更新时间：2023-08-15 17:23
马氏体不锈钢（martensiti stainless steel），是经适当热处理后获得在室温下以马氏体为基体组织的一类不锈钢，是一种既耐腐蚀又能通过热处理强化的不锈钢。
1913年，马氏体不锈钢被亨利·布雷利（Harry Brearley）发明。马氏体是碳在α相中的过饱和固溶体，是体心立方结构，具有铁磁性。马氏体不锈钢含11.5%~18%铬（Cr）和0.1%-1.2%碳（C），其他合金元素小于2%~3%。常用牌号有12Cr13、20Cr13、30Cr13、32Cr13M0、40Cr13、20Cr13Ni2、14Cr17Ni2及90Cr18、95Cr18MOV等。马氏体不锈钢按成分与热处理工艺、性能用途等不同可分为马氏体铬钢、马氏体铬镍钢、马氏体时效不锈钢等多种类型。
马氏体不锈钢在美国AISI标准中纳入400系列。它们在高温下以奥氏体状态存在，经过适当冷却至室温而转变成马氏体组织，钢中常含有一定量的残余奥氏体、铁素体或珠光体。马氏体不锈钢的特点是具有较高的硬度、强度、耐磨性和良好的抗疲劳性能以及具有一定的耐蚀性，主要应用于餐具和切削刀具、航空航天部件、医疗器械、石油和天然气工业、汽车零部件等领域。
马氏体类不锈钢最早在1913年由 H.Brearley研制舰载炮炮筒用钢时所发明，这种不锈钢含碳量小于0.7%，铬含量在9%~16%范围内。其中13%Cr和0.35%C钢就是现在人们所熟悉的3Cr13（AISI420）钢，主要用于制作不锈钢餐具和刀具，这是不锈钢在全球首次实现商业化生产，因而Harry Brearley被誉为“不锈钢之父”。早期马氏体不锈钢是一类铁－铬－碳合金， 铬含量平均为13%，具有良好的硬度、强度和耐磨性。但由于这类钢一般含碳量较高，塑性、韧性不好，耐蚀性、可焊性差，并且在制造过程中容易产生应力裂纹，因而其应用远没有奥氏体不锈钢广泛。Harry Brearley先后于1915年、1916年在加拿大、美国取得该发明的专利权。
20世纪50年代末瑞士人引入超级马氏体不锈钢这一概念 （SuperMartensitic Stainless Steel简称SMSS）。这类合金钢是在传统马氏体不锈钢的基础上将碳含量降低到0.07%，并在其中加入了3.5%~4.5%的镍和1.5%~2.5%的钼。该钢不但具有传统马氏体不锈钢硬度高、抗拉强度高等优点， 而且还克服了传统马氏体不锈钢焊接性差以及对应力裂纹敏感等问题，很好弥补了上述不足。因此广泛的应用于石油、天然气开采用的无缝管和输送管道、 液态天然气输送管线和天然气处理设施等领域。
马氏体钢按成分与热处理工艺、性能用途等不同，有马氏体不锈钢、马氏体沉淀硬化不锈钢、马氏体耐热钢和马氏体时效钢等。
马氏体不锈钢主要是Cr13型，常用的马氏体不锈钢有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2 等。其成分特点是高铬和高碳，随碳的质量分数的增加，强度硬度提高，但耐蚀性下降。为了进一步提高力学性能和耐蚀性，可加入一定量的Mo、V、Co、Si、Cu等合金元素。淬火温度一般在950~1050℃之间，高火温度使碳化铬不断溶解，马氏体相变后强度硬度增加，也因获得单相组织而提高耐蚀性。火后应立即回火，以避免形成裂纹。有两种回火工艺规范：要求较高强度硬度、耐磨性和耐蚀性时，采用200~300℃低温回火，如4Cr13钢；要求组织稳定和持久强度时，采用600~750℃高温回火，如1Cr13、2Cr13、3Cr13 钢。
沉淀硬化不锈钢（precipitalion-hardening stainless steel，简称PH stainless steel）有奥氏体马氏体和马氏体沉淀硬化不锈钢，都是马氏体经时效处理产生沉淀硬化。马氏体沉淀硬化不锈钢主要是利用碳化物和金属间化合物来强化，是以Cr13型马氏体不锈钢为基础加入W、Mo、Ti、Nb、Ni等合金元素发展起来的。在400~650℃时效时，析出一系列W、Mo、Ti、Nb等合金元素的金属间化合物。
