不銹鋼的力學性能

特 性

　　不銹鋼的發(fā)展是因為有其自身的特性，而特性滿足了需要。不銹鋼的最重要的特性是耐蝕性能，但是又絕不是僅僅具有耐蝕性能，而且還具有特有的力學性能（屈服強度、抗拉強度、蠕變強度、高溫強度、低溫強度等）、物理性能（密度、比熱容、線膨脹系數(shù)、、導熱系數(shù)、電阻率、磁導率、彈性系數(shù)等）、工藝性能（成形性能、焊接性能、切削性能等）以及金相（相組成、組織結(jié)構(gòu)等）等。這些性能構(gòu)成了不銹鋼的特性，下面僅就其中一些最基本的特性進行簡要的介紹。

　　一、力學性能

?。ㄒ唬姸龋估瓘姸?、屈服強度）

　　不銹鋼的強度是由各種因素不確定，但最重要的和最基本的因素是其中添加的不同化學因素，主要是金屬元素。不同類型的不銹鋼由于其化學成分的差異，就有不同的強度特性。

　?。?）馬氏體型不銹鋼

　　馬氏體型不銹鋼與普通合金鋼一樣具有通過淬火實現(xiàn)硬化的特性，因此可通過選擇牌號及熱處理條件來得到較大范圍的不同的力學性能。

　　馬氏體型不銹鋼從大的方面來區(qū)分，屬于鐵-鉻-碳系不銹鋼。進而可分為馬氏體鉻系不銹鋼和馬氏體鉻鎳系不銹鋼。在馬氏體鉻系不銹鋼中添加鉻、碳和鉬等元素時強度的變化趨勢和在馬氏體鉻系不銹鋼中添加鎳的強度特性如下所述。

　　馬氏體鉻系不銹鋼在淬火-回火條件下，增加鉻的含量可使鐵素體含量增加，因而會降低硬度和抗拉強度。低碳馬氏體鉻不銹鋼在退火條件下，當鉻含量增加時硬度有所提高，而延伸率略有下降。在鉻含量一定的條件下，碳含量的增加使鋼在淬火后的硬度也隨之增加，而塑性降低。添加鉬的主要目的是提高鋼的強度、硬度及二次硬化效果。在進行低溫淬火后，鉬的添加效果十分明顯。含量通常少于1%。

　　在馬氏體鉻鎳系不銹鋼中，含一定量的鎳可降低鋼中的δ鐵素體含量，使鋼得到最大硬度值。

　　馬氏體型不銹鋼的化學成分特征是，在0.1%-1.0%C，12%-27%Cr的不同成分組合基礎(chǔ)上添加鉬、鎢、釩、和鈮等元素。由于組織結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，因而在高溫下強度急劇下降。而在600℃以下，高溫強度在各類不銹鋼中最高，蠕變強度也最高。

　(2)鐵素體型不銹鋼

　　據(jù)研究結(jié)果，當鉻含量小于25%時鐵素體組織會抑制馬氏體組織的形成，因而隨鉻含量的增加其強度下降；高于25%時由于合金的固溶強化作用，強度略有提高。鉬含量的增加可使其更易獲得鐵素體組織，可促進α ’相、б相和x相的析出，并經(jīng)固溶強化后其強度提高。但同時也提高了缺口敏感性，從而使韌性降低。鉬提高鐵素體型不銹鋼強度的作用大于鉻的作用。

　　鐵素體型不銹鋼的化學成分的特征是含11%-30%Cr，其中添加鈮和鈦。其高溫強度在各類不銹鋼中是最低的，但對熱疲勞的抗力最強。

?。?）奧氏體型不銹鋼

　　奧氏體型不銹鋼中增加碳的含量后，由于其固溶強化作用使強度得到提高。

　　奧氏體型不銹鋼的化學成分特性是以鉻、鎳為基礎(chǔ)添加鉬、鎢、鈮和鈦等元素。由于其組織為面心立方結(jié)構(gòu)，因而在高溫下有高的強度和蠕變強度。還由于線膨脹系數(shù)大，因此比鐵素體型不銹鋼熱疲勞強度差。

?。?）雙相不銹鋼

　　對鉻含量約為25%的雙相不銹鋼的力學性能研究表明，在α+r雙相區(qū)內(nèi)鎳含量增加時r相也增加。當鋼中的鉻含量為5%時，鋼的屈服強度達到最高值；當鎳含量為10%時，鋼的強度達到最大值。

