不锈钢的完整指南

不锈钢的牌号、成分、分子结构、生产和性能

芝加哥的不锈钢云雕塑
芝加哥云门雕塑保留了它的光泽,多亏了钝化层保护内部钢免于氧化。

在这个指南:

不锈钢是一大类耐锈铁合金的统称。不像其他铁合金,不锈钢有一个稳定的钝化层,保护它免受空气和水分。这种防锈性能使其成为许多应用的良好选择,包括户外、水溶液、食品服务和高温使用。

不锈钢是怎么制成的?

不锈钢可以铸造或锻造。主要的区别在于它是如何形成最终产品的。铸造不锈钢将液态金属倒入具有特定形状的成型容器中制成。不锈钢从钢厂开始,连铸机将不锈钢制成钢锭、钢坯、钢坯或钢坯。这些原材料必须通过进一步的加工成型。使用轧制或锤击技术对其进行重新加热和返工。

锻造不锈钢制品比铸造不锈钢制品更常见。

铸造不锈钢制品通常在铸造厂或在铸造厂的监督下制造和完成。如果它们是较大产品的一个小部件,铸件可能会送到其他工厂进行组装。锻造不锈钢始于钢铁厂但在另一家工厂生产最终产品。

不锈钢水箱和管道
不锈钢具有优异的耐腐蚀性,可以保护钢材不受空气和潮湿的影响,使其成为各种工业应用,包括管道和储罐的理想材料。

不锈钢是由什么制成的?

和所有的钢一样,不锈钢一开始是铁和碳的混合物。让这类合金与众不同的是,不锈钢也含有至少10.5%的铬。这种元素赋予不锈钢抗氧化的特性。当不锈钢暴露在空气中时,铬与氧结合形成一种薄而稳定的金属钝化铬(III)氧化物(Cr2O3.).钝化层保护内部的钢免于氧化,并在表面被划伤时迅速改变。

这种钝化层不同于电镀。为了表面保护,有些金属镀上了锌、铬或镍。在这些情况下,一旦划痕穿透镀层,镀层的优点就会丧失。不锈钢内部的铬提供了更多的表面保护。只要暴露在空气中,它就会产生被动式薄膜。因此,即使不锈钢被深深划伤,钝化层也会自愈。

铁+碳=钢

+铬=不锈钢
(铬含量至少为10.5%)

铁素体合金



(10.5 - -18%)

(0.08 - -0.15%)

铁素体合金

(10.5 - -18%)
(0.08 - -0.15%)

马氏体合金


(0.10 - -1.2%)
+铬
(12 - 18%)

生产过程可能涉及淬火或空气硬化。

马氏体合金

(0.10 - -1.2%)
+铬(12 - 18%)

生产过程可能涉及淬火或空气硬化。

奥氏体合金


+铬
(16%)
+镍
(8 + %)


可能含有钼、钛或铜。

奥氏体合金

+铬(16%)
+镍(8 + %)

可能含有钼、钛或铜。

双合金



19 + +铬(%)
+钼
+少量镍



通常含有钼、铜或其他合金元素。

双合金

19 + +铬(%)
+钼
+少量镍

通常含有钼、铜或其他合金元素。

沉淀硬化合金


+铬
+镍
+铜及/或其他元素


生产必须涉及热处理技术。

沉淀硬化合金

+铬
+镍
+铜及/或其他元素


生产必须涉及热处理技术。

不锈钢种类

有几个不锈钢的“家族”.这些家族中的每一个都有不同比例的铁、铬和碳。有些含有其他元素,如镍、钼、锰或铜。这些钢的性能因含量不同而不同,使其成为一种用途广泛的合金。

不锈钢的成绩

等级暗示了一种特殊不锈钢的种类。最常见的职系是:

  • 铁素体不锈钢:430、444、409、430
  • 奥氏体不锈钢:304、302、303、310、316、317、321、347
  • 马氏体不锈钢:420、431、440、416
  • 双相不锈钢:2304、2205

有时,工程师会在同一系列的合金中进行选择,比如两种流行的商业等级的合金奥氏体不锈钢,304与316.然而,情况并非总是如此。汽车排气系统经常选择304年和409年. 烧烤架可能由304或430制成。

不锈钢的机械性能

人们通常选择不锈钢是因为它耐腐蚀,但也因为它是钢而选择它。诸如强度、屈服率、韧性、硬度、对加工硬化的反应、可焊性和耐热性等性能使钢在工程、建筑和制造业中成为非常有用的金属,特别是考虑到其成本。在决定等级之前,工程师会考虑不锈钢的工作负荷和大气条件。