最早应用的是13Cr型不锈钢，为了提高耐热性，加入Mo、W和碳化物形成元素Nb、Ti、V等。热处理特点是必须高温回火，以保证使用温度下组织和性能的稳定性。因硅在高温下也能形成致密氧化膜，因此加硅可大大提高钢的抗氧化性能。但硅含量超过3%时，易出现回火脆性，因此要加入少量的钼。常用的铬硅马氏体耐热钢有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。
钢中除含铬外还含一定量的碳，铬含量决定钢的耐蚀性，碳含量越高则强度、硬度和耐磨性越高。此类钢的正常组织为马氏体，有的还含有少量的奥氏体铁素体或珠光体。此类钢主要用于制造对强度、硬度要求高，而对耐腐蚀性能要求不太高的零件、部件以及工具、切削刀具等，典型钢号有2Cr13、4Cr13、9Cr18 等。
马氏体铬镍钢包括马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢等，都是高强度或超高强度不锈钢。此类钢碳含量较低（低于0.10%），并含有镍，有些牌号还含有较高的钼、铜等元素，所以此种钢在具有高强度的同时，强度与韧性的配合以及耐蚀性、焊接性等均优于马氏体铬钢。Cr17Ni2是最常用的一种低镍马氏体不锈钢。马氏体沉淀硬化不锈钢通常还含有AI、Ti、Cu等元素，它是在马氏体基体上通过沉淀硬化作用析出Ni3AI、Ni3Ti；等弥散强化相而进一步提高钢的强度如Cr17Ni4Cu4等牌号；而半奥氏体（或称半马氏体）沉淀硬化不锈钢，由于火状态仍为奥氏体组织，所以淬火态仍可进行冷加工成型，然后通过中间处理、时效处理等工艺进行强化，这样就可以避免马氏体沉淀硬化不锈钢中的奥氏体火后直接转变为马氏体，导致随后加工成型困难的缺点。常用的钢种有0Cr17Ni7AI、0Cr15Ni7Mo2AI等。此类钢强度较高，一般达1200~1400MPa，常用于制作对耐蚀性能要求不太高但需要高强度的结构件，如飞机蒙皮等。
马氏体时效不锈钢是在超低碳马氏体时效钢的基础上，加入高于10%的铬制成的，既保有马氏体时效钢的良好综合性能，又提高了耐蚀性。此类钢碳含量低于0.03%，铬含量为10%~15%，镍含量为6%~11%（或钴含量为10%~20%），并加入Mo、Ti、Cu等强化元素。
常用马氏体不锈钢的成分特点是：铬的质量分数为12%-18%，大多数钢种（20Cr13、30Cr13、40Cr13、95Cr18）碳含量较高，有些钢种还含有一定量的镍，有时还加入钼、铜、铌等元素以改善钢的性能。
马氏体铬不锈钢的主要合金元素是铁、铬和碳。对于马氏体铬不锈钢来说，C、N是有效元素，C、N元素添加使得合金允许更高的铬含量。在马氏体铬不锈钢中，除铬外，C是另一个最重要的必备元素，事实上，马氏体铬不锈耐热钢是一类铁、铬、碳三元合金当然，还有其他元素，利用这些元素，可根据Schaemer图确定大致的组织。
马氏体不锈钢以马氏体为基体，马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格，其中，c轴比其他两个a轴长一些，轴比c/a称为马氏体的正方度。
马氏体不锈钢的组织形态通常表现为片状（plate）或板条状（lath），但在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped）。这种结构形态使得马氏体不锈钢具有高强度和高硬度的特性，这是其主要的物理特征之一。马氏体的形成通常与加速冷却过程相关，特别是在中高碳钢中更为常见。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），这是其结构上的一个重要特征。
