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不銹鋼的力學性能（一）
一、強度（抗拉強度、屈服強度）
不銹鋼的強度由各種因素來確定，但最重要的和最基本的因素是其中添加的不同化學元素，主要是金屬元素。不同類型的不銹鋼由于其化學成分的差異，就有不同的強度特性。
（1）馬氏體型不銹鋼
馬氏體型不銹鋼與普通合金鋼一樣具有通過淬火實現硬化的特性，因此可通過選擇牌號及熱處理條件來得到較大范圍的不同的力學性能。
馬氏體型不銹鋼從大的方面來區分，屬于鐵—鉻—碳系不銹鋼.進而可分為馬氏體鉻系不銹鋼和馬氏體鉻鎳系不銹鋼。在馬氏體鉻系不銹鋼中添加鉻、碳和鉬等元素時強度的變化趨勢和在馬氏體鉻鎳系不銹鋼中添加鎳的強度特性如下所述。
馬氏體鉻系不銹鋼在淬火—回火條件下，增加鉻的含量可使鐵素體含量增加，因而會降低硬度和抗拉強度。低碳馬氏體鉻不銹鋼在退火條件下，當鉻含量增加時硬度有所提高，而延伸率略有下降。在鉻含量一定的條件下，碳含量的增加使鋼在淬火后的硬度也隨之增加，而塑性降低。添加鉬的主要目的是提高鋼的強度、硬度及二次硬化效果。在進行低溫淬火后，鉬的添加效果十分明顯。含量通常少于1%。
在馬氏體鉻鎳系不銹鋼中，含一定量的鎳可降低鋼中的δ鐵素體含量，使鋼得到最大硬度值。
馬氏體型不銹鋼的化學成分特征是，在0.1%----1.0%C，12%---27%Cr的不同成分組合基礎上添加鉬、鎢、釩和鈮等元素。由于組織結構為體心立方結構，因而在高溫下強度急劇下降。而在600℃以下，高溫強度在各類不銹鋼中最高，蠕變強度也最高。
（2）鐵素體型不銹鋼
據研究結果，當鉻含量小于25%時鐵素體組織會抑制馬氏體組織的形成，因而隨鉻含量的增加其強度下降；高于25%時由于合金的固溶強化作用，強度略有提高。鉬含量的增加可使其更易獲得鐵素體組織，可促進α’相、σ相和χ相的析出，并經固溶強化后其強度提高。但同時也提高了缺口敏感性，從而使韌性降低。鉬提高鐵素體型不銹鋼強度的作用大于鉻的作用。
鐵素體型不銹鋼的化學成分特征是含11%—30%Cr，其中添加鈮和鈦。其高溫強度在各類不銹鋼中是最低的，但對熱疲勞的抗力最強。
（3）奧氏體型不銹鋼
奧氏體型不銹鋼中增加碳的含量后，由于其固溶強化作用使強度得到提高。
奧氏體型不銹鋼的化學成分特性是以鉻、鎳為基礎添加鉬、鎢、鈮和鈦等元素。由于其組織為面心立方結構，因而在高溫下有高的強度和蠕變強度。還由于線膨脹系數大，因而比鐵素體型不銹鋼熱疲勞強度差。
（4）雙相不銹鋼
對鉻含量約為25%的雙相不銹鋼的力學性能研究表明，在α+γ雙相區內鎳含量增加時γ相也增加。當鋼中的鉻含量為5%時，鋼的屈服強度達到最高值；當鎳含量為10%時，鋼的強度達到最大值。
不銹鋼的力學性能（二）
 二、蠕變強度
由于外力的作用隨時間的增加力發生變形的現象稱之為蠕變。在一定溫度下特別是在高溫下、載荷越大則發生蠕變的速度越快；在一定載荷下，溫度越高和時間越長則發生蠕變的可能性越大。與此相反，溫度越低蠕變速度越慢，在低至一定溫度時蠕變就不成問題了。這個最低溫度依鋼種而異，一般來說，純鐵在330℃左右，而不銹鋼則因已采取各種措施進行了強化，所以該溫度是550℃以上。
