不锈钢基础知识

不锈钢基础知识 一 不锈钢的定义二 不锈钢的分类三 合金元素的作用四 不锈钢的一般物理性质五 不锈钢材料的基本性能六 不锈钢的焊接性能七 不锈钢的耐腐蚀性能八 不锈钢的冲压性能 宝新不锈 一 不锈钢的定义 不锈钢的定义 不锈钢是指在大气中不容易生锈的钢 是在特定的酸 碱 盐条件中比较耐腐蚀的钢 由于不锈钢具有优异的耐腐蚀性 成型性 以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点 因此在石油化工 原子能源 轻工 纺织 食品 家用器械等方面得到了广泛的应用 宝新不锈 二 不锈钢的分类 不锈钢的分类方法比较多 但通常按它的组织特点来进行分类 按这种方法可以将不锈钢分成五大类 就是奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢 宝新不锈 不锈钢组织分类图 二 不锈钢的分类 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 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 在不恰当热处理或不同受热状态下 在奥氏体基体中有可能存在少量的碳化物及铁素体组织 奥氏体不锈钢不能通过热处理方法改变它的力学性能 只能采用冷变形的方式进行强化 可以通过加入钼 铜 硅等合金化元素的方法得到适用于各种使用条件的不同钢种 如316L 304Cu等 无磁性 良好的低温性能 易成型性和可焊性是这类钢种的重要特性 宝新不锈 二 不锈钢的分类 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它的组织结构 铁素体不锈钢具有强磁性 易于成型 耐锈蚀 耐点蚀等特点 根据钢中的碳 氮含量可将铁素体不锈钢分成高纯铁素体不锈钢 如409L 和普通铁素体不锈钢 如430 两大类 3 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 马氏体不锈钢的耐腐蚀性比奥氏体及铁素体稍差 宝新不锈 二 不锈钢的分类 4 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加以调整 这类钢屈服强度高 耐点蚀 耐应力腐蚀 易于成型和焊接 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 这种类型的不锈钢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 这类钢的铬含量在17 左右 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 宝新不锈 三 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 宝新不锈 三 合金元素的作用 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 宝新不锈 三 合金元素的作用 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 宝新不锈 四 不锈钢的一般物理性质 1 热传导不锈钢的热传递速度比较慢 例如 不锈钢的热传导率和铝相比430钢种为1 8 304钢种为1 13 与碳钢相比分别为1 2和1 4 常温下与其它材料相比较的热传导率如表1所示 表1各种材料在常温下的热传导和线膨胀系数 宝新不锈 2 热膨胀与碳钢相比304钢种的线膨胀系数较大 430钢种的线膨胀系数稍小 另外 铝 铜的膨胀系数要比不锈钢大 各种材料的线膨胀系数如表1所示 四 不锈钢的一般物理性质 3 不锈钢的电阻与纯金属相比 合金的比电阻一般比较大 不锈钢也是如此 与它的构成元素Fe Cr Ni相比 电阻值明显要大 表2各种材料的电阻 宝新不锈 钢中的合金元素越多 电阻就越大 如304钢种要比430钢种大 310S钢种则更大 四 不锈钢的一般物理性质 4 不锈钢的磁性表3各种材料的磁性性质 宝新不锈 五 不锈钢材料的基本性能 1 屈服强度 力学符号 0 2 英文缩写YS 0 2 P0 2 F0P0 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 2 抗拉强度 力学符号 b 英文缩写TS b Pb F0Pb 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 宝新不锈 五 不锈钢材料的基本性能 3 屈强比 0 2 b 屈强比对材料冲压成形性能影响很大 屈强比小 材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 表4 常见不锈钢材料的屈强比 宝新不锈 一般来讲 较小的屈强比对材料在各种成形工艺中的抗破裂性都有利 五 不锈钢材料的基本性能 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 式中 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 就是材料允许的塑性变形程度大 抗破裂性好 对拉深 翻边 胀形各类变形都有利 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 宝新不锈 五 不锈钢材料的基本性能 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 使变形分布趋于均匀化 材料成形时的总体成形极限高 宝新不锈 1 定义Md 30 50 551 462 C N 9 2Si 8 1Mn 13 7Cr 29 Ni Cu 18 5Mo 65Nb表示经30 的冷变形后生成50 马氏体的温度 马氏体转变点Md 30 50 越低 在冷加工变形过程中诱变马氏体不容易产生 冷作硬化程度小 越有利于拉深成形 其中Ni含量对诱变马氏体转变点的影响是很明显的 Ni含量高 马氏体转变点降低 材料在冷变形过程中硬化程度小 宝新不锈 五 不锈钢材料的基本性能6 冷加工诱变马氏体转变点Md 30 50 五 不锈钢材料的基本性能6 冷加工诱变马氏体转变点Md 30 50 2 产生原理不锈钢的冷作硬化现象主要是由两种原因引起的 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 304钢种在冷变形过程中两种硬化现象都存在 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 宝新不锈 五 不锈钢材料的基本性能 7 晶粒度 N 1 定义晶粒度的物理意义可根据以下公式表示 2N 3 每平方毫米截面积上的晶粒数N 晶粒度2 解释与应用晶粒度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 强度越大 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 它们在材料表层取向不同 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 