不锈钢知识

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(一)不锈钢的分类
1、不锈钢的分类
不锈钢的分类方法较多，但习惯按其组织特点进行分类，按此方法可将不锈钢分成五大类。

1.1、奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢为面心立方结构的奥氏体组织，具有无磁性、良好的低温性能、易成型性和可焊性等特性，综合力学性能良好，应用最为广泛。

工业牌号可分为Cr-Ni和Cr-Ni-Mn-N两大类型。

在正常热处理条件下，钢的基体组织为奥氏体。

此类钢不能通过热处理方法改变力学性能，只能采用冷变形方式进行强化。

可采用加入钼、铜、硅等合金元素派生出适用于各类腐蚀环境或深加工的不同钢种。

1.2、铁素体不锈钢
铁素体不锈钢为体心立方结构的铁素体组织，不能采用热处理方法改变其组织结构。

具有磁性，易于成型，耐氯化物腐蚀、耐点蚀，但室温、低温韧性差，晶间腐蚀比较敏感。

低碳、超低碳冶炼在一定程度上克服了以上缺点。

根据钢中的碳、氮含量可将欠素体不锈钢分成高纯（C+N ≤150ppm）和普通铁素体不锈钢两大类。

1.3、双相不锈钢
双相不锈钢通常由奥氏体和铁素体两相组织构成。

两相比例可以通过合金成分和热处理条件的改变予以调整。

此类钢有磁性、屈服强度高、耐点蚀、耐应力腐蚀，易于成型和焊接。

1.4、马氏体不锈钢
马氏体不锈钢淬火后可以得到马氏体组织。

具有磁性、高强度和高硬度，通过热处理可以调整钢的力学性能。

马氏体不锈钢具有中等水平的不锈性。

1.5、沉淀硬化不锈钢
沉淀硬化不锈钢按其组织可分成马氏体沉淀硬化不锈钢（以0Crl7Ni4Cu4Nb为代表），半奥氏体沉淀硬化不锈钢（以OCrl7Ni7Al和OCrl5Ni25Ti2MoVB为代表）和奥氏体加铁素体沉淀硬化不锈钢（以PH55A、B、C为例）。

此类型钢具有高的强度，不锈性卓越，可借助于热处理工艺调
整其性能，使其在钢的成型、设备制造过程中处于易加工和易成型的组织状态。

半奥氏体沉淀硬化不锈钢通过马氏体相变和沉淀硬化，奥氏体、马氏体沉淀硬化不锈钢通过沉淀硬化处理使其具有高的强度和良好的韧性。

这类钢的铬含量近于17%，加之含有镍、钼等元素，因此，除具有足够的不锈性外，其耐蚀性接近于18-8型奥氏体不锈钢。

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(二)不锈钢合金元素的作用
2、合金元素的作用
一般情况下纯金属具有比较高的塑性，当加入其他合金元素后，形成单相固溶体时也有较好的塑性，如铁镍合金可形成连续固溶体，因此铁与镍在任意比例的情况下，合金的塑性都是很高的。

但在含有其它元素的条件下，形成不溶于固溶体或部分溶于固溶体的金属间化合物，使金属的塑性降低，因此合金的塑性比纯金属或单相固溶体的塑性差。

铁：是不锈钢的基本金属元素；
铬：是主要铁素体形成元素，铬与氧结合能生成耐腐蚀的Cr2O3钝化膜，是不锈钢保持耐蚀性的基本元素之一，铬含量增加可提高钢的钝化膜修复能力，一般不锈钢中的铬含量必须在12%以上；
碳：是强奥氏体形成元素，可显著提高钢的强度，但在碳钢中含碳量越高塑性越差，另外碳对耐腐蚀性也有不利的影响。

镍：是主要奥氏体形成元素，能减缓钢的腐蚀现象及在加热时晶粒的长大；
钼：是碳化物形成元素，所形成的碳化物极为稳定，能阻止奥氏体加热时的晶粒长大，减小钢的过热敏感性，另外钼元素能使钝化膜更致密牢固，从而有效提高不锈钢的耐Cl-腐蚀性；
铌、钛：是强碳化物形成元素，能提高钢的耐晶间腐蚀能力。

