高钢的强度；而对屈服强度的影响，当马氏体≤15~20%时，随马氏体量增加，屈服强度降低，当马氏体量再高，则屈服强度进一步提高。图1—16和图1—17系马氏体量对C 0.1%，Cr～18%的铁素体钢强度的影响。
图1-15 含碳~0.1%的Cr17%不锈钢、1200℃水冷处理×540

图1-17 马氏体量对C~0.1%，
Cr~18%钢屈服强度的影响
图1-16 马氏体量对C~0.1%，
Cr~18%钢抗拉强度的影响

最近的研究表明，含铬～17%的铁素体不锈钢，当钢中C+N量≤0.03%时为纯铁素体组织；当C+N＞0.03%后，高温下则有α+γ双相结构；在随后冷却过程中，奥氏体会转变为马氏体，从而使钢的组织既具有α+M双相结构又使钢的组织细化。随铁素体晶粒的细化，钢的脆性转变温度下移。图1—18系铁素体不锈钢中马氏体量对铁素体晶粒尺寸的影响。而图1—19则系铁素不锈钢晶粒尺寸对钢的脆性转变温度的影响。

图1-19 铁素体不锈钢的晶粒尺寸对其脆性转变温度的影响
图1-18 铁素体不锈钢中的马氏体量对铁素体晶粒尺寸的影响

在30℃的自来水和含C1ˉ2×104ppm的30℃水中以及在含C1ˉ600ppm的90℃水中，研究了Cr17铁素体不锈钢的晶间腐蚀，晶间应力腐蚀与钢中碳、氮含量和焊缝隙影响区马氏体量的关系，得出了图1—20的结果，可以看出，当钢中马氏体量在9%以上时，Cr17铁素体钢的耐蚀性良好且不受钢中碳，氮量的影响，而当热影响区的马氏体量低时，即使C+N＜0.1%，也不能避免焊缝热影响区应力腐蚀的出现。
1.2合金无素对铁素体不锈钢组织和性能的影响
常用铁素体不锈钢，按钢中含铬量分类，主要有Cr11%—15%型、Cr16%~20%型、和Cr21%~30%型三种。而对铁素体不锈钢组织和性能影响最大的合金元素主要是Cr，Mo，C和N以及Ni。当然，有的铁素体不锈钢中还含有Ti，Nb，Cu等，它们对铁素体不锈钢的组织和性能也有一定的影响。下面将就这些合金元素的作用和影响加以扼要介绍。
1.2.1 铬的影响
图1-20 钢中C+N量，热影响区的马氏体量对Cr17钢焊后晶间腐蚀和晶间应力腐蚀的影响
O-无应力腐蚀；X-有应力腐蚀；△–仅在90℃自来水和90℃含600ppmCl-水中产生应力腐蚀。
铬是使铁素体不锈钢具有铁素体组
织并具有良好耐蚀性的主要元素。
铁素体不锈钢中，随铬量的增加对钢
的组织的主要影响是加速α′相和σ的形成和沉淀并使钢的铁素体晶粒更加粗大。这些因素反映在对铁素体不锈钢性能的影响上，主要是脆化倾向的增加。表1-2和图1-21~图1-22指出了一些试验结果。前面已述及，σ相的析出将降低铁素体不锈钢的耐蚀性，而α相的沉淀在一些介质中，同样显著降低钢的耐蚀性（图1-23）。
图1-21 不同含铬量的铁素体不锈钢，
由于a′相析出所引起的硬度变化
在铁素体不锈钢中，即使是在正常状态下的退火态，随铬量增加，钢的韧性也下降。特别是当含铬量＞15%~16%后，其韧性的下降更加明显（图1-24）。与此同时，随铁素体不锈钢中铬量的增加，钢的脆性转变温度也显著上移（图1-29）。研究含铬量对铁素体不锈钢抗拉强度