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　　由于外力的作用隨時間的增加而發(fā)生變形的現(xiàn)象稱之為蠕變。在一定溫度下特別是在高溫下、載荷越大則發(fā)生蠕變的速度越快；在一定載荷下，溫度越高和時間越長則發(fā)生蠕變的可能性越大。與此相反，溫度越低蠕變速度越慢，在低至一定溫度時蠕變就不成問題了。這個最低溫度依鋼種而異，一般來說純鐵在330℃左右，而不銹鋼則因己采取各種措施進行了強化，所以該溫度是550℃以上。

　　和其他鋼一樣，熔煉方式、脫氧方法、凝固方法、熱處理和加工等對不銹鋼的蠕變特性有很大的影響。據(jù)介紹，在美國進行的對18-8不銹鋼進行蠕變強度試驗表明，取自同一鋼錠同一部位的試料的蠕變斷裂時間的標準今偏差是平均值的約11%，而取自不同鋼錠的上、中、下不同部位的試料的標準偏差與平均值相差則達到兩倍之多。又據(jù)在德國進行的試驗結(jié)果表明，在10的5次冪h時間下0Cr18Ni11Nb鋼的強度為小于49MPa至118MPa，散差很大。

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　　高溫疲勞是指材料在高溫下由于周期反復變化著的應力的作用而發(fā)生損傷至斷裂的過程。對其進行的研究結(jié)果表明，在某一高溫下，10的8次冪次高溫疲勞強度是該溫度下高溫抗拉強度的1/2。

　　熱疲勞是指在進行加熱（膨脹）和冷卻（收縮）的過程中，當溫度發(fā)生變化和受到來自外部的約束力時，在材料的內(nèi)部相應于其本身的膨脹和收縮變形產(chǎn)生應力，并使材料發(fā)生損傷。當快速地反復加熱和冷卻時其應力就具沖擊性，所產(chǎn)生的應力與通常情況相比更大，此時有的材料呈脆性破壞。這種現(xiàn)象被稱之為縶沖擊。熱疲勞和熱沖擊是有著相似之處的現(xiàn)象，但前者主要伴隨大的塑性應變，而后者的破壞主要是脆性破壞。

　　不銹鋼的成分和熱處理條件對高溫疲勞強度有影響。特別是當碳的含量增加時高溫疲勞強度明顯提高，固溶熱處理溫度也有顯著的影響。一般來說鐵素體型不銹鋼具有良好的熱疲勞性能。在奧氏體不銹鋼中，高硅的且在高溫下具有良好的延伸性的牌號有著良好的熱疲勞性能。

　　熱膨脹系數(shù)越小、在同一熱周期作用下應變量越小、變形抗力越小和斷裂強度越高，壽命就越長?？梢哉f馬氏體型不銹鋼1Cr17的疲勞壽命最長，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧氏體型不銹鋼的疲勞壽命最短。另外鑄件較鍛件更易發(fā)生由于熱疲勞引起的破壞。在室溫下，10的7次冪次疲勞強度是抗拉強度的1/2。與高溫下的疲勞強度相比可知，從室溫到高溫的溫度范圍內(nèi)疲勞強度沒有太大的差異。

　（四）沖擊韌性

　　材料在沖擊載荷作用下，載荷變形曲線所包括的面積稱為沖擊韌性。對于鑄造馬氏體時效不銹鋼，當鎳含量為5%時其沖擊韌性較低。隨著鎳含量的增加，鋼的強度和韌性可得到改善，但鎳含量大于8%時，強度和韌性值又一次下降。在馬氏體鉻鎳系不銹鋼中添加鉬后，可提高鋼的強度且可保持韌性不變。

　　在鐵素體型不銹鋼中增加鉬的含量雖可提高強度，但缺口敏感性也被提高而使韌性下降。

　　在奧氏體型不銹鋼中具有穩(wěn)定奧氏體組織和鉻鎳系奧氏體不銹鋼的韌性（室溫下韌性和低溫下韌性）非常優(yōu)良，因而適用于在室溫下和低溫下的各種環(huán)境中使用。對于有穩(wěn)定奧氏體組織和鉻錳系奧氏體不銹鋼。添加鎳可進一步改善其韌性。

　　雙相不銹鋼的沖擊韌性隨鎳含量的增加而提高。一般來說，在a+r兩相區(qū)內(nèi)其沖擊韌性穩(wěn)定在160-200J的范圍內(nèi)。