但碳化钛对不锈钢的表面质量有不利影响，因此在表面要求较高的不锈钢中一般通过添加铌来改善性能。

氮：是强奥氏体形成元素，可显著提高钢的强度。

但是对不锈钢的时效开裂影响较大，因此在冲压用途的不锈钢中要严格控制氮含量。

磷、硫：是不锈钢中的有害元素，对不锈钢的耐腐蚀性和冲压性都会产生不利影响。

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(三)不锈钢的一般物理性能
3、不锈钢的一般物理性能
3.1热传导
经常说不锈钢的热传递较慢。

与其它材料相比较如表1所示。

例如：不锈钢的热传导率和铝相比SUS430为1/8，SUS304为1/13。

与碳钢相比分别为1/2和1/4，由此可见，不锈钢铁的热传导率是较低的。

由于热传导率差，在进行不锈钢退火时，就会产生许多困难。

不锈钢是在铁中加入Cr和Ni的合金材料。

为什么热传导会比铁差呢？简单地说，可以解释为Cr和Ni阻碍了承担热传导的金属结晶中的自由电子的活动（电子热传导），自由电子的活动当然会受温度的影响，因此与晶格热传导（原子不规格振动，弹性波浪形地，渐渐地在晶格中传导）也有关系，热传导率根据温度而变化，像不锈钢这样的高合金钢，温度越高，热传导率就越大。

3.2、热膨胀
我们把温度为T，长度为Ｌ的物体，当温度为T+dt，长度变为L+dL 的现象叫作为热膨胀，线膨胀系数为α的表示式如下所示：α=（1/L）（dL/dT）
另外，各向钢性固体的体膨胀系数（β）为β=3α。

各种材料的线膨胀系列如表1所示，与碳钢相比SUS304的线膨胀系数大，SUS430的线膨胀系数小。

另外，铝、铜的膨胀系数要比不锈钢大。

表1 各种材料在常温下的热传导和线膨胀系
数
3.3、电阻
通过电的难易程度叫作电阻或比电阻，通常讲的电阻用下式来表示：
电阻=比电阻⨯（导体的长度/断面积）
在多种金属之中，不锈钢是比较容易通过电流的材料。

与纯金属相比，合金的比电阻一般较大，不锈钢也是如此，与其构成元素的Fe、Cr、Ni相比，值明显地要大。

SUS304要比SUS430大，象SUS310S那样，合金元素越多，电阻就越大。

这样合金化使电比电阻增大的原因，是由于带电的自由电子的运行因合金元素影响发生了混乱的缘故。

如前所述，自由电子同时也担任热传导。

因此，许多金属如果它的热传导率“λ”越高，电气电导率“σ”（比电阻的倒数）也越高。

两者之间有Wiedermann-Franz法则的关系，关系如下所示：
λ/σ=TLο（Lο：Lorenz数，T：温度）
与热传导相同，电比阻也因温度而变化，表2表示这种关系的温度系列数。

表 2 各种材料的电比电阻
（注）温度系数=比电阻（100℃）-比电阻（0℃）/比电阻（100℃）⨯100
3.4、磁性
3.5、密度
表 4 各种材料密度（在常温下）
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(四)不锈钢的机械性能
4、不锈钢的机械性能
4.1屈服强度（力学符号σ0.2，英文缩写YS）
σ0.2=P0.2/F0
P0.2—拉伸试样塑性变形量为0.2%时承受的载荷
F0—拉伸试样的原始截面积
材料的屈服强度小，表示材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性好。

4.2抗拉强度（力学符号σb，英文缩写TS）
σb=P b/F0
P b—拉伸试样断裂前承受的最大载荷
F0—拉伸试样的原始截面积
材料的抗拉强度大，材料变形过程中不容易被拉断，有利于塑性变形。