和其他鋼一樣，熔煉方式、脫氧方式、凝固方法、熱處理和加工等對不銹鋼的蠕變特性有很大的影響，據介紹，在美國進行的對18—8不銹鋼進行的蠕變強度試驗表明，取自同一鋼錠同一部位的試料的蠕變斷裂時間的標準偏差是平均值的約11%，而取自不同鋼錠的上、中、下不同部位的試料的標準偏差與平均值相差則達到兩倍之多。又據在德國進行的試驗結果表明，在105h時間下0Cr18Ni11Nb鋼的強度為小于49MPa至118MPa，散差很大。
三、疲勞強度
高溫疲勞是指材料在高溫下由于周期反復變化著的應力的作用而發生損傷至斷裂的過程。對其進行的研究結果表明，在某一高溫下，108·次高溫疲勞強度是該溫度下高溫抗拉強度的1/2。
熱疲勞是指在進行加熱（膨脹）和冷卻（收縮）的過程中，當溫度發生變化和受到來自外部的約束力時，在材料的內部相應于其本身的膨脹和收縮變形產生應力，并使材料發生損傷。當快速地反復加熱和冷卻時其應力就具沖擊性，所產生的應力與通常情況相比更大，此時有的材料呈脆性破壞。這種現象被稱之為熱沖擊。熱疲勞和熱沖擊是有著相似之處的現象，但前者主要伴隨大的塑性應變，而后者的破壞主要是脆性破壞。
不銹鋼的成分和熱處理條件對高溫疲勞強度有影響。特別是當碳的含量增加時高溫疲勞強度明顯提高，固溶熱處理溫度也有顯著的影響。一般來說鐵素體型不銹鋼具有良好的熱疲勞性能。在奧氏體不銹鋼中，高硅的且在高溫下具有良好的延伸性的牌號有著良好的熱疲勞性能。
熱膨脹系數越小、在同一熱周期作用下應變量越小、變形抗力越小和斷裂強度越高，壽命就越長�？梢哉f馬氏體型不銹鋼1Cr17的疲勞壽命最長，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧氏體型不銹鋼的疲勞壽命最短。
另外鑄件較鍛件更易發生由于熱疲勞引起的破壞。
在室溫下，107次疲勞強度是抗拉強度的1/2。與高溫下的疲勞強度相比可知，從室溫到高溫的溫度范圍內疲勞強度沒有太大的差異。
 四、沖擊韌性
材料在沖擊載荷作用下，載荷變形曲線所包括的面積稱為沖擊韌性。對于鑄造馬氏體時效不銹鋼，當鎳含量為5%時其沖擊韌性較低。隨著鎳含量的增加，鋼的強度和韌性可得到改善，但當鎳含量大于8%時，強度和韌性值又一次下降。在馬氏體鉻鑷系不銹鋼中添加鉬后，可提高鋼的強度且可保持韌性不變。
在鐵素體型不銹鋼中增加鉬的含量雖可提高強度，但缺口敏感性也被提高而使韌性下降。
在奧氏體型不銹鋼中具有穩定奧氏體組織的鉻鎳系奧氏體不銹鋼的韌性（室溫下韌性和低溫下韌性）非常優良，因而適用于在室溫下和低溫下的各種環境中使用。對于有穩定奧氏體組織的鉻錳系奧氏體不銹鋼，添加鎳可進一步改善其韌性。
雙相不銹鋼的沖擊韌性隨鎳含量的增加而提高。一般來說，在a+r兩相區內其沖擊韌性穩定在160—200J的范圍內。
不銹鋼的工藝性能（一）
一、成形性能
不銹鋼的成形性能因鋼種的不同，即結晶結構的不同而有很大的差異。如鐵素體型不銹鋼和奧氏體型不銹鋼的成形性能由于前者的晶體結構是體心立方，而后者的晶體結構是面心立方而有顯著的差異。
鐵素體不銹鋼的凸緣成形性能與n值（加工硬化指數）有關，深沖加工性能與r值（塑性應變化）有關。其中r值由不同的生產工藝下的不同的組織集合來決定。采取一些措施來顯著減少固溶碳和固溶氮，可大大改善r值并使深沖性能得到大幅度的提高。
奧氏體型不銹鋼一般來說n值較大，在進行加工的過程中由于塑性誘發相變而生成馬氏體，因而有較大的n值和延伸率，可進行深沖加工和凸緣成形。有一部分奧氏體型不銹鋼在深沖加工后，經一段時間會產生與沖壓方向相一致的縱向裂紋，即所謂的“時效裂紋”。為此采用高鎳，低氮和低碳的奧氏體型不銹鋼可避免該缺陷的發生。
