不锈钢选材和使用设计指南.docx

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不锈钢选材和使用设计指南

不锈钢选材和使用设计指南（美国）

不锈钢选材和使用设计指南

译者著：

本文译自北美特殊钢工业编印的《Deisignguidelinesfortheselectionanduseofstainlesssteel》。

主要介绍美国的不锈钢概况，供使用者参考，特别是对不锈钢选材和设计有很好的帮助。

美国的不锈钢牌号已被世界上许多国家所采用，特别是日本、韩国、英国，基本上采用了美国的不锈钢体系，我国的不锈钢标准从1984年以来，参照采用了日本标准制订，基本上与美国的不锈钢体系一致。

中国台湾的不锈钢标准也基本上与日本不锈钢标准一致，与美国的不锈钢体系一致。

译者翻译这篇文章主要是介绍美国的不锈钢，而了解世界许多国家的不锈钢也会有所帮助。

前言

不锈钢是含10.5%以上铬的铁基合金.半个多世纪以来,不锈钢在建筑、化学等行业及生活消费方面得到应用.现在市场销售的许多不锈钢最早是由美国钢铁协会（AISI）认可作为标准合金的。

还有，大批生产的可买的是具有特殊性能的有专利权的不锈钢（见附录A）。

设计者应具备有从这样多的不锈钢中选择具有一定特性和性能的合金的现成的原始资料。

为了满足这种需要，不锈钢生产者协会开始准备这种小册子。

这些数据由北美特殊钢工业（SSINA）审查和修改过。

特别是为设计工程师而写，对不锈钢的广阔领域作了概述，既有标准的又有专利权的，包括成分、性能、制造方法和用途。

对60个标准牌号的更详细的资料，包含在AIME（美国矿业、冶金和石油协会）所属钢铁协会的《钢产品手册──不锈钢和耐热钢》中。

这些资料特别强调了在市场上销售的产品的制造方法、表面精度表示方法、产品形状、尺寸和重量允许偏差。

在AISI于1986年中断出版之后，AIME负责该手册的出版、修改和销售工作。

1、不锈钢牌号

作为一种材料，特殊意义的不锈钢时常要被查阅。

实际上有50个以上不锈钢牌号。

通常有三类方法用来对不锈钢编号。

即：

1、冶金组织；2、AISI编号体系：

以200、300和400系列编号；3、统一数字代号体系，该体系是由美国试验与材料协会（ASTM）和美国自动车工程师协会（SAE）制定的，适用于所有通用的金属和合金。