R值会减小 屈强比和屈服伸长都会增大 不利于成形 304钢种的晶粒度一般要求在7 9级之间 宝新不锈 五 不锈钢材料的基本性能 304钢种的晶粒度与机械性能的关系 宝新不锈 8 晶粒度 N 六 不锈钢的焊接性能 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 宝新不锈 六 不锈钢的焊接性能 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 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能 1 不锈钢耐腐蚀性的含义及原理不锈钢是一种较耐腐蚀的钢 但不是绝对不生锈的钢 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在一定的的使用环境中使用 不锈钢的耐腐蚀原理为 在钢的表面铬与氧结合生成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 因此 在大气 水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中 钢的耐腐蚀性随着其中铬含量的提高而加强 当铬含量 12 时 钢的耐蚀性发生突变 即从易生锈到不易生锈 从不耐蚀到耐腐蚀 所以通常称不锈钢是铬含量为12 以上的铁基合金 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 1点蚀1 发生原理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 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 宝新不锈 2 1点蚀2 防止点蚀的途径 选用耐点蚀的材料 钢中添加钼并提高铬含量 如316L钢种 采用合理的热处理制度 使不锈钢基体处于完全固溶状态 减少溶液中卤素离子的浓度 提高溶液的PH值 搅拌溶液 避免溶液的局部浓缩 防止杂质附着在钢表面上 提高不锈钢的表面光洁度 降低介质的温度 采用阴极保护措施 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 2缝隙腐蚀1 发生原理金属与金属或金属与非金属之间所构成的缝隙内 有关物质的移动受到了阻碍 形成浓差电池从而产生局部腐蚀 这种腐蚀称为缝隙腐蚀 缝隙腐蚀常发生在不锈钢设备的连接处 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 2缝隙腐蚀2 防止缝隙腐蚀的途径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 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 增加介质液体的流量 防止杂质及污染物在缝隙部位沉积 增大PH值 减少CI 离子浓度 降低缝隙腐蚀敏感性 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 3应力腐蚀1 发生原理应力腐蚀 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 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 3应力腐蚀2 应力腐蚀开裂的条件有 存在一定的拉应力 如存在压缩应力可减缓应力腐蚀 金属本身对应力腐蚀具有敏感性 合金和含有杂质的金属比纯金属容易产生应力腐蚀 存在能引起该金属发生应力腐蚀的介质 可能引起不锈钢产生应力腐蚀破裂的介质主要有 氯化物水溶液 沸腾氢氧化纳溶液 高温高压含氧高纯水 海水 海洋大气 硫化氢水溶液等 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 3应力腐蚀3 影响应力腐蚀的因素 氯离子浓度的影响 氯离子浓度升高 应力腐蚀所需要的时间缩短 介质温度的影响 一般认为 温度升高易发生应力腐蚀 但温度过高 会发生全面腐蚀却抑制了应力腐蚀 合金元素的影响 钢中合金元素镍 硅的增加 能提高奥氏体不锈钢在MgCI2溶液中抗应力腐蚀破裂能力 钢中的氮 磷等元素会降低不锈钢在浓氯化物介质中的耐应力腐蚀破裂能力 残余应力的影响 制品的变形程度大 残余应力大 容易引发应力腐蚀开裂 4 防止应力腐蚀的途径 正确选用材料 避免使用对应力腐蚀敏感的材料 合理设计 避免加工程度过大 残余应力大或应力集中 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 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 4晶间腐蚀1 腐蚀原理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 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 2 4晶间腐蚀2 防止晶间腐蚀的途径铬元素含量增大 可以降低晶间腐蚀敏感性 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 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 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 宝新不锈 七 不锈钢的耐腐蚀性能2 不锈钢耐腐蚀性的分类 八 不锈钢的冲压性能 基本的冲压成形加工工艺有拉深工艺胀形工艺翻边工艺 包括扩孔 弯曲工艺对应的材料的性能为胀形成形性能 翻边成形性能 扩孔成形性能和弯曲成形性能 要了解冲压成形性能首先要了解冲压成形工艺 宝新不锈 八 不锈钢的冲压性能1拉深成形工艺 拉深是利用专用模具将冲裁或剪裁后所得到的平板坯料制成开口的空心件的一种冲压工艺方法 其特点是板料在凸模的带动下 可以向凹模内流动 即依靠材料的流动性和延伸率成形 如图2所示 宝新生产的304Cu 304Ni8 5和304Ni9比较适合于这种冲压方式 宝新不锈 图2拉深成形示意图 八 不锈钢的冲压性能1拉深成形工艺 深过程中出现的问题及防止措施起皱及防止措施常见的防皱措施是采用压边圈 把法兰部分压紧在凹模表面上 另外多道拉深时 也可用反拉深防止起皱 左图表示出反拉深情况 凸耳现象产生凸耳的原因是毛坯的各向异性 是材料不同角度上R值不同造成的 宝新不锈 一般来说加工后的圆形制品有4个凸耳 R值低的角度方向 坯料变厚 筒壁高度较低 R值高的角度方向 坯料厚度变化不大 筒壁高度较高 凸耳需要用修边工序去除 增加工序而且浪费材料 因此不希望发生 八 不锈钢的冲压性能1拉深成形工艺 差温拉深工艺介绍根据不锈钢的特性 再介绍一种实用的拉深工艺 差温拉深 该工艺的缺点是模具昂贵 操作复杂 生产率比较低 主要用于不锈钢 耐热钢和形状复杂的制品 宝新不锈 八 不锈钢的冲压性能2胀形成形工艺 胀形是利用模具强迫坯料厚度减薄和表面积增大 以获取零件几何形状的冲压加工方法 特点是坯料被压边圈压死 不能向凹模内流动 完全依靠材料本身的延伸成