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高強度不鏽鋼

2019-11-09 15:21   评论:52 点击:392

  鋼的強化通常是為了適應社會需求而發展起來的,其強化的方法很多,在理論方麵也有很多說明。強化的要求對具有良好耐蝕性的不鏽鋼也不例外。鋼的強化可以使板厚減薄,結構件輕量化,壽命也可進步。2000年6月修改了建築標準法施行令 ,規定不鏽鋼可用於鋼結構.JIS C 4321建築結構用不鏽鋼作為一般結構材使用己被認可。當今,由於使用環境十分苛刻和節能和環保等多方麵的題目,要求不鏽鋼的強度水平要高且多樣化。   鋼的變形首要是“位錯”的活動,所謂“位錯”就是指結晶體內存在的缺陷,通常在退火狀況約存在(1010-1012)/m’個。若阻礙這類位錯的活動就難以發生變形,是以鋼就被強化。  這類阻礙位錯活動,使鋼強化的方法有固溶強化。析出強化、加工硬化(位錯強化)、馬氏體相變的強化和晶粒細化的強化等。  實際上都是複合利用各種方法,根據需要進行不鏽鋼開發的。本文將對各強化機理進行簡單說明並先容強化不鏽鋼的使用例 。所有金屬都和大氣中的氧氣進行反應,在表麵形成氧化膜。不幸的是,在普通碳鋼上形成的氧化鐵繼續進行氧化,使鏽蝕不斷擴大,終究形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金屬(例如,鋅,鎳和鉻)進行電鍍來保證碳鋼表麵,但是 ,正如人們所知道的那樣,這類保護僅是一種薄膜。假如保護層被破壞,下麵的鋼便開始鏽蝕 耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼。又稱不鏽耐酸鋼 。實際利用中,常將耐弱腐蝕介質腐蝕的鋼稱為不鏽鋼,而將耐化學介質腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。由於兩者在化學成分上的差異,前者不一定耐化學介質腐蝕,而後者則一般均具有不鏽性。不鏽鋼的耐蝕性取決於鋼中所含的合金元素。鉻是使不鏽鋼獲得耐蝕性的基本元素,當鋼中含鉻量達到1.2%擺布時,鉻與腐蝕介質中的氧感化,在鋼表麵形成一層很薄的氧化膜( 自鈍化膜),可禁止鋼的基體進一步腐蝕。除鉻外,常用的合金元素還有鎳、鉬、鈦、铌、銅、氮等,以滿足各種用處對不鏽鋼組織和性能的要求 。 不鏽鋼通常按基體組織分為: 1、鐵素體不鏽鋼。含鉻12%~30%。其耐蝕性、韌性和可焊性隨含鉻量的增加而進步 , 耐氯化物應力腐蝕性能優於其他種類不鏽鋼。 2、奧氏體不鏽鋼。含鉻大於18%,還含有 8%擺布的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素。綜合性能好,可耐多種介質腐蝕 。 3、奧氏體 - 鐵素體雙相不鏽鋼。兼有奧氏體和鐵素體不鏽鋼的優點,並具有超塑性。 4、馬氏體不鏽鋼。強度高,但塑性和可焊性較差。  固溶強化就是在純金屬中固溶進合金元素,即在母金屬的晶格的原子間隙進進其他的合金元素(侵進型)或替換母金屬的原子(置換型)和使母金屬的晶格發生歪扭,由於這類歪扭在晶體內產生應力場 ,阻礙了位錯活動,而使強度進步。實際上不鏽鋼就是鉻和鎳對鐵固溶的合金 ,可以說已處於固溶強化的狀況 ,但是鉻和鎳對鐵的固溶強化感化不是很大,侵進型元素C 、N對固溶強化的感化最大。  在SUS 304中固溶氮而達到高強度化的材料有SUS 304N1(0.Ⅱ-O.25%N)和SUS 304N2(0.15叫.30%N)。與SUS304的0.04x氮量比較是2-7倍的氮含量 ,在固溶化狀況的強度達到SDS 304的15-2.0倍以上,在JIS G 4305的固溶化狀況下的力學性能規定,SUS 304的屈服強度在205N/~以上,而SUS 304N1在275 N/m/以上 ,SUS 304N2在345 N/mm/以上。