奥氏体不锈钢

奥氏体钢的化学成分

术语汇编

退火

退火是将钢加热到略高于其再结晶温度的温度，并使其以适当的速率冷却（通常是缓慢冷却）的过程，从而使晶体重新形成，而不会因“加工”钢而产生缺陷。

退火可以恢复钢的延展性及其耐腐蚀特性。

碳化物沉淀

当钢中含有更高水平的碳时，它在冷却时有与铬结合的趋势——在900℃到500℃之间形成碳化铬。这减少了可用于形成钝化层的铬的数量，并形成了可接触腐蚀性化学品的晶间边界。

这可以通过使用低碳钢（用“L”表示，例如304L或316L）来克服。

然而，较低的碳含量会降低钢在高温下的性能。如果需要抗碳化物沉淀和高温强度，则可以添加钛。此表格中有许多等级可供选择——例如316Ti。

蠕变强度

钢在高温下的性能与在环境温度下的性能非常不同。当它们在环境温度下弯曲到屈服点以下时，就会回弹。在高温下，它们开始伸展，但非常缓慢。有些钢比其他钢对这种现象有更好的抵抗力。

粒度

钢是由铁晶体的晶格与其他材料的原子交织而成的。这些晶体被称为颗粒。

晶粒尺寸很重要，因为它影响加工、硬度、强度和耐腐蚀性等。

晶粒尺寸可以通过添加其他合金元素、仔细调节钢生产中涉及的加热和冷却过程，以及在钢的初始生产、焊接或“加工”后进行进一步的热处理（退火和淬火）来确定。

晶间腐蚀

金属中的原子排列成相互紧密排列的晶体（或颗粒）。在某些条件下，腐蚀会侵蚀晶界，而不是晶体本身。

当含有较高百分比碳的不锈钢被加热时，铬会与碳发生反应，形成碳化铬，从而耗尽保护表面的钝化铬层。

被动层

钝化层使不锈钢“不锈”。它是一层显微镜下很薄的氧化铬，不透氧，非常坚硬，本身抗腐蚀，几乎透明。这可以防止氧气和其他腐蚀性物质接触铁并与铁发生反应。

铬很容易与氧发生反应，因此，如果铬被划伤，只要有可用的自由氧，铬就会自行修复。

点蚀

这是一种非常局部的腐蚀形式，尤其在海洋环境等高氯化物条件下产生。钢的钝化层中的初始破裂不能通过氧化铬的重新生成来“修复”。缺口下方的钢材继续腐蚀，通常不会留下明显的迹象，表面上除了轻微的表面污渍（有时称为“茶渍”）外，但在表面以下继续加深和加宽。

虽然是局部的，但它可能会穿透钢的整个横截面。

高含量的铬、钼和氮提高了抗点蚀性。电阻度可计算为%铬+3.5 x%钼+16 x%氮，从而得出抗点蚀当量值（PREN）。

316的PERN介于22.6到27.9之间。一些双相钢的prEN值超过40。某些等级中给出的数字范围是相关化学品的数量规格的结果，具有最大值和最小值。

沉淀硬化

也称为时效硬化，是一种用于提高抗拉强度的工艺。首先将合金加热到a产生单相，所有溶质原子溶解并均匀分布。然后快速淬火，然后再加热至较低温度，并在该温度下保持预定时间。在此温度下，沉淀物可以以均匀分布的方式聚集在一起。在该过程的这一阶段，正确的温度和持续时间至关重要。如果温度保持得太久，会导致过大的团块，降低合金的强度。这被称为“过度衰老”。

敏感性

敏化是碳化物沉淀的过程——见上文。

西格玛相脆化。

是一些不锈钢在加热到540℃以上时发生的相变。这会导致韧性急剧下降，并可能导致脆性断裂。

稳定

稳定化是指去除或保护钢免受敏化的过程，即碳化物沉淀的危险，这可能导致应力腐蚀开裂（SCC）。

常用的方法有两种。可以使用低碳变体；它们本质上更稳定，但在较高温度下表现较差。

或者，钢可以通过与钛、铌（有时仍被称为铌）合金化来实现化学稳定。这两种元素都容易形成碳化物，从而保护铬。

然而，如果钢保持在425℃至850℃的碳化物形成温度范围内，这可能不足以稳定钢。如果在制造过程中出现这种情况，通常可以通过在更高温度下退火来扭转问题。

应力腐蚀开裂（SCC）

当化学物质侵蚀合金的晶界时，就会发生应力腐蚀开裂。当金属受到拉伸应力时，通常韧性材料会突然失效。由于腐蚀只发生在晶界，因此很可能不会引起注意，因为金属通常会保持表面外观正常。

