奧氏體不鏽鋼

奧氏體不鏽鋼（Austenitic stainless steel）是按其中的物相結構分類的五類不鏽鋼之一（另外四類分別為鐵素體不鏽鋼、馬氏體不鏽鋼、雙相不鏽鋼和沉澱硬化不鏽鋼），也是最常用的一類不鏽鋼。它的主要晶體結構是奧氏體（面心立方結構），由於其冷卻過程中不發生相變，因此無法通過熱處理強化，僅能通過冷加工強化；同時，由於奧氏體為非鐵磁性相，奧氏體不鏽鋼不具有鐵磁性。奧氏體不鏽鋼具有這種結構，是由於其中含有大量奧氏體形成元素（相圖中擴大奧氏體相區的元素），如Ni、Mn等。奧氏體不鏽鋼強度較低，加工性能較差，但塑韌性良好、高低溫下力學性能穩定、耐酸性良好，在工業設備、能源電力、醫藥衛生等領域有著廣泛的應用。

## 歷史

### 發明

奧氏體不鏽鋼的是由德國克虜伯公司以及其所屬實驗室的本諾·施特勞斯和愛德華·毛雷爾 發明的鈴木。1900年代以來，鐵-鉻-鎳合金的耐蝕性能在基礎研究中逐漸被認識。1906年，法國人Léon Guillet第一個系統地研究了鐵素體、馬氏體和奧氏體三大類不鏽鋼的成分，然而他沒有提到耐腐蝕性鈴木。1909 年，Walter Giessen 繼續研究鉻鎳奧氏體鋼，為不鏽鋼作為工業材料的實際應用奠定了基礎。1912年，克虜伯申請了兩項耐腐蝕鋼專利。一種是名為「V1M」的鐵合金，它是一種馬氏體不鏽鋼，其代表成分為14%鉻、2%鎳和0.15%碳。另一種名為「V2A」，是一種奧氏體不鏽鋼，含有 20% 鉻、7% 鎳和 0.25% 碳。

自 1909 年（提交申請之前）以來，克虜伯公司的史特勞斯和毛雷爾一直在研究鐵鉻鎳合金。史特勞斯當時正在研究熱電偶用耐熱合金，並於1910年生產出三種高鉻鋼和兩種高鉻鎳鋼。這些鋼又硬又脆，因此毛雷爾研究了對應的熱處理工藝。在此類研究中，毛雷爾注意到其中一種鋼種的樣本在腐蝕性實驗室氣氛中放置幾個月後並沒有失去表面光澤。後續試驗證實，奧氏體組織高鉻鎳鋼即使在硝酸溶液中也具有耐腐蝕性能。基於這些研究成果，克虜伯於1912年為上述兩種耐腐蝕鋼提出了專利申請。

後來在 1920 年代和 1930 年代，施特勞斯和毛雷爾之間就誰應該被稱為這些「不鏽鋼」的發明者展開了爭論。雙方都堅稱自己是真正的發明人，並在學術期刊和機構期刊上進行爭論。鈴木隆在其《不鏽鋼發明史》一書中以「不鏽鋼毫無疑問是克虜伯公司發明的，不應歸功於個人」的觀點總結描述了他們的爭論。

### 發展與普及

克虜伯發明的奧氏體不鏽鋼V2A用於隨後開發的哈柏法合成氨， V2A被用作氨合成硝酸罐的材料。1914年，哈伯和博世所在的巴斯夫公司向克虜伯訂購了約20噸V2A，開始使用奧氏體不鏽鋼作為工業材料。

巴斯夫在使用V2A時出現了腐蝕問題，並對V2A進行了改進來解決這個問題。1922年至1930年，克虜伯公司申請了通過添加銅或鉬來對抗非氧化性酸以及通過降低碳含量來對抗晶間腐蝕的專利。奧氏體不鏽鋼後來被克虜伯以外的其他研究人員改進，產生了各種類型的鋼大山・森田・吉武。1923年左右，英國公司弗思-布朗鋼鐵（Thomas Firth & Sons）通過優化，得到了18%鉻、8%鎳和低於0.2%碳的基本成分，稱為「Staybrite」，並開發成為了產品遅沢。Staybrite首先在ICI的氨合成工廠使用。Staybrite發布後，18% 鉻和 8% 鎳 (18-8) 被確立為奧氏體不鏽鋼的基本成分。

1922年，克虜伯將自己的不鏽鋼註冊為「NIROSTA」商標。NIROSTA不鏽鋼還跨越大西洋，用於建造美國（USA）克萊斯勒大廈。1924年，克虜伯的施特勞斯在美國測試與材料學會研討會上介紹了克虜伯的奧氏體不鏽鋼。建造者沃爾特·克萊斯勒希望建築物的外部用金屬裝飾。他對包括NIROSTA鋼在內的幾種能滿足這一目的的耐腐蝕金屬材料進行了研究，並最終採用了相對昂貴但不易生鏽、不易沾污、易於拋光的NIROSTA不鏽鋼。

