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中國科學(xué)院金屬研究所
不銹鋼也會生銹？(1)
材料新視野
2015年02月02日
不銹鋼是指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。不銹鋼常按組織狀態(tài)分為：馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼等。國際不銹鋼論壇（ISSF）稱，2010年全世界的不銹鋼產(chǎn)量達(dá)到3070萬噸，而我國也突破了1130萬噸的產(chǎn)量。
畢業(yè)于英國謝菲爾德大學(xué)（噢，這不是金屬研究所第一任所長李薰先生的校友么？）的著名冶金科學(xué)家哈利 布雷爾利（Harry Brearley）于20世紀(jì)初期發(fā)明了不銹鋼。
不銹鋼的發(fā)明和使用，要追溯到第一次世界大戰(zhàn)時期。布享利 布雷爾利受英國政府軍部兵工廠委托，研究武器的改進(jìn)工作。那時，士兵用的步槍槍膛極易磨損，布雷爾利想發(fā)明一種不易磨損的合金鋼。布雷爾利發(fā)明的不銹鋼于1916年取得英國專利權(quán)并開始大量生產(chǎn)。至此，從垃圾堆中偶然發(fā)現(xiàn)的不銹鋼便風(fēng)靡全球，亨利 布雷爾利也被譽(yù)為“不銹鋼之父”。
？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ 上圖上寫著：Stainless Steel？ Made in Sheffield
據(jù)統(tǒng)計，美國每年因腐蝕導(dǎo)致的損失大概占國家生產(chǎn)總值的3%。
對于不銹鋼和鋁合金而言，小孔腐蝕（點蝕）是對其最大的威脅。
點蝕的發(fā)生起始于材料表面，且經(jīng)過形核與長大兩個階段，最終向材料表面以下的縱深方向迅速擴(kuò)展。因此，點蝕破壞具有極大的隱蔽性和突發(fā)性。特別是在石油、化工、核電等領(lǐng)域，點蝕容易造成管壁穿孔，使大量油、氣泄漏，甚至造成火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難。
不銹鋼的點蝕從上世紀(jì)30年代開始就被廣泛研究，人類對不銹鋼點蝕形核機(jī)制的探索就從未間斷，點蝕成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中的經(jīng)典問題之一。研究者普遍認(rèn)為，點蝕的發(fā)生起因于不銹鋼中硫化錳夾雜的局域溶解。
不銹鋼里面添加了很多合金元素。其中鉻是使不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素，當(dāng)鋼中含鉻量達(dá)到12％左右時，鉻與腐蝕介質(zhì)中的氧作用，在鋼表面形成一層很薄的氧化膜（ 自鈍化膜），可阻止鋼的基體的腐蝕。除鉻外，常用的合金元素還有鉬、鎳、鈦、鈮、銅等，以滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。
然而，在抗均勻腐蝕的同時，不銹鋼的局部腐蝕（即“點蝕”）卻難以避免。在鋼的表面，或多或少的存在夾雜物，從而導(dǎo)致了鈍化膜在此處的不連續(xù)。鋼中最常見的夾雜物是硫化錳(MnS)或者是某些氧化物。在水溶液介質(zhì)中，MnS易于溶解。溶解的結(jié)果就是暴露出了“新鮮”的鋼基體，這些基體沒有鈍化膜的保護(hù)，便開始了腐蝕。
夾雜物溶解導(dǎo)致暴露出“新鮮”金屬，無鈍化膜保護(hù)，發(fā)生腐蝕。
下圖中展示的是不銹鋼發(fā)生點蝕后的掃描電鏡照片。圖中長條狀的是夾雜物硫化錳 。點蝕又分為初期的亞穩(wěn)態(tài)蝕坑——這樣的蝕坑可能出現(xiàn)之后就停止繼續(xù)腐蝕，也有可能繼續(xù)發(fā)展呈現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)點蝕坑。后者是金屬部件破壞的主要“兇手”。多年來的研究發(fā)現(xiàn)，點蝕發(fā)生位置多數(shù)情況下都起因于不銹鋼中硫化錳夾雜的局域溶解。
