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不锈钢 力学性能机械性能

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不锈钢 力学性能机械性能

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【摘要】:
  不锈钢 的强度是由各种因素不确定,但最重 要的和最基本的因素是其中添加的不同化学因素,主要是金属元素。不同类 型的不锈钢由于其化学成分的差异,就有不同的强度特性。
  (1)马氏体型不锈钢
  马氏体 型不锈钢与普通合金钢一样具有通过淬火实现硬化的特性,因此可 通过选择牌号及热处理条件来得到较大范围的不同的力学性能。
  马氏体 型不锈钢从大的方面来区分,属于铁-铬-碳系不锈钢。进而可 分为马氏体铬系不锈钢
  不锈钢 的强度是由各种因素不确定,但最重 要的和最基本的因素是其中添加的不同化学因素,主要是金属元素。不同类 型的不锈钢由于其化学成分的差异,就有不同的强度特性。
  (1)马氏体型不锈钢
  马氏体 型不锈钢与普通合金钢一样具有通过淬火实现硬化的特性,因此可 通过选择牌号及热处理条件来得到较大范围的不同的力学性能。
  马氏体 型不锈钢从大的方面来区分,属于铁-铬-碳系不锈钢。进而可 分为马氏体铬系不锈钢和马氏体铬镍系不锈钢。在马氏 体铬系不锈钢中添加铬、碳和钼 等元素时强度的变化趋势和在马氏体铬系不锈钢中添加镍的强度特性如下所述。
  马氏体 铬系不锈钢在淬火-回火条件下,增加铬 的含量可使铁素体含量增加,因而会 降低硬度和抗拉强度。低碳马 氏体铬不锈钢在退火条件下,当铬含 量增加时硬度有所提高,而延伸率略有下降。在铬含 量一定的条件下,碳含量 的增加使钢在淬火后的硬度也随之增加,而塑性降低。添加钼 的主要目的是提高钢的强度、硬度及二次硬化效果。在进行低温淬火后,钼的添 加效果十分明显。含量通常少于1%。
  在马氏 体铬镍系不锈钢中,含一定 量的镍可降低钢中的δ铁素体含量,使钢得到最大硬度值。
  马氏体 型不锈钢的化学成分特征是,在0.1%-1.0%C,12%-27%Cr的不同 成分组合基础上添加钼、钨、钒、和铌等元素。由于组 织结构为体心立方结构,因而在 高温下强度急剧下降。而在600℃以下,高温强 度在各类不锈钢中最高,蠕变强度也最高。
  (2)铁素体型不锈钢
  据研究结果,当铬含量小于25%时铁素 体组织会抑制马氏体组织的形成,因而随 铬含量的增加其强度下降;高于25%时由于 合金的固溶强化作用,强度略有提高。钼含量 的增加可使其更易获得铁素体组织,可促进α ’相、б相和x相的析出,并经固 溶强化后其强度提高。但同时 也提高了缺口敏感性,从而使韧性降低。钼提高 铁素体型不锈钢强度的作用大于铬的作用。
  铁素体 型不锈钢的化学成分的特征是含11%-30%Cr,其中添加铌和钛。其高温 强度在各类不锈钢中是最低的,但对热 疲劳的抗力最强。
  (3)奥氏体型不锈钢
  奥氏体 型不锈钢中增加碳的含量后,由于其 固溶强化作用使强度得到提高。
  奥氏体 型不锈钢的化学成分特性是以铬、镍为基础添加钼、钨、铌和钛等元素。由于其 组织为面心立方结构,因而在 高温下有高的强度和蠕变强度。还由于线膨胀系数大,因此比 铁素体型不锈钢热疲劳强度差。
  (4)双相不锈钢
  对铬含量约为25%的双相 不锈钢的力学性能研究表明,在α+r双相区 内镍含量增加时r相也增加。当钢中的铬含量为5%时,钢的屈 服强度达到最高值;当镍含量为10%时,钢的强度达到最大值。
  (二)蠕变强度
  由于外 力的作用随时间的增加而发生变形的现象称之为蠕变。在一定 温度下特别是在高温下、载荷越 大则发生蠕变的速度越快;在一定载荷下,温度越 高和时间越长则发生蠕变的可能性越大。与此相反,温度越 低蠕变速度越慢,在低至 一定温度时蠕变就不成问题了。这个最 低温度依钢种而异,一般来说纯铁在330℃左右,而不锈 钢则因己采取各种措施进行了强化,所以该温度是550℃以上。
  和其他钢一样,熔炼方式、脱氧方法、凝固方法、热处理 和加工等对不锈钢的蠕变特性有很大的影响。据介绍,在美国进行的对18-8不锈钢 进行蠕变强度试验表明,取自同 一钢锭同一部位的试料的蠕变断裂时间的标准今偏差是平均值的约11%,而取自不同钢锭的上、中、下不同 部位的试料的标准偏差与平均值相差则达到两倍之多。又据在 德国进行的试验结果表明,在10的5次幂h时间下0Cr18Ni11Nb钢的强度为小于49MPa至118MPa,散差很大。
  (三)疲劳强度
  高温疲 劳是指材料在高温下由于周期反复变化着的应力的作用而发生损伤至断裂的过程。对其进 行的研究结果表明,在某一高温下,10的8次幂次 高温疲劳强度是该温度下高温抗拉强度的1/2。
  热疲劳 是指在进行加热(膨胀)和冷却(收缩)的过程中,当温度 发生变化和受到来自外部的约束力时,在材料 的内部相应于其本身的膨胀和收缩变形产生应力,并使材料发生损伤。当快速 地反复加热和冷却时其应力就具冲击性,所产生 的应力与通常情况相比更大,此时有 的材料呈脆性破坏。这种现 象被称之为絷冲击。热疲劳 和热冲击是有着相似之处的现象,但前者 主要伴随大的塑性应变,而后者 的破坏主要是脆性破坏。
