不銹鋼的耐腐蝕性主要是因含有12%以上的鉻,并在鋼的表面形成氧化(或鈍化)膜所致。鐵-鉻二元相圖則是不銹鋼的基礎(圖1-2-1)。鉻具有體心立方晶格結構,與α-Fe屬于同一晶型,點陣常數(shù)也接近,相互形成連續(xù)固溶體。在圖1-2-1 831℃至1394℃的溫度范圍內,靠近純鐵一邊,存在一個被封閉的y相區(qū)(或稱為高溫奧氏體穩(wěn)定區(qū)域。所謂奧氏體,指鐵和其它元素形成的面心立方晶格結構的固溶體。通常對一般鋼是指碳和其它元素在y-Fe中的間隙固溶體)。在同廣闊(直至純鉻)的α相(鐵素體)區(qū)之間,存在一個窄的a和y雙相區(qū)域。


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  馬氏體不銹鋼屬于既具有基本的耐蝕性,又能通過熱處理進行強化的不銹鋼。主要強化機理是奧氏體經(jīng)淬火轉變?yōu)轳R氏體組織。屬相變硬化。所謂馬氏體是指奧氏體通過無擴散型相變而轉變成的亞穩(wěn)定相(具有鐵磁性,其硬度或強度主要由過飽和的碳含量決定)。隨鋼的成分和熱處理方法不同,有的還存在少量殘余奧氏體、鐵素體或珠光體。


  為獲得馬氏體組織,一個基本的先決條件,就是在相圖中必須存在有奧氏體(y相)的區(qū)域才有可能。對于無碳Fe-Cr二元合金平衡相圖而言,鉻含量大于12%時,在所有溫度條件下均不存在奧氏體組織。而12%的鉻含量,一般是保證不銹鋼具有起碼的耐蝕性能所必需的最低含量。為克服上述矛盾,只有加入能改變相圖擴大γ相區(qū)的元素,主要是碳等,才能實現(xiàn)上述先決條件。


  隨著碳含量的增加,y相區(qū)邊界逐漸向高鉻方向擴展。Cr13型不銹鋼是不銹鋼發(fā)展最早的鉻系基礎鋼種。含碳很低的0Cr13鋼仍屬于鐵素體型不銹鋼。1Cr13鋼(約含0.1%C),因還有鐵素體相(即淬火后組織由馬氏體和鐵素體組成),屬半馬氏體型;含碳量為0.2~0.4%時,如2~4Cr13鋼則為馬氏體組織。


  鑒于碳對鋼的組織與性能的重大影響,馬氏體(鉻)不銹鋼習慣上可按碳含量(相對比較)大體分為三類即低碳類(<0.15%C)、中碳類(0.2~0.4%C)和高碳類(0.6~1.0%C)。如1Cr13鋼屬于馬氏體不銹鋼的低碳類。


  馬氏體不銹鋼的強度主要取決于碳。隨著碳含量的增加,其強度、硬度和耐磨性顯著提高,而冷塑性、韌性及耐蝕性則下降。為改善耐蝕性能,可提高鉻含量,但受如下因素制約:因為鉻屬于穩(wěn)定鐵素體和縮小(封閉)奧氏體y相區(qū)的元素,并阻礙從奧氏體化溫度冷卻時奧氏體向馬氏體的轉變,所以提高鉻含量時,還需相應提高碳含量來擴大y相區(qū),才能獲得馬氏體組織;當碳含量達0.6%時,純(單一)奧氏體y相區(qū)最高鉻含量向右移動至最大值,可達18%左右。繼續(xù)增加過多的碳,因形成碳化物等不再擴大y相區(qū),但能提高耐磨性。因此,馬氏體不銹鋼一般含鉻量在12~18%之間,含碳量較高,在0.1~1.0%范圍內。


  另一類(或第四類)為加有少量鎳的馬氏體不銹鋼。鎳屬于穩(wěn)定奧氏體和擴大(開啟)y相區(qū)的元素。加入2%Ni時就有明顯效果。這樣可以用鎳代碳,如通常使用的1Cr17Ni2高鉻馬氏體不銹鋼。因低碳、高鉻并加鎳,比一般馬氏體不銹鋼具有更好的耐蝕性能和強度與韌性的配合。


  馬氏體不銹鋼的熱處理對力學性能和耐蝕性能等有重要影響。因此,根據(jù)不同的使用要求,應選定相應適宜的熱處理工藝制度。通常包括:在高溫奧氏體化溫度區(qū)間保溫,淬火形成馬氏體,在高溫淬火后,因存在內應力大和脆化等問題,還必須進行回火得到回火馬氏體,才能保證實用的綜合性能。回火處理分為高溫回火(600~750℃范圍,以改善和調整強度與韌性配合等綜合力學性能為目的)和低溫回火(低于400℃,以消除應力而又不引起組織有明顯變化為目的)兩種。因馬氏體不銹鋼在約400~600℃左右范圍內回火,引起沖擊韌性的降低。同時由于析出鉻碳化物造成耐蝕性下降。故一般應避免在此溫度范圍內回火。從耐蝕性角度看,采用低碳鋼和低溫回火更有利。含碳高的比低碳馬氏體不銹鋼對回火脆性更敏感,冷加工成形性和可焊性更差(因此必須焊前預熱和焊后熱處理,甚至不作焊接件等)。總之,如對強度硬度要求不高時,應盡量采用低碳馬氏體不銹鋼。


  馬氏體不銹鋼耐蝕性一般不如鐵素體型、更不如奧氏體不銹鋼。不適用于強腐蝕介質條件,不耐晶間腐蝕、點蝕和應力腐蝕等。但比鐵素體和奧氏體兩類不銹鋼優(yōu)越之處,在于可以通過熱處理強化。主要適用于對強度、硬度、耐磨性等要求較高并兼有一定耐蝕性的零部件等。馬氏體不銹鋼熱加工容易。除低碳鋼外,一般冷塑性、韌性不良;因可在空氣中淬硬,可焊性差。一般不宜作焊接件使用。有些牌號還可作為耐熱鋼使用,如1Cr13等。