不锈钢的完整指南

不锈钢的等级、组成、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,这要感谢钝化层,保护内部钢材免受氧化.

在本指南中:

不锈钢是一大类耐锈的黑色合金的统称. 与其他铁合金不同, 不锈钢有一个稳定的钝化层,保护它不受空气和湿气的影响. 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, 和高温用途.

不锈钢是怎么制成的?

不锈钢可以铸造或锻造. 主要的区别在于如何形成最终bwin体育. 铸造不锈钢 是将液态金属倒入具有特定形状的成型容器中制成的吗. 熟化不锈钢 从钢铁厂开始, 在哪里连铸机将不锈钢制成铸锭, 花朵, 坯料, 或板. 这些原材料必须通过进一步的加工加工成形. 它们被重新加热并使用滚动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. 如果它们是较大bwin体育的一个小部件,铸件可能会去其他工厂进行组装. 锻造不锈钢是从钢铁厂开始的 但在另一家工厂被制成最终bwin体育.

不锈钢罐和管道
不锈钢的特点是优越的耐腐蚀性,保护钢铁不受空气和湿气的影响, 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?

和所有的钢一样,不锈钢一开始是铁和碳的混合物. 使这个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, 铬与氧结合形成薄层, 稳定的 钝化 氧化铬(III)层(Cr2O3). 钝化层保护内部钢免于氧化, 如果表面被刮伤,它会迅速恢复.

这种钝化层不同于电镀层. 有些金属被镀上锌、铬或镍,以保护表面. 在这些情况下,一旦划痕穿透镀层,涂层的好处就失去了. 不锈钢内部的铬不仅提供这种表面保护. 只要暴露在空气中,它就会产生被动膜. 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
(至少10个.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



+铬(19+%)
+钼
+少量镍



一般含有钼、铜或其他合金元素.

双合金

+铬(19+%)
+钼
+少量镍

一般含有钼、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.

不锈钢的种类

有几个 不锈钢的“家族”. 每一个家族都有不同比例的铁、铬和碳. 有些含有其他元素,如镍、钼、锰或铜. 这些钢的性质因含量不同而不同,因此是一种用途广泛的合金.

不锈钢等级

等级可以暗示某种特定不锈钢的种类. 最常见的等级是:

  • 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
  • 双相不锈钢:2304,2205

有时, 工程师在同一家族的合金中进行选择, 在两个流行的商业等级 奥氏体不锈钢,304 vs. 316. 然而,情况并非总是如此. 汽车排气系统经常在 304和409. 烧烤架可能是用304或430制成的.

是不锈钢磁性的?

用磁铁来检测你面前的金属是否为不锈钢并不能给你一个明确的答案. 有些等级和类型的不锈钢具有磁性,有些则没有——这完全取决于合金中不同的元素.

奥氏体不锈钢等级(3xx系列)无磁性. 你的不锈钢冰箱是干净的磁铁和冰箱艺术? 由于晶体的微结构,故为奥氏体不锈钢. (请在下面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,具有磁性. 双相钢是奥氏体钢和铁素体钢的混合物,通常具有较弱的磁性. 铁素体钢上的磁铁保持牢固. 在复式公寓里,可能更容易破坏和滑下来. 

不锈钢的机械性能

通常选择不锈钢是因为它耐腐蚀,但也因为它是钢. 强度等特性, 收益率, 韧性, 硬度, 对加工硬化的反应, 可焊性, 耐热性使钢在工程中成为非常有用的金属, 建设, 和制造业, 尤其是考虑到它的成本. 工程师在决定不锈钢的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定的. 一个有代表性的拉伸杆受到拉力,也称为拉伸载荷. 在失效时,测量抗拉强度、屈服强度、伸长率和面积收缩率.

硬度

硬度是钢抗压痕和磨损的能力. 两种最常见的硬度测试是 布里奈尔和罗克韦尔. 在布里奈尔测试中, 一个淬硬的小钢球被标准载荷压入钢中, 然后测量产生的印痕的直径. 罗克韦尔试验测量压痕的深度. 一些金属的硬度可以通过冷加工来提高,也称为加工硬化. 在某些金属中,可以通过热处理来提高硬度.

韧性

韧性是指钢在局部应力作用下的塑性屈服能力. 坚韧的钢不易开裂, 使韧性成为工程应用中非常理想的品质. 韧性的水平是用动态测试确定的. 在一个样品棒上刻上缺口以定位应力,然后用摆动的钟摆敲击. 在折断样品杆时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%铬. 它们可能含有其他合金元素,如钼或 但通常是非常少量的. 它们具有以体为中心的立方(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,因此强度也相应较低. 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,它们在工程应用中是可取的. 铁素体不锈钢常用于汽车排气管, 燃油管, 还有建筑装饰.