加工硬化

加工硬化是指在低于金属再结晶温度的温度下对钢进行的任何加工。

这项工作包括任何类型的挤压、弯曲、切割/剪切或拉伸。

这些过程会导致金属晶体结构变形，降低其在金属内部移动的能力，并使其更能抵抗进一步变形。

硬化可能是优点，也可能是缺点。

• 它增加了抗拉强度和硬度
• 降低延展性，使钢材更脆。

通过退火可以恢复晶体结构。

奥氏体不锈钢是最常见和最广为人知的不锈钢类型。它们占不锈钢总产量的70%以上。这些钢含有约16%至25%的铬和足够的镍和/或锰，以在从低温区到不锈钢熔点的所有温度下保持奥氏体结构。奥氏体不锈钢溶液中也可能含有氮。虽然镍是最常用于生产奥氏体不锈钢的合金元素，但氮也可用于生产奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢因其非磁性而更容易识别。奥氏体钢是非磁性的，因为奥氏体的面心立方结构是非磁性的。它们具有极强的可成形性和可焊接性，可以在低温、喷气发动机和火炉的高温下成功使用。

奥氏体不锈钢主要分为以下两个系列

• 200系列–低镍高氮含量的不锈钢被归类为200系列。这些是铬镍锰奥氏体不锈钢。201级可通过冷加工硬化，而202级为通用不锈钢。镍含量降低，锰含量增加，导致耐腐蚀性变弱。
• 300系列–最常见的奥氏体不锈钢是铁铬镍钢，被广泛称为300系列。在该系列中，使用最广泛的奥氏体不锈钢是304级，也被称为18/8，因为其成分为18%的铬和8%的镍。本系列中第二常见的奥氏体不锈钢是316级，也称为船用不锈钢，主要用于提高耐腐蚀性。18%铬和10%镍的典型成分，通常被称为18/10不锈钢，常用于餐具和高质量炊具中。

除上述两个系列外，还有超级奥氏体不锈钢等级，由于钼含量高（>6%）和氮添加量大，因此具有很强的抗氯化物点蚀和缝隙腐蚀能力。与300系列不锈钢相比，较高的镍含量可确保更好的抗应力腐蚀开裂能力。超级奥氏体钢的合金含量越高，成本就越高。

直级不锈钢含碳量最高为0.08%。在这些等级中，规范中没有最低碳含量的要求。

“L”级用于在焊接后提供额外的耐腐蚀性。不锈钢等级后的字母“L”表示低碳（如304L）。碳含量保持在0.03%或以下，以避免碳化物沉淀。钢中的碳在加热到所谓的临界温度范围（430摄氏度至870摄氏度）时会析出，与铬结合并聚集在晶界上。这会使钢在溶液中失去铬，并促进晶界附近的腐蚀。通过控制碳的数量，这是最小化的。对于焊接性，使用“L”等级。然而，“L”等级更昂贵。此外，碳在高温下具有很强的物理强度。

“H”级含碳量最低为0.04%，最高为0.10%，在钢级后用字母“H”表示H’等级主要用于极端温度，因为较高的碳有助于材料在极端温度下保持强度。

奥氏体不锈钢也可分为以下三类。

• 贫合金——铬和镍含量分别低于20%和14%的不锈钢属于这一类。这些合金的例子有301、304和201级。这些是目前生产的所有不锈钢中最大的一部分。这些不锈钢通常在以高强度或高成形性为主要目标时使用，因为这些不锈钢较低但可定制的奥氏体稳定性提供了大范围的加工硬化率和良好的延展性。加工硬化程度最低的较丰富的不锈钢（例如305级）是高合金钢。通用不锈钢（304级）属于这一类。这类不锈钢具有足够的耐腐蚀性，可用于任何室内或室外环境。这些不锈钢易于焊接和成型，并可提供许多有吸引力和有用的表面光洁度。
• 铬镍合金——当目标是耐高温氧化时，使用这些不锈钢。硅和稀土可以增强这一点。如果应用需要高温强度，可以添加碳、氮、铌和钼。302B、309、310、347级不锈钢和各种专有合金都属于这一类。
• 铬、钼、镍和氮不锈钢——当耐腐蚀性是主要目标时，使用这些不锈钢。添加了硅和铜等元素以抵抗特定环境。这组不锈钢包括316L、317L和904L，以及许多专有等级。

所有奥氏体不锈钢都含有少量铁素体。常规奥氏体不锈钢等级可能含有微量的δ铁素体，以提高可焊性。通常，这种数量的铁氧体不足以吸引普通磁铁。然而，如果钢中元素的平衡有利于谱线的铁素体端，铁素体的数量可能足以引起显著的磁响应。此外，一些类型的不锈钢故意平衡，以含有大量铁素体。