拉伸性能

金属的拉伸性能是通过拉伸来测定的。典型的拉伸杆受到拉力,也称为拉伸载荷。在破坏时,测量拉伸强度、屈服强度、伸长率和面积收缩率。

硬度

硬度是钢抗压痕和耐磨性的能力。两种最常用的硬度测试是布氏硬度和洛氏.在布氏硬度测试中,一个小的淬硬钢球在标准载荷下被压入钢中,然后测量产生的压痕直径。洛氏试验测量压痕的深度。某些金属的硬度可以通过冷加工来提高,也称为加工硬化。有些金属可以通过热处理来提高硬度。

韧性

韧性是钢在极局部应力作用下塑性屈服的能力。韧性钢是耐开裂的,使得韧性在工程应用中成为非常理想的品质。韧性的水平是用动态测试确定的。样品棒被切槽以定位应力,然后被一个摆动的摆锤击打。破坏样品杆所吸收的能量是由钟摆损失的能量来衡量的。韧性金属吸收更多的能量,而脆性金属吸收较少。

不锈钢汽车排气管

铁素体

铁素体不锈钢含有铁、碳和10.5-18%的铬。它们可能含有其他合金元素,如钼或,但通常是很少的量。它们具有体心立方(BCC)晶体结构——与环境温度下的纯铁相同。

由于其晶体结构,铁素体不锈钢具有磁性。它们的含碳量相对较低,因此强度也较低。铁素体类型的其他缺点包括焊接性差和耐腐蚀性降低。然而,由于其优越的韧性,它们是工程应用的理想材料。铁素体不锈钢常用于汽车尾气管、燃油管和建筑装饰。

不锈钢系柱的特写照片

奥氏体

奥氏体不锈钢具有面心立方(FCC)晶体结构,由铁、碳、铬和至少8%的镍组成。由于铬和镍的含量高,它们是高耐腐蚀和非磁性。与铁素体不锈钢一样,奥氏体不锈钢不能通过热处理硬化。然而,它们可以通过冷加工硬化。奥氏体不锈钢的高镍含量使其在低温应用中具有良好的性能。

两种最常见的不锈钢——304和316——都是奥氏体级别的。奥氏体不锈钢受欢迎的主要原因是其易于成形和焊接,使其成为高效制造的理想材料。奥氏体不锈钢有许多亚组,其含碳量变化很大。通过添加钼、钛和铜等合金元素,进一步调整其性能。奥氏体不锈钢经常用于生产厨房水槽、窗框、食品加工设备和化学容器。它们也通常用于户外家具,如长凳,不锈钢护柱自行车架

一套不锈钢餐具

马氏体

马氏体不锈钢具有体心四方(BCT)结构。它们含有12-18%的铬,碳含量(0.1-1.2%)高于奥氏体或铁素体不锈钢。像铁素体BCC结构一样,BCT具有磁性。马氏体不锈钢在钢的强度比其可焊性或耐腐蚀性更重要的情况下非常有用。主要的区别是马氏体不锈钢由于含碳量高,可以通过热处理硬化。这使得它们在许多应用中非常有用,包括航空部件、刀具和刀片。

燃料炼制用不锈钢压力容器

双工

双相不锈钢是最新的不锈钢类型。与奥氏体不锈钢相比,它们含有更多的铬(19-32%)和钼(高达5%),但镍明显较少。双相不锈钢有时被称为奥氏体-铁素体,因为它们具有混合的铁素体和奥氏体晶体结构。双相不锈钢中奥氏体和铁素体相的大致对半混合使其具有独特的优点。它们比奥氏体级更抗应力腐蚀开裂,比铁素体级更坚硬,大约是两者的纯形式的两倍。双相不锈钢的主要优点是在氯化物暴露的情况下,其耐腐蚀性等于或超过奥氏体等级。

双相不锈钢也非常划算。双相不锈钢的强度和耐腐蚀性能是在合金含量低于同等奥氏体等级的情况下实现的。双相不锈钢通常用于生产脱盐和石化工业中氯外露应用的部件。它们也用于建筑和建筑行业的桥梁、压力容器和拉杆。

