第二章不锈钢一般常识2.docx

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第二章不锈钢一般常识2

第二章不锈钢一般常识

2.1不锈钢的定义

不锈钢是以耐腐蚀性为主要特征，且鉻的质量分数至少为10.5%，碳含量在一定限度内的钢，称为不锈钢。

在不同的文献中对不锈钢定义不同，但基本特性都是以具有抗大气腐、耐酸、碱、盐等腐蚀为特性，并且有较高的鉻含量。

不锈钢的最低鉻含量，在不同文献中给出的值不同，大多数为最低鉻含量10.5%，也有11.7%或12%的，不锈钢也同时包括耐热不锈钢。

譬如有资料认为当钢中鉻含量达到10.5%时，其在大气或液体介质中耐腐蚀性发生突变，从易锈到不锈，图2-1。

也有资料认为当钢中鉻含量大于11.7%时，钢在室温下可获得单相铁素体组织，固溶体的电极电位发生一个突变（由-0.56伏变为+0.2伏），在空气中可自然形成一层Cr13O2防护膜，防止金属基体被继续破坏，即不锈，见图2-2。

并指出，因为钢中含有碳，一部分鉻与碳形成碳化物分布在晶界上，而使固溶体中的鉻降低。

为确保固溶体中的鉻不低于11.7%，因此不锈钢中鉻的最低含量往往提高13%。

图1-1鉻含量对Fe—Cr合金图1-2铁—鉻合金在1N的FeS

耐大气腐蚀的影响（不同地区）O4溶液中与甘汞电极的比较电位

2.2不锈钢的分类

不锈钢钢种很多，性能各异，常见的分类方法有：

1按钢的组织结构分类，如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体—奥氏体双相不锈钢、沉澱硬化不锈钢。

2按钢的性能特点和用途分类，如不锈钢、耐酸不锈钢、耐热不锈钢等。

3按主要化学成分或元素分类，如鉻不锈钢、鉻镍不锈钢、鉻镍钼不锈钢、超低碳不锈钢、高纯不锈钢、高钼不锈钢等。

还有其它分类方法。

于其说有各种分类方法不如说有各种叫法。

标准中分类及通常称呼方法，均按第一种分类方法。

2.3不锈钢的基本性能

2.3.1力学性能

标准中最常见的是：

（1）抗拉强度力学符号：

Rm英文缩写：

TS

（Mpa）

其中Pb—拉伸试样断裂前承受的最大载荷Mpa

F0—拉伸试验原始截面积mm2

（2）屈服强度力学符号Re早期表示方法为σb。

（Mpa）

其中Pe—拉伸试样屈服时承受的最大载荷Mpa

F0—拉伸试验原始截面积mm2

（3）非比例延伸强度力学符号：

Rp0.2,英文缩写YS

早期表示方法为σs

（Mpa）

其中P0.2—拉伸试样塑性变形量为0.2%时承受的载荷Mpa

F0—拉伸试验原始截面积mm2

（4）延伸率力学符号A,英文缩写EL,早期表示方法为δ。

×100%

其中L—试样被拉断后的长度mm

L0—试样拉断前的长度mm

（5）拉伸曲线见图2-3

图2-3低碳钢的应力—应变曲线

2.2.2硬度

测量金属硬度的方法很多，但常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度、（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV）等，其它还有显微硬度、肖氏硬度、里氏硬度等。

2.2.3冲击韧性

冲击韧性分冲击值和吸收能（冲击功）两种表示方法，一般冲击值用aK表示，冲击功用Ak表示。

2.2.4力学性能的意义

强度、硬度、塑性、韧性是材料最重要性能指标，强度是钢抵抗变形和断裂的能力；塑性是钢在断裂前发生不可逆永久变形的能力；硬度是钢表面一个小区域内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力，它与钢抗拉强度有一定不精确换算关系。

也有人把硬度定义为抵抗压入的能力；冲击韧性是钢的抗击负荷破坏的能力。

由此可见，材料的强度、硬度、塑性、韧性对材料的使用，产品或结构的设计多么重要，可以说是选材和设计的重要依据，所以在不锈钢标准中，抗拉强度、屈服强度、延伸率都是必保的力学性能、硬度和冲击韧性视产品工作条件或加工工艺往往也有一定要求。