图1-22 铁素体不锈钢中铬量、时效温度、时间对钢的硬度的影响
（a）100h；（b）1000h

的影响，其结果表明，含铬量在~25%以下，随铬量增加，钢的强度下降；而当高于~25%后，则铬量增加，钢的强度稍有提高（图1-25）。这种现象一般解释为， Cr＜~25%时，随铬量增加，纯铁素体组织抑制了马氏体的形成；Cr＞~25%后，随铬量增加，铬的固溶强化作用而使钢的强度提高。
铬是不锈钢获得不锈性和耐蚀性的最主要的元素，在铁素体不锈钢中
图1-23 a′相对17% Cr和30% Cr
铁素体不锈钢耐蚀性的影响
50%沸腾盐酸、钢在试验温度下时效1h
图1-24 铁素体不锈钢中铬、碳量
对钢的冲击韧性的影响
（ V型缺口）

图1-25 钢中铬量对含Cr14%~28%的铁素体不锈钢脆性转变温度的影响
真空冶炼，全尺寸V型夏比试样14%~18%Cr，815℃×1h，水冷；20%~28%Cr，980℃×1h水冷；
○ 14Cr-2Mo；●18Cr-2Mo ;□20Cr-2Mo
■ 22.5Cr-2Mo；△ 25Cr-2Mo；▲ 28Cr-2Mo
图1-26 钢中铬量对铁素体
不锈钢抗拉强度的
影响

也不例外。铁素体不锈钢在氧化性介质中，铬能使不锈钢表面上迅速生成氧化铬（例如Cr2O3）的钝化膜，这层膜是非常致密和稳定的，即使一旦被破坏也能迅速修复。不同含铬量的Fe-Cr合金在H2SO4介质中的阳极极化曲线以及腐蚀电位E∞rr,临界钝化电位Ep，与铬量的关系分别示于图1-27和图1-28中。这些曲线说明以下问题。
①铬的腐蚀电位比铁更负，钝化能力较铁更强。随Fe-Cr合金中，铬量的

增界钝化电流密度极极化曲线0~10%Fe；1~2.8%Cr；2~6.7%Cr；3~9.5% Cr；

ipp(活性溶解时的最大电流密度)逐渐减小，这表明Fe-Cr合金中铬量越高

则越易钝化；0~10%Fe；1~2.8%Cr；2~6.7%Cr；3~9.5% Cr；ipp(活性溶解时

的最大电流密度)逐渐减小，这表明Fe-Cr合金中铬量越高则越易钝化；
图1-27 在10%H2SO4中，Fe和Fe-Cr
合金的阳
4~12% Cr；5~14% Cr；6~16% Cr；7~18 Cr
图1-28 Fe-Cr合金的腐蚀电位
Ex和临界钝化电位Ep与
铬含量的关系1 mo1/1
H2SO4 25℃M`

②由图1-28中可知，当合金中的铬量为10%~13%时，临界钝化电流曲线（Ep曲线）在虚线区出现了由活性态到钝化态的过渡阶段。当铬含量超过13%时，合金进入钝化态。在25 M硫酸中，在稳定钝化区Fe-Cr合金维持钝态电流（ip即钝态下的腐蚀电流），随合金中铬量的增加而逐渐减小，合金也就越耐蚀。
③在活性溶解区，由于腐蚀电位随合金中铬量增加而向负电位方向移动，所以Fe-Cr合金的活性溶解（即腐蚀）速率随合金中铬量增加而升高。从图1-29的实验结果可看出（图中加入了设想的阴极化曲线，曲线I代表
图1-29 Fe-Cr合金在10%H2SO4或盐酸中（阴极曲线I）
和10%硝酸中（阴极曲线II）的极化图
了在盐酸或硫酸中的氢去极化过程，曲线Ⅱ代表在硝酸中的氧去极化过程）可以看出，在10%硝酸或盐酸中，除含铬外，合金在阴
极、阳极极化物曲线均交于阳极曲线的溶解段，如曲线上1，2，3，4……，铬含量越高，腐蚀电流密度越大。含铬～24%的合金，依腐蚀的具体条件而定，曲线若交于活性溶解段则腐蚀甚大，而若交于钝化区，则腐蚀很小。当铬含量﹥24%时阴极极化曲线就交于钝化区，合金则具有耐蚀习性。在10%硝酸中，阴极、阳极极化曲线交于图中1，2，3，4，点，腐蚀电流随合金中铬量的增加而显著减小。当含铬量在13%以上时，曲线交于钝化区，则合金腐蚀。
图1-30系铬对铁素体不锈钢耐一般（全面）腐蚀性能的影响。可以看出，在具有氧化性的酸介质中，例如HNO3中，随铬量增加，钢的耐蚀性显著提高，而在稀H2SO4 、稀HCl等还元性酸介质中则随钢中铬量的提高耐蚀性下降。而当向H2SO4等还元性介质中加入强氧化剂时，提高钢

