不锈钢的完整指南

不锈钢的等级、成分、分子结构、生产和性能

芝加哥的不锈钢云雕
由于钝化层保护内部钢材免受氧化,芝加哥云门雕塑保持了其闪亮的光泽.

在这个指南:

不锈钢是一大类耐锈黑色合金的通称. 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. 这种防锈性使它成为许多应用的好选择, 包括户外, 水, 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bwin体育的. 铸造不锈钢 是将液态金属倒入一个特定形状的成型容器中制成的吗. 不锈钢 从一个钢铁厂开始, 连铸机是在哪里把不锈钢铸成铸锭的, 花朵, 坯料, 或板. 这些原材料必须经过进一步的加工. 它们被重新加热,然后用轧制或锤击技术重新加工.

锻造不锈钢bwin体育比铸造不锈钢bwin体育更常见.

铸造不锈钢制品 通常是在铸造厂或在铸造厂的监督下制造和完成的吗. 如果它们是大bwin体育的一个小部件,铸件可以去其他工厂组装. 锻造不锈钢始于炼钢厂 但最终bwin体育是在另一家工厂生产的.

不锈钢罐和管道
不锈钢的特点是优越的耐腐蚀性,保护钢免受空气和潮湿, 使其成为各种工业应用的理想材料,包括管道和储罐.

不锈钢是用什么做的?

像所有的钢一样,不锈钢一开始是铁和碳的混合物. 使这一合金家族与众不同的是,不锈钢也有至少10个.5%铬. 这种元素使不锈钢具有抗氧化的特性. 当不锈钢暴露在大气中时, 铬与氧结合形成一薄层, 稳定的 钝化 铬(III)氧化物层(Cr2O3). 钝化层保护内部钢免受氧化, 一旦触及表面,就迅速进行改革.

这种钝化层与电镀不同. 有些金属被镀上锌、铬或镍以作表面保护. 在这种情况下,一旦划痕穿透镀层,镀层的好处就丧失了. 不锈钢内部的铬提供了更多的表面保护. 一旦暴露在空气中,它就会产生被动式薄膜. 因此,即使不锈钢被深深地划伤,钝化层也会自愈.

铁+碳=钢

+铬=不锈钢
(至少10.5%铬)

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
+少量的镍



通常含有钼、铜或其他合金元素.

双合金

19 + +铬(%)
+钼
+少量的镍

通常含有钼、铜或其他合金元素.

沉淀硬化合金


+铬
+镍
+铜 &/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 &/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“家族”. 每一种都含有不同比例的铁、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的不同而不同,使其成为一组用途广泛的合金.

不锈钢的成绩

等级是一种特殊不锈钢家族的标志. 最常见的成绩有:

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

有时, 工程师可以在同一系列的合金中进行选择, 如在两个流行的商业等级 奥氏体不锈钢,304和. 316. 然而,情况并非总是如此. 汽车排气系统常常在两者之间进行选择 304年和409年. 烧烤架的材质可能是304或430.

不锈钢有磁性吗??

用磁铁来确定你面前的金属是否是不锈钢不会给你一个明确的答案. 有些等级和类型的不锈钢是磁性的,有些则不是——这取决于合金中的不同元素.

奥氏体不锈钢等级(3xx系列)是无磁性的. 你的不锈钢冰箱没有磁铁和冰箱画? 奥氏体不锈钢由于晶体的微观结构. (在bwin体育的技术部分阅读更多内容.)

马氏体和更常见的铁素体不锈钢等级,如430,是磁性的. 双相钢是奥氏体钢和铁素体钢的混合物,通常具有轻微的磁性. 铁素体钢上的磁铁牢牢地粘住了. 在双工模式下,它可能更容易被破坏和滑落. 

不锈钢的机械性能

通常选用不锈钢是因为它耐腐蚀,但也因为它是钢. 强度等属性, 收益率, 韧性, 硬度, 加工硬化反应, 可焊性, 耐热性使钢在工程中成为一种非常有用的金属, 建设, 和制造业, 特别是考虑到它的成本. 工程师在决定等级之前要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量的. 典型的受拉杆受拉力,也称为受拉载荷. 在破坏时,测量拉伸强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率.

硬度

硬度是钢抵抗压痕和磨损的能力. 两种最常见的硬度测试是 布氏硬度和洛氏. 在布氏试验中, 一个小的淬硬钢球被一个标准载荷强迫进入钢中, 并测量产生的印模的直径. 罗克韦尔测试测量压痕的深度. 有些金属可以通过冷加工提高硬度,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

韧性是钢在非常局域应力下塑性屈服的能力. 韧性钢不易开裂, 使韧性成为工程应用中非常理想的品质. 韧性水平是通过动态测试来确定的. 在试样棒上刻痕以确定应力的位置,然后用摆动的钟摆敲击. 打破样品棒所吸收的能量是由钟摆损失的能量来衡量的. 坚硬的金属吸收的能量更多,而脆性的金属吸收的能量更少.