4.3屈强比（σ0.2/σb）
屈强比对材料冲压成形性能影响很大，屈强比小，板料由屈服到破裂的塑性变形阶段长，成形过程中发生断裂的危险性小，有利于冲压成形。

一般来讲，较小的屈强比对板料在各种成形工艺中的抗破裂性都有利。

表5. 常见不锈钢材料的屈强比
4.4延伸率（力学符号,英文缩写EL）
延伸率是材料从发生塑性变形到断裂的总的伸长长度与原有长度的比值，即：
δ—材料的延伸率（%）
L—试样被拉断时的长度（mm）
L0—拉伸前试样的长度（mm）
材料的延伸率大，板料允许的塑性变形程度大，抗破裂性较好，对拉深、翻边、胀形都有利。

一般来说，材料的翻边系数和胀形性能（埃里克森值）都与延伸率成正比关系。

4.5应变硬化指数（n）
应变硬化指数就是通常所说的n值，表示材料冷作硬化现象的一个指标，可以反映材料的冲压成形性能。

应变硬化指数大，显示材料的局部应变能力强，防止材料局部变薄能力强，即增大失稳极限应变，使变形分布趋于均匀化，材料成形时的总体成形极限高。

4.6奥氏体平衡系数（A）
A(BAL)=30（C+N）+0.5Mn+Ni-1.3Cr+11.8
表示奥氏体的稳定程度，A值越小，奥氏体越不稳定，钢的组织容易受到冷热加工的影响而发生组织转变，影响到钢的机械性能。

在不锈钢中常见的奥氏体形成元素有：Ni、Mn、C、N，这些元素有助于形成和稳定奥氏体，是奥氏体不锈钢中不可缺少的，尤其是Ni元素。

从奥氏体平衡系数也可以看出这四种元素含量增大可以增大奥氏体平衡系数，从而使奥氏体组织越稳定。

常见的铁素体形成元素有：Cr、Mo、Si、Ti、Nb，这些元素有助于形成和稳定铁素体组织，从上面公式也可以看出，Cr 元素含量增大可以降低奥氏体平衡系数。

SUS304不锈钢是纯奥氏体组织，奥氏体组织有其稳定性，经过冷加工SUS304变硬，主要原因是部分奥氏体组织转变为马氏体组织，称做冷加工诱变马氏体。

对奥氏体不锈钢来说，平衡系数小，在冷加工过程中就容易产生马氏体转变或者说是产生的马氏体量就多，从而冷作硬化程度程度剧烈。

4.7冷加工诱变马氏体转变点Md(30/50)
Md(30/50)=551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.5Mo
表示真应变量30%的冷变形后生成50%α马氏体的温度，说明奥氏体不锈钢中合金元素含量越高，马氏体转变点Md(30/50)就越低，在冷加工变形过程中诱变马氏体不易产生，冷作硬化程度小。

不锈钢的冷作硬化现象主要是由两种因素引起的：
一种是位错增多引起的加工硬化；一种是组织转变（奥氏体转变为马氏体转变）引起的加工硬化。

对SUS430钢种而言，加工变形过程中不会发生组织转变，其冷作硬化现象全部是由位错的增多引起的，因此对SUS430钢谈冷加工诱变马氏体点是没有实际意义的。

SUS304钢在冷变形过程中则存在位错增多引起的硬化和马氏体组织转变引起的硬化，而且组织转变引起的硬化是主要
的，这也是奥氏体不锈钢的冷作硬化现象比铁素体不锈钢要明显，加工硬化系数（n值）大的原因。

在奥氏体不锈钢中，Ni含量对诱变马氏体转变点的影响是很明显的，Ni含量增多，马氏体转变点降低，材料在冷变形过程中硬化程度小。

4.8晶粒度（N）
晶粒度的物理意义可根据下公式理解：
ξ=2N+3
ξ—每平方毫米截面积上的晶粒数
N —晶粒度
晶粒度N级别越高，单位截面积上的晶粒数越多，材料的晶粒就越细，强度大，延伸率好。