不锈钢的性能与应用

奥氏体不锈钢是非磁性的，不可热处理。它们不能通过热处理硬化。然而，它们可以冷加工以提高硬度、强度和抗应力性。固溶退火（在1000摄氏度至1200摄氏度范围内加热，然后淬火或快速冷却）可恢复不锈钢的原始状态，包括消除合金偏析，并在冷加工后重新建立延展性。不锈钢可以进行固溶退火。由于固溶退火，可能在晶界沉淀（或移动）的碳化物通过退火过程重新溶解（分散）到金属基体中在焊接后无法进行退火的情况下使用L级。

奥氏体不锈钢可以足够软（即屈服强度约为200 N/sq mm），以便使用与碳钢相同的工具轻松成型，但可以通过冷加工获得难以置信的强度，屈服强度高达2000 N/sq mm以上。它们的奥氏体（fcc，面心立方）结构非常坚韧，在绝对温度下具有延展性。它们在高温下也不会像铁素体（bcc，体心立方）铁基合金那样迅速失去强度。

奥氏体不锈钢是最常用的不锈钢牌号，主要是因为它们具有非常可预测的耐腐蚀性和优异的机械性能。最不耐腐蚀的版本可以承受人们日常环境中的正常腐蚀，而最耐腐蚀的版本甚至可以承受沸腾的海水。

奥氏体不锈钢具有良好的成形性和焊接性，以及优异的韧性，尤其是在低温或低温下。奥氏体牌号也具有较低的屈服应力和相对较高的抗拉强度。它们具有优异的耐腐蚀性和优异的高温拉伸和蠕变强度。

奥氏体不锈钢不是很坚固的材料。通常，其0.2%的验证应力约为250 N/sq mm，抗拉强度介于500和600 N/sq mm之间，这表明这些钢具有很大的加工硬化能力，这使得加工比低碳钢更困难。然而，奥氏体不锈钢具有非常好的延展性，在拉伸试验中伸长率约为50%。

由于表面有保护膜，奥氏体不锈钢也具有很高的耐高温氧化性，但通常的牌号在高温下强度较低。那些用Ti和Nb稳定的钢，等级321和347，可以进行热处理，以产生TiC或NbC的精细分散，其与蠕变期间产生的位错相互作用。最常用的合金之一是添加钛或铌的25Cr20Ni，其在高达700℃的温度下具有良好的蠕变强度。

奥氏体不锈钢在很宽的温度范围内具有延展性，从低温到蠕变温度。它们不会出现脆性断裂。它们的抗拉强度在低温下很高。它们可以通过冷成型加工硬化至高强度。

奥氏体不锈钢比铁素体不锈钢更不耐循环氧化，因为其更大的热膨胀系数往往会导致保护性氧化物涂层剥落。如果在耐腐蚀性不足的环境中使用，它们可能会出现应力腐蚀开裂（SCC）。疲劳极限仅为抗拉强度的30%（铁素体不锈钢为50%-60%）。这与它们的高热膨胀系数相结合，使它们特别容易受到热疲劳的影响。然而，这些限制的风险可以通过采取特殊预防措施来避免。

奥氏体不锈钢的显著特点是，随着铬和钼含量的增加，以提高特定性能，如果要保留奥氏体结构，通常必须添加耐腐蚀性、镍或其他奥氏体稳定剂。

退火状态下的拉伸性能与成分的关系并不令人惊讶。0.2%的屈服强度适用于奥氏体不锈钢。

从冶金角度来看，奥氏体不锈钢有许多优点。它们的性能包括良好到优异的耐腐蚀性。他们可以刻苦工作。它们可以很容易地加工和制造到严格的公差。它们表面光滑，易于清洁和消毒。从低温到高温，它们都具有耐温性。

奥氏体不锈钢等级

奥氏体不锈钢分为200和300系列，铬含量为16%至30%，镍含量为2%至20%，以提高表面质量、成型性、耐腐蚀性和耐磨性。奥氏体不锈钢不可通过热处理硬化。由于其良好的成型性和耐腐蚀性，这些钢是最受欢迎的不锈钢等级。所有奥氏体钢在退火条件下均无磁性。根据成分的不同，一些奥氏体在冷加工时确实具有一定的磁性。奥氏体用于汽车饰件、炊具、食品和饮料设备、加工设备以及各种工业应用。

不锈钢的耐腐蚀性主要由铬含量决定。奥氏体不锈钢作为一类，具有优异的耐腐蚀性，添加钼的奥氏体不锈钢具有更好的抗点蚀性。奥氏体不锈钢中的镍含量有助于降低腐蚀速率，尤其是在酸性环境中。然而，奥氏体等级易受氯化物应力腐蚀开裂（SCC）的影响，即使在中等温度下，也不建议用于结合拉伸应力和氯化物存在的用途。在某些高温暴露（包括焊接）后，较高的碳奥氏体等级可能容易受到晶间腐蚀。对于需要焊接的应用，建议进行焊后热处理或选择低碳或稳定等级，如304L、316L和321型。