這些加氮的強化鋼被廣泛用於結構用強度構件。  固溶強化不僅使常溫下的強度增加,而且作為進步高溫強度的方法也是有效的。是以,與其他強化方法相比,受焊接的熱影響感化小 ,是確保焊接處特性的最好強化方法。   為了改善利用圖述的加工硬化的SUS 301(17Cr-7Ni)的焊接處的耐蝕性而開發了低碳型SUS 301L,為了保持焊接處的強度,在該鋼中固溶了o.2q6以下的氮量 ,該鋼作為鐵道車軌用材非常普及。  固溶元素對Cr-Ni奧氏體係不鎊鋼0.2%屈服強度的影響  這是在母體金屬中形成析出物(碳化物、氮化物、金屬間化合物等)使其強化的方法,析出物具有阻礙位錯活動的感化。在母相呈微細彌散分布狀況,最能進步強度。  鋼中合金元素的固溶度因溫度而不同,利用這一特點而使鋼析出強化。盡人皆知,PH型不鏽鋼就是這類析出強化鋼,在JIS C 4304中,根據固溶化狀況下的基體組織已注冊的有馬氏體係和半奧氏體係兩種析出硬化型不鏽鋼。  馬氏體係的17-4PH不鏽鋼、SUS 630(17Cr-4Ni)約含4.0n Cu ,在約1050qC高溫下,銅原子固溶於奧氏體相中,在冷卻過程改變成過飽和含銅馬氏體組織,此後在450-480攝氏度,經1-4小時的析出硬化處理,使富銅析出物在馬氏體基體中彌散析出而強化。其硬度在固溶化熱處理時為350HV.在析出硬化處理時為450HV。SUS 630是強度和耐蝕性(耐蝕性與304係不鏽鋼相同)兼備的材料,用於彈簧材,航空結構材、刀具和壓合板的壓板等。  半奧氏體係的FH不鏽鋼是強度與加工性兼備的特殊鋼種,在SUS 301中加A1的17-7PH不鏽鋼 、SUS 631(17Cr-7Ni-1.2A1)在固溶化處理後的常溫下具有加工性良好的奧氏體係組織。固溶化處理後 ,在950攝氏度進行10分鍾的熱處理,使碳的固溶量變化,進步馬氏體相變點(Ms點)。接著在Ms點(約-70攝氏度)四周冷卻,形成馬氏體組織(RH950處理) 。另外,還有在固溶化處理後用冷加工方法引發馬氏體相變的方法(CH900處理)。形成馬氏體後在510攝氏度四周加熱進行析出硬化處理 ,析出NiAl,在奧氏體狀況其屈服強度約為280 N/平方毫米 ,析出硬化處理後達到1520-1790 N/平方毫米。  對外形複雜構件的成形要求加工性,也要求滿足強度的要求。但是,在成形加工時必須重視因硬化處理而發生的尺寸變化。 鋼變形時給結晶加上了剪斷應力,在位錯活動的同時,給結晶導進了大量的位錯。加工硬化加工軋製和拔絲這類塑性變形使晶體內的位錯密度增加 ,是強化鋼的方法。這類加工硬化感化奧氏體係比鐵素體係大得多。  在18Cr-8Ni構成的亞穩定奧氏體係,因位錯密度增大的硬化和馬氏體的天生(加工引發相變)輕易得到高強度。  利用加工硬化的材料稱硬化材,其強度可根據軋製率的變化按H(硬級) 、3/4H和1/2H的強度水平劃分,SUS 301(17Cr-TNi)硬化材在家庭電器機械的壓簧和汽車的引擎墊圈、通訊機械的連接器材等板彈簧成品方麵使用非常普及。由加工硬化引發的馬氏體具有磁性,所以SUS 301和SUS 304的硬化材也有磁性。  非磁性的彈簧用材料有含高錳的不鏽鋼AISl205(17Cr-15Mn-1.5Ni-O.35N),該鋼是用錳取代了SUS 301中的鎳,由於其性質的不同,可以固溶更多的氮。就是說,可以得到前述的固溶強化的效果。在固溶化處理狀況下SUS 304的硬度約1801tV,而AISl 205的硬度約2701]V,再進行加工時可發現明顯的加工硬化特性。所有鋼種隨著壓下率增加的同時,硬度也上升。   鐵素體晶粒大小對退火的軟鋼屈服強度的影響,可以看出晶粒直徑d與屈服強度間有著直線關係,晶粒越細屈服強度越高。