美國直到1927年才生產出與NIROSTA相當的不鏽鋼，最終，獲得克虜伯許可的三家公司將提供NIROSTA鋼板和棒材。1930年，克萊斯勒大廈竣工。4500 塊NIROSTA 鋼板被用來覆蓋建築物頂部的階梯式尖頂。克萊斯勒大廈是世界上第一座在外部使用大量 18-8 奧氏體不鏽鋼的建築。在1995年對克萊斯勒大廈的狀況進行檢測，報告表明，NIROSTA鋼的性能符合預期，儘管在沿海地區建造並受到天氣沖刷，但外部結構仍處於良好狀態。

## 合金元素

### 奧氏體形成元素

根據鐵碳相圖，鋼在室溫下組織應當是鐵素體或鐵素體與碳化物的混合組織，但奧氏體不鏽鋼中因為含有被稱為「奧氏體形成元素」的，與γ-Fe無限互溶且能在室溫下保持穩定的合金元素，因而會在室溫下保留奧氏體組織。

奧氏體不鏽鋼，按照主要的奧氏體形成元素可以分為鉻鎳系和鉻錳系兩類，鉻鎳系不鏽鋼的主要奧氏體形成元素是鎳，鎳元素同時也能起到提高耐蝕性的作用。在鉻鎳系不鏽鋼中，鉻含量≥18%（屬於鐵素體形成元素），鎳含量≥8%，甚至存在鎳含量達到35~40%的牌號。18%鉻-8%鎳的合金元素組合（被稱作「18-8不鏽鋼」）是各國奧氏體不鏽鋼的基礎成分比例，因為這一比例既可以得到單相奧氏體組織，又可以滿足Tammann定律（鉻元素和鎳元素占比之和為12.5%的整數倍時，合金腐蝕電位發生突然躍升的現象），提升不鏽鋼的耐腐蝕性能。

如果利用錳代替稀缺而高成本的鎳作為奧氏體形成元素，就得到了鉻錳系奧氏體不鏽鋼。錳不能為不鏽鋼提供耐蝕性，因而需要加入17%以上的鉻元素。然而錳元素的奧氏體形成能力較鎳更弱，當鉻所占質量比超過12%時，無論加入多少錳都無法獲得單相奧氏體組織。因此，常用的鉻錳系不鏽鋼中會添加0.3~0.5%的氮元素，或保留4~8%的鎳元素，從而得到穩定的單相奧氏體組織。

碳雖然是奧氏體形成元素，但碳元素會在晶間形成碳化物，造成晶間腐蝕，因而在不鏽鋼中應該避免出現，在常用的奧氏體不鏽鋼中，碳含量常低於0.08%（中國大陸鋼鐵牌號首位為「0」者），甚至存在碳含量低於0.03%的超低碳不鏽鋼（中國大陸鋼鐵牌號首位為「00」，或美國鋼鐵牌號末位為「L」者）。

### 其他合金元素及作用

加入Mo、Cu、Ti等元素，可以提高不鏽鋼對於還原性酸（如硫酸、磷酸、鹽酸、一些有機酸）的耐腐蝕性；此外，Ti、Nb等強碳化物形成元素的加入可以提高不鏽鋼的抗晶間腐蝕性能（見「晶間腐蝕」一節），加入Si、Cu元素可以可以提高不鏽鋼的抗應力腐蝕性能（見「應力腐蝕」一節）。

## 顯微組織

根據相圖和舍弗勒組織圖可以看出，包括304不鏽鋼在內的多數奧氏體不鏽鋼的平衡態組織並不是單相奧氏體，而是奧氏體+鐵素體+碳化物（A+F+Carbide）的組成，其中約含有5-10%的鐵素體。

然而，為了利用奧氏體結構的特性，實際使用的奧氏體不鏽鋼為單相奧氏體組織，這通常是通過固溶處理獲得的。以相圖對應的304不鏽鋼為例，加熱到600℃以上，越過相圖中虛線之後，鐵素體轉化為奧氏體；再繼續加熱至800℃，碳化物可以完全溶解進入基體。此時淬火，就能得到單相奧氏體組織（碳元素過飽和的γ相固溶體）。

此外，一些高合金含量的奧氏體不鏽鋼（如904L、S32654），即使在平衡態下也保留單相奧氏體組織。

由於奧氏體過冷這一熱力學條件的存在、奧氏體在外力提供相變的驅動力之下轉化為馬氏體，即應力誘發馬氏體相變（TRIP）。這會讓一部分亞穩態奧氏體不鏽鋼中出現馬氏體組織。恐怕得參照日文重寫這句……