力学性能是所有标准中最重要的保证项目之一。

2.3工艺性能试验

不锈钢标准中的扩口试验、压扁试验、翻边试验、液压试验等一般都归类到工艺性能试验。

2.3.1扩口试验不考察扩口力的大小，而是检查钢管承受径向变形能力，一般只是根据标准的不同扩张到一定变形量，检查其有没有裂纹产生。

饰演方法如图2-4如GB/T14976扩口量要求为10%、GB13296要求为18%、GB5310和GB9948按内径与外径比扩口率分三级，即：

内径/外径≦0.6＞0.6~0.8＞0.8

扩口率：

%121520

2.3.2金属管压扁试验

压扁试验是检查塑性变形能力，并显露缺陷，压扁试验不记录压下力的大小，只是将规定尺寸试样压扁到一定尺寸检查试样弯曲处有无裂缝，试验方法如图2-5压扁后两平板间距按公式：

计算。

H—压扁后平板距离mm

S—钢管公称壁厚mm

D—钢管公称外径mm

α—单位长度变形系数，奥氏体钢为0.9，马氏体钢、铁素体钢及双相钢为0.7。

不同不锈钢标准之间α值略有不同，如：

标准奥氏体钢马氏体钢、铁素体钢、双相钢

GB/T149750.90.7

GB/T149760.90.7

GB/T132960.90.8

GB53100.90.8

GB99480.90.8

图2-4金属管压扁试验图2-5金属管扩口试验

2.3.3翻边试验

不锈钢管翻边试验，就是检验

管壁外卷到一定尺寸及形状后的

变形承受能力。

譬如我公司给

伊朗等锅炉制造厂生产的TP321H,

Φ51x11、Φ51x9等不同规格管

就要求做翻边试验，不同标准对

翻边量要求不同，翻边方法如图2-6。

图2-6金属管翻边试验

2.3.4液压试验，通常叫水压试验

金属液压试验是检查管子的质量和强度，并显示缺陷。

试验压力为：

式中：

P—最大试验力MPα

R—允许应力MPα

S—试验管公称壁厚mm

D—试验管公称外径mm

这里要说明的是，国内外不同的标准中，所给出的R值并不一致，如：

标准R值（许用应力）

GB/T14975抗拉强度的40%

GB/T14976抗拉强度的40%

GB/T13296R0.2的50%

GB5310R0.2的70%

GB9948R0.2的70%

其中除GB/T14975规定，最大试验压力不超过14MPα外，其它4个标准均规定最大试验压力不超过20MPα，关于水压试验压力外国标准与国内标准不尽相同，这是值得注意的。

2.3.5根据产品使用条件，为考核材料适应产品工艺性，工艺性能试验方法还有很多，如弯曲试验、缩口试验、杯突试验等等，由于在不锈钢管标准中体现不多，就不一一介绍了。

除了水压试验外，工艺性能试验最大特点，是不要求测定力值的大小。

在不锈钢管中，上述工艺性能试验并非都是必做项目，而是按标准要求进行。

2.4宏观、微观检验

2.4.1宏观检验

宏观检验也叫低倍检验，宏观检验是用肉眼或用放大倍数不大于十倍的放大镜检查金属表面或断口或横截面确定其宏观组织缺陷的方法。

酸浸试验可显示如：

一般疏松、中心疏松、锭型偏析、点状偏析、皮下气泡、残余缩孔、翻皮、白点、晶间腐蚀、内部气泡、非金属夹杂物、夹杂、异金属等。

硫印检验主要是检验硫的宏观分布，也可以检验其元素在钢中的偏析和分布情况。

宏观检验还有塔形试样检验、断口检验等方法可对发纹或其它缺陷、冶金质量、裂纹源等很多方面提供定量的或有意义的数据或依据，是很重要的检验方法，特别是断口检验，再科研或废品分析时是很重要的分析手段。

GB/T14975、GB/T14976和GB13296中没有宏观检验项目，GB5310和GB9948中关于低倍检验的要求是：

采用钢锭直接轧制的钢管应做低倍检验，并且规定不得有白点、夹杂、皮下气泡、翻皮和分层。

GB/T14975、GB/T14976、GB13296等三个检验虽然对宏观检验没有明确规定，但在技术监督局对炼钢厂管坯用不锈钢圆棒监督检查时，有低倍检验项目，标准按GB1220规定，即不得有缩口、缩孔、气泡、裂纹夹杂、翻皮、白点，对一般疏松、中心疏松、偏析均要求不大于2级。