一般来讲，N＞5（256个晶粒/mm）的钢称为细晶粒钢。

晶粒较大时，有利于提高材料的塑性应变比（R），并降低屈强比和屈服伸长。

但晶粒较大时，它们在板料表层取向不同，变形量差异比较明显，材料表面易出现“桔皮”现象。

细化晶粒可减轻桔皮现象发生，但晶粒过细，值会减小，屈强比和屈服伸长都会增大，不利于成形。

图1. SUS304的晶粒度与机械性能的关系
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(五)不锈钢的焊接特性
5、不锈钢的焊接特性
5.1、不锈钢的焊接特性：
由于不锈钢的电阻系数远大于低碳钢，在焊接时焊条及焊接区的母材都比较容易被加热而融化，同时使熔区周围的基体过热，造成焊区变形不均和晶粒粗大。

不锈钢的线膨胀系数大，导热系数小，热量不易传递，焊接时熔深大，焊接加热使结构膨胀，冷却时产生较大的收缩变形和拉应力，容易引起热裂纹。

不锈钢焊接加工后，在焊接热影响区内容易引发晶间腐蚀。

原因是在焊接热影响区内，在敏化温度（450℃—850℃）区间，基体局部贫铬，难以钝化，造成耐蚀性明显下降，于是在相应的腐蚀环境中优先被腐蚀，钢的晶界由于受腐蚀变宽。

这时腐蚀部位的塑性和强度已严重丧失，冷弯时出现裂纹、脆断，腐蚀部位落地无金属声。

5.2、不锈钢焊接的防范措施：
控制焊接电流：不锈钢的焊接规范要小于低碳钢，电流量约为低碳钢的80%。

加快焊接速度：尽可能使用较快的焊接速度，目的是减少热影响区宽度，缩短焊缝在敏化温度区间的停留时间，使焊缝处于一次稳定状态，以及细化焊缝组织。

合理选择焊接材料：焊接时要选择合适的焊接材料、保护气氛。

焊丝的化学成分对焊缝部位的耐蚀性有重要影响，焊条应具有与母材相似的化学成分，这样可以使焊缝金属与母材具有相似的化学成分，一般被认为可以实现最佳的耐腐蚀性。

焊接前后的清理：材料的表面必需在焊接之前进行清理，焊接之后去除焊渣。

A：容易焊接，被广泛使用；
B：在有些场合，焊接性或焊缝质量较差，但也被广泛应用；
C：焊接性或焊缝质量差，几乎不被应用；
（注）1）含C量高的材料易引起焊接地温开裂，需要预热；
2）SUS310、347钢种，在焊接时经常会引起高温开裂；
3）使用混入H2的保护气在焊缝处容易引起气孔和地温开裂； 4）2.0mm以上使用脉冲焊，一般的为3.0mm以上；
5）焊接部分晶粒粗大，容易变脆；
6）虽然低碳钢和稳定的不锈钢没有问题，但象SUS304、316等的普通含碳量的奥氏体系不锈钢的焊接部位容易发生晶间腐蚀。

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(六)不锈钢的耐腐蚀性能
6、不锈钢的耐腐蚀性能
6.1不锈钢耐腐蚀性的含义及分类
不锈钢只是耐腐蚀钢，不是完全意义上的不锈，到目前为止没有发明在任何条件下均不腐蚀的钢。

因此具体的钢种是适应具体的使用环境的。

不锈钢的耐腐蚀原理：
①加入合金元素Cr、Ni等提高基体金属的电极电位，减少微电池的数量，可有效地提高钢的耐蚀性。

②加入合金元素使钢在室温下获得单相固溶组织，也能减少微电池数量，从而提高钢的耐蚀性。

③在钢中加入合金元素铬使钢的表面形成结构致密、不溶入腐蚀介质、电阻又高的Cr2O3钝化膜，这种钝化膜结构致密、稳定，厚度1—6nm。

是金属基体的保护膜，并且随着钢中铬含量的增加，钝化膜的厚度和强度也会相应增加。

6.2不锈钢耐腐蚀性的分类
6.2.1点蚀
点蚀（如图6-1所示）又称坑蚀和小孔腐蚀，是不锈钢常见局部腐蚀之一。

一般情况下点蚀的深度要比其直径大的多。

当介质中存在某些活性阴离子（CI-）时，这些阴离子首先被吸附在金属表面某些点上，从而使不锈钢表面钝化膜发生破坏。

钢中会存在缺陷、杂质和溶质等的不均一性，一旦表面钝化膜破坏，在表面缺陷处易显露基体金属，使其呈活化态，而钝化膜处为钝态，这样就形成了活性-钝性腐蚀电池，由于阳极面积比阴极面积小的多，阳极电流密度很大，腐蚀往深处发展，金属表面很快就被腐蚀成小孔。