不锈钢柱的特写照片

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. 由于它们的高铬和镍含量,它们是高度 耐腐蚀 和非磁性. 和铁素体不锈钢一样,奥氏体不锈钢不能通过热处理而硬化. 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能够在低温应用中良好地工作.

最常见的两种不锈钢——304和316——都是奥氏体等级. 奥氏体不锈钢受欢迎的主要原因是其易于成型和焊接, 使它们成为高效制造的理想选择. 奥氏体不锈钢有许多亚组,其含碳量差异很大. 通过添加合金元素,如钼,进一步调整了性能, 钛, 和铜. 奥氏体不锈钢常用于生产厨房水槽, 窗框, 食品加工设备, 还有化学罐. 它们也通常用于户外场所的家具,如长凳, 不锈钢护柱 而且 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,并有较高的碳含量(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是磁性的. 马氏体不锈钢在钢的强度比其焊接性或耐腐蚀性更重要的情况下非常有用. 主要区别是马氏体不锈钢由于含碳量高,可以通过热处理硬化. 这使得它们对包括航空航天部件、餐具和刀片在内的许多应用非常有用.

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%), 但镍含量明显减少. 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的混合晶体结构. 双相不锈钢中奥氏体和铁素体相的大致一半对一半的混合给了它独特的优势. 它们比奥氏体更耐应力腐蚀开裂, 比铁素体级别更坚韧, 而且比两者的纯形式强两倍左右. 双相不锈钢的主要优点是耐腐蚀性等于, 或超过, 接触氯化物时的奥氏体等级.

双相不锈钢也非常经济有效. 双相不锈钢的强度和耐蚀性是用比等效奥氏体等级更低的合金含量来实现的. 双相不锈钢通常用于生产海水淡化和石油化工行业中氯暴露应用的零件. 它们也用于建筑和建筑行业的桥梁, 压力容器, 和拉杆.

一堆不锈钢棒

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, 易于制作, 低温热处理具有极高的抗拉强度.

奥氏体沉淀硬化合金大多已被更高强度的高温合金所取代. 然而, 半奥氏体沉淀硬化不锈钢继续应用于航空航天领域, 甚至被应用到新的形式中. 马氏体沉淀硬化不锈钢比普通马氏体硬度高,常用于生产棒材, 棒, 和电线.

从技术角度看:不锈钢的分子微结构

当金属脱离熔融状态时,它们会结晶并形成晶粒. 这种晶体结构决定了金属的许多机械性能. 许多因素影响着这一点 微观结构.

合金中的原子类型改变了合金的结构,这是由这些原子类型所形成的分子所决定的. 每种物质的百分比也决定了原子的排列方式.

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. 合金的相表显示了在不同的温度和不同比例的重要元素下,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如何影响钢中晶粒的形成. 它显示了铁形成的三个阶段:

  • 铁素体或α铁(α)是在低于912°C的温度下形成的标准晶粒.
  • 奥氏体,或γ铁,(γ)有更密集的晶粒晶体,出现在912-1394°C之间.
  • δ铁(δ)在1395°C以上的温度下形成,然后铁在1538°C变为液体. δ铁相更接近于α铁或铁氧体.
x轴为碳含量在2-6%之间,y轴为温度在200-1600°C之间的技术图表,显示了在不同温度下钢的组织类型,包括奥氏体, 铁素体, 和石墨
铁碳相图. 铸造的依赖, 抄送nd.

碳的加入影响钢的基本晶粒的结晶方式, 稳定, 并相互作用. 温度会影响碳的吸收. 高温奥氏体相被碳饱和,金属分子密集填充. 在其他温度下,所有的碳都不会被吸收. 它创造了其他的分子结构. 例如,铁碳合金通常含有铁3C渗碳体分子. 纯粹的形式, 渗碳体被归类为陶瓷:它硬而脆, 它把这些特性借给了最终的金属. 石墨也可以在分子水平上形成. 石墨的形状会影响金属在撞击时的表现. 圆形石墨结节在受到撞击时可以相互滑动,变形但不会折断. 相比之下,具有大量片状石墨的金属在受到撞击时可以沿着片状边界剪切. 金属冷却的速度有多快, 不管它是经过热处理还是加工, 也会影响晶粒的大小和形状.

奥氏体钢是含有γ铁的奥氏体晶格的钢. 在铁碳相图上,这种晶格通常在高温下出现. 然而,加入镍和/或锰可以使奥氏体在钢冷却时保留下来. 奥氏体微观结构称为“面心立方”.“以面为中心的立方分子赋予了金属特殊的特性.

