不锈钢的最新研究进展系统论述

本期导读：

不锈钢是一类重要的钢材，它们通常在腐蚀性环境中使用，发挥其出色的耐蚀性，从本期开始连续刊载不锈钢的最新进展 ，内容来自一篇文章综述，由金属材料科学与技术微信公众平台独家编译，希望对读者有帮助，并带您走进不锈钢的世界，今天介绍第一辑：不锈钢的分类与消费现状。

不锈钢的起源和不锈钢的一般分类

毫无疑问，不锈钢是一类重要的合金。它们的重要性体现在依赖于它们的全面应用。

从低端应用，如炊具和家具，到非常复杂的应用，如太空飞船，不锈钢的使用总是不可或缺的。事实上，在我们的日常生活中不锈钢无所不在，使得我们很难一一列举它们的应用。

不锈钢餐具

术语“钢”意指用铁构成的材料主体，而形容词“不锈钢”的使用，意味着在“正常”钢易受环境影响的污染、生锈或腐蚀环境中（例如，相对纯的、干燥的空气）可以正常服役的钢。

为了赋予钢的“不锈特性”，铬必须加入至少约11wt.％。在这种Cr水平下，在相对良性的环境中可在钢表面上形成粘附的自愈合氧化铬。

然而，为了防止在更恶劣的环境（例如在潮湿气候或污染的环境中）或在诸如碳的元素的存在下防止点蚀和生锈，必须添加更高的Cr含量。虽然Fe-Cr系统形成基础，但除了Cr之外，现代不锈钢还包含许多其它合金元素，其存在增强了特定的性能。

奥氏体不锈钢微观组织

添加Mo以增强对点蚀的抵抗力，并且添加Ni用于获得奥氏体。对于某些等级，例如超级超导和超稳定性，含有大量这些合金元素的情况并不罕见。

当大量添加Cr和Ni的含量时，所得到的合金被称为耐热合金。虽然在不锈钢中可能存在一些杂质合金元素，但是它们的总含量通常保持在铁含量以下，将所得合金保持为钢。

不锈钢中存在三种主要类型的微结构，即铁素体、奥氏体和马氏体。这些微结构可以通过适当调节钢的化学性质来获得。

在这三个主要微观结构中，不锈钢可以分为几个主要类别：（1）铁素体不锈钢，（2）奥氏体不锈钢，（3）马氏体不锈钢，（4）双相不锈钢，（5）沉淀硬化不锈钢和（6）Mn-N取代的奥氏体不锈钢。

双相不锈钢微观组织

不同类别的不锈钢具有不同的性质。例如，完全奥氏体不锈钢是非磁性的，但它们的马氏体和铁素体对应物具有铁磁性。

各种不锈钢的不同性质已经被广泛研究了很长时间，因此在文献中有非常详细地记载。关于不锈钢的早期手册，其中包含一系列信息性文章，是这个主题的一个很好的信息来源。

全球不锈钢生产和消费现状

如上所述，不锈钢的使用非常广泛。不锈钢的重要性可以通过观察一些主要经济体的生产和消费量来了解（表1）。这些数字显示，在上世纪90年代，不锈钢的消费每年都有上升趋势。

表1 主要经济体的不锈钢消费

虽然表1显示了上个世纪的趋势，表2给出了自2000年以来主要大陆的更新数据。表2清楚地表明，不锈钢和耐热钢的生产吨数不断上升。表2显示，亚洲的经济正在快速膨胀，占全世界不锈钢的很大一部分。

表2 2001至2007年不锈钢和耐热粗钢产量

在亚洲国家中，中国生产的吨位特别高。例如，中国已超过日本作为世界上不锈钢的主要生产国，2006年人均消费量超过4.6公斤。

不锈钢中的沉淀物

不可避免地，在高温下使用大量不锈钢部件。在高温暴露时，各种类型的不锈钢中可能沉淀出许多相，并且它们的沉淀对性能具有深远的影响。

这些相中的一些，如M23C6碳化物，可能是所有类别的共同特点，但其中一些不是。例如，富铬的BCC铁氧体（通常表示为ɑ′Cr）仅属于铁素体和马氏体类（和双相类的铁素体相）。Hagg碳化物M5C2通常仅在碳含量达到非常高的水平时（如在渗碳中遇到的）形成。

由于对不锈钢进行了如此广泛的研究，可以对其中形成的各种相进行很好的表征。

然而，正如本文后续部分所述，一个被称为J相的新相最近才在Fe-Cr系统中被发现。不包括J相，在表3中列出了不锈钢中通常遇到的其它相。

表3 不锈钢中常见的相

必须强调的是，该表中列出的组成和晶格参数必须谨慎地参考，相的组成和晶格参数可能剧烈变化。各相的沉淀导致了全面的性能变化。然而，这些变化几乎总是对不锈钢的性能不利。