奧氏體型不銹鋼中所含的鎳可明顯降低鋼的冷加工硬化傾向，其原因是可使奧氏體的穩定性增加，減少或消除了冷加工過程中的馬氏體轉變，降低了冷加工硬化速率，強度降低和塑性提高。
在雙相不銹鋼中增加鎳的含量可降低馬氏體轉變溫度，從而改善了冷加工變形性能。
在評價不銹鋼鋼板的成形加工性時，一般以綜合成形性能來標志。該綜合成形性能是由標志斷裂極限的抗斷裂性（深沖性能、凸緣成形性能、邊部延伸性能、彎曲性能），標志成形模具和材料的配合性的抗起皺性，標志卸載后固定形狀的形狀固定性等組成。
對不銹鋼鋼板的工藝性能進行評價主要有以下試驗方法：
（1）拉伸試驗；
（2）彎曲試驗；
（3）沖壓成形試驗；
（4）擴口試驗；
（5）沖擊試驗。
對不銹鋼鋼管的工藝性能進行評價主要有以下幾項：
（1）拉伸試驗
（2）擴管試驗
（3）壓扁試驗
（4）壓潰試驗
（5）彎曲試驗
二、焊接性能
在不銹鋼的應用中對不銹鋼結構進行焊接和切割是不可避免的。由于不銹鋼本身所具有的特性，與普碳鋼相比不銹鋼的焊接及切割有著其特殊性，更易在其焊接接頭及熱影響區（ＨＡＺ）產生各種缺陷。焊接時要特別注意不銹鋼的物理性質。例如奧氏體型不銹鋼的熱膨脹系數是低碳鋼和高鉻系不銹鋼的１.５倍；導熱系數約是低碳鋼的1/3，而高鉻系不銹鋼的導熱系數約是低碳鋼的1/2；比電阻是低碳鋼的４倍以上，而高鉻系不銹鋼是低碳鋼的３倍。這些條件加上金屬的密度、表面張力、磁性等條件都對焊接條件產生影響。
馬氏體型不銹鋼一般以１３％Ｃr鋼為代表。它進行焊接時，由于熱影響區中被加熱到相變點以上
不銹鋼的工藝性能（二）
的區域發生γ—α（M）相變，因此存在低溫脆性、低溫韌性惡化、伴隨硬化產生的延展性下降等問題。因而對于一般馬氏體型不銹鋼焊接時需進行預熱，但碳、氮含量低的和使用丁系焊接材料時可不需預熱。焊接熱影響區的組織通常又硬又脆。對于這個問題，可通過進行焊后熱處理使其韌性和延展性得到恢復。另外碳、氮含量最低的牌號，在焊接狀態下也有一定的韌性。
鐵素體型不銹鋼以18%Cr鋼為代表。在含碳量低的情況下有良好的焊接性能，焊接裂紋內敏感性也較低。但由于被加熱至900℃以上的焊接熱影響區晶粒顯著變粗，使得在室溫下缺少延伸性和韌性，易發生低溫裂紋。也就是說，一般來講鐵素體型不銹鋼有475℃脆化、700—800℃長時間加熱下發生“相脆性、夾雜物和晶粒粗化引起的脆化、低溫脆化、碳化物析出引起耐蝕性下降以及高合金鋼中易發生的延遲裂紋等問題。通常應在焊接時進行焊前預熱和焊后熱處理，并在具有良好韌性的溫度范圍進行焊接。
奧氏體型不銹鋼以18%
Cr—8%Ni鋼為代表。原則上不須進行焊前預熱和焊后熱處理。一般具有良好的焊接性能。但其中鎳、鉬含量高的高合金不銹鋼進行焊接時易產生高溫裂紋。另外還易發生σ相脆化，在鐵素體生成元素的作用下生成的鐵素體引起低溫脆化，以及耐蝕性下降和應力腐蝕裂紋等缺陷。經焊接后，焊接接頭的力學性能一般良好，但當在熱影響區中的晶界上有鉻的碳化物時會極易生成貧鉻層，而貧鉻層的出現將在使用過程中易產生晶間腐蝕。為避免問題的發生，應采用低碳（C≤0.03%）的牌號或添加鈦、鈮的牌號。為防止焊接金屬的高溫裂紋，通常認為控制奧氏體中的δ鐵素體肯定是有效的。一般提倡在室溫下含5%以上的δ鐵素體。對于以耐蝕性為主要用途的鋼，應選用低碳和穩定的鋼種，并進行適當的焊后熱處理；而以結構強度為主要用途的鋼，不應進行焊接后熱處理，以防止變形和由于析出碳化物和發生σ相脆化。
