不鏽鋼的力學(xué)性能(néng)

特 性

　　不鏽鋼的發展是因為(wèi)有(yǒu)其自身的特性，而特性滿足了需要。不鏽鋼的最重要的特性是耐蝕性能(néng)，但是又(yòu)絕不是僅僅具(jù)有(yǒu)耐蝕性能(néng)，而且還具(jù)有(yǒu)特有(yǒu)的力學(xué)性能(néng)（屈服強度、抗拉強度、蠕變強度、高溫強度、低溫強度等）、物(wù)理(lǐ)性能(néng)（密度、比熱容、線(xiàn)膨脹系數、、導熱系數、電(diàn)阻率、磁導率、彈性系數等）、工(gōng)藝性能(néng)（成形性能(néng)、焊接性能(néng)、切削性能(néng)等）以及金相（相組成、組織結構等）等。這些性能(néng)構成了不鏽鋼的特性，下面僅就其中(zhōng)一些最基本的特性進行簡要的介紹。

　　一、力學(xué)性能(néng)

　（一）強度（抗拉強度、屈服強度）

　　不鏽鋼的強度是由各種因素不确定，但最重要的和最基本的因素是其中(zhōng)添加的不同化學(xué)因素，主要是金屬元素。不同類型的不鏽鋼由于其化學(xué)成分(fēn)的差異，就有(yǒu)不同的強度特性。

　　（1）馬氏體(tǐ)型不鏽鋼

　　馬氏體(tǐ)型不鏽鋼與普通合金鋼一樣具(jù)有(yǒu)通過淬火實現硬化的特性，因此可(kě)通過選擇牌号及熱處理(lǐ)條件來得到較大範圍的不同的力學(xué)性能(néng)。

　　馬氏體(tǐ)型不鏽鋼從大的方面來區(qū)分(fēn)，屬于鐵-鉻-碳系不鏽鋼。進而可(kě)分(fēn)為(wèi)馬氏體(tǐ)鉻系不鏽鋼和馬氏體(tǐ)鉻鎳系不鏽鋼。在馬氏體(tǐ)鉻系不鏽鋼中(zhōng)添加鉻、碳和钼等元素時強度的變化趨勢和在馬氏體(tǐ)鉻系不鏽鋼中(zhōng)添加鎳的強度特性如下所述。

　　馬氏體(tǐ)鉻系不鏽鋼在淬火-回火條件下，增加鉻的含量可(kě)使鐵素體(tǐ)含量增加，因而會降低硬度和抗拉強度。低碳馬氏體(tǐ)鉻不鏽鋼在退火條件下，當鉻含量增加時硬度有(yǒu)所提高，而延伸率略有(yǒu)下降。在鉻含量一定的條件下，碳含量的增加使鋼在淬火後的硬度也随之增加，而塑性降低。添加钼的主要目的是提高鋼的強度、硬度及二次硬化效果。在進行低溫淬火後，钼的添加效果十分(fēn)明顯。含量通常少于1%。

　　在馬氏體(tǐ)鉻鎳系不鏽鋼中(zhōng)，含一定量的鎳可(kě)降低鋼中(zhōng)的δ鐵素體(tǐ)含量，使鋼得到最大硬度值。

　　馬氏體(tǐ)型不鏽鋼的化學(xué)成分(fēn)特征是，在0.1%-1.0%C，12%-27%Cr的不同成分(fēn)組合基礎上添加钼、鎢、釩、和铌等元素。由于組織結構為(wèi)體(tǐ)心立方結構，因而在高溫下強度急劇下降。而在600℃以下，高溫強度在各類不鏽鋼中(zhōng)最高，蠕變強度也最高。

　(2)鐵素體(tǐ)型不鏽鋼

　　據研究結果，當鉻含量小(xiǎo)于25%時鐵素體(tǐ)組織會抑制馬氏體(tǐ)組織的形成，因而随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(zuò)用(yòng)，強度略有(yǒu)提高。钼含量的增加可(kě)使其更易獲得鐵素體(tǐ)組織，可(kě)促進α ’相、б相和x相的析出，并經固溶強化後其強度提高。但同時也提高了缺口敏感性，從而使韌性降低。钼提高鐵素體(tǐ)型不鏽鋼強度的作(zuò)用(yòng)大于鉻的作(zuò)用(yòng)。

　　鐵素體(tǐ)型不鏽鋼的化學(xué)成分(fēn)的特征是含11%-30%Cr，其中(zhōng)添加铌和钛。其高溫強度在各類不鏽鋼中(zhōng)是最低的，但對熱疲勞的抗力最強。

　（3）奧氏體(tǐ)型不鏽鋼

　　奧氏體(tǐ)型不鏽鋼中(zhōng)增加碳的含量後，由于其固溶強化作(zuò)用(yòng)使強度得到提高。

　　奧氏體(tǐ)型不鏽鋼的化學(xué)成分(fēn)特性是以鉻、鎳為(wèi)基礎添加钼、鎢、铌和钛等元素。由于其組織為(wèi)面心立方結構，因而在高溫下有(yǒu)高的強度和蠕變強度。還由于線(xiàn)膨脹系數大，因此比鐵素體(tǐ)型不鏽鋼熱疲勞強度差。