晶界碳化物的形成伴随着其附近的Cr含量的降低，使耐腐蚀性降低，并且已知是造成致敏的主要原因。α′Cr的形成使钢脆化，这种现象众所周知为475℃脆化。

金属间化合物如σ相和Chi相的沉淀降低了韧性和耐腐蚀性。因此，这些高温沉淀物几乎总是被认为是有害的并不奇怪。

然而，已经发现，这些沉淀物中的一些，例如σ相，也可以被利用。这篇综述的作者之一（Lai）表明，在双相不锈钢中形成α′Cr可以用于约550℃以下的温度测量。

这种名为Feroplugs的技术在英国和美国获得专利，并在两位作者（Shek和Lai）的早期回顾中详细介绍。Lai等也表明金属间σ相可用作热点指示剂。

这种更新的技术，被指定为Sigmaplugs，将在不锈钢的应用部分中介绍。多年来，一些作者撰写了许多关于不锈钢的高质量综述文章，具有代表性的是Shek，Solomon和Devine]，Sourmail和Nilsson等。不锈钢手册中的文章也提供了对各种不锈钢的详尽介绍。不同的沉淀物和与其形成相关的问题也在这些出版物中有详细描述。

由于常见问题的根本原因如致敏，点腐蚀和475℃脆化以及它们对性能的伴随影响也已经进行了很好地记录，所以读者可以参考上述评论以获得更多细节。因此，这里不介绍这些问题。相反，本评论文章将重点关注这些问题的最新发现。

虽然他们构成了一个“旧”合金系统（不锈钢的诞生可追溯到大约20世纪初），并且已经对理解它们进行了广泛的研究工作，但是不锈钢从来没有被卸任是边缘化材料科学。

事实上，用关键词“不锈钢”在数据库（如ScienceDirect和ScienceCitation Index Expanded）中搜索很容易找到上千篇最近的文章，这是对此声明的一个有力的证明（自1995年以来发表的文章被视为“近期”，因为似乎很少评论总结自那时以来获得的结果已经发表）。

最近出版的关于不锈钢的大量生动地文献显示，在这种合金系统中仍然存在未解决的问题和“未知领域”。以下两段简要介绍了最近人们取得的一些结果。

最近的一些文章包括了早期人们所做的未完成的工作。例如，虽然很久以前发现和表征了G相，但是Mateo等人最近才正式制定了其形成的模型。

在很多最近的出版物中，重新审查了一些似乎很好地解决的问题，并提出了新的观点。例如，亚稳态奥氏体不锈钢中的形变诱导马氏体通常认为可能形成马氏体。然而，Hedstrom等人认为这是不可能的，在他们最近的工作。

另一个例子是氮对堆垛层错能（SFE）的影响。虽然许多早期工作的结论是N的含量增加单调抑制SFE在奥氏体不锈钢中，但最近的研究，但是，明确证明N对SFE的影响是相当复杂。不用说，最近的工人已经能够用早期工人无法获得的尖端技术的设备寻找新的发现。

例如，使用3DXRD，Hedstrom等已能够在多晶 AISI 301 钢中单独研究单个晶粒的原位转变，并且显示该转变以非常局部化的方式发生。新的不锈钢提供了非常优越的性能。最近也已经证明了用于制造纳米级晶粒度的不锈钢的多种方法（应用非常严重的塑性变形）。

更高分辨率的透射电子显微镜使工人能够更好地表征严重塑性变形过程中的微观结构演化（例如，参考Belyakov等人最近的一系列工作）。

几个最近的出版物似乎已经解决了争议，例如导致氢脆的主要机制。例如，几个最近的文献有说服力地证明HELP（氢增强局部塑性）是在奥氏体不锈钢中引起氢脆的基础机制。

最近研究的一大块内容，其结果将在本评论的后面提出，一直致力于高氮钢及其不锈钢兄弟。

尽管高N不锈钢肯定不是新发明，但是它们的系统和大规模研究似乎只有自20世纪90年代以来才获得优势，如几篇经常引用的专著和一系列国际会议的出版它们专门用于高N钢（参见上述专论中关于这些会议的细节）。

1998年，事实上并不是很早，研究旨在制定高N双相不锈钢的合金设计指南仍然在文献中遇到。在不锈钢中引入高含量N的几种新方法仅在过去十年中出版物中出现。

虽然在过去10-15年中，不锈钢有这么多令人兴奋的新发展，但是在上述早期的评论文章中几乎没涵盖这些新发展。因此，本文努力向读者介绍这些新发展的一些概述。

本文作者试图给出一个尽可能百科式的评论，以便包括各种主题。然而，正如刚才提到的，最近关于不锈钢的出版物的数量非常高，几乎不可能在一篇综述文章中挤压所有最近的出版物的结果。然而，在大量近期作品中报道的各种主题的研究结果已经在本评价中进行了概括和呈现。

参考文献：

K.H. Lo, C.H. Shek, J.K.L. Lai. Materials Science and Engineering R, 65 (2009) 39–104.

本文由金属材料科学与技术微信公众平台独家编译

更多精彩内容：

从工业角度探析渗氮工艺的特点与关键问题

位错运动与金属塑性变形机制高阶讲解

沉淀硬化不锈钢的强度和耐蚀机制浅析

硬度是如何炼成的？看完你发现真不了解硬度 [高能学习资料]

循环塑性变形中的循环硬化与循环软化

德国高铁断轴事故原因分析（高能学习资料）

传播金属科技，服务公众需求。

做全世界最好的中文金属材料科技服务平台。

微信号：MMST2014

业务合作：124812@163.com，欢迎您来函。