不锈钢的力学性能

不锈钢的力学性能

材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征 。

一、强度（抗拉强度、屈服强度）

不锈钢的强度由各种因素来确定，但最重要的和最基本的因素是其中添加的不同化学元素，主要是金属元素。不同类型的不锈钢由于其化学成分的差异，就有不同的强度特性。

（1）马氏体型不锈钢

马氏体型不锈钢与普通合金钢一样具有通过淬火实现硬化的特性，因此可通过选择牌号及热处理条件来得到较大范围的不同的力学性能。

马氏体型不锈钢从大的方面来区分，属于铁—铬—碳系不锈钢.进而可分为马氏体铬系不锈钢和马氏体铬镍系不锈钢。在马氏体铬系不锈钢中添加铬、碳和钼等元素时强度的变化趋势和在马氏体铬镍系不锈钢中添加镍的强度特性如下所述。

马氏体铬系不锈钢在淬火—回火条件下，增加铬的含量可使铁素体含量增加，因而会降低硬度和抗拉强度。低碳马氏体铬不锈钢在退火条件下，当铬含量增加时硬度有所提高，而延伸率略有下降。在铬含量一定的条件下，碳含量的增加使钢在淬火后的硬度也随之增加，而塑性降低。添加钼的主要目的是提高钢的强度、硬度及二次硬化效果。在进行低温淬火后，钼的添加效果十分明显。含量通常少于1%。

在马氏体铬镍系不锈钢中，含一定量的镍可降低钢中的δ铁素体含量，使钢得到最大硬度值。

马氏体型不锈钢的化学成分特征是，在0.1%----1.0%C，12%---27%Cr的不同成分组合基础上添加钼、钨、钒和铌等元素。由于组织结构为体心立方结构，因而在高温下强度急剧下降。而在600℃以下，高温强度在各类不锈钢中最高，蠕变强度也最高。

（2）铁素体型不锈钢

据研究结果，当铬含量小于25%时铁素体组织会抑制马氏体组织的形成，因而随铬含量的增加其强度下降；高于25%时由于合金的固溶强化作用，强度略有提高。钼含量的增加可使其更易获得铁素体组织，可促进α’相、σ相和χ相的析出，并经固溶强化后其强度提高。但同时也提高了缺口敏感性，从而使韧性降低。钼提高铁素体型不锈钢强度的作用大于铬的作用。

铁素体型不锈钢的化学成分特征是含11%—30%Cr，其中添加铌和钛。其高温强度在各类不锈钢中是最低的，但对热疲劳的抗力最强。

（3）奥氏体型不锈钢

奥氏体型不锈钢中增加碳的含量后，由于其固溶强化作用使强度得到提高。

奥氏体型不锈钢的化学成分特性是以铬、镍为基础添加钼、钨、铌和钛等元素。由于其组织为面心立方结构，因而在高温下有高的强度和蠕变强度。还由于线膨胀系数大，因而比铁素体型不锈钢热疲劳强度差。

（4）双相不锈钢

对铬含量约为25%的双相不锈钢的力学性能研究表明，在α+γ双相区内镍含量增加时γ相也增加。当钢中的铬含量为5%时，钢的屈服强度达到最高值；当镍含量为10%时，钢的强度达到最大值。

二、蠕变强度

由于外力的作用随时间的增加力发生变形的现象称之为蠕变。在一定温度下特别是在高温下、载荷越大则发生蠕变的速度越快；在一定载荷下，温度越高和时间越长则发生蠕变的可能性越大。与此相反，温度越低蠕变速度越慢，在低至一定温度时蠕变就不成问题了。这个最低温度依钢种而异，一般来说，纯铁在330℃左右，而不锈钢则因已采取各种措施进行了强化，所以该温度是550℃以上。

和其他钢一样，熔炼方式、脱氧方式、凝固方法、热处理和加工等对不锈钢的蠕变特性有很大的影响，据介绍，在美国进行的对18—8不锈钢进行的蠕变强度试验表明，取自同一钢锭同一部位的试料的蠕变断裂时间的标准偏差是平均值的约11%，而取自不同钢锭的上、中、下不同部位的试料的标准偏差与平均值相差则达到两倍之多。又据在德国进行的试验结果表明，在105h时间下0Cr18Ni11Nb钢的强度为小于49MPa至118MPa，散差很大。

三、疲劳强度

高温疲劳是指材料在高温下由于周期反复变化着的应力的作用而发生损伤至断裂的过程。对其进行的研究结果表明，在某一高温下，108·次高温疲劳强度是该温度下高温抗拉

强度的1/2。

热疲劳是指在进行加热（膨胀）和冷却（收缩）的过程中，当温度发生变化和受到来自外部的约束力时，在材料的内部相应于其本身的膨胀和收缩变形产生应力，并使材料发生损伤。当快速地反复加热和冷却时其应力就具冲击性，所产生的应力与通常情况相比更大，此时有的材料呈脆性破坏。这种现象被称之为热冲击。热疲劳和热冲击是有着相似之处的现象，但前者主要伴随大的塑性应变，而后者的破坏主要是脆性破坏。

不锈钢的成分和热处理条件对高温疲劳强度有影响。特别是当碳的含量增加时高温疲劳强度明显提高，固溶热处理温度也有显著的影响。一般来说铁素体型不锈钢具有良好的热疲劳性能。在奥氏体不锈钢中，高硅的且在高温下具有良好的延伸性的牌号有着良好的热疲劳性能。

热膨胀系数越小、在同一热周期作用下应变量越小、变形抗力越小和断裂强度越高，寿命就越长。可以说马氏体型不锈钢1Cr17的疲劳寿命最长，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奥氏体型不锈钢的疲劳寿命最短。

另外铸件较锻件更易发生由于热疲劳引起的破坏。

在室温下，107次疲劳强度是抗拉强度的1/2。与高温下的疲劳强度相比可知，从室温到高温的温度范围内疲劳强度没有太大的差异。

四、冲击韧性

材料在冲击载荷作用下，载荷变形曲线所包括的面积称为冲击韧性。对于铸造马氏体

时效不锈钢，当镍含量为5%时其冲击韧性较低。随着镍含量的增加，钢的强度和韧性可得到改善，但当镍含量大于8%时，强度和韧性值又一次下降。在马氏体铬镊系不锈钢中添加钼后，可提高钢的强度且可保持韧性不变。

在铁素体型不锈钢中增加钼的含量虽可提高强度，但缺口敏感性也被提高而使韧性下降。

在奥氏体型不锈钢中具有稳定奥氏体组织的铬镍系奥氏体不锈钢的韧性（室温下韧性和低温下韧性）非常优良，因而适用于在室温下和低温下的各种环境中使用。对于有稳定奥氏体组织的铬锰系奥氏体不锈钢，添加镍可进一步改善其韧性。

双相不锈钢的冲击韧性随镍含量的增加而提高。一般来说，在a+r两相区内其冲击韧性稳定在160—200J的范围内。