马氏体不锈钢铸锭的冶炼工艺较多，其中两 步法和三步法最为常用。目前国内外生产厂家为制造出优质不锈钢铸件， 主要采用电弧炉＋精炼炉（AOD、VOD和 LF 等）二步法和初炼炉（电炉或转炉）＋转炉式脱碳炉＋真空精炼炉三步法的工艺路线来进行生产，其中采用电弧炉＋AOD 二步法冶炼不锈钢， 已经成为不锈钢精炼的主导技术。
热轧是将钢锭或铸坯加热到一定温度，进行热轧加工，得到热轧板材或简单断面型材。冷轧：对热轧后的板材或棒材进行冷轧加工，以提高尺寸精度和表面质量。
热处理是通过淬火和回火等热处理工艺，使不锈钢获得马氏体组织，提高硬度和强度。表面处理是根据需要，对不锈钢进行表面酸洗、钝化、抛光等处理，以提高耐腐蚀性和外观质量。
钢经锻轧后，由于空冷即会产生马氏体转变，使锻件变硬，在锻件表面产生裂纹，同时也不易切削加工。因此这类钢锻后应缓冷，并及时进行软化处理，软化处理的方法有高温回火、完全退火两种方式。
高温回火是将锻件加热到700~800℃保温2~6h后空冷，使马氏体转变为回火索氏体，从而降低硬度。完全退火将锻件加热到840~900℃（常用860℃），保温2~4h后，以小于25℃/h的冷却速度冷却（可控炉冷）到600℃以后再空冷，这时12Cr13、20Cr13的硬度可降低到170HB以下：30Cr13、40Cr13可降低到217HB以下。生产中也将球化与软化退火合并进行（即退火），退火后的组织是铁素体及其上分布着粒状。
一般不锈钢结构件（如12Cr13、属于共析钢的20Cr13），常用调质处理，以获得高的综合机械性能。12Cr13加热时得不到完全的奥氏体，但在980~1050℃时，可获得最多的奥氏体量，故其淬火温度为980~1050℃；而对20Cr火加热能获得完全的奥氏体，其火温度常用950~1150℃。因为马氏体不锈钢是热裂纹敏感钢种，而且在低温时的导热率低，所以淬火加热时常采用分级加热，一般在650~800℃保温停留。因为钢中Cr含量高钢的淬透性好，所以淬火后对小件、薄壁件，用空冷、风冷，而对于中小件，用油冷。火后的组织，对12Cr13钢为板条马氏体与少量铁素体，而对20Cr13钢为板条马氏体+较少量残余奥氏体。淬火后需要及时回火。
因为钢中Cr含量高，马氏体的回火稳定性高，所以调质处理的回火温度也高。常用的回火温度对12Cr13为650~700℃，而对于20Cr13为640~700℃。这类钢回火时，有回火脆性的产生，故回火要快冷，常采用油冷。回火后的组织，对12Cr13为回火索氏体+铁素体，而对于20Cr13为回火索氏体。因为钢的合金化程度高，即使高温回火也不会完全重结晶，所以回火索氏体保留了淬火马氏体的位向。12Cr13的火回火工艺见图9-9。这类钢在 500~600℃温度回火后会出现耐蚀性降低的现象，这和碳化铬析出导致晶界贫铬有关。但当回火温度高于600℃以后，因Cr扩散速度加快，可消除这类回火脆性。另外，为了消除回火快冷产生的内应力，可在回火后再进行一次400℃左右的去应力退火。
因为30Cr13、30Cr13Mo、40Cr13钢类似于工具钢，其热处理的目的是获得高的硬度和高的耐磨性，故其最终热处理常采用淬火及低温回火。淬火加热温度为1000~1050℃。火冷却时为了淬火减少变形，可用硝盐分级冷却。火组织为马氏体+碳化物+少量的残余y相。回火温度常为200~220℃。
固溶处理的目的是，将奥氏体不锈钢盘条热加工时，析出的Cr 碳化物和σ 相等固溶在奥氏体内，获得均匀的组织。通过再结晶软化和内应力消除，使钢的延性、韧性、耐蚀性、耐热性得到恢复。如果固溶处理后，Cr 碳化物在晶界上析出，晶界附近形成贫Cr 区，成为晶界腐蚀的原因，降低钢的耐蚀性和加工性。
不锈钢冷加工引起的应变诱发马氏体，使钢硬化、韧性下降，并且使耐蚀性不良。如果钢中残留内部应力，会产生时效裂纹、腐蚀裂纹和残留应力释放导致的变形。因此，要将应变诱发马氏体返回为奥氏体，消除内应力。在氢气或惰性气体气氛中进行退火，不使不锈钢因热处理失去金属光泽的退火处理叫做光亮退火处理。