既然確定了硫化錳夾雜的局域溶解是點蝕發(fā)生的原因，那么我們有必要了解硫化錳發(fā)生溶解的起始位置。過去，由于研究者們所使用的觀察手段的限制，主要在于分辨能力以及缺乏材料微小結(jié)構(gòu)與成分信息的限制，點蝕最初的形核位置被描述為“隨機(jī)和不可預(yù)測的”。點蝕初始位置的“不明確”一直制約著人們對不銹鋼點蝕機(jī)理的認(rèn)識以及抗點蝕措施的改進(jìn) 。
畢業(yè)于英國謝菲爾德大學(xué)（噢，這不是金屬研究所第一任所長李薰先生的校友么？）的著名冶金科學(xué)家哈利 布雷爾利（Harry Brearley）于20世紀(jì)初期發(fā)明了不銹鋼。
不銹鋼的發(fā)明和使用，要追溯到第一次世界大戰(zhàn)時期。布享利 布雷爾利受英國政府軍部兵工廠委托，研究武器的改進(jìn)工作。那時，士兵用的步槍槍膛極易磨損，布雷爾利想發(fā)明一種不易磨損的合金鋼。布雷爾利發(fā)明的不銹鋼于1916年取得英國專利權(quán)并開始大量生產(chǎn)。至此，從垃圾堆中偶然發(fā)現(xiàn)的不銹鋼便風(fēng)靡全球，亨利 布雷爾利也被譽(yù)為“不銹鋼之父”。
？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ 上圖上寫著：Stainless Steel？ Made in Sheffield
據(jù)統(tǒng)計，美國每年因腐蝕導(dǎo)致的損失大概占國家生產(chǎn)總值的3%。
對于不銹鋼和鋁合金而言，小孔腐蝕（點蝕）是對其最大的威脅。
點蝕的發(fā)生起始于材料表面，且經(jīng)過形核與長大兩個階段，最終向材料表面以下的縱深方向迅速擴(kuò)展。因此，點蝕破壞具有極大的隱蔽性和突發(fā)性。特別是在石油、化工、核電等領(lǐng)域，點蝕容易造成管壁穿孔，使大量油、氣泄漏，甚至造成火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難。
不銹鋼的點蝕從上世紀(jì)30年代開始就被廣泛研究，人類對不銹鋼點蝕形核機(jī)制的探索就從未間斷，點蝕成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中的經(jīng)典問題之一。研究者普遍認(rèn)為，點蝕的發(fā)生起因于不銹鋼中硫化錳夾雜的局域溶解。
不銹鋼里面添加了很多合金元素。其中鉻是使不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素，當(dāng)鋼中含鉻量達(dá)到12％左右時，鉻與腐蝕介質(zhì)中的氧作用，在鋼表面形成一層很薄的氧化膜（ 自鈍化膜），可阻止鋼的基體的腐蝕。除鉻外，常用的合金元素還有鉬、鎳、鈦、鈮、銅等，以滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。
然而，在抗均勻腐蝕的同時，不銹鋼的局部腐蝕（即“點蝕”）卻難以避免。在鋼的表面，或多或少的存在夾雜物，從而導(dǎo)致了鈍化膜在此處的不連續(xù)。鋼中最常見的夾雜物是硫化錳(MnS)或者是某些氧化物。在水溶液介質(zhì)中，MnS易于溶解。溶解的結(jié)果就是暴露出了“新鮮”的鋼基體，這些基體沒有鈍化膜的保護(hù)，便開始了腐蝕。
夾雜物溶解導(dǎo)致暴露出“新鮮”金屬，無鈍化膜保護(hù)，發(fā)生腐蝕。
下圖中展示的是不銹鋼發(fā)生點蝕后的掃描電鏡照片。圖中長條狀的是夾雜物硫化錳 。點蝕又分為初期的亞穩(wěn)態(tài)蝕坑——這樣的蝕坑可能出現(xiàn)之后就停止繼續(xù)腐蝕，也有可能繼續(xù)發(fā)展呈現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)點蝕坑。后者是金屬部件破壞的主要“兇手”。多年來的研究發(fā)現(xiàn)，點蝕發(fā)生位置多數(shù)情況下都起因于不銹鋼中硫化錳夾雜的局域溶解。
既然確定了硫化錳夾雜的局域溶解是點蝕發(fā)生的原因，那么我們有必要了解硫化錳發(fā)生溶解的起始位置。過去，由于研究者們所使用的觀察手段的限制，主要在于分辨能力以及缺乏材料微小結(jié)構(gòu)與成分信息的限制，點蝕最初的形核位置被描述為“隨機(jī)和不可預(yù)測的”。點蝕初始位置的“不明確”一直制約著人們對不銹鋼點蝕機(jī)理的認(rèn)識以及抗點蝕措施的改進(jìn) 。