还有许多以通常的名称被人们了解的牌号，与AISI的牌号相似，但是没有被AISI正式认可。

这些通常的名称，既不是商标，又不是与单个生产者有紧密地联系，这些在表中标出。

这些普通的（非AISI的）名称在ASTM规范中没有规定，所以使用与这些牌号有关的UNS牌号是很重要的。

下面对这些分类作一说明。

表1-表达按照冶金组织──奥氏体、铁素体、马氏体、沉淀硬化和双相型列出了各种了各种不锈钢。

奥氏体不锈钢（表1）含铬和镍的以300系类标记，含有铬、镍和锰的钢以200系类标记。

奥氏体类不锈钢具有不同的成份和性能，但是具有许多通用的特性。

他们可以用冷加工硬化，但是不能热处理硬化。

在退火状态，所有的钢基本显示非磁性，但是有些钢可以通过冷加工变为轻微磁性。

他们具有极好的耐腐蚀性能，非常好的加工性，通过冷加工可以提高强度。

304型（通常称为18-8不锈钢）是最广泛使用的奥氏体类钢，他的名义成份是铬18-镍8。

铁素体不锈钢（表1）是纯铬400系类钢，不能通过热处理硬化，而通过冷加工只能得到中等程度的硬化。

他们带有磁性，具有很好的延展性和耐腐蚀性及抗氧化性。

430型是通常使用的铁素体类不锈钢。

马氏体类不锈钢（表3）是纯铬400系钢，能够通过热处理硬化。

他们带有磁性。

他们在中等介质中耐腐蚀。

他们具有较好的延展性，有些钢可以通过热处理使抗拉强度超过

200， 000psi（1379MPa）。

410型是通常使用的马氏体类钢。

沉淀硬化类不锈钢（表4）是铬──镍类钢，有些钢含其他合金元素，例如铜或铝。

他们可以通过固溶处理和时效被硬化以达到高强度。

双相不锈钢（表5）具有典型的大约相等的奥氏体和铁素体相的退火组织，虽然没有正式确定，通常认为，较少的相至少会有30%（按体积）。

双相不锈钢提供的一些优越性超过普通的奥氏体不锈钢。

双相钢牌号具有高的抗氯化物应力腐蚀破裂能力，具有极好的抗点腐蚀和裂缝腐蚀能力，并表现出比普通的牌号具有大约两倍的屈服强度。

329型和2205型是典型的双相钢。

表1奥氏体不锈钢

牌号

相同的UNS牌号

牌号

相同的UNS牌号

201

202

205

301

302

302B

303

303Se

304

304L

302HQ

304N

305

308

309

309S

S20100

S20200

S20500

S30100

S30200

S30215

S30300

S30323

S30400

S30403

S30430

S30451

S30500

S30800

S30900

S30908

310

310S

314

316

316L

316F

316N

317

317L

317LMN

321

330

347

348

384

S31000

S31008

S31400

S31600

S30100

S31603

S31620

S31651

S31700

S31703

S31726

S32100

N08330

S34700

S34800

S38400

表2铁素体不锈钢

牌号

相同的UNS牌号

牌号

相同的UNS牌号

405

409

429

430

430F

S40500

S40900

S42900

S43000

S43020

430SFe

434

436

442

446

S31000

S31008

S31400

S31600

S31603

表3马氏体不锈钢

牌号

相同的UNS牌号

牌号

相同的UNS牌号

403

410

414

416

416Se

420

S40300

S41000

S41400

S41600

S41623

S42000

420F

422

431

440A

440B

440C

S42020

S42200

S43100

S44002

S44003

S44004

表4沉淀硬化不锈钢

UNS牌号

S31800

S15500

S17400

S17700

表5双相不锈钢

UNS牌号

329

2205

S32900

S31803

关于统一数字代号体系，UNS牌号放在每个AISI型数字旁边，见表1—表5，但四个不锈钢（见表4）除外，该表（表4）仅列出UNS的牌号

2、选择

不锈钢是具有良好的耐腐蚀性、强度的加工性能的工程材料。

他们可以容易满足广泛的设计规范要求──压力、使用寿命、低的维修性，等。

选择合适的不锈钢主要的方式，权衡四种因素是最重要。

这四种因素是：

1）耐蚀性和耐热性。

这是规定选用不锈钢的基本依据。

规定者需要了解介绍的本质和所需要的耐蚀或耐用热程度。

2）力学性能。

特别强调室温、高温和低的强度。

一般讲，耐蚀性和强度的组合是选择的基础。

3）制造工艺。

产品如何制造是第三个依据。

这包括锻造、机加工、成形、焊接等。

4）总的成本。

考虑总的成本，不仅要考虑材料和产品的成本，而且要考虑寿命周期的本，包括不需要维修的产品预期具有长的寿命所得到的利益而节约的成本，才是合适的。

3、耐腐蚀性

铬是这样一种合金元素，通过与氧化合成形成一种在表面上看不见的氧化铬保护膜。

因为这种钝化膜是一种预防保护薄膜，所以必须在设计不锈钢设备、制造设备、加工和使用设备中，要注意避免破坏或损伤这种薄膜。

万一这种保护（钝化）薄膜被损伤或甚至被破坏，只要在介质中有氧存在，就能重新形成薄膜，继续给与最大的保护。

这样保护膜是稳定的，在正常的大气中或弱的含水介质中是有保护作用的，而且通过加入较高的铬和通过加入钼、镍和其他合金元素可以改善薄膜的保护作用。

铬改善薄膜在某些酸介质中的抵抗力。

3.1材料选择

许多易变的因素表示腐蚀介质的特征，即化学制品和其浓度、大气状态、温度、时间，所以如果不了解介质的正确的性质，要使用材料、选择材料是困难。

但是，以下可作为选择指南：

304型广泛使用的材料。

在建筑中能经受一般的锈蚀，可抵抗食品加工介质浸蚀（但含有浓酸和氯化物成分的高温状态可能出现腐蚀），能抵抗有机化合物、染料和广泛的各种各样的无机化合物。

304L型（低碳），耐硝酸性好，并耐用中等温度和浓度的硫酸，广泛地用作液态气体贮罐，用作低温设备（304N）、器具其它消费产品，厨房设备、医院设备、运输工具、废水处理装置。