304和304L（标准等级）：

• 坦克
• 腐蚀性液体的储存容器和管道
• 采矿、化工、低温、食品饮料和制药设备
• 餐具
• 建筑学
• 下沉

309和310（高铬和镍等级）：

• 炉、窑和催化转化器部件

318和316L（高钼含量等级）：

• 化学品储罐、压力容器和管道

321和316Ti（“稳定”等级）：

• 再燃装置
• 超级加热器
• 补偿器
• 膨胀波纹管

200系列（低镍等级）：

• 洗碗机和洗衣机
• 餐具和炊具
• 室内水箱
• 室内与非结构建筑
• 餐饮设备
• 汽车零部件

奥氏体不锈钢的特性

Austenitic steels are non-magnetic stainless steels that contain high levels of chromium and nickel and low levels of carbon. Known for their formability and resistance to corrosion, austenitic steels are the most widely used grade of stainless steel.

定义特征铁素体钢具有体心立方（BCC）晶粒结构，但奥氏体不锈钢的范围由它们的面心立方（FCC）晶体结构定义，其在立方体的每个角上具有一个原子，并且在每个面的中间有一个原子。当向合金中添加足量的镍（标准18%铬合金中的镍含量为8%至10%）时，就会形成这种晶粒结构。

除了非磁性之外，奥氏体不锈钢还不能进行热处理。然而，它们可以冷加工以提高硬度、强度和抗应力性。加热至1045°C的固溶退火，然后淬火或快速冷却，将恢复合金的原始状态，包括消除合金偏析，并在冷加工后重新建立延展性。

镍基奥氏体钢被归类为300系列。其中最常见的是304级，通常含有18%的铬和8%的镍。

8%是可以添加到含有18%铬的不锈钢中的最低镍含量，以便将所有铁素体完全转化为奥氏体。对于316级，钼的添加量也可以达到2%左右，以提高耐腐蚀性。

虽然镍是生产奥氏体钢最常用的合金元素，但氮提供了另一种可能性。低镍和高氮含量的不锈钢被归类为200系列。然而，由于它是一种气体，在有害影响出现之前，只能添加有限数量的氮，包括形成氮化物和削弱合金的气孔。

添加锰（也是一种奥氏体形成物）以及加入氮，可以添加更多的气体。因此，在200系列不锈钢中，这两种元素以及同样具有奥氏体形成特性的铜经常被用来代替镍。

200系列也被称为铬锰（CrMn）不锈钢是在20世纪40年代和50年代开发的，当时镍供应短缺，价格高昂。现在，它被认为是300系列不锈钢的一种经济高效的替代品，可以提高屈服强度。

直级奥氏体不锈钢的最大碳含量为0.08%。低碳等级或“L”等级的最大碳含量为0.03%，以避免碳化物沉淀。

奥氏体钢在退火条件下是非磁性的，尽管它们在冷加工时可能会有轻微的磁性。它们具有良好的成形性和焊接性，以及优异的韧性，尤其是在低温或低温下。奥氏体牌号也具有较低的屈服应力和相对较高的抗拉强度。

虽然奥氏体钢比铁素体不锈钢更贵，但它们通常更耐用和耐腐蚀。

稳定这些钢的奥氏体结构的镍限制了它们的广泛使用，因为镍增加了这些不锈钢的成本。

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奥氏体不锈钢的使用

其他钢可以以更低的成本提供类似的性能，并且在某些应用中是首选，例如ASTM A387用于压力容器，但是铬含量为0.5%至9%的低合金碳钢。低碳版本，例如316L或304L，用于避免焊接引起的腐蚀问题。如果需要生物相容性（如人体植入物和穿孔），则首选316LVM级。

奥氏体不锈钢是最常用的不锈钢牌号，主要是因为它们具有非常可预测的耐腐蚀性和优异的机械性能。明智地使用它们可以为产品设计师节省大量成本。这些钢是用户友好的金属合金，完全制造产品的生命周期成本低于许多其他材料。

奥氏体不锈钢是通常用于不锈钢应用的钢。奥氏体不锈钢的一些应用包括：。

• 厨房水槽
• 建筑应用，如屋顶和覆层
• 室内装饰
• 屋顶和排水沟
• 门窗
• 厨房用具、餐具和厨具
• 长凳和食物准备区
• 食品加工设备
• 热交换器
• 烤箱和熔炉零件
• 化学品罐