馬氏體不銹鋼（martensitic stainless steel），是經適當熱處理后獲得在室溫下以馬氏體為基體組織的一類不銹鋼，是一種既耐腐蝕又能通過熱處理強化的不銹鋼。
1913年，馬氏體不銹鋼被亨利·布雷利（Harry Brearley）發明。馬氏體是碳在α相中的過飽和固溶體，是體心立方結構，具有鐵磁性。馬氏體不銹鋼含11.5%~18%鉻（Cr）和0.1%-1.2%碳（C），其他合金元素小于2%~3%。常用牌號有12Cr13、20Cr13、30Cr13、32Cr13M0、40Cr13、20Cr13Ni2、14Cr17Ni2及90Cr18、95Cr18MOV等。馬氏體不銹鋼按成分與熱處理工藝、性能用途等不同可分為馬氏體鉻鋼、馬氏體鉻鎳鋼、馬氏體時效不銹鋼等多種類型。
馬氏體不銹鋼在美國AISI標準中納入400系列。它們在高溫下以奧氏體狀態存在，經過適當冷卻至室溫而轉變成馬氏體組織，鋼中常含有一定量的殘余奧氏體、鐵素體或珠光體。馬氏體不銹鋼的特點是具有較高的硬度、強度、耐磨性和良好的抗疲勞性能以及具有一定的耐蝕性，主要應用于餐具和切削刀具、航空航天部件、醫療器械、石油和天然氣工業、汽車零部件等領域。
歷史沿革
馬氏體類不銹鋼最早在1913年由 H.Brearley研制艦載炮炮筒用鋼時所發明，這種不銹鋼含碳量小于0.7%，鉻含量在9%~16%范圍內。其中13%Cr和0.35%C鋼就是現在人們所熟悉的3Cr13（AISI420）鋼，主要用于制作不銹鋼餐具和刀具，這是不銹鋼在全球首次實現商業化生產，因而Harry Brearley被譽為“不銹鋼之父”。早期馬氏體不銹鋼是一類鐵－鉻－碳合金， 鉻含量平均為13%，具有良好的硬度、強度和耐磨性。但由于這類鋼一般含碳量較高，塑性、韌性不好，耐蝕性、可焊性差，并且在制造過程中容易產生應力裂紋，因而其應用遠沒有奧氏體不銹鋼廣泛。Harry Brearley先后于1915年、1916年在加拿大、美國取得該發明的專利權。
20世紀50年代末瑞士人引入超級馬氏體不銹鋼這一概念 （SuperMartensitic Stainless Steel簡稱SMSS）。這類合金鋼是在傳統馬氏體不銹鋼的基礎上將碳含量降低到0.07%，并在其中加入了3.5%~4.5%的鎳和1.5%~2.5%的鉬。該鋼不但具有傳統馬氏體不銹鋼硬度高、抗拉強度高等優點， 而且還克服了傳統馬氏體不銹鋼焊接性差以及對應力裂紋敏感等問題，很好彌補了上述不足。因此廣泛的應用于石油、天然氣開采用的無縫管和輸送管道、 液態天然氣輸送管線和天然氣處理設施等領域。
分類
馬氏體鋼按成分與熱處理工藝、性能用途等不同，有馬氏體不銹鋼、馬氏體沉淀硬化不銹鋼、馬氏體耐熱鋼和馬氏體時效鋼等。
根據組織和強化機理分類
馬氏體不銹鋼
馬氏體不銹鋼主要是Cr13型，常用的馬氏體不銹鋼有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2 等。其成分特點是高鉻和高碳，隨碳的質量分數的增加，強度硬度提高，但塑性和耐蝕性下降。為了進一步提高力學性能和耐蝕性，可加入一定量的Mo、V、Co、Si、Cu等合金元素。淬火溫度一般在950~1050℃之間，高火溫度使碳化鉻不斷溶解，馬氏體相變后強度硬度增加，也因獲得單相組織而提高耐蝕性。火后應立即回火，以避免形成裂紋。有兩種回火工藝規范：要求較高強度硬度、耐磨性和耐蝕性時，采用200~300℃低溫回火，如4Cr13鋼；要求組織穩定和持久強度時，采用600~750℃高溫回火，如1Cr13、2Cr13、3Cr13 鋼。
馬氏體沉淀硬化不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼（precipitalion-hardening stainless steel，簡稱PH stainless steel）有奧氏體馬氏體和馬氏體沉淀硬化不銹鋼，都是馬氏體經時效處理產生沉淀硬化。馬氏體沉淀硬化不銹鋼主要是利用碳化物和金屬間化合物來強化，是以Cr13型馬氏體不銹鋼為基礎加入W、Mo、Ti、Nb、Ni等合金元素發展起來的。在400~650℃時效時，析出一系列W、Mo、Ti、Nb等合金元素的金屬間化合物。