不锈钢棒堆

沉淀硬化

沉淀硬化不锈钢可以有一系列的晶体结构,但是,它们都含有铬和镍。它们的共同特点是耐腐蚀,易于制造,经过低温热处理后具有极高的抗拉强度。

奥氏体沉淀硬化合金大多已被高强度高温合金所取代。然而,半奥氏体沉淀硬化不锈钢继续用于航空航天应用,甚至应用于新形式。马氏体沉淀硬化不锈钢比普通马氏体强度高,经常用于生产棒材、棒材和线材。

技术外观:不锈钢的分子微观结构

当金属从熔融状态冻结出来时,它们就会结晶并形成晶粒。这种晶体结构决定了金属的许多机械性能。有很多因素会影响这一点微观结构

合金中原子的类型由于由这些原子类型形成的分子而改变结构。每种物质的百分比也决定了原子的排列形式。

温度对金属晶格的形状有深刻的影响。不同的结构在特定的温度下开始形成。合金有相表,显示在不同的温度和重要元素的不同百分比下,什么类型的晶粒是常见的。

我们的铁碳相图说明了温度和碳对钢中晶粒形成的影响。它显示了铁形成的三个阶段:

  • 铁素体,或称α铁,是在912℃以下形成的标准晶粒。
  • 奥氏体,或γ铁(γ),具有更致密的晶粒晶体,出现在912-1394°C之间。
  • δ铁(δ)在1395°C以上的温度下形成,在1538°C时铁变成液体。δ铁相更类似于α-铁或铁素体。
x轴碳在2-6%之间,y轴温度在200-1600°C之间的技术图表显示了钢在不同温度下的组织类型,包括奥氏体、铁素体和石墨
铁碳相图。铸造的依赖,CC的ND

碳的加入影响了钢的基本晶粒的结晶、稳定和相互作用。温度影响碳的吸收。高热奥氏体相被碳饱和,金属分子被紧密地包裹着。在其他温度下,所有的碳都没有被吸收。它创造了其他的分子结构。例如,铁碳合金中通常含有铁3.C渗碳体分子。在纯形态下,渗碳体被归类为陶瓷:它又硬又脆,并使最终的金属具有这些属性。石墨也可以在分子水平上形成。这种石墨的形状会影响金属在受到撞击时的行为。圆形石墨结节在被撞击时可以相互滑动,变形但不会断裂。相比之下,含有大量片状石墨的金属在受到冲击时可以沿着片状边界剪切。金属冷却的速度,是否热处理或加工,也会影响晶粒的大小和形状。

奥氏体钢是指含有γ铁的奥氏体晶格的钢。在铁碳相图上,这种晶格通常是在高温下发现的。然而,添加镍和/或锰可以在钢冷却时保留奥氏体。奥氏体组织称为“面心立方”。面心立方分子赋予金属特殊的性质。

体心与面心立方微观结构

金属是由分子晶格构成的晶体。晶格中的每个单元都是由原子组成的。每个晶格中原子的数量,以及它们如何相互连接,改变了晶格在应变下的行为。基本晶格是原始的,以身体为中心,以面为中心。

基本的细胞形状

原始的
立方

每个角落都有点的立方体的线框形状

  • 这个原始立方体中的每个原子都位于细胞的一个角落。每个原子都是晶格中的连接点。
  • 每个角落的原子与周围的细胞平分。因此,每个原子都是八个相邻立方体的一部分。
  • 一个单元总共包含一个原子。因为每个角落的原子与八个相邻的立方体共享,所以每个原子只有1/8在原始单元内。
    8 x每个角上的1/8个原子= 1个原子。

身体- - -
为中心的
立方(BCC)

线框形状的身体为中心的立方体结构,每个角落都有点,其中有一个点
一根锁住的系柱使一条小巷成为一个愉快、安全的行人空间。
  • 就像原始的立方体一样,细胞的每个角落都有原子。
  • 此外,一个原子位于细胞的中间。这个原子不为其他细胞所共享:晶格上有8个细胞,而一个细胞只与原子相连。
  • 单元格共包含2个原子:
    8个原子x每个原子的1/8份额,就像原始立方结构,加上中心的原子。
  • α -铁(铁素体)和δ -铁都是BCC金属。

面心
立方(FCC)

以面为中心的立方体结构的线框形状,在每个角和每个面上都有点

  • 这种面心立方结构在细胞的每个角落都有原子,在立方体的每个面的中心还有一个原子。
  • 以“面”为中心的原子只与两个细胞共享,因此每个细胞贡献1/2个原子的价值。
  • 单元格总共包含4个原子:
    角原子为8个x 1/8,面心原子为6个x 1/2。
  • γ -铁(奥氏体)是催化裂化金属。