这就是说GB/T14975等三个标准的管坯也有低倍要求，只是技术监督抽查，不像锅炉管等按批检验，要求相对宽松。

2.4.2金相检验

1金相检验是指在金相显微镜下观察、辨认和分析金属材料微观组织状态和分布情况，借以判断和评定金属材料质量的检验方法，譬如脱碳层深度、晶粒度、非金属夹杂物、成分偏析、渗层等，对于科研和废品分析，金相观察能发现的问题远不止这些。

2在GB/T14975、GB/T14976中没有金相检验项目，就管坯监督抽查也只是有特殊要求时才做金相检验。

3GB13296只对1Cr19Ni9、1Cr17Ni12Mo2、1Cr18Ni11Ti、1Cr19Ni11Nb等相当于TP304H、TP316H、TP321H和TP347H牌号做晶粒度检验，要求平均晶粒度为4~7级与ASTMA213（01版）要求基本吻合，检验数量也均按批号检验。

GB5310要求对成品管非金属夹杂物按炉批号检验，晶粒度、脱碳层、金相组织按炉批号检验。

其中非金属夹杂物检验，只适用于钢锭和连铸坯直接轧制的钢管，A、B、C、D四类夹杂物均不超过2.5级，D、S类也不大于2.5级，并规定A、B、C、D各类夹杂物细类和粗类总和不大于6.5级。

4GB9948在金相检验方面要求按炉批号做非金属夹杂物检验，要求A、B、C、D四类夹杂物均不超过2.5级。

5GB5310对不锈钢耐热钢晶粒度检验规定按批号取样，其中07Cr19Ni10、07Cr25Ni21Nb、07Cr19Ni11Ti、07Cr18Ni11Nb（分别相当于TP304H、TP310NbH、TP321H、TP347H）晶粒度应为4~7级；10Cr18Ni9NbCn3BN、08Cr18Ni11NbFc（分别相当于304HC、347HFG）要求晶粒度7~10级，并且均为按批号检验。

GB5310不锈耐热钢管有关晶粒度的要求与ASTMA213要求是一致的。

GB5310对金相组织及脱碳层有检验条件，但主要适用于非奥氏体耐热钢。

CCS（中国船级社）产品认证时，有晶粒度、非金属夹杂物、脱碳层的检验项目，但没提出具体的级别要求。

2.4.3晶间腐蚀

沿晶界及邻近区域产生腐蚀，而粒本身不腐蚀或腐蚀很轻微的现象，称为晶间腐蚀。

晶间腐蚀试验，就是严格按晶间腐蚀试验方法规定操作，检验不锈钢晶间腐蚀倾向大小的过程叫晶间腐蚀试验。

除GB9948外，GB/T14975、GB/T14976和GB13296、GB5310对晶间腐蚀试验均有要求，但要求程度不同，如GB/T14975是根据需方要求并在合同中注明，可进行晶间腐蚀试验，如果不注明试验方法，则按GB/T4334.5（即硫酸—硫酸铜法，美标E法）GB/14976和GB13296中对晶间腐蚀试验的规定是作为必做项目加以规定，并且均规定合同未注明时按GB/T4334.5方法试验，不同的是GB/T14976对外径≤35mm,壁厚≥5mm冷拔（轧）管是否做晶间腐蚀试验需协商而定。

GB5310规定，如需方有要求，可与供商协商并在合同中注明，可据供需双方协商的方法做晶间腐蚀试验。

晶间腐蚀试验方法为GB/T4334.1~4334.6六个试验方法，常用的是GB/T4334.5。

2.5奥氏体不锈钢的热处理

依据化学成分、热处理目的不同，奥氏体不锈钢常采用用的热处理方式有固溶热处理、稳定化热处理、消除应力热处理和敏化处理等。

2.5.1固溶热处理

奥氏体不锈钢固溶化热处理，就是将钢加热到过程相充分溶解到固溶体的某一温度，保持一定是时间之后快速冷却的工艺方法。

奥氏体不锈钢固溶化热处理的目的是要把以前各加工工序中产生或析出的合金碳化物如（FeCr）23C6等以及σ相重新溶解到奥氏体中，获取单一的奥氏体组织（有可能存在少量的δ铁素体），以保证材料有良好的机械性能和耐腐蚀性能，充分消除应力和冷加工硬化现象。