图1-31 铬对Fe-Cr合金在H2SO4和
Fe2（SO4）溶液中耐蚀性的影响
Fe2（SO4）-50% H2SO4+25g/600ml
Fe2（SO4）3，沸腾温度

图1-30 铬对Fe-Cr合金耐
一般腐蚀性能的影响

的耐蚀性就会显提高（图1—31），这与强氧化剂的存在促进了铬的钝化有关，图1—31中含铬~12%时的腐蚀速度达6000mm／a,而当铬量≥25%时，由于钝化，合金的腐蚀的速度则趋于零。
国内在湿法磷酸条件下（90℃，70%H3PO4+4%H2SO4+0.5%硫酸铁+5%F+60ppmcl-）研究了铬、钼含量对铁素体不锈钢耐蚀性的影响，部分结果见表3-3。结果指出，铬是铁素体不锈钢耐湿法磷酸腐蚀最重要的合金元素；在试验条件下显著提高铁素体不锈钢耐蚀性的铬量应＞25%。采用X
表1-3 Cr，Mo对铁素体不锈钢耐湿法磷酸腐蚀性能的影响*，g/（m2·h）

射在试验条件下显著提高铁素体不锈钢耐蚀性的铬量应＞25%。采用X射线光电子谱仪（XPS）进行表明，铬的有效作用在于形成致密且稳定的Cr2O3氧化膜且富集于膜的内层处。
铬在铁素体不锈钢中， 对钢的负耐点蚀，耐缝隙腐蚀性能有重要的影响。一般说来，随钢中铬量的增加，铁素体不锈钢耐点蚀，耐缝隙腐蚀性能提高。图1-32~图1-33和表1-4系一些试验结果。正是由于这个原因，许多高铬铁素体不锈钢常常用于耐氯化物的点蚀和缝隙腐蚀而代替价格昂贵的高Cr-Ni奥氏体不锈钢。

图1-32 铬中Fe-Cr合金点蚀
电位的影响
0.1N NaCl溶液，PH=2
图1-33 铬中Fe-Cr合金耐点
蚀性能的影响
10%FeC l3·6H2O溶液室温试验10天

