高性能奧氏體不銹鋼指南--機械性能和物理性能?

新用戶16654291 2021-09-26

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奧氏體不銹鋼強度高、韌性好。奧氏體不銹鋼的強度來自于置換型合金元素和填隙原子氮和碳的固溶強化。奧氏體不銹鋼不能通過熱處理將其硬化或強化，如果需要提高強度，只能通過冷加工實現(xiàn)。奧氏體不銹鋼的加工硬化系數(shù)較高，而且加工硬化速率高，因此冷加工可以大大提高其強度。奧氏體不銹鋼具有很好的成型性，在斷裂前可吸收大量的能量。這類不銹鋼在低溫和高溫情況下都具有良好的機械性能。

1、強度

表1匯總了標(biāo)準(zhǔn)奧氏體和高性能奧氏體不銹鋼的常溫機械性能。與300系標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼相比，200系和高性能奧氏體不銹鋼具有更高的屈服強度和抗拉強度，這在很大程度上是由于氮和碳的固溶強化作用所致，還跟鉬、鎳和鉻等置換型元素合金化程度高有直接關(guān)系。圖1說明了氮合金化如何提高這些鋼的強度。例如，當(dāng)含氮量從常規(guī)的0.05%增加到0.20%時，屈服強度從270Mpa 提高到了340Mpa 。這對材料規(guī)范中強度的最低限值影響很大。例如，ASTM A240要求304L (約0.05%N) 屈服強度的最低限值為170Mpa，304N (0.15%N)屈服強度的最低限值為240Mpa。高性能奧氏體不銹鋼的強度更高，例如S31254 (0.20%N) 屈服強度的最低限值為310Mpa，S31266 (0.50% N) 屈服強度的最低限值為420Mpa。

表1 標(biāo)準(zhǔn)300系和200系奧氏體不銹鋼和高性能奧氏體不銹鋼機械性能的最低限值

說明：這些機械性能對應(yīng)的是按照UNS生產(chǎn)的ASTM牌號。第二列中的歐標(biāo)牌號與之類似，但可能不完全相同。滿足一種規(guī)范(如ASTM)要求的材料，不一定滿足其它規(guī)范(如EN或JIS)對類似材料的要求。

圖1 氮對奧氏體不銹鋼強度的影響

因為奧氏體不銹鋼不能通過熱處理進(jìn)行硬化，所以通常的處理方式是固溶退火。如果需要更高的強度，有些鋼廠可提供冷壓延產(chǎn)品。成型、旋壓、型鍛、冷拔等冷加工工藝可以大幅提高強度。加工硬化率高會增加某些成型操作的難度，工件的斷面尺寸要符合設(shè)備的功率要求。有時還需要通過中間退火軟化不銹鋼，才能進(jìn)行進(jìn)一步的成型加工。如果切削刀具造成工件表面硬化，加工硬化速率高會帶來機加工方面的問題。因此，對奧氏體不銹鋼進(jìn)行機加工時，建議放慢切削速度，加大切削深度。冷加工對300系、200系和高性能奧氏體不銹鋼的強度影響見圖2。

圖2 冷加工對201L、304L和6%Mo高性能奧氏體不銹鋼N08367的強度和塑性的影響

冷加工提高的強度只能在中等溫度下保持，在高溫下無法持續(xù)。因此，經(jīng)過冷加工的材料在退火或焊接后不能繼續(xù)保持其原有的強度。

2、延展性和韌性

奧氏體不銹鋼具有很好的延展性，其延伸率在60%～70%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)定的最低限值。一些合金通過添加氮元素提高強度，這樣做不會降低延展性。奧氏體相的面心立方晶體結(jié)構(gòu)提供了良好的延展性，所以，在環(huán)境溫度和低于環(huán)境溫度下的韌性也非常好。奧氏體不銹鋼與碳鋼和其他材料的不同之處在于，低溫環(huán)境下，它們不會出現(xiàn)明顯的延-脆轉(zhuǎn)變，可以在低溫環(huán)境使用。雖然冷加工會降低延展性和韌性，但延展性減弱需要緩慢的過程，因此，冷加工率20%的奧氏體不銹鋼仍然會有15%或更高的延伸率(圖2)。冷加工提高了退火材料的位錯密度，使延展性降低。退火則是通過復(fù)原和再結(jié)晶來消除冷加工的影響，降低強度，并將延展性和韌性恢復(fù)到高位。

3、高溫強度

奧氏體不銹鋼具有良好的高溫強度。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼都被核準(zhǔn)用于壓力容器。ASME(美國機械工程師協(xié)會)壓力容器規(guī)范給出了高達(dá)427℃溫度下的允許設(shè)計值。在不考慮壓力的爐子應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)和一些特殊耐熱不銹鋼可用于1100℃。高性能奧氏體不銹鋼主要用于耐腐蝕環(huán)境，它們在常溫下勝過標(biāo)準(zhǔn)牌號的強度優(yōu)勢，在高溫環(huán)境依然沒有改變。例如ASME規(guī)范規(guī)定，溫度為427℃時，高性能奧氏體不銹鋼N08367的許用應(yīng)力為124MPa，316不銹鋼為66MPa。圖3是316不銹鋼和三種高性能奧氏體不銹鋼的高溫強度參數(shù)的對比。

圖3 三種高性能奧氏體不銹鋼(Alloy20，317LN和UNS N08367)和316L不銹鋼的高溫強度對比

除了具有良好的高溫強度，奧氏體不銹鋼還有一個優(yōu)點，那就是當(dāng)溫度高于300℃時，它們不會像鐵素體和雙相不銹鋼那樣形成α'脆化相。但是，高性能奧氏體不銹鋼在500℃-1050℃之間會形成χ和σ脆化相。

良好的高溫強度會對加工制作產(chǎn)生正面和負(fù)面的影響。當(dāng)成品工件進(jìn)行退火處理時，高強度可防止工件在重力作用下變形。但是，如果工件發(fā)生變形，例如在焊接過程中發(fā)生變形，高強度會使工件更難矯直。如前所述，高強度合金可能會超出現(xiàn)有成型設(shè)備的加工能力，所以，斷面尺寸受到成型設(shè)備的限制。

4、物理性能

奧氏體不銹鋼的物理性能基本相同。與碳鋼相比，它們的楊氏模量略低，熱膨脹系數(shù)(CTE)較高，導(dǎo)熱性較差。表2和表3匯總了奧氏體不銹鋼物理性能的詳細(xì)參數(shù)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)奧氏體和高性能奧氏體不銹鋼的常溫物理性能