第二节 耐蚀不锈钢
所谓耐蚀钢是指在酸性、碱性、海水或潮湿大气中不与酸、碱和氯离子等发生化学反应的钢，此类钢必须有稳定的、纯净的单一相组织，尤其是晶粒间界必须纯净，不可有其他元素的化合物，以免增大晶界的表面能而导致腐蚀，故通常要求耐蚀钢含碳小于0.1％，一般的技术标准限定在0.08％以下，严格的技术标准限定在0.03％以下，视为超低碳。为了获得稳定的单一相组织，借助扩大和稳定γ区的元素，Ni、Mo、Cu、N等与Cr、Si等元素的适当组合，而得到单一的奥氏体相，以形成一系列奥氏体型耐蚀不锈钢；或借助缩小γ区元素的作用，如Cr、Si、Al等，形成铁素体型耐蚀不锈钢。一些特殊的合金元素有利于提高钢材对于某些特定环境的抗腐蚀性，如Mo元素对于耐海水氯离子穿孔腐蚀的不锈钢是不可缺少的。
一、奥氏体型和铁素体型耐蚀不锈钢
奥氏体型和铁素体型耐蚀不锈钢都可用于轧材或铸件。当代各国除去本国的耐蚀钢牌号标准外，国际通用的主要是美国钢铁协会（AISI）制定的标准牌号，公认为各国生产和国际贸易中的技术标准。AISI规定的不锈钢牌号为200系列、300系列和400系列。表2-4列出了几种典型的不锈钢的合金元素百分含量。
表2-4 典型的不锈钢的合金元素百分含量
AISI 200系列中各牌号均含有Cr，Mn，Ni，N元素，以保证得到奥氏体组织，属于含镍的奥氏体不锈钢。300系列中特殊元素只含有Cr，Ni（其他元素含量一般），属于含镍高的奥氏体不锈钢，广泛用作板材和化工行业耐蚀件。400系列各牌号属于高铬无Ni或很少Ni的不锈钢，具有铁素体的显微组织。分为可硬化（马氏体）和不可硬化（铁素体）两类。各系列不锈钢都有耐腐蚀和抗高温氧化及大气腐蚀的共性，故系统称为不锈钢，力学性能各有差异。
二、高综合性能板条马氏体不锈钢
所谓高综合性能是指强度、延塑性、硬度、耐蚀性、耐泥沙磨损、水流冲刷、大气侵蚀等各种条件下构件用钢。板条马氏体不锈铸钢主要用于大、中型水力发电站水轮机组的过流构件，如叶片等。马氏体组织的不锈钢也需要Ni、Cr、Mo元素，唯独不需特意加入Si、Mn、N元素。这类不锈钢在正火热处理空气冷却过程中，奥氏体转变成板条状马氏体组织，在回火过程中板条马氏体不是转变成回火索氏体，而是有少数板条马氏体反常地转变成奥氏体，金属学家把这种奥氏体称为逆变奥氏体。这种转变并未改变其天然的柔韧性，依然以其面心立方（FCC）晶系的特性而具有韧塑性。由于这种逆变奥氏体以点、块状分布在强度高、硬度高的板条马氏体的板条束之间，这种双相组合使材料具有良好的力学性能，同时在板条马氏体和逆变奥氏体的晶格内熔有Cr、Ni、Mo等元素，有利于提高钢的物理化学性能，所以此类铸钢的综合性能很优越，很适于水轮发电机过流构件的工作条件，表现出耐蒸汽腐蚀及使用寿命长等特点。
典型的马氏体不锈钢0Cr13Ni4Mo（美国材料试验协会ASIM的牌号CA6NM）的化学成分为：C≤0.06％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Cr为11.5％～14％，Ni为3.5％～4.5％，Mo为0.4％～1.0％，拉伸强度σb≥754MPa，屈服强度σ0.2≥549MPa，延伸率≥15％（标距2时≈50.8mm），断面缩小率≥35％，冲击功≥27.12J。
0Cr13Ni6Mo最早发明的目的是水轮机叶片专用钢，我国包括葛洲坝水电站所用的叶片（单个毛重29t的叶片的珐琅根部壁厚530mm处，需具有≥550MPa的拉伸强度）就是采用该钢材，作者对比了相关钢种（15 MnMoVCu，0Cr13NiMo，0Cr13Ni4Mo，0Cr13Ni6Mo，0Cr17Ni4Mo3Cu2）进行探针试验，重点对0Cr13Ni4MoRE进行了系统的试验研究，对板条马氏体型不锈钢取得了较全面的数据：0Cr13Ni4Mo（Re）和0Cr13Ni6Mo钢都有良好的性能，试棒的拉伸强度（σb）≥750MPa，屈服强度（σ0.2）≥560MPa，延伸率≥15％，断面缩小率≥35％，冲击功≥50J，布氏硬度（HB）为228～286，0Cr13Ni6Mo钢的强度、硬度、冲击韧性等同于0Cr13Ni4Mo（RE），唯延伸率、断面收缩率略高于0Cr13Ni4Mo钢。此类钢的显微组织中含有不同数量的逆变奥氏体，使钢的力学性能略有差异，详见表2-5。
表2-5 不同逆变奥氏体含量钢材的力学性能
经测定0Cr13Ni4Mo（RE）钢的断裂韧性优良。脆性转变温度（FATT）为-170～-100℃，焊接性能、抗氢脆和耐汽蚀性能亦很优越。用普通电弧炉熔炼45t超低碳0Cr13Ni4Mo钢水，采用铬矿砂铸造，正火处理后即可制备出满足水电站要求的合格叶片。经正火叶片本体切取的试样进行检测，结果（见表2-6）表明均已达到标准要求。其后，云南、福建等省其他的中型水电站都采用了0Cr13Ni4Mo（RE）钢叶片以延长水轮机的运行周期。经过大量研究实践，对0Cr13Ni4Mo钢的Ni％取上限（4.5％），与0Cr13Ni5Mo（Ni0.45％～0.55％）成为最佳的成分组合。板条马氏体不锈钢代表性显微组织照片（取向叶片）见图2-2。
表2-6 叶片试样不同部位的力学性能
图2-2 板条马氏体不锈钢显微组织（3％硝酸酒精浸蚀，×400）