　（4）雙相不鏽鋼

　　對鉻含量約為(wèi)25%的雙相不鏽鋼的力學(xué)性能(néng)研究表明，在α+r雙相區(qū)内鎳含量增加時r相也增加。當鋼中(zhōng)的鉻含量為(wèi)5%時，鋼的屈服強度達到最高值；當鎳含量為(wèi)10%時，鋼的強度達到最大值。

　（二）蠕變強度

　　由于外力的作(zuò)用(yòng)随時間的增加而發生變形的現象稱之為(wèi)蠕變。在一定溫度下特别是在高溫下、載荷越大則發生蠕變的速度越快；在一定載荷下，溫度越高和時間越長(cháng)則發生蠕變的可(kě)能(néng)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，而不鏽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(tā)鋼一樣，熔煉方式、脫氧方法、凝固方法、熱處理(lǐ)和加工(gōng)等對不鏽鋼的蠕變特性有(yǒu)很(hěn)大的影響。據介紹，在美國(guó)進行的對18-8不鏽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标準今偏差是平均值的約11%，而取自不同鋼錠的上、中(zhōng)、下不同部位的試料的标準偏差與平均值相差則達到兩倍之多(duō)。又(yòu)據在德(dé)國(guó)進行的試驗結果表明，在10的5次幂h時間下0Cr18Ni11Nb鋼的強度為(wèi)小(xiǎo)于49MPa至118MPa，散差很(hěn)大。

　（三）疲勞強度

　　高溫疲勞是指材料在高溫下由于周期反複變化着的應力的作(zuò)用(yòng)而發生損傷至斷裂的過程。對其進行的研究結果表明，在某一高溫下，10的8次幂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(zhōng)，當溫度發生變化和受到來自外部的約束力時，在材料的内部相應于其本身的膨脹和收縮變形産(chǎn)生應力，并使材料發生損傷。當快速地反複加熱和冷卻時其應力就具(jù)沖擊性，所産(chǎn)生的應力與通常情況相比更大，此時有(yǒu)的材料呈脆性破壞。這種現象被稱之為(wèi)絷沖擊。熱疲勞和熱沖擊是有(yǒu)着相似之處的現象，但前者主要伴随大的塑性應變，而後者的破壞主要是脆性破壞。

　　不鏽鋼的成分(fēn)和熱處理(lǐ)條件對高溫疲勞強度有(yǒu)影響。特别是當碳的含量增加時高溫疲勞強度明顯提高，固溶熱處理(lǐ)溫度也有(yǒu)顯著的影響。一般來說鐵素體(tǐ)型不鏽鋼具(jù)有(yǒu)良好的熱疲勞性能(néng)。在奧氏體(tǐ)不鏽鋼中(zhōng)，高矽的且在高溫下具(jù)有(yǒu)良好的延伸性的牌号有(yǒu)着良好的熱疲勞性能(néng)。

　　熱膨脹系數越小(xiǎo)、在同一熱周期作(zuò)用(yòng)下應變量越小(xiǎo)、變形抗力越小(xiǎo)和斷裂強度越高，壽命就越長(cháng)。可(kě)以說馬氏體(tǐ)型不鏽鋼1Cr17的疲勞壽命最長(cháng)，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧氏體(tǐ)型不鏽鋼的疲勞壽命最短。另外鑄件較鍛件更易發生由于熱疲勞引起的破壞。在室溫下，10的7次幂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(kě)知，從室溫到高溫的溫度範圍内疲勞強度沒有(yǒu)太大的差異。

　（四）沖擊韌性

　　材料在沖擊載荷作(zuò)用(yòng)下，載荷變形曲線(xiàn)所包括的面積稱為(wèi)沖擊韌性。對于鑄造馬氏體(tǐ)時效不鏽鋼，當鎳含量為(wèi)5%時其沖擊韌性較低。随着鎳含量的增加，鋼的強度和韌性可(kě)得到改善，但鎳含量大于8%時，強度和韌性值又(yòu)一次下降。在馬氏體(tǐ)鉻鎳系不鏽鋼中(zhōng)添加钼後，可(kě)提高鋼的強度且可(kě)保持韌性不變。

　　在鐵素體(tǐ)型不鏽鋼中(zhōng)增加钼的含量雖可(kě)提高強度，但缺口敏感性也被提高而使韌性下降。

　　在奧氏體(tǐ)型不鏽鋼中(zhōng)具(jù)有(yǒu)穩定奧氏體(tǐ)組織和鉻鎳系奧氏體(tǐ)不鏽鋼的韌性（室溫下韌性和低溫下韌性）非常優良，因而适用(yòng)于在室溫下和低溫下的各種環境中(zhōng)使用(yòng)。對于有(yǒu)穩定奧氏體(tǐ)組織和鉻錳系奧氏體(tǐ)不鏽鋼。添加鎳可(kě)進一步改善其韌性。

　　雙相不鏽鋼的沖擊韌性随鎳含量的增加而提高。一般來說，在a+r兩相區(qū)内其沖擊韌性穩定在160-200J的範圍内。