欧洲人花了100年发明了不锈钢

欧洲人花了100年发明了不锈钢

不锈钢是现代工业中不可或缺的重要材料，其优异的耐腐蚀性能和高强度特性使其在建筑、医疗、航空航天等多个领域得到广泛应用。从1820年欧洲科学家对合金材料耐腐蚀性的初步研究，到1913年正式命名并认识到其应用价值，不锈钢的发明历程见证了人类对材料科学的不懈探索。本文将为您详细介绍不锈钢的发明历史及其耐腐蚀性能的科学原理。

不锈钢的起源

1820年——清朝嘉庆二十五年，欧洲的Stodart和Faraday首次提出了多种合金材料的耐腐蚀问题，但是受当时的生产技术所限，他们没有发现合金材料的防腐与铬元素含量之间的关系，因此没有继续探究，与不锈钢失之交臂。

1821年——清朝道光元年，法国人Berthier发现，含铬量越高的合金耐酸性比非合金材料要强得多。由于这种含铬量高的材料含碳量也很高，脆性强，因此对于结构用材料几乎没有价值。

第二次工业革命开始之后的接下来几年，人们创造出来了多种铬铁合金。铬元素除了能提合金的耐腐蚀性，也能赋予材料更高的强度和硬度。但是当时的人们更关注后者，加上碳含量较高本身就会削弱合金材料的耐腐蚀性，因此当时的人们并没有关注到铬对合金材料耐腐蚀性的贡献。

1904年——清朝光绪三十年，法国人Guillot创造出一种低碳铬合金材料，并对其金相结构和机械性能做了研究。遗憾的是他没有注意到这种材料优秀的耐腐蚀能力，因此虽然这种材料的铬含量客观上足以产生优秀的耐腐蚀效果，但是Guillot没有继续研究下去。

1908年——清朝光绪三十四年，德国人Monnartz发现，合金中的铬元素含量达到12%的时候，合金会显示出钝化现象，还在1911年发表了化学成分含量与钝化关系的相关文章。

1913年——中华民国二年，英国人Brearly为了开发一种既能防腐又能防污的枪管，研究了各种材料。在试验过程中，为了观察材料的金相组织，需要使用硝酸蚀刻样品表面。他发现铬含量高于12%的合金不仅无法被正常蚀刻，而且即使暴露在大气中很长时间也不会生锈。他把这种材料称为“不锈钢”，并意识到可以用这种材料生产餐具。

与此同时，德国人Strauss和Maurer正在研究铁铬镍合金材料，他们发现含镍量8%以上的奥氏体合金材料可以抵抗酸雾的侵蚀，但是这种合金在加工过程中很容易开裂，不具备实用价值。后来Strauss发明了一种新的加工方法——退火热处理，紧接着使用水介质淬火，使碳铬化合物被溶解，从而恢复了材料的延性。

基于Brearly的试验成果，Monnarty提出了一个假定：不锈钢防腐蚀是因为其表面发生了钝化，表面的钝化膜是一种非肉眼可见的氧化膜。他的理论在当时业内并没有获得认同，直到1930年才被麻省理工学院的Uhlig通过电化学方法加以证实。

不锈钢的钝化

不锈钢等富铬合金的特征之一是其钝化性。

一般来说，钝化的发生需要金属材料本身具备惰性金属腐蚀行为。举例来说，把一块表面未经处理的钢铁沉浸到硫酸铜溶液，其表面会形成一层薄薄的镀铜膜，这个过程叫做渗镀（金属元素通过扩散作用从被渗镀的金属表面渗入内部以形成表层合金镀层的一种表面处理的方法）。

如果把钢铁先沉浸到强硝酸溶液，会在其表面形成一层非肉眼可见的氧化膜从而阻止其他金属元素渗透到样品表面形成镀层，此时我们就说该钢铁表面发生了钝化。

不锈钢作为一种合金材料，含铬量一般不低于11%才能形成钝化膜以便材料暴露在大气环境中时起到防腐的效果。这层钝化膜可以在大气环境中自发形成、自我修复。含铬量越多，耐腐蚀性越强。

让耐腐蚀性再强一些！

如果想进一步加强不锈钢耐腐蚀性，可以加入一些其他元素。

例如钼元素对提高不锈钢的点腐蚀和缝隙腐蚀大有裨益，镍元素能降低应力腐蚀风险。

氮元素可用于提高耐点腐蚀、缝隙腐蚀的能力，同时提高不锈钢强度。

铌和钛与碳结合性比铬要强，因此能到固碳作用。所谓固碳的意思就是铌和钛自身与碳元素形成碳化物，以防碳元素去和铬元素结合形成碳铬化物，导致合金部分区域形成贫铬区，最终削弱钝化膜（富铬氧化膜）形成能力，降低不锈钢防腐性能。

经过几十年的发展，目前不锈钢种类林林总总，如何选用合适的材质取决于其所使用的环境和想要预防腐蚀的种类。

比如某环境不会发生点腐蚀，在选材的时候就可以考虑少含甚至不含钼的不锈钢。因此，材料的防腐性能并非越强越好，毕竟防腐性好的材料必然提高使用成本。