馬氏體耐熱鋼
最早應用的是13Cr型不銹鋼，為了提高耐熱性，加入Mo、W和碳化物形成元素Nb、Ti、V等。熱處理特點是必須高溫回火，以保證使用溫度下組織和性能的穩定性。因硅在高溫下也能形成致密氧化膜，因此加硅可大大提高鋼的抗氧化性能。但硅含量超過3%時，易出現回火脆性，因此要加入少量的鉬。常用的鉻硅馬氏體耐熱鋼有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。
根據化學成分分類
馬氏體鉻鋼
鋼中除含鉻外還含一定量的碳，鉻含量決定鋼的耐蝕性，而鋼中的碳由于與鉻形成穩定的碳化鉻，又間接的影響了鋼的耐蝕性。碳含量越高則強度、硬度和耐磨性越高。此類鋼的正常組織為馬氏體，有的還含有少量的奧氏體鐵素體或珠光體。此類鋼主要用于制造對強度、硬度要求高，而對耐腐蝕性能要求不太高的零件、部件以及工具、切削刀具等，典型鋼號有2Cr13、4Cr13、9Cr18 等。
馬氏體鉻鎳鋼
馬氏體鉻鎳鋼包括馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不銹鋼和馬氏體時效不銹鋼等，都是高強度或超高強度不銹鋼。此類鋼碳含量較低（低于0.10%），并含有鎳，有些牌號還含有較高的鉬、銅等元素，所以此種鋼在具有高強度的同時，強度與韌性的配合以及耐蝕性、焊接性等均優于馬氏體鉻鋼。Cr17Ni2是最常用的一種低鎳馬氏體不銹鋼。馬氏體沉淀硬化不銹鋼通常還含有AI、Ti、Cu等元素，它是在馬氏體基體上通過沉淀硬化作用析出Ni3AI、Ni3Ti；等彌散強化相而進一步提高鋼的強度如Cr17Ni4Cu4等牌號；而半奧氏體（或稱半馬氏體）沉淀硬化不銹鋼，由于火狀態仍為奧氏體組織，所以淬火態仍可進行冷加工成型，然后通過中間處理、時效處理等工藝進行強化，這樣就可以避免馬氏體沉淀硬化不銹鋼中的奧氏體火后直接轉變為馬氏體，導致隨后加工成型困難的缺點。常用的鋼種有0Cr17Ni7AI、0Cr15Ni7Mo2AI等。此類鋼強度較高，一般達1200~1400MPa，常用于制作對耐蝕性能要求不太高但需要高強度的結構件，如飛機蒙皮等。
馬氏體時效不銹鋼
馬氏體時效不銹鋼是在超低碳馬氏體時效鋼的基礎上，加入高于10%的鉻制成的，既保有馬氏體時效鋼的良好綜合性能，又提高了耐蝕性。此類鋼碳含量低于0.03%，鉻含量為10%~15%，鎳含量為6%~11%（或鈷含量為10%~20%），并加入Mo、Ti、Cu等強化元素。
化學成分
常用馬氏體不銹鋼的成分特點是：鉻的質量分數為12%-18%，大多數鋼種（20Cr13、30Cr13、40Cr13、95Cr18）碳含量較高，有些鋼種還含有一定量的鎳，有時還加入鉬、銅、鈮等元素以改善鋼的性能。
馬氏體鉻不銹鋼的主要合金元素是鐵、鉻和碳。對于馬氏體鉻不銹鋼來說，C、N是有效元素，C、N元素添加使得合金允許更高的鉻含量。在馬氏體鉻不銹鋼中，除鉻外，C是另一個最重要的必備元素，事實上，馬氏體鉻不銹耐熱鋼是一類鐵、鉻、碳三元合金當然，還有其他元素，利用這些元素，可根據Schaemer圖確定大致的組織。
組織結構
馬氏體不銹鋼以馬氏體為基體，馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體，具有體心正方晶格，其中，c軸比其他兩個a軸長一些，軸比c/a稱為馬氏體的正方度。
馬氏體不銹鋼的組織形態通常表現為片狀（?plate）?或板條狀（?lath）?，?但在金相觀察中（?二維）?通常表現為針狀（?needle-shaped）?。?這種結構形態使得馬氏體不銹鋼具有高強度和高硬度的特性，?這是其主要的物理特征之一。?馬氏體的形成通常與加速冷卻過程相關，?特別是在中高碳鋼中更為常見。?馬氏體的晶體結構為體心四方結構（?BCT）?，?這是其結構上的一個重要特征。?