1、固溶化热处理的加热温度

固溶化热处理加热温度，在各国不锈钢标准中都有明确规定。

譬国标GB/T14976、GB13296等在固溶热处理加热温度一栏均写成“推荐热处理制度”，日本标准如JISG3463中3.2条说，热处理按表2规定，但表2以热处理可以协议。

而GB5310规定，钢管热处理制度应符合表6规定。

GB/T14975等所谓推荐温度和日本G5310是强制性。

推荐加热温度并非可遵照，也可不遵照，而是说在某些特殊情况下可协商，因为它推荐的加热温度是有依据的。

奥氏体不锈钢中的鉻碳化物、σ相的分解、固溶温度均在850℃左右开始，但进行缓慢，即使很长的保温时间也很难使碳化物充分溶解，所以必须提高加热温度。

如0Cr18Ni9钢碳化物充分溶入奥氏体中，1000℃需10min，1065℃需3min，1176℃只需1.5min。

当然，也不能认为加热温度越高越好，非含鈦奥氏体不锈钢加热温度1050℃左右较适宜，含钼钢应在1080℃左右，含稳定化元素奥氏体不锈钢1000℃左右即可，但对TP321H、316H、347H等不锈钢，其加热温度又当别论，另外对有晶粒度要求的钢，为了达到规定晶粒度等级标准，有时需上道拉拔量和退火温度。

2、保温时间

奥氏体不锈钢含大量合金元素，鉻的碳化物溶解速度较慢，钢导热率低，所以奥氏体不锈钢固溶化处理的保温时间比一般合金钢要加长20~30%。

一般保温时间按1.5min/mm就够了。

3、固溶热处理的冷却

经固溶加热、保温的奥氏体不锈钢，如果冷却速度不足，则已固溶到奥氏体中的合金碳化物或σ相还可能析出，所以，固溶化处理的冷却速度很重要。

从理论上说，固溶化冷却速度越快越好，但在工程上是只有满足技术活实际要求就可以了，所以一般标准中常将冷却方式标为“快冷”、“急冷”。

在工厂里一般均采用水冷。

2.5.2稳定化处理

稳定化处理是对含稳定化元素鈦或铌的奥氏体不锈钢采用的方法。

采用这种方法的目的是利用鈦、铌与碳的强结合特性，稳定碳，使其尽量不与鉻结合。

达到提高耐晶间腐蚀的目的。

1、稳定化处理加热温度的选择

为了达到奥氏体不锈钢稳定化处理的目的，使碳尽量形成TiC或NbC，稳定化处理加热温度的选择很重要，这个温度原则是高于（FeCr）23C6的溶解温度，低于或略高于TiC或NbC开始溶解温度，在这个温度范围加热、保温，使（FeCr）23C6能充分溶解，而TiC或NbC不溶解或少溶解，使从（FeCr）23C6中分解出来的碳与钢中其余的鈦或铌形成新的TiC或NbC，而从（FeCr）23C6中分解出来的鉻重新溶入奥氏体中。

稳定化处理加热温度一般为850~930℃。

2、保温时间

有资料报道，TiC在900℃，NbC在920℃，1h便可充分形成。

因为稳定化处理包括（FeCr）23C6的溶解，TiC、NbC的形成，鉻的固溶等过程，所以保温时间不能少于2h。

3、冷却方式

奥氏体不锈钢稳定化处理的冷却方式和冷却速度对稳定化处理影响不大，有研究结果认为，从900℃冷却到200℃过程中，冷却速度0.9℃/min与15.6℃/min，试样在硬度、金相、晶间腐蚀方面没有影响，所以一般空冷即可。

2.5.3敏化处理

敏化处理不属生产奥氏体不锈钢的正常热处理方法，而是为了检验奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验时采用的一个程序。

敏化处理可使奥氏体不锈钢中的合金碳化物，如（FeCr）23C6等较大程度沿晶界析出，从而达到在晶间腐蚀介质中更快方式晶间腐蚀，以便达到快速检验奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀的能力。

敏化处理温度一般为650℃、2h（美国标准为700℃、45min）。

只有超低碳（C≤0.03%）或含稳定化元素Ti、Nb不锈钢才做敏化处理。