雙相不銹鋼的焊接裂紋敏感性較低。但在熱影響區內鐵素體含量的增加會使晶間腐蝕敏感性提高，因此可造成耐蝕性降低及低溫韌性惡化等問題。
對于沉淀硬化型不銹鋼有焊接熱影響區發生軟化等問題。
綜上所述，不銹鋼的焊接性能主要表現在以下幾個方面：
（1）高溫裂紋：在這里所說的高溫裂紋是指與焊接有關的裂紋。高溫裂紋可大致分為凝固裂紋、顯微裂紋、HAZ（熱影響區）的裂紋和再加熱裂紋等。
(2)低溫裂紋：在馬氏體型不銹鋼和部分具有馬氏體組織的鐵素體型不銹鋼中有時會發生低溫裂紋。由于其產生的主要原因是氫擴散、焊接接頭的約束程度以及其中的硬化組織，所以解決方法主要是在焊接過程中減少氫的擴散，適宜地進行預熱和焊后熱處理以及減輕約束程度。
（3）焊接接頭的韌性：在奧氏體型不銹鋼中為減輕高溫裂紋敏感性，在成分設計上通常使其中殘存有5%—10%的鐵素體。但這些鐵素體的存在導致了低溫韌性的下降。在雙相不銹鋼進行焊接時，焊接接頭區域的奧氏體量減少而對韌性產生影響。另外隨著其中鐵素體的增加，其韌性值有顯著下降的趨勢。
已證實高純鐵素體型不銹鋼的焊接接頭的韌性顯著下降的原因是由于混入碳、氮、氧的緣故。其中一些鋼的焊接接頭中的氧含量增加后生成了氧化物型夾雜，這些夾雜物成為裂紋發生源或裂紋傳播的途徑使得韌性下降。而有一些鋼則是由于在保護氣體中混入了空氣，其中的氮含量增加在基體解理面｛100｝面上產生板條狀Cr2N，基體變硬而使得韌性下降。
（4）σ相脆化：奧氏體型不銹鋼、鐵素體不銹鋼和雙相鋼易發生σ相脆化。由于組織中析出了百分之幾的α相，韌性顯著下降。“相一般是在600～900℃范圍內析出，尤其在75℃左右最易析出。作為防止”相產生的預防型措施，奧氏體型不銹鋼中應盡量減少鐵素體的含量。
（5）475℃脆化，在475℃附近（370—540℃）長時間保溫時，使Fe—Cr合金分解為低鉻濃度的α固溶體和高鉻濃度的α’固溶體。當α’固溶體中鉻濃度大于75%時形變由滑移變形轉變為孿晶變形，從而發生475℃脆化。
不銹鋼的工藝性能（三）
三、切削性能
不同的不銹鋼的切削性能有很大的差異。一般所說不銹鋼的切削性能比其他鋼差，是指奧氏體型不銹鋼的切削性能差。這是由于奧氏體不銹鋼的加工硬化嚴重，導熱系數低造成的。為此在切削過程中需使用水性切削冷卻液，以減少切削熱變形。特別是當焊接時的熱處理不好時，無論是怎樣提高切削精度，其變形也是不可避免的。其他類型如馬氏體型不銹鋼、鐵素體性不銹鋼等不銹鋼的切削性能只要不是淬火后進行切削，那么與碳素鋼沒有太大的不同。但兩者均是含碳量越高則切削性能越差。沉淀硬化型不銹鋼由于其不同的組織和處理方法而顯示不同的切削性能，但一般來說其切削性能在退火狀態下與同一系列及同一強度的馬氏體型不銹鋼和奧氏體型不銹鋼相同。
欲改善不銹鋼的切削性能，與碳素鋼一樣可通過添加硫、鉛、鉍、硒和碲等元素來實現。其中添加如硫、硒和碲等元素可減輕工具的磨損，添加鉛和鉍等元素可改善切削狀態。
雖然添加硫可改善不銹鋼的切削性能，但是由于它是以Mns化合物的形式在于鋼中，所以使得耐蝕性明顯下降。為解決這個問題，通常是添加少量的鉬和銅。
四、淬透性
對于馬氏體型鉻鎳不銹鋼，一般需進行淬火—回火熱處理。在這個過程中不同的合金元素及其添加量對淬火性有不同的影響。