這類屈服強度與晶粒大小間的關係稱霍爾佩琪法則,因變形在晶粒內活動的位錯在晶界其活動被阻,所以晶界大量存在的細晶粒材料,其強度很高。   前述的固溶強化、析出強化及加工硬化若過分進步強度,則會使韌性受損 。所以,有時根據加工 、使用條件使強度有一定限製。另一方麵,當晶粒細化時不但不損壞韌性,而且還能進步強度。  現在,對鋼鐵材料的晶粒細化的研究非常盛行 ,並以“超級金屬的技術開發。為題進行著開發 ,通常不鏽鋼的晶粒直徑為數十微米,但在這些課題中正在研究一種製造方法,使金屬晶粒有1/100到數百毫微米(nm),例如,晶粒直徑為300nm的奧氏體係不鏽鋼其拉伸強度為1100 N/mm2,約是通常粒徑材料的2倍。為了能在不損害韌性的條件下得到高強度,對這類方法寄予了很大的希看。 在JIS規定的不鏽鋼中存在具有微細組織的不鏽鋼,這是把不同組織複合的雙相係不鏽鋼。  SUS329J4L(25Cr—6Ni—3Mo—N)具有在鐵素體母相平分布著島狀奧氏體相的組織 ,由於為複合組織故各組織很細微。另外,由於加進了氮使之固溶強化進步了強度,耐點蝕性也得到改善。由於晶粒細化和固溶強化的複合感化,使得雙相鋼的屈服強度等強度特性好於奧氏體係和鐵索體係。抗應力腐蝕裂紋的鐵素體係和高強度奧氏體係的各種特性的不鏽鋼 ,可用於貯水櫃、原油 、含硫自然氣油井管和液化產品專用船的管等腐蝕強的環境。  在不鏽鋼中具有最高硬度的SUS 440(2(13Cr-IC)(640-700[1V)屬於馬氏體係不鏽鋼,馬氏體組織的結構非常微細,而且在其內部存在高密度的位錯,若使碳過飽和固溶還能進步強度 。另方麵,經過最後的回火處理可以得到碳化物等析出物彌散細微分布的組織。馬氏體係不鏽鋼用固溶碳量和加火處理可以調整其強度。  例如,SUS 420J2(13Cr-O.3C)從i000~C的高溫奧氏體區急冷時,發生固溶0.3%C的馬氏體相變,再經回火熱處理就會使碳化物等析出物呈微細彌散分布。其強度可達到約550HV。SUS 420J2和SUS 420J1(13Cr—0.2C)與SUS 410(13Cr-O.1C)一齊用作發電設備和化工設備等結構材料。    表1表示稱作高強不鏽鋼的代表鋼種的構成、用處及它們的強化機理和強度水平鋼種係統鋼種概略構成性質和用處強化機理硬度HV奧氏體係AISI 20517Cr-15Mn-1.5Ni-0.4N非磁性彈簧、金屬墊圈固溶強化+加工硬化 SUS 30117Cr-7Ni鐵道用車軌、一般彈簧加工硬化260-420SUS 301L17Cr-7Ni-N-低C鐵道用車軌固溶強化+加工硬化 SUS 304N118Cr-8Ni-N結構用強度構件固溶強化220-250SUS 304N218Cr-8Ni-N-Nb奧氏體-鐵素體係SUS 329J125Cr-4.5Ni-2Mo兼備耐SCC性強度晶粒細化強化250-280SUS 329J4L25Cr-6Ni-3Mo-N-低C馬氏體係SUS 41013Cr一般用處、刀具馬氏體強化370-450SUS 420J113Cr-0.2C滑輪機葉片馬氏體+固溶強化520-580SUS 420J213Cr-0.3C刀具、噴嘴、閥座、活門 、直尺SUS 440C13Cr-1C不鏽鋼中最高硬度、噴嘴、軸承640-700析出硬化係SUS 63017Cr-4Ni-4Cu-Nb軸類 、滑輪機購件、壓合板壓板、鋼帶析出+馬氏體強化400-500SUS 63117Cr-7Ni-1Ae彈簧、洗滌機、機器部件、高溫彈簧  除表1外各公司還開發了保持耐蝕性的各種高強度材料 ,這些材料的強度水平是多樣的,必須根據用處選擇耐蝕性、加工性、高溫特性及抗氧化性等最好組合的不鏽鋼 。

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