316型比304型含有稍多的镍，并含有2%─3%的钼，耐蚀性比304型好，特别是在倾向于引起点腐蚀的氯化物介质中。

316型已发展用作亚硫酸盐纸浆机，因为它耐用硫酸化合物。

而且，它的用途已扩大到在加工工业中处理很多化学制品。

317型含有3%—4%的钼（在这个系列中也是所得到的较高的水平），并含有比316型较多的铬，具有更高的耐点腐蚀和裂缝腐蚀性能。

430型比304型合金含量低，用作在温和的大气中高抛光装饰用途，也可用作硝酸和食品加工设备。

410型在三种一般化用途的不锈钢中具有最低的合金含量，需要强度和耐蚀性配合的高承力部件选用，例如坚固件。

410型在温和的大气中、水气中和许多缓和的化学产品介质中耐蚀。

2205型比304型和316型优越，因为他对氯化物应力腐蚀裂纹具有高的抵抗力，并具有大约两倍的强度。

表6列出AISI标准号的不锈钢在七大类腐蚀介质中有关耐腐蚀的情况。

表7详细说明了各种不锈钢牌号所适用的更特殊的介质，例如酸、碱、有机物和药品。

以上对不锈钢在各种介质中可适用性的说明是根据成功使用的长期的历史作出的只作为指南。

在化学成分和温度方面的小的差别（如操作时可能发生），都可能影响腐蚀率。

数值有可能是相当大的。

小量的氢氟酸和硫酸对在25%磷酸介质中的316型不锈钢具有重要的影响。

湿度对在极浓缩的硫酸中的304和316型钢也有影响。

表6不锈钢在各腐蚀介质中腐蚀情况

牌号

UNS牌号

缓和的气氛和清洁水

气氛

化学

工业性

海水

中性

氧化

还原

201

（S20100）

202

（S20200）

205

（S20500）

301

（S30100）

302

（S30200）

302B

（S30215）

303

（S30300）

303Se

（S30323）

304

（S30450）

304L

（S30403）

（S30430）

304N

（S30451）

305

（S30500）

308

（S30800）

309

（S30900）

309S

（S30908）

310

（S31000）

310S

（S31008）

314

（S31400）

316

（S31600）

316F

（S31620）

316L

（S31603）

316N

（S31651）

317

（S31700）

317L

（S31703）

321

（S32100）

329

（S32900）

330

（N08330）

347

（S34700）

348

（S34800）

384

（S38400）

403

（S40300）

405

（S40500）

409

（S40900）

410

（S41000）

414

（S41400）

416

（S41600）

416Se

（S41623）

420

（S42000）

422

（S42200）

429

（S42900）

430

（S43000）

430F

（S43020）

430Se

（S43023）

431

（S43100）

434

（S43400）

436

（S43600）

440A

（S44002）

440B

（S44003）

440C

（S44004）

442

（S44200）

446

（S44600）

（S31800）

（S15500）

（S17400）

（S17700）

表7在各种介质中使用的不同牌号

介质

牌号

盐酸

通常不推荐使用不锈钢，除非溶液很稀，并在室温。

“混合酸”