對馬氏體型不銹鋼進行淬火時從925—1075℃溫度進行急冷。由于相變速度快，因此無論是油冷還是空冷都可得到充分的硬化。同樣在必須進行的回火過程中，由于回火條件的不同可得到大范圍的不同力學性能。
在馬氏體鉻不銹鋼中，由于鉻的添加提高鐵碳合金的淬透性，因而在需要進行淬火的鋼中得到廣泛的應用。鉻的主要作用是可以降低淬火的臨界冷卻速度，使鋼的淬透性得到明顯的提高。從C曲線來看，由于鉻的添加使奧氏體發生轉變的速度減慢，C曲線明顯右移。
在馬氏體鉻鎳不銹鋼中，鎳的添加可提高鋼的淬透性和可淬透性。含鉻接近20%的鋼中若不添加鎳則無淬火能力，添加2%—4%的鎳可恢復淬火能力。但其中鎳的含量不能過高，否則過高的鎳含量不僅會擴大γ相區，而且還會降低Mn溫度，這樣使鋼成為單相奧氏體組織也喪失了淬火能力。選擇適當的鎳含量，可提高馬氏體不銹鋼的回火穩定性，并降低回火軟化程度。
另外，在馬氏體鉻鎳不銹鋼中添加鉬可增加鋼的回火穩定性。
鐵素體型不銹鋼雖然由于在高溫下不產生奧氏體，因而不能通過進行淬火來實現硬化，但是低鉻鋼中發生部分馬氏體相變。
奧氏體型不銹鋼屬于Fe—Cr—Ni系和Fe—Cr—Mn系，為奧氏體組織。因此從低溫到高溫的大的范圍內均表現出高的強度和良好的延伸性能�？赏ㄟ^進行從1000℃以上開始的急冷的固溶化處理來得到非磁性的全部奧氏體組織，從而得到良好的耐蝕性和最大的延伸率。
各國不銹鋼力學性能對照表
鋼號
Tensild Strength Yield Strength Elongation Reduction of Area Brinell
Hardness
標準號 % %
抗拉強度≥
屈服強度≥
延伸率
斷面收縮率≥ 硬度≤
一、304
德標（DIN17440/1.4301)
520-720 210 45 45 187
美標（ASTMA182 F304）
515 205 30 50 187
日標（JIS G3214 SUSF304）
520 205 43 50 187
國標（GB1220－84 0Cr19Ni9)
520 206 40 60 187
二、304L
德標（DIN17440/1.4306)
520-670 200 45 45 187
美標（ASTMA182
F304L）
485 170 30 50 187
日標（JIS G3214 SUSF304L）
480 175 29 50 187
國標（GB1220－84 00Cr19Ni11)
481 177 40 60 187
三、316
德標（DIN17440/1.4401)
530-680 220 40 40 187
美標（ASTMA182 F316）
515 205 30 50 187
日標（JIS G3214
SUSF316) 520 205 43 50 187
國標（GB1220－84
00Cr17Ni12Mo2) 481 177 40 60 187
四、316L
德標（DIN17440/1.4404）
530-680 220 40 40 187
美標（ASTMA182 F316L）
485 170 30 50 187
日標（JIS G3214 SUSF316L）
480 175 29 50 187
國標（GB1220－84
00Cr17Ni14Mo2) 481 177 40 60 187
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