生產工藝
生產過程
冶煉
馬氏體不銹鋼鑄錠的冶煉工藝較多，其中兩 步法和三步法最為常用。目前國內外生產廠家為制造出優質不銹鋼鑄件， 主要采用電弧爐＋精煉爐（AOD、VOD和 LF 等）二步法和初煉爐（電爐或轉爐）＋轉爐式脫碳爐＋真空精煉爐三步法的工藝路線來進行生產，其中采用電弧爐＋AOD 二步法冶煉不銹鋼， 已經成為不銹鋼精煉的主導技術。
熱軋和冷軋
熱軋是將鋼錠或鑄坯加熱到一定溫度，進行熱軋加工，得到熱軋板材或簡單斷面型材。冷軋：對熱軋后的板材或棒材進行冷軋加工，以提高尺寸精度和表面質量。
熱處理和表面處理
熱處理是通過淬火和回火等熱處理工藝，使不銹鋼獲得馬氏體組織，提高硬度和強度。表面處理是根據需要，對不銹鋼進行表面酸洗、鈍化、拋光等處理，以提高耐腐蝕性和外觀質量。
熱處理工藝
軟化處理
鋼經鍛軋后，由于空冷即會產生馬氏體轉變，使鍛件變硬，在鍛件表面產生裂紋，同時也不易切削加工。因此這類鋼鍛后應緩冷，并及時進行軟化處理，軟化處理的方法有高溫回火、完全退火兩種方式。
高溫回火是將鍛件加熱到700~800℃保溫2~6h后空冷，使馬氏體轉變為回火索氏體，從而降低硬度。完全退火將鍛件加熱到840~900℃（常用860℃），保溫2~4h后，以小于25℃/h的冷卻速度冷卻（可控爐冷）到600℃以后再空冷，這時12Cr13、20Cr13的硬度可降低到170HB以下：30Cr13、40Cr13可降低到217HB以下。生產中也將球化與軟化退火合并進行（即退火），退火后的組織是鐵素體及其上分布著粒狀。
調質處理
一般不銹鋼結構件（如12Cr13、屬于共析鋼的20Cr13），常用調質處理，以獲得高的綜合機械性能。12Cr13加熱時得不到完全的奧氏體，但在980~1050℃時，可獲得最多的奧氏體量，故其淬火溫度為980~1050℃；而對20Cr火加熱能獲得完全的奧氏體，其火溫度常用950~1150℃。因為馬氏體不銹鋼是熱裂紋敏感鋼種，而且在低溫時的導熱率低，所以淬火加熱時常采用分級加熱，一般在650~800℃保溫停留。因為鋼中Cr含量高鋼的淬透性好，所以淬火后對小件、薄壁件，用空冷、風冷，而對于中小件，用油冷。火后的組織，對12Cr13鋼為板條馬氏體與少量鐵素體，而對20Cr13鋼為板條馬氏體+較少量殘余奧氏體。淬火后需要及時回火。
因為鋼中Cr含量高，馬氏體的回火穩定性高，所以調質處理的回火溫度也高。常用的回火溫度對12Cr13為650~700℃，而對于20Cr13為640~700℃。這類鋼回火時，有回火脆性的產生，故回火要快冷，常采用油冷。回火后的組織，對12Cr13為回火索氏體+鐵素體，而對于20Cr13為回火索氏體。因為鋼的合金化程度高，即使高溫回火也不會完全重結晶，所以回火索氏體保留了淬火馬氏體的位向。12Cr13的火回火工藝見圖9-9。這類鋼在 500~600℃溫度回火后會出現耐蝕性降低的現象，這和碳化鉻析出導致晶界貧鉻有關。但當回火溫度高于600℃以后，因Cr擴散速度加快，可消除這類回火脆性。另外，為了消除回火快冷產生的內應力，可在回火后再進行一次400℃左右的去應力退火。
