高性能奥氏体不锈钢指南--机械性能和物理性能​

奥氏体不锈钢强度高、韧性好。奥氏体不锈钢的强度来自于置换型合金元素和填隙原子氮和碳的固溶强化。奥氏体不锈钢不能通过热处理将其硬化或强化，如果需要提高强度，只能通过冷加工实现。奥氏体不锈钢的加工硬化系数较高，而且加工硬化速率高，因此冷加工可以大大提高其强度。奥氏体不锈钢具有很好的成型性，在断裂前可吸收大量的能量。这类不锈钢在低温和高温情况下都具有良好的机械性能。

1、强度

表1汇总了标准奥氏体和高性能奥氏体不锈钢的常温机械性能。与300系标准奥氏体不锈钢相比，200系和高性能奥氏体不锈钢具有更高的屈服强度和抗拉强度，这在很大程度上是由于氮和碳的固溶强化作用所致，还跟钼、镍和铬等置换型元素合金化程度高有直接关系。图1说明了氮合金化如何提高这些钢的强度。例如，当含氮量从常规的0.05%增加到0.20%时，屈服强度从270Mpa 提高到了340Mpa 。这对材料规范中强度的最低限值影响很大。例如，ASTM A240要求304L (约0.05%N) 屈服强度的最低限值为170Mpa，304N (0.15%N)屈服强度的最低限值为240Mpa。高性能奥氏体不锈钢的强度更高，例如S31254 (0.20%N) 屈服强度的最低限值为310Mpa，S31266 (0.50% N) 屈服强度的最低限值为420Mpa。

表1 标准300系和200系奥氏体不锈钢和高性能奥氏体不锈钢机械性能的最低限值

说明：这些机械性能对应的是按照UNS生产的ASTM牌号。第二列中的欧标牌号与之类似，但可能不完全相同。满足一种规范(如ASTM)要求的材料，不一定满足其它规范(如EN或JIS)对类似材料的要求。

图1 氮对奥氏体不锈钢强度的影响

因为奥氏体不锈钢不能通过热处理进行硬化，所以通常的处理方式是固溶退火。如果需要更高的强度，有些钢厂可提供冷压延产品。成型、旋压、型锻、冷拔等冷加工工艺可以大幅提高强度。加工硬化率高会增加某些成型操作的难度，工件的断面尺寸要符合设备的功率要求。有时还需要通过中间退火软化不锈钢，才能进行进一步的成型加工。如果切削刀具造成工件表面硬化，加工硬化速率高会带来机加工方面的问题。因此，对奥氏体不锈钢进行机加工时，建议放慢切削速度，加大切削深度。冷加工对300系、200系和高性能奥氏体不锈钢的强度影响见图2。

图2 冷加工对201L、304L和6%Mo高性能奥氏体不锈钢N08367的强度和塑性的影响

冷加工提高的强度只能在中等温度下保持，在高温下无法持续。因此，经过冷加工的材料在退火或焊接后不能继续保持其原有的强度。

2、延展性和韧性

奥氏体不锈钢具有很好的延展性，其延伸率在60%～70%之间，远远高于规定的最低限值。一些合金通过添加氮元素提高强度，这样做不会降低延展性。奥氏体相的面心立方晶体结构提供了良好的延展性，所以，在环境温度和低于环境温度下的韧性也非常好。奥氏体不锈钢与碳钢和其他材料的不同之处在于，低温环境下，它们不会出现明显的延-脆转变，可以在低温环境使用。虽然冷加工会降低延展性和韧性，但延展性减弱需要缓慢的过程，因此，冷加工率20%的奥氏体不锈钢仍然会有15%或更高的延伸率(图2)。冷加工提高了退火材料的位错密度，使延展性降低。退火则是通过复原和再结晶来消除冷加工的影响，降低强度，并将延展性和韧性恢复到高位。

3、高温强度

奥氏体不锈钢具有良好的高温强度。大多数标准奥氏体不锈钢都被核准用于压力容器。ASME(美国机械工程师协会)压力容器规范给出了高达427℃温度下的允许设计值。在不考虑压力的炉子应用中，标准和一些特殊耐热不锈钢可用于1100℃。高性能奥氏体不锈钢主要用于耐腐蚀环境，它们在常温下胜过标准牌号的强度优势，在高温环境依然没有改变。例如ASME规范规定，温度为427℃时，高性能奥氏体不锈钢N08367的许用应力为124MPa，316不锈钢为66MPa。图3是316不锈钢和三种高性能奥氏体不锈钢的高温强度参数的对比。

图3 三种高性能奥氏体不锈钢(Alloy20，317LN和UNS N08367)和316L不锈钢的高温强度对比

除了具有良好的高温强度，奥氏体不锈钢还有一个优点，那就是当温度高于300℃时，它们不会像铁素体和双相不锈钢那样形成α'脆化相。但是，高性能奥氏体不锈钢在500℃-1050℃之间会形成χ和σ脆化相。

良好的高温强度会对加工制作产生正面和负面的影响。当成品工件进行退火处理时，高强度可防止工件在重力作用下变形。但是，如果工件发生变形，例如在焊接过程中发生变形，高强度会使工件更难矫直。如前所述，高强度合金可能会超出现有成型设备的加工能力，所以，断面尺寸受到成型设备的限制。

4、物理性能

奥氏体不锈钢的物理性能基本相同。与碳钢相比，它们的杨氏模量略低，热膨胀系数(CTE)较高，导热性较差。表2和表3汇总了奥氏体不锈钢物理性能的详细参数。

表2 标准奥氏体和高性能奥氏体不锈钢的常温物理性能

* Alloy825是镍基合金，不是不锈钢

表3 标准和高性能奥氏体不锈钢在常温和高温条件下的物理性能