图6-1 盐水中使用的SUS304钢管上的点蚀
防止点蚀的途径
①选用耐点蚀的材料，钢中添加钼并提高铬含量，如316L钢种；
②采用合理的热处理制度，使不锈钢基体处于完全固溶状态；
③减少溶液中卤素离子的浓度，提高溶液的PH值；
④搅拌溶液，避免溶液的局部浓缩，防止杂质附着在钢表面上；
⑤提高不锈钢的表面光洁度；
⑥降低介质的温度；
⑦采用阴极保护措施。

6.2.2缝隙腐蚀
金属与金属或金属与非金属之间构成狭窄的缝隙，缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池从而产生局部腐蚀，这种腐蚀称为缝隙腐蚀（如图6-2所示），常发生在不锈钢设备的连接处。

图6-2 在盐水中使用的一个扁平式热交换器内的垫圈底部的缝隙腐蚀
防止缝隙腐蚀的途径
①选用耐缝隙腐蚀的材料，可选用含钼的不锈钢和含钛的不锈钢。

②改善设计方案，尽量避免有缝隙的设计，或使缝隙尽量敞开。

尽可能避免采用金属与非
金属的联接件。

③增加介质液体的流量，防止杂质及污染物在缝隙部位沉积。

④增大PH值，减少CI-离子浓度，降低缝隙腐蚀敏感性。

6.2.3应力腐蚀
应力腐蚀（SCC）是指金属和合金在腐蚀介质和拉应力的同时作用下引起的金属破裂。

应力腐蚀的特征是形成腐蚀-机械裂缝，这种裂缝不仅可以沿着晶界发展，而且也可穿过晶粒。

由于裂缝向金属内部发展，使金属结构的机械强度大大降低，严重时能使金属设备突然损坏。

防止应力腐蚀的途径
①正确选用材料，避免使用对应力腐蚀敏感的材料。

②合理设计，避免加工程度过大，残余应力大或应力集中。

③注意使用条件，避免表面积存腐蚀介质，尤其是要避免氯离子的局部浓缩。

6.2.4晶间腐蚀
晶间腐蚀是材料沿着晶粒间界受到腐蚀，使晶粒间丧失结合力的一种局部腐蚀现象。

受到这种腐蚀破坏的零件，有时候外表仍是光亮完好的，但由于晶粒之间的结合力丧失，材料的强度已基本丧失，严重的会丧失金属声音。

产生晶间腐蚀的原因一般普遍认为是晶界合金元素的贫化。

就是经过敏化温度的钢，在晶界析出铬的化合物，沿晶界就会形成贫铬区，在腐蚀介质的作用下，沿晶界的贫铬区先发生腐蚀。

不论是奥氏体、铁素体或双相不锈钢都可能出现晶间腐蚀。

奥氏体和双相不锈钢晶间腐蚀的敏化温度范围是450℃～850℃，铁素体不锈钢在850℃以上。

图6-3 使用在硫酸酸洗液中的一个AISI316钩具，其焊缝周围发生的晶间腐蚀防止晶间腐蚀的途径
①铬元素含量增大，可以降低晶间腐蚀敏感性。

②添加稳定化元素钛和铌，因钛和铌与碳的亲和力强，可以生成稳定的NbC和TiC，避免
铬与碳结合，从而减少晶间贫铬区的产生。

③碳、氮、磷、硅等元素的存在对材料耐晶间辐射都是不利的，因此要尽量降低这些元素
的含量。

④热处理时要避免在敏化温度区间停留时间过长，避免在晶间碳化物的析出及晶粒粗大
化。

产品标准
目前宝新公司使用的冷轧产品标准有下如四个:
1.JIS4305-2005
2.ASTM 240/A 240M
3.EN10088-2
4.Q/BXS 001-2008(电梯类企业标准)。