  不锈钢 的成分和热处理条件对高温疲劳强度有影响。特别是 当碳的含量增加时高温疲劳强度明显提高,固溶热 处理温度也有显著的影响。一般来 说铁素体型不锈钢具有良好的热疲劳性能。在奥氏体不锈钢中,高硅的 且在高温下具有良好的延伸性的牌号有着良好的热疲劳性能。
  热膨胀系数越小、在同一 热周期作用下应变量越小、变形抗 力越小和断裂强度越高,寿命就越长。可以说 马氏体型不锈钢1Cr17的疲劳寿命最长,而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奥氏 体型不锈钢的疲劳寿命最短。另外铸 件较锻件更易发生由于热疲劳引起的破坏。在室温下,10的7次幂次 疲劳强度是抗拉强度的1/2。与高温 下的疲劳强度相比可知,从室温 到高温的温度范围内疲劳强度没有太大的差异。
  (四)冲击韧性
  材料在 冲击载荷作用下,载荷变 形曲线所包括的面积称为冲击韧性。对于铸 造马氏体时效不锈钢,当镍含量为5%时其冲击韧性较低。随着镍含量的增加,钢的强 度和韧性可得到改善,但镍含量大于8%时,强度和 韧性值又一次下降。在马氏 体铬镍系不锈钢中添加钼后,可提高 钢的强度且可保持韧性不变。
  双相不 锈钢的冲击韧性随镍含量的增加而提高。一般来说,在a+r两相区 内其冲击韧性稳定在160-200J的范围内。200 系列—铬-镍-锰 奥氏体不锈钢
  300 系列—铬-镍 奥氏体不锈钢
  型号 301—延展性好,用于成型产品。也可通 过机械加工使其迅速硬化。焊接性好。抗磨性 和疲劳强度优于304不锈钢。
  型号 302—耐腐蚀性同304,由于含 碳相对要高因而强度更好。
  型号 303—通过添加少量的硫、磷使其较304更易切削加工。
  型号 304—通用型号;即18/8不锈钢。GB牌号为0Cr18Ni9。
  型号 309—较之304有更好的耐温性。
  型号 316—继304之后,第二个 得到最广泛应用的钢种,主要用 于食品工业和外科手术器材,添加钼 元素使其获得一种抗腐蚀的特殊结构。由于较之304其具有 更好的抗氯化物腐蚀能力因而也作“船用钢”来使用。SS316则通常 用于核燃料回收装置。18/10级不锈 钢通常也符合这个应用级别。
  型号 321—除了因 为添加了钛元素降低了材料焊缝锈蚀的风险之外其他性能类似304。
  400 系列—铁素体 和马氏体不锈钢
  型号 408—耐热性好,弱抗腐蚀性,11%的Cr,8%的Ni。
  型号 409—最廉价的型号(英美),通常用作汽车排气管,属铁素体不锈钢(铬钢)。
  型号 410—马氏体(高强度铬钢),耐磨性好,抗腐蚀性较差。
  型号 416—添加了 硫改善了材料的加工性能。
  型号 420—“刃具级”马氏体钢,类似布 氏高铬钢这种最早的不锈钢。也用于外科手术刀具,可以做的非常光亮。
  型号 430—铁素体不锈钢,装饰用,例如用于汽车饰品。良好的成型性,但耐温 性和抗腐蚀性要差。
  型号 440—高强度刃具钢,含碳稍高,经过适 当的热处理后可以获得较高屈服强度,硬度可以达到58HRC,属于最 硬的不锈钢之列。最常见 的应用例子就是“剃须刀片”。常用型号有三种:440A、440B、440C,另外还有440F(易加工型)。
  500 系列—耐热铬合金钢。
  600 系列—马氏体 沉淀硬化不锈钢。
  型号 630—最常用 的沉淀硬化不锈钢型号,通常也叫17-4;17%Cr,4%Ni。
  不锈钢为什么耐腐蚀?
  ,建议把地域分成四类,即:乡村,城市,工业区和沿海地区。
  乡村是 基本上无污染的区域。该区人口密度低,只有无污染的工业。
  城市为典型的居住、商业和轻工业区,该区内有轻度污染,例如交通污染。
  工业区 为重工业造成大气污染的区域。污染可 能是由于燃油所形成的气体,例如硫和氮的氧化物,或者是 化工厂或加工厂释放的其它气体。空气中悬游的颗粒,像钢铁 生产过程中产生的灰尘或氧化铁的沉积也会使腐蚀增加。
  沿海地 区通常指的是距海边一英里以内的区域。但是,海洋大 气可以向内陆纵深蔓延,在海岛上更是如此,盛行风来自海洋,而且气候恶劣。例如,英国气 候条件就是如此,所以整 个国家都属于沿海区域。如果风 中夹杂着海洋雾气,特别是 由于蒸发造成盐沉积集聚,再加上雨水少,不经常被雨水冲刷,沿海区 域的条件就更加不利。如果还 有工业污染的话,腐蚀性就更大。
  美国、英国、法国、意大利、瑞典和 澳大利亚所进行的研究工作已经确定了这些区域对各种不锈钢耐大气腐蚀的影响。有关内容在NiIDI出版的《建筑师便览》中作了简单介绍,该书中 的表可以帮助设计人员为各种区域选择成本效益最好的不锈钢。
  在进行选择时,重要的 是确定是否还有当地的因素影响使用现场环境。例如,不锈钢 用在工厂烟囱的下方,用在空 调排气挡板附近或废钢场附近,会存在非一般的条件。
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