钢,没有镍或锰,达到稳定的面心立方(FCC)结构之间的1674 - 2541°F。在这样的温度下,钢中的碳会渗透到每个细胞中。

然而,这种钢,在常规(不淬火)方式冷却,将成为铁素体和体心立方(BCC)。它将不会维持FCC的结构。

与致密的FCC结构相比,BCC晶格更容易受到某些类型的机械应变。它们在每个细胞中没有相同数量的原子将晶格聚集在一起。在室温下保持FCC结构有助于保持其额外的强度。这通常是通过在合金中加入额外的元素来实现的。

铁素体、奥氏体、马氏体及双相钢的显微组织

铁素体钢是一种普通的BCC钢。它在低温下变脆,在高温下迅速失去强度,并且具有磁性。这些特性是由于体心立方(BCC)形式。

在每个“松散”填充的BCC细胞中,并不是所有的电子都能找到自旋相反的电子并与之配对。正是这些游离的电子产生了铁素体钢的磁性。由于只有两个原子增加每个电池的强度,铁素体钢也更容易断裂,特别是在炎热或寒冷的环境中。

奥氏体钢由于在合金中加入了镍,在室温下为FCC。奥氏体钢比FCC钢更有韧性,即使在低温下也是如此。它有更多的热强度。它也没有磁性。这些特性是由于它的面心(FCC)形式。

所有的晶格都有“滑移系统”,即剪切线,晶格在受到撞击时可以滑动,而细胞不会被撕裂。立方晶格具有大量的对称性,因此有更多的滑移面。也许与我们的直觉相反,致密的FCC晶体比松散的BCC晶体具有更多的剪切线。密集排列的晶体更容易彼此滑动。每个细胞都有更大的原子量和强度,更容易结合在一起。

微观水平上的塑性变形支持材料在宏观水平上的延展性。这就是为什么面心立方结构的弹性范围更广的原因。铁素体结构更有可能在冲击时断裂,或拉伸时断裂,特别是在具有挑战性的环境中。

奥氏体不锈钢是在低温应用中唯一不会变脆和容易断裂的不锈钢类型。即使在-292°F以下,奥氏体钢仍然保持大部分的韧性和伸长率。低温脆化是铁素体钢和双相钢的特点。在过渡温度之后,它们很可能在压力下破碎。

马氏体钢是另一种表面有非常不同的纹理的钢。这些钢没有简单的立方组织。马氏体是通过淬火形成的:表面的快速冷却。环境冲击导致晶格在冻结时隆起。马氏体组织在应变作用下呈体心四方状,排列不均匀。这使得马氏体表面更硬,但即使在室温下,它们也更脆。

双相钢是一种相对较新的不锈钢品种。这些钢有多种显微组织。铁素体和奥氏体的交错层决定了这两种材料的最终性能。与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢所需镍和/或锰的较低百分比降低了成本。

不锈钢的保养和保养
不锈钢的日常清洗可以用肥皂和水来完成。商业应用可能需要使用万能润滑剂进行更强的处理。

不锈钢的保养和保养

虽然不锈钢是防锈的,它不是不受影响的。它的耐蚀性是基于它的钝化层,而钝化层可以受到化学扰动。盐、酸、潮湿的划痕和铁沉积物都会使不锈钢容易生锈。

安装不锈钢时必须小心:钢制工具会留下铁质沉积物,从而改变钢材表面的化学性质,使表面变得脆弱。凡是与钢接触的地方都要清洗。避免造成很深的划痕,以免潮湿。

不锈钢表面保养这并不困难,但如果钢暴露在颠簸、划痕、盐、铁或其他化学物质,则应定期进行。室外场地家具每年应保养两次。

清洁不锈钢的方法取决于手头问题的类型。不同类型的分数需要不同的策略。我们的深度清洁岗位描述褪色、生锈、油腻、指纹、水泥或石灰石的处理步骤。快速处理腐蚀是很好的。如果发现得早,WD-40或其他润滑剂可能是清除铁锈所必需的。

通过适当的维护和保养,不锈钢具有如此吸引人的特性——钢的韧性与铬的耐腐蚀性和光泽相结合——多年来仍然是一种无压力的资产。

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