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%铬. 它们可能含有其他合金元素,如钼或 ,但通常含量很少. 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. 它们的碳含量相对较低,因此强度也相对较低. 铁素体类型的其他缺点包括较差的焊接性和降低的耐腐蚀性. 然而,由于其优越的韧性,它们是理想的工程应用. 汽车排气管常采用铁素体不锈钢, 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,由铁组成, 碳, 铬, 至少8%的镍. 由于它们的高铬和高镍含量,它们是高 耐腐蚀 和非磁性. 像铁素体不锈钢一样,奥氏体不锈钢不能通过热处理硬化. 然而,冷加工可以使它们变硬. 奥氏体不锈钢中较高的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——都是奥氏体级的. 奥氏体不锈钢流行背后的主要驱动力是它们易于成型和焊接, 这使得它们成为高效制造的理想选择. 奥氏体不锈钢有许多亚组,它们的碳含量变化很大. 通过添加合金元素,如钼,可以进一步调整其性能, 钛, 和铜. 奥氏体不锈钢经常用于生产厨房水槽, 窗框, 食品加工设备, 和化学的坦克. 它们也常用于户外场所的家具,如长凳, 不锈钢护柱自行车架.

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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,碳含量较高(0.1–1.2%),而非奥氏体或铁素体不锈钢. 与铁素体BCC结构相似,BCT具有磁性. 马氏体不锈钢在强度比其可焊接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可以通过热处理硬化,因为它们的碳含量高. 这使得它们在许多应用中非常有用,包括航空零件、刀具和刀片.

燃料生产炼油厂用不锈钢压力容器

双工

双相不锈钢是最新的不锈钢类型. 它们比奥氏体不锈钢含有更多的铬(19-32%)和钼(高达5%), 但镍明显减少. 双相不锈钢有时被称为奥氏体-铁素体,因为它们具有铁素体和奥氏体混合晶体结构. 在双相不锈钢中,奥氏体和铁素体相的大约一半一半的混合使其具有独特的优势. 它们比奥氏体牌号更耐应力腐蚀开裂, 比铁素体级更硬, 大概比纯的任何一种都强两倍. 双相不锈钢的主要优点是耐蚀性与之相当, 或超过, 氯暴露情况下的奥氏体等级.

双相不锈钢也非常划算. 在合金含量低于等效奥氏体牌号的情况下,双相不锈钢的强度和耐蚀性得到了提高. 双相不锈钢通常用于生产海水淡化和石油化工工业中氯化物暴露应用的部件. 它们也被用于建筑和建筑行业的桥梁, 压力容器, 和领带夹.

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, 然而, 它们都含有铬和镍. 它们的共同特点是耐腐蚀, 易于制造, 低温热处理具有极高的抗拉强度.

奥氏体沉淀硬化合金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, 甚至适用于新的表格. 马氏体沉淀硬化不锈钢比普通马氏体牌号更强,常用于生产棒材, 棒, 和电线.

技术视角:不锈钢的分子微观结构

当金属从熔融状态中冻结时,它们会结晶并形成颗粒. 这种晶体结构决定了金属的许多力学性能. 很多因素影响着这一点 微观结构.

合金中原子的类型改变了结构,这是由于这些原子类型所形成的分子. 每种材料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远的影响. 不同的结构在特定的温度下开始形成. 合金有相表,表明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.

bwin体育的铁碳相图说明了温度和碳对钢中晶粒形成的影响. 它显示了铁的形成的三个阶段:

  • 铁素体或α铁(α)是在912℃以下形成的标准晶粒.
  • 奥氏体,或γ铁(γ),有更致密的颗粒晶体,出现在912-1394°C之间.
  • δ铁(δ)在温度高于1395°C时形成,在1538°C时铁变成液体. δ铁相更接近于α-铁或铁素体.
技术图表x轴碳在2-6%之间,y轴温度在200-1600°C之间,显示了包括奥氏体在内的不同温度下的微观组织钢的类型, 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方式, 稳定, 相互作用. 温度影响碳的吸收方式. 高热奥氏体相是饱和的碳,与密集排列的金属分子. 在其他温度下,不是所有的碳都被吸收. 它创造了其他分子结构. 例如,铁碳合金通常含有铁3C渗碳体分子. 在纯形式, 渗碳体属于陶瓷:它坚硬而易碎, 它把这些特性借给最终的金属. 石墨也可以在分子水平上形成. 石墨的形状会影响金属在被撞击时的表现. 圆形石墨结节在被撞击时可以相互滑动,变形但不会折断. 相比之下,含有大量片状石墨的金属在受到撞击时,会沿着片状边界剪切. 金属冷却的速度有多快, 无论是热处理还是加工, 也会影响晶粒尺寸和形状.

奥氏体钢是含有γ-铁的奥氏体晶格钢. 在铁碳相图上,这种晶格通常在高温下存在. 然而,加入镍和/或锰可以使奥氏体在钢冷却时保留下来. 奥氏体组织被称为“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. 晶格的每个单元都是由原子组成的. 每个晶格单元中的原子数, 以及它们之间的联系, 改变晶格在应变下的行为. 基本的晶格是原始的、以身体为中心的和面为中心的.