当足够的硝酸存在时，对304和316型钢，通常没有明显的腐蚀。

硝酸

使用304L或430型钢

磷酸

对储存浓度达85%的冷磷酸和在某些设备制造过程中保存的浓度达5%磷酸，使用304型是合适的。

如果氟含量不太高，316型钢更耐蚀，并且通常用作储存和制造。

317型比316型钢耐蚀性稍微更好些，在浓度达85%时，316型的金属不应超过212°F（100℃），向317型的金属温度稍高些。

氧化离子抑制腐蚀，可以加入其他缓蚀剂（如砷）。

硫酸

浓度超过80%在室温可以使用304型钢。

硫酸含量达10%，温度达120°F（50℃），如果溶液是通风的，可以使用316型钢；如在不通气的溶液中，腐蚀就较大。

温度高到150°F（65℃），浓度高达5%，可以使用317型钢。

如其他材料存在时，可显著地改变腐蚀率。

当有500──20000PPM小量的铜离子时，可能在中等浓度的热溶液中使用304型钢。

其他的添加物可具有相反的作用。

亚硫酸

304型钢可以抗点腐蚀，特别是如果存在有一些硫酸时。

在中等浓度和温度可以使用316型钢。

碱

氢氧化铵

氢氧化化钠

苛性溶液

300系列钢通常在弱碱中（如氢氧化铵）在实际上所有的浓度和温度具有良好的耐腐蚀性能。

在强碱中（如氢氧化钠中）在较浓的溶液和较高的温度中，可能有些浸蚀、裂缝或腐蚀。

通常纯度的苛性溶液可能含有氯化物，这会加重一种腐蚀，可能使316型像304型一样的产生点腐蚀。

有机物醋酸

在化工厂中的醋酸很少是纯的，而通常包含大量的和变化很小的组合物。

304型钢用作广泛用途的设备，包括蒸馏器、便器的加热器、存放容器、热交换器、管线、阀门和泵，浓度达99%，温度达到大约120°F（50℃）。

对含有100%的醋酸蒸气，304型钢也是令人满意的。

而如果有小量的混浊或颜色变色，对室湿储存冰冷醋酸可能是允许的。

316和317型钢具有最广泛的用途，特别是如果还存在甲酸时，或如果溶液不通气时。

316型钢用作304型不能使用的深度30──99%的分馏设备，用作储存容器、泵和处理冰冷醋酸的工艺设备，这些设备如果用304型钢，会被污染。

316型钢也能用作在稀薄的蒸气和高压作用下温度在120°F（50℃）以上的零件。

在更严厉的腐蚀条件下，317型钢耐腐蚀性较好些。

设有任何一种不锈钢在沸腾温度或在过热蒸汽温度对冰冷醋酸有足够的耐蚀性。

醛

304型钢通常是适用的

胺

通常316型比304型好

醋酸纤维素

低温用，304型钢是适用的；而高温用，需要使用316和317型钢。

柠檬酸

甲酸和洒石酸

在中等温度可使用304型钢，而在温度达到沸腾温度，在所有的浓度下，316型钢是鸸蚀的。

酯类

从腐蚀观点看，酯类与有机酸类似。

酯肪酸

温度达到大约300°F（150℃），304型能耐酯肪酸腐蚀，而温度在300─500°F（150─260℃），需要316型钢，在更高的温度，需要用317型钢。

颜料载体

如果纯正的颜色和没有污染是很重要的，可能需要使用316型钢。

介质

牌号

酞酸酐

通常使用316型钢制作反应器、分馏塔、分离器、隔板、盖板和管

脂肪酸盐

304型用作喷雾塔这样的部件，而316型钢适合作喷咀和为了减少变色产品而作的薄片烘干传动带。

合成洗涤剂

316型用作酯肪酸加速氢化作用的预热器、管、泵和反应器，以便获得硫化的高分子乙醇的盐。

妥尔油

（纸浆和造纸工业）

304型钢只限于用在妥尔油蒸馏用途。

高树脂蒸汽可以用带有钼含量最低为2.75%的316L型钢处理。

316型钢也可用在温度达475°F（245℃）的腐蚀性更强的高酯肪酸蒸汽中。

而在更高的温度就需要317型钢。

焦油

焦油含量设备几乎所有的都是316型钢，因为煤焦油具有高的氯含量。

304型钢不具有足够的耐点腐蚀性。

尿素

通常需要的是316L型钢。

药品

通常选用316型钢，制作与生产有关的所有零件，因为这种钢的特有的耐蚀性和对产品纯度有较大的保证。

使用试验是鉴定评价材料的最可靠的试验，ASTMG—4是进行这种试验的推荐方法，试验应包括操作时和停下来时的状态。

例如，在停止下来时在一些过程中形成硫酸、亚硫酸和多连硫酸的冷凝物可能比过程本身的流体腐蚀更厉害。

试验应在预先考虑的最恶劣的操作状态下进行。

一些标准参考书论述了腐蚀和腐蚀控制，包括Vhlig的腐蚀手册，Laque和Copson的金属和合金的耐腐蚀，Fontana和Greens的腐蚀工程，铁镍钼公司的耐腐蚀指南，由国家腐蚀工程师学会测量的腐蚀数据，和ASM的金属手册、腐蚀数据、规范及与不锈钢有关的推荐方法，不能避免所有介质的腐蚀。