## 美國牌號

在國際汽車工程師學會/美國鋼鐵協會（SAE/AISI）標準編號下，奧氏體不鏽鋼分為200與300兩個亞組，其中，3xx 系列不鏽鋼種類較2xx系列為多。

3xx系列不鏽鋼為鉻鎳系不鏽鋼；2xx系列不鏽鋼則為鉻錳系不鏽鋼，因而成本較低，同時氮產生的固溶強化使其擁有比 3xx 系列更高的屈服強度。

部分3xx系列不鏽鋼，如316不鏽鋼，還含有一些鉬，以提高耐酸性並增加對局部腐蝕（例如點蝕和晶間腐蝕）的抵抗力。

3xx 系列的 304 不鏽鋼（即18-8不鏽鋼，也稱為A2不鏽鋼）是最常見的奧氏體不鏽鋼，也是最常見的不鏽鋼。304不鏽鋼廣泛用於炊具、餐具和廚房設備等物品。316 不鏽鋼是第二常見的奧氏體不鏽鋼。

歐洲標準 (EN) 編號｜EN 名稱｜AISI 牌號｜碳｜鉻｜鉬｜鎳｜其他｜熔點（℃）｜備註

1.4305｜X8CrNiS18-9e｜303｜< 0.10｜18 | 18｜未要求｜9｜S：0.3｜1420｜添加硫以改善機械加工性

1.4541｜X6CrNiTi18-10｜321｜< 0.08｜18 | 18｜未要求｜10.5｜鈦：5倍於C，≤ 0.70｜1425｜與 304不鏽鋼相似，但加入鈦強烈與碳結合生成碳化物，因而不易發生晶間腐蝕

1.4401｜X5CrNiMo17-12-2｜316｜< 0.07｜17.5｜2.2｜11.5 | 11.5｜1400｜第二知名的奧氏體不鏽鋼牌號，Mo提高耐腐蝕性

1.4404｜X2CrNiMo17-12-2｜316L｜< 0.030｜17.5｜2.25｜11.5 | 11.5｜1400｜與316相似，但 C 含量較低，因而不易發生晶間腐蝕

1.4571｜X6CrNiMoTi17-12-2｜316Ti｜< 0.08｜17.5｜2.25｜12｜Ti：5倍於C，≤ 0.70｜與 316不鏽鋼相似，但加入鈦強烈與碳結合生成碳化物，因而不易發生晶間腐蝕

Alloy 20 （Carpenter 20) 是一種奧氏體不鏽鋼，具有優於316不鏽鋼的耐腐蝕性環境（如熱硫酸）的能力。該合金在沸騰的 20-40% 硫酸中表現出優異的抗應力腐蝕開裂性能。合金 20 具有優異的機械性能，Alloy 20中鈮的存在最大限度地減少了焊接過程中碳化物的析出。

## 耐熱奧氏體不鏽鋼

耐熱牌號不鏽鋼一般是指可在高於600C的高溫下使用的不鏽鋼。

它們必須耐高溫腐蝕（通常是高溫氧化）並在高溫下保持屈服強度和抗蠕變性能等力學性能穩定。

耐腐蝕性主要由鉻提供，此外還添加了矽和鋁。鎳在含硫環境中的耐蝕性較差，可以通過添加矽和鋁（強氧化物形成元素）解決。稀土元素如鈰可增加氧化膜的穩定性。

EN｜AISI/ASTM｜UNS｜C｜Cr｜Ni｜Si｜Mn｜Others

1.4878｜321H｜S32109｜< 0.1｜18｜10.5｜Ti: ≤ 5×C

1.4818｜S30415｜0.06｜19｜10｜N: 0.16; Ce: 0.05.

1.4828｜< 0.2｜20｜12｜2.0

1.4833｜309S｜S30908｜< 0.08｜23｜13｜< 0.75

1.4872｜0.25｜25｜7｜9

1.4845｜310｜S31008｜< 0.1｜25｜20

1.4841｜314｜S31400｜< 0.15｜25｜20｜1.8

1.4876｜"Alloy 800"｜N08800｜< 0.12｜21｜32｜Al: 0.4; Ti: 0.4

1.4854｜"Alloy 353MA"｜S35315｜0.06｜25｜35｜N: 0.15; Ce: 0.06.

1.4886｜330｜N08330｜< 0.15｜18.5｜35

309 和310不鏽鋼 可以用於800C的高溫環境。

奧氏體不鏽鋼可以使用染料滲透探傷方法進行無損檢測，但不能使用磁粉探傷方法。也可以使用渦流測試。

## 外部連結

Jean H. Decroix 等人關於奧氏體不鏽鋼的專利

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