淬火及低溫回火
因為30Cr13、30Cr13Mo、40Cr13鋼類似于工具鋼，其熱處理的目的是獲得高的硬度和高的耐磨性，故其最終熱處理常采用淬火及低溫回火。淬火加熱溫度為1000~1050℃。火冷卻時為了淬火減少變形，可用硝鹽分級冷卻。火組織為馬氏體+碳化物+少量的殘余y相。回火溫度常為200~220℃。
加工方法
熱處理
固溶處理
固溶處理的目的是，將奧氏體不銹鋼盤條熱加工時，析出的Cr 碳化物和σ 相等固溶在奧氏體內，獲得均勻的組織。通過再結晶軟化和內應力消除，使鋼的延性、韌性、耐蝕性、耐熱性得到恢復。如果固溶處理后，Cr 碳化物在晶界上析出，晶界附近形成貧Cr 區，成為晶界腐蝕的原因，降低鋼的耐蝕性和加工性。
光亮退火處理
不銹鋼冷加工引起的應變誘發馬氏體，使鋼硬化、韌性下降，并且使耐蝕性不良。如果鋼中殘留內部應力，會產生時效裂紋、腐蝕裂紋和殘留應力釋放導致的變形。因此，要將應變誘發馬氏體返回為奧氏體，消除內應力。在氫氣或惰性氣體氣氛中進行退火，不使不銹鋼因熱處理失去金屬光澤的退火處理叫做光亮退火處理。
退火處理
為了對馬氏體盤條進行冷加工，必須對線材進行退火軟化處理。退火處理有完全退火和低溫退火（消除應變退火）。完全退火是將退火材料加熱到高于轉變點50℃-100 ℃的高溫區，并進行充分均熱，然后緩慢冷卻，使碳化物成球狀均勻析出在基鋼上。碳化物球化不充分時，不能使鋼充分軟化，在后續的冷加工中，會產生裂紋和淬火回火后硬度不均勻。完全退火需要在高溫下長時間保溫，而低溫退火加熱溫度低，退火所需要的時間短。低溫退火的目的是使材料軟化，以便進行冷加工，鋼的組織沒有大的變化。
鐵素體不銹鋼盤條經熱處理后，硬度幾乎沒有變化。所以鐵素體不銹鋼線材的熱處理基本上都是退火。退火的目的是組織均勻化、完全軟化、提高耐蝕性和韌性。如果鐵素體不銹鋼線材的處理溫度高于正確的退火溫度，則會發生晶粒顯著粗大、發生脆化。對于鐵素體不銹鋼線材來說，晶粒度是重要的質量指標。
酸洗（除鱗）處理
不銹鋼的氧化鐵皮致密而堅固、化學成分復雜。耐酸鋼的化學除鱗方法一般采用鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸以及鹽浴處理相組合的處理方法。其中奧氏體不銹鋼的耐酸性很強，一般用氟硝酸處理。機械除鱗方法有噴丸、輥壓彎曲、研磨等方法。機械除鱗方法不需要廢酸處理設備，并且可以在熱處理作業線或拔絲作業線上高效率除鱗。所以考慮到環保因素，采用機械除鱗的實例不斷增加。
皮膜處理
為減小盤條與拔絲模具的摩擦力、防止鋼絲表面缺陷的發生和防止模具磨損，需要對線材表面進行皮膜處理。皮膜的種類有樹脂皮膜、水溶性皮膜和草酸皮膜。過去，多采用將四氯乙烯作為溶質的氯系樹脂皮膜。為了控制揮發性有機化合物的排放，改用水溶性皮膜。高強度線材高加工率時，使用草酸皮膜。草酸皮膜可以耐高壓力和加工發熱，防止熱粘結的發生。