为了对马氏体盘条进行冷加工，必须对线材进行退火软化处理。退火处理有完全退火和低温退火（消除应变退火）。完全退火是将退火材料加热到高于转变点50℃-100 ℃的高温区，并进行充分均热，然后缓慢冷却，使碳化物成球状均匀析出在基钢上。碳化物球化不充分时，不能使钢充分软化，在后续的冷加工中，会产生裂纹和淬火回火后硬度不均匀。完全退火需要在高温下长时间保温，而低温退火加热温度低，退火所需要的时间短。低温退火的目的是使材料软化，以便进行冷加工，钢的组织没有大的变化。
铁素体不锈钢盘条经热处理后，硬度几乎没有变化。所以铁素体不锈钢线材的热处理基本上都是退火。退火的目的是组织均匀化、完全软化、提高耐蚀性和韧性。如果铁素体不锈钢线材的处理温度高于正确的退火温度，则会发生晶粒显著粗大、发生脆化。对于铁素体不锈钢线材来说，晶粒度是重要的质量指标。
不锈钢的氧化铁皮致密而坚固、化学成分复杂。耐酸钢的化学除鳞方法一般采用盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸以及盐浴处理相组合的处理方法。其中奥氏体不锈钢的耐酸性很强，一般用氟硝酸处理。机械除鳞方法有喷丸、辊压弯曲、研磨等方法。机械除鳞方法不需要废酸处理设备，并且可以在热处理作业线或拔丝作业线上高效率除鳞。所以考虑到环保因素，采用机械除鳞的实例不断增加。
为减小盘条与拔丝模具的摩擦力、防止钢丝表面缺陷的发生和防止模具磨损，需要对线材表面进行皮膜处理。皮膜的种类有树脂皮膜、水溶性皮膜和草酸皮膜。过去，多采用将四氯乙烯作为溶质的氯系树脂皮膜。为了控制挥发性有机化合物的排放，改用水溶性皮膜。高强度线材高加工率时，使用草酸皮膜。草酸皮膜可以耐高压力和加工发热，防止热粘结的发生。
不锈钢等高强度线材拔丝时，如果模具的耐久性不良，模具就会产生桔皮状粗糙和磨损，从而导致钢丝表面产生桔皮状粗糙和表面缺陷。因此，不锈钢拔丝模具一般使用金刚石模具。
在对不锈钢进行冷拔丝时，不仅要考虑模具材质对拔丝的影响，而且要考虑模具孔型、接近角角度以及润滑油对拔丝的影响。在冷拔丝过程中，要观察润滑剂薄片的状况和拔丝产生的废料情况，根据观察结果选用适宜的润滑剂。
观察时的判断标准是：①拔丝材料是否出现桔皮状粗糙；②拔丝材料是否被润滑皮膜覆盖，是否有金属光泽；③润滑剂薄片的形状、大小、颜色是否发生变化；④拔丝产生的废料量是否不断增加。
润滑剂薄片从模具出口出来时，应是纸片状细长地连续产生，并且在连续拔丝的情况下，逐渐变小，呈粉末状。润滑状态不良时，润滑剂发生碳化、颜色变黑。拔丝产生的废料与润滑剂熔融为一体成为固化物。这种固化物大量残留在模具入口时，会影响润滑剂进入模具，使润滑作用显著下降。
餐具和切削刀具：马氏体不锈钢因其高硬度和边缘保持性能而常用于制造餐具和刀具。
航空航天部件：马氏体不锈钢由于具有高强度和耐磨性，被用于制造涡轮叶片、飞机紧固件和起落架部件等航空航天部件。
医疗器械：马氏体不锈钢由于其生物相容性、硬度和耐磨性，被用于生产手术器械和骨科植入物。
石油和天然气工业：马氏体不锈钢由于其高强度和耐腐蚀性，在石油和天然气工业中用于阀门、泵和钻井设备等部件。
汽车零部件：马氏体不锈钢由于具有高强度、硬度和耐磨性，被用于制造弹簧、制动部件和排气系统等汽车零部件。
发电：马氏体不锈钢以其强度高、耐磨、耐热等优点被用于制造燃气轮机、汽轮机等发电设备。
其他：马氏体不锈钢强度高，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有ICr133Cr13等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。这类钢是在淬火、回火处理后使用的，锻造、冲压后需退火。