表1-4 几种铁素体不锈钢的耐缝隙腐蚀性能与一种
高Cr ,Ni，Mo奥氏体不锈钢相比较的结果

、、、、铬在铁素体不锈钢中，随钢中铬量的提高，钢的晶间腐蚀敏感性降低。图1-34系有关的示意图。
图1-34 钢中铬量对铁素体不锈钢
晶间腐蚀敏感性的影响
（示意图，铬量A＜B＜c）
铬对铁素体不锈钢耐应力腐蚀性能的影响，随钢中化学成分的不同和试验条件的差异，其结果亦异，在沸MgCl2溶液中，不同应力下研究不同铬量的铁素体不锈钢的腐蚀形态的变化的结果表明，在高应力下（即外加载荷接近钢的断裂强度时），铁素体不锈钢产生晶间应力腐蚀断裂，且此倾向随钢中铬量的提高而降低（图1-35）；当外加载荷有所减小时，铁素体不锈钢就会产生点蚀和微细的穿晶应力腐蚀裂纹，而且这些穿晶应力腐蚀裂纹系滑移带优先溶解的结果。在10%NaCl溶液中，当外加应力为0.9~1.0σs时，研究250~650℃时效后，钢中铬量对铁素体不锈钢应力腐蚀行为的影响，得到了图1-36的结果。显然，随钢中铬量增加，钢的耐应力腐蚀性能下降。若根据此结果，高铬（Cr22%~26%）铁素不锈钢在含有NaClχχ水溶液中的使用温度不应高于250℃。图1-36中Cr降低钢的耐应力腐蚀性能主要是由于铬量的提高加速了250~650℃时效后α＇相沉淀的结果。
12.2 钼的影响
钼是铁素体不锈钢中仅次于铬的重要元素。
图1-35 不同应力作用下铬对
铁素体不锈钢腐蚀形态的影响
○□-无晶间应力腐蚀；
●■-有晶间应力腐蚀
△σ=σb-σ(σb-钢的断裂强)
度；σ-外加载体应力
–铁素体不锈钢随钼量的提高，钢更易获得纯铁素体组织；更加促进α＇相，特别是χ的析出；通过固溶强化使铁素体不锈钢的硬度、强度提高，塑性下降；进一步提高铁素体不锈钢的脆性转变温度和缺口敏感性，降低钢的韧性，钼在铁素体不锈钢中最重要的作用是提高钢的耐蚀性，特别是钼的耐点蚀，耐缝隙腐蚀等性能。
图1-36 不同温度时效后，
铬量对铁素体不锈钢
应力腐蚀行为的影响
时效时间1000，2000和5000h
表1-1中已经指出了钼含量对18%Cr和20%Cr二种铁素不锈钼中σ相，χ相析出温度和时间的影响。可以看出，钼在含铬20%的高纯铁素体钢中，仅对χ相的析出有促进作用，而对含铬18%的工业纯铁素体不锈钢中，对χ相和对σ的析出均有促进作用。含钼量高达5%的高纯20%Cr铁素体不锈钢仅发现有 χ而并无σ相存在，这说明钢中钼量更有利于钢中 χ的形成。
图1-37中指出了Mo对铁素体不锈钢脆性转变温度的影响。可以看出，对于含铬25%的铁素体不锈钢而言，无论是C+N＜0.019%的高纯钢，还是C+N≤0.08%的非高纯钢，含钼量在~2%以下，对钢的脆性转变温度似无显著影响，含钼量再高，Mo提高钢的脆性转变温度的作用才较明显的显示出来。向高纯铁素体不锈钢中加入Mo能显著提高钢的硬度
（图1-38）。Mo的强化效果似远大于铬量的提高。向铁素体不锈钢中加入Mo，主要目的是提高钢的耐蚀性，钼能促进Fe-Cr合金的钝化，从而使铁素体不锈钢在还原性介质中耐蚀性提高。
图1-39系Mo对Fe-Cr合金腐蚀-电化学影响的试验结果；表1-5则系在lH2SO4和lNHCl验结果。可以明显看出钼的有效作用。一些试验还指出，向Cr17%~18%的铁素体不锈钢中加入2%~3%Mo,可使此钢耐常压下任何浓度醋酸的腐蚀。

图1-37 Mo对25%Cr铁素体不锈钢脆性转变温度的影响
（a）高纯钢C+N＜0.019%，980℃×1h，水冷处理；
（b）非高纯钢C+N≤0.08%，815℃×1h，水冷处理；
试样为V型缺口尺寸冲击样

图1-38 Mo和Cr对高纯铁素体不锈钢硬度的影响
1000℃×1h，水冷处理（钢中C0.003%~0.005%；N0.0033%~0.007%）；
Si＜0.023%；Mn＜0.006%

图1-39 Mo对Fe-Cr合金腐
蚀-电化学行为的影响
1NH2SO425℃，50mV/5min
向铁素体不锈钢中加入Mo显著提高钢的耐点蚀性能。表1-6和表1-7，图1-40~图1-42 系一般的腐蚀试验和电化学试验所取得的一些结果。大量的试验结果还表明，向铁素体不锈钢中加入钼，一般随钼量增加，钢的耐点蚀性提高且当Mo≥~2%，后便具有比较明显的效果。虽然在有些腐蚀环境中，铁素体不锈钢中不含钼，即使钢中铬量高也很难获得满意的耐点蚀性，但是钼在铁素体不锈钢中具有良好耐点蚀作用的前提是钢中必须含有足够量的铬。一般说来，钢中铬量越高，钼提高钢的耐点蚀的能力相当于铬的~3.0倍，因此人们常常用铁素体