拔絲加工
不銹鋼等高強度線材拔絲時，如果模具的耐久性不良，模具就會產生桔皮狀粗糙和磨損，從而導致鋼絲表面產生桔皮狀粗糙和表面缺陷。因此，不銹鋼拔絲模具一般使用金剛石模具。
在對不銹鋼進行冷拔絲時，不僅要考慮模具材質對拔絲的影響，而且要考慮模具孔型、接近角角度以及潤滑油對拔絲的影響。在冷拔絲過程中，要觀察潤滑劑薄片的狀況和拔絲產生的廢料情況，根據觀察結果選用適宜的潤滑劑。
觀察時的判斷標準是：①拔絲材料是否出現桔皮狀粗糙；②拔絲材料是否被潤滑皮膜覆蓋，是否有金屬光澤；③潤滑劑薄片的形狀、大小、顏色是否發生變化；④拔絲產生的廢料量是否不斷增加。
潤滑劑薄片從模具出口出來時，應是紙片狀細長地連續產生，并且在連續拔絲的情況下，逐漸變小，呈粉末狀。潤滑狀態不良時，潤滑劑發生碳化、顏色變黑。拔絲產生的廢料與潤滑劑熔融為一體成為固化物。這種固化物大量殘留在模具入口時，會影響潤滑劑進入模具，使潤滑作用顯著下降。
性能特點
應用領域
餐具和切削刀具：馬氏體不銹鋼因其高硬度和邊緣保持性能而常用于制造餐具和刀具。
航空航天部件：馬氏體不銹鋼由于具有高強度和耐磨性，被用于制造渦輪葉片、飛機緊固件和起落架部件等航空航天部件。
醫療器械：馬氏體不銹鋼由于其生物相容性、硬度和耐磨性，被用于生產手術器械和骨科植入物。
石油和天然氣工業：馬氏體不銹鋼由于其高強度和耐腐蝕性，在石油和天然氣工業中用于閥門、泵和鉆井設備等部件。
汽車零部件：馬氏體不銹鋼由于具有高強度、硬度和耐磨性，被用于制造彈簧、制動部件和排氣系統等汽車零部件。
發電：馬氏體不銹鋼以其強度高、耐磨、耐熱等優點被用于制造燃氣輪機、汽輪機等發電設備。
其他：馬氏體不銹鋼強度高，但塑性和可焊性較差。馬氏體不銹鋼的常用牌號有ICr133Cr13等，因含碳較高，故具有較高的強度、硬度和耐磨性，但耐蝕性稍差，用于力學性能要求較高、耐蝕性能要求一般的一些零件上，如彈簧、汽輪機葉片、水壓機閥等。這類鋼是在淬火、回火處理后使用的，鍛造、沖壓后需退火。
發展趨勢
參考資料 >
馬氏體不銹鋼.搜狐網.2021-07-08
馬氏體不銹鋼的用途介紹.百家號.2024-05-21
馬氏體不銹鋼.中國大百科全書.2024-06-09
不銹鋼知識系列（3）--不銹鋼發明.中國特鋼企業協會.2024-05-21
北科大羅海文《JMST》馬氏體超強韌鋼的組織機制與提升路徑.國家材料腐蝕與防護科學數據中心.2024-07-06
不銹鋼鋼絲二次加工技術動向.微信公眾平臺.2024-06-19
什么是馬氏體鋼?.azom.2024-05-27
粉末冶金制備不銹鋼的研究及發展.粉末冶金商務網.2024-07-09
汽車上都用什么不銹鋼？.今日頭條.2024-06-19