例如，不锈钢在高温还原性介质中（如50%硫酸氢氟酸）表现很差。

所经受的腐蚀浸蚀是在整个金属表面上破坏保护薄膜。

不适用的不锈钢极少，并且通常被取消了。

腐蚀的类型很可能与点腐蚀、裂缝腐蚀、应力腐蚀开裂和晶间腐蚀无关。

4、力学和物理性能（室温）

4-1奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢不能通过热处理而硬化，而可以通过冷加工强化，因此他们具有范围很宽的力学性能。

在室温，奥氏体不锈钢具有的屈服强度在30～200ksi（207～1379MPa）之间，这取决于化学成分和冷加工程度。

甚至在高强度时也具有很好的延展性和韧性。

并且这种好的延展性和韧性在低温也能保持。

经退火的奥氏体不锈钢的化学成分和正常的力学性能见表8。

冷加工对301型和304型的影响不同，301加工硬化大。

碳和氮含量影响屈服强度，由304型、304L型和304N型之间的差别可以看出。

锰和氮对强度的影响可以通过301和302型201与202型对比看出。

部分图表能看出少量成分变化的影响，例如，在给定的冷加工程度时，202和301型比305和310型具有较高的屈服强度和抗拉强度。

奥氏体不锈钢可以冷加工到高的抗拉强度和屈服强度，而保持好的延展性的韧性，满足范围很宽的设计规范要求。

例如，奥氏体薄钢板和钢带──通常为301和201型──可以在下列等级生产：

硬化程度（等级）

抗拉强度

（最低值）

屈服强度（最低值）

ksi

MPa

ksi

MPa

1/4-Hard

125

862

517

1/2-Hard

150

1034

110

758

3/4-Hard

175

1207

135

931

Full-Hard

185

1276

140

965

在结构用途中，这些钢的韧性和疲劳强度是重要的。

在退火状态室温时，奥氏体钢比V型缺口吸收功值超过1005（英尺──磅）301型冷轧对韧性的影响列在图16中。

该图说明301型甚至在冷轧到很高的抗拉强度之后仍具有很好的韧性。

表9退火状态的Cr-NiI不锈钢薄板的典型的疲劳极限

AISI牌号

疲劳极限（ksi）

MPa

301

241

302

234

303

241

304

241

316

269

321

262

347

269

退火状态的奥氏体不锈钢的疲劳或耐久极限（弯曲状态）列在表9中，该疲劳极限大约为抗拉强度的二分之一。

新的设计规范

近来，设计工程师想使用奥氏体不锈钢在结构上进行改进，但是缺少合适的设计规范。

所熟悉的美国钢结构协会和AISI对碳素钢的设计规范不适用于不锈钢结构的设计，因为强度性能、弹性模量和应力──应变曲线的形状都不同。

不锈钢没有完全的屈服点。

现在，美国土木工程师协会（ASCE）与SSINA联合，已制定了一个标准（ANSI/ASCE-8-90）“冷成型不锈钢结构设计规范”。

这个标准包括四个奥氏体不锈钢牌号（201、301、304、316）和三个铁素体不锈钢牌号（见以下铁素体部分）。

该标准要求不锈钢结构质量的使用一般按照美国试验材料协会规范（ASTM）规定确定。

有些奥氏体锈钢的物理性能与马氏体和铁素体不锈钢的物理性能相似，例如，弹性模量为28×1010psi（193GPa），密度为0.2916．percu．in（8060kg/m3）。

退火状态的304型的物理性能见表10。

表8 奥氏体不锈钢

化学成分，%（最大值，另有说明除外）一般力学性能（退火的薄板另有规定除外）

化学成分

抗拉强度ksi

屈服强度0.2%规定残余伸长

伸长率标距2英寸50.8mm

洛

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