体心与. 面心立方微结构

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. 每个格胞中的原子数, 以及它们之间的联系, 改变晶格在应变下的表现. 基本的格子是原始的,以身体为中心的,以脸为中心的.

基本单元格形状

原始的
立方

每个角上都有点的立方体线框形状

  • 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.
  • 每个角落的原子都与周围的细胞平等共享. 因此,每个原子都是八个相邻立方体的一部分.
  • 单位细胞共包含1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 ×每个角原子的1/8块= 1个原子.

身体- - -
为中心的
立方(BCC)

线框形状的身体中心立方结构与点在每个角和一个单点依偎在里面

  • 就像原始的立方结构一样,细胞的每个角落都有原子.
  • 此外,一个原子位于细胞的中间. 这个原子不与其他细胞共享:有8个细胞与晶格相连,只有一个与原子相连.
  • 单位细胞总共包含2个原子: 
    8个原子x每原子1/8份,就像原始立方结构一样,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,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.
  • 以“面”为中心的原子只与两个细胞共用,因此每个细胞贡献1/2个原子的价值.
  • 单位细胞共有4个原子:
    角原子是8个原子x 1/8份额,面心原子是6个原子x 1/2份额.
  • γ铁(奥氏体)是一种FCC金属.

钢, 不含镍和锰, 实现了稳定的面心立方(FCC)结构,674—2,541°F. 在这样的温度下,钢中的碳会渗透到每个细胞中.

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

BCC晶格比密实的FCC结构更容易受到某些类型的机械应变的影响. 每个细胞中维系晶格的原子数量不同. 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实现的.

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BCC钢吗. 它在低温下变脆, 在高温下会迅速失去强度, 并且具有磁性. 这些特性是由于体心立方(BCC)的形式.

在每个“松散”排列的BCC细胞内, 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. 只有两个原子给每个细胞增加强度, 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 在室温下FCC是由于合金中添加了镍. 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.

所有的格子都有“滑移系统”,或剪线, 当晶格被击中时可以滑动而细胞不会被撕裂. 立方晶格有很多对称性,因此有更多的滑移面. 也许相反, 致密排列的FCC晶体比松散排列的BCC晶体具有更多的剪切线. 密度大的晶体更容易相互滑动. 每个细胞的原子量和强度都更大,更容易结合在一起.

微观层面的塑性变形支持了材料宏观层面的延性. 这就是为什么面心立方结构的弹性范围更广的原因. 铁素体结构更容易在撞击中破碎, 或者拉伸时骨折, 特别是在具有挑战性的环境中.

奥氏体不锈钢是唯一在低温应用中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伸长率. 低温脆化是铁素体钢和双相钢的特点. 在过渡温度过后,它们很可能在压力下破碎.

马氏体钢 是另一种表面晶粒完全不同的钢吗. 这些钢没有简单的立方微结构. 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. 马氏体组织处于应变状态, 以身体为中心的四方形状, 并且排列不均匀. 这使得马氏体表面更加坚硬, 但它们也更脆, 即使在室温下.

双相钢 是不锈钢品种中相对较新的一种吗. 这些钢具有混合的微结构. 铁素体和奥氏体的交错层决定了两者的最终材料性能. 与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢所需镍和/或锰的比例较低,降低了成本.

不锈钢的保养和保养
不锈钢的日常清洁可以用肥皂和水来完成. 商业应用可能需要用通用润滑剂进行更强力的处理.

不锈钢的保养和保养

虽然 不锈钢防锈,它不是不受影响的. 它的耐蚀性是基于它的钝化层,可以被化学干扰. 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:钢制工具会留下铁沉积,使表面易受伤害,从而改变钢的表面化学成分. 任何接触过钢铁的地方都要清洗干净. 应该避免可能保持水分的深划痕.

不锈钢表面的保养 如果钢暴露在凸起处,是否困难但应定期进行, 划痕, 盐, 铁, 或其他化学物质. 户外场地家具应每年保养两次.

清洁不锈钢的方法取决于手头问题的类型. 不同类型的标记需要不同的策略. bwin体育的深度清洁岗位 描述处理变色、生锈、油脂、指纹、水泥或石灰石的步骤. 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除锈所必需的.

有适当的保养和护理, 不锈钢的特性使它如此吸引人——钢的韧性与铬的耐腐蚀和光泽结合在一起——可以在数年内继续成为一种无压力的资产.

有关不锈钢的更多信息,或要求一个自定义项目的报价,请 bwin体育平台.