基本的细胞形状

原始的
立方

一个立方体的线框形状,每个角上都有点

  • 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一个连接点.
  • 每个角上的原子与周围的细胞平均共享. 因此,每个原子是八个相邻立方体的一部分.
  • 一个单元细胞总共包含一个原子. 因为每个角上的原子都与八个相邻的立方体共享, 每个原子只有1/8在原始细胞内. 
    8 × 1/8个角原子= 1个原子总数.

身体- - -
为中心的
立方(BCC)

以体为中心的立体结构的线框形状,每个角上都有点,里面有一个点

  • 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. 这个原子没有其他细胞共享:有8个细胞连接到晶格上,只有一个细胞连接到原子上.
  • 单元细胞总共包含2个原子: 
    8个原子x 1/8个原子,在原始的立方结构中,加上中间的原子.
  • α -铁(铁氧体)和δ -铁都是BCC金属.

面心
立方(FCC)

面心立方结构的线框形状,在每个角和每个面上都有点

  • 面心立方结构在细胞的每个角落都有原子,另外在立方体的每个面的中心都有一个原子.
  • “面”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.
  • 单元格共包含4个原子:
    8个原子x 1/8共用角原子,6个原子x 1/2共用面心原子.
  • γ -铁(奥氏体)是FCC金属.

钢, 不含镍或锰, 获得了稳定的面心立方(FCC)结构,674—2,541°F. 在这种温度下,钢中的碳会渗透到每个细胞中.

然而, 这个钢, 以常规(不淬火)方式冷却, 会变成铁素体和体心立方(BCC). 它将不会维持FCC的结构.

BCC晶格比密集填充的FCC结构更容易受到某些类型的机械应变. 它们在每个晶格单元中没有相同数量的原子. 即使在室温下保持FCC结构也有助于保持其额外的强度. 这通常是通过向合金中添加额外的元素来完成的.

铁素体、奥氏体、马氏体和双相钢的显微组织

铁素体钢 是普通的型钢吗. 它在低温下变脆, 在高温下会迅速失去力量, 和磁. 这些特性是由于体心立方(BCC)的形式.

在每个“松散”包装的BCC细胞内, 并不是所有的电子都能找到自旋相反的电子并与之配对. 正是这些独立的电子产生了铁素体钢的磁性. 每个细胞只有两个原子增加强度, 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 室温下的FCC是由于合金中添加了镍吗. 奥氏体钢比FCC钢韧性更强,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中心(FCC)形式.

所有晶格都有“滑移系统”,或剪切线, 格子在被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. 也许相反, 填充越密的FCC晶体比松散填充的BCC晶体有更多的剪切线. 密集排列的晶体更容易相互滑动. 每个细胞都有更大的原子量和强度,更容易结合在一起.

微观的塑性变形在宏观上支撑着材料的延性. 这就是为什么面心立方结构有更广泛的弹性范围. 铁素体结构在撞击时更容易破碎, 或拉伸时骨折, 特别是在充满挑战的环境中.

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. 奥氏体钢即使在-292°F以下也能保持大部分韧性和延伸率. 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晶粒的钢吗. 这些钢没有简单的立方组织. 马氏体是通过淬火形成的:表面快速冷却. 环境的冲击会导致晶格在冻结时发生隆起. 马氏体组织处于应变状态, 以体为中心的正方体, 不要均匀地排列. 这使得马氏体表面更加坚硬, 但它们也更脆弱, 即使在室温下.

双相钢 是不锈钢品种中相对较新的添加物吗. 这些钢具有混合的微观结构. 铁素体和奥氏体的交错层给出了两者的最终材料性能. 与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢所需的镍和/或锰的比例较低,从而降低了成本.

不锈钢的保养与保养
可以用肥皂和水对不锈钢进行常规清洗. 商业应用可能需要使用通用润滑油进行更强的处理.

不锈钢的保养与保养

虽然 不锈钢是防锈的,它不是不受影响的. 其耐蚀性取决于钝化层,钝化层会受到化学扰动. 盐, 酸, 保持水分的划痕, 铁的沉积会使不锈钢容易生锈.

安装不锈钢时必须小心:不锈钢工具会留下铁沉积物,从而改变钢的表面化学性质,使其易受伤害. 任何与钢材接触的地方都应清洗干净. 应该避免可能锁住水分的深层划痕.

不锈钢表面的保养 不是很难,但如果钢暴露在凹凸不平的地方,应该定期进行, 划痕, 盐, 铁, 或其他化学物质. 户外场地家具应每年检查两次.

清洗不锈钢的方法取决于当前问题的类型. 不同类型的分数需要不同的策略. bwin体育的深度清洁岗 描述变色、生锈、油脂、指纹、水泥或石灰石的步骤. 快速处理腐蚀很好. 如果发现得早,WD-40或另一种润滑剂可能是除锈所必需的.

通过适当的维护和照顾, 不锈钢的韧性与铬的耐蚀性和光泽相结合,使其具有如此大的吸引力,这使得它可以在未来几年里继续成为一种无应力资产.

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