带你全面了解超级不锈钢(5)--力学性能
开发高性能不锈钢的主要动力虽然是为了提高耐腐蚀性，但在许多情况下也获得了力学性能的提高，这对于冶金学上较为复杂的双相不锈钢尤其如此。当其组织结构得到很好的控制时，它兼具有良好的强度和韧性。它也属于氮强化的奥氏体钢种，在优于标准奥氏体钢种的强度水平下具有优异的韧性。这一点从成本角度看是重要的，因为采用较薄的部件常有助于抵消较高合金成分带来的较高成本。在各种产品形式中利用这种优势以降低大型管道系统、大型工艺设备单元、压力容器和耐压管线的成本，减轻海上作业平台上甲板结构的重量。
由于温度和冶金学对机械性能的影响在三类钢种上有很大的差别，所以对它们分别加以讨论。每个部分开始都对固溶退火条件下的基本力学性能进行了描述，然后考虑加工、热处理和使用等冶金学操作引起的性能改变。
奥氏体不锈钢
高性能奥氏体钢种的力学性能是在一个宽的温度区间内，良好的强度、塑性和韧性的优异结合。对于这样的高强度材料，其良好的低温抗冲击强度是独特的。由于强度随合金含量的增加而逐渐增大，所以这些钢种比标准的奥氏体不锈钢强度高。图13表明，用于提高耐腐蚀性或控制相平衡的大多数合金元素也是固溶强化剂。在这些钢中最有效的强化元素是氮，它也有利于耐腐蚀和延迟一些金属间化合物相的形成。氮元素对强度的影响见图14，图中氮含量为0.20%时，显示出屈服强度比304不锈钢增加了近50%。在氮含量较高时，这种强化作用会有所削弱，而商品化钢种的标称氮含量0.50%，将满足420～460 MPa 的最低屈服强度标准。如图14所示，尽管氮和其他强化元素在一定程度上减小了钢的塑性，但是这些钢种仍然具有足够的塑性来进行冷成型操作。
ASTM（美国材料试验学会）中厚板、薄板带标准规范（A 240）对这些钢种所规定的室温下最低力学性能要求见表5。 对比此表与表1钢种的化学组成，可以看出规定的最低强度也随替代合金含量和氮含量的升高而增加，见图15，在这里，合金含量不断增加的代表性钢种，其最小规定强度与316L不锈钢的强度数据进行了对比。表6所给出的ASME（美国机械工程师学会）标准的许用设计应力数值也反映了这些强化作用，一些高性能不锈钢的许用应力值是316L不锈钢的两倍以上。
图16显示了低温下强度的提高，而塑性几乎没有降低。高性能钢种在低温下的强化速率不如316和大多数其他标准的钢种，因为高性能钢种在马氏体转变方面是非常稳定的。这对于塑性和韧性以及要求低导磁率的应用而言是一个优势。
这些钢种在室温下也具有很好的韧性，甚至那些大量添加氮的钢种也如此，见图17。图中显示了氮含量直至1%以上的奥氏体不锈钢的断裂韧性和冲击数据。在较低的温度下韧性逐渐下降，但直到-200℃（328℉）仍然有相当大的韧性，见图18。
高性能奥氏体不锈钢在高温下也保持着超过一般钢种的强度优势。图19为短时升高温度条件下与316L不锈钢强度的对比。
由于这些钢种不易产生α′相脆化，因此它们能够在比铁素体不锈钢和双相不锈钢的使用温度高得多的温度下有效使用，对一些较低铬—钼或较高镍合金化的钢种如20Cb-3尤其如此。图20给出了这种钢种的高温应力断裂数据。
铁素体不锈钢
铁素体不锈钢抗拉性能的特点是具有很高的强度及有用但有限的塑性。高强度是由于钼和镍在铁素体中强烈的固溶强化作用以及铁素体结构典型的小晶粒尺寸的强化作用。抗拉强度与一般奥氏体不锈钢钢种大致相同，因为尽管铁素体在低受力状态初始加工硬化率高，但达不到奥氏体钢种在高受力状态的加工硬化程度。铁素体结构的特征是塑性有限。表7对ASTM A 240标准规定的最低力学性能进行了小结。最低屈服强度是515 MPa，轧制退火板典型的拉伸伸长率大约为25%～30%。将这些拉伸特性转化成ASME（美国机械工程师学会）锅炉和压力容器的设计应力数值，见表8，表中列出了针对焊管的数值。铁素体钢种的缺点是表现出明显的塑性—脆性转变温度。尽管大多数轧制产品的生产具有相当低的转变温度，但如果晶粒尺寸大或显微结构中存在金属间相或存在大量溶解的间隙碳或氮时，转变会在室温或更高温度下发生。这给这些钢种的生产及用于大型部件尤其是涉及到焊接时都带来了问题，见图21和22，图中热处理条件模拟不同碳和氮含量铁素体不锈钢的焊接。在815℃（1500℉）初始稳定退火时，这些不锈钢具有非常好的韧性并且转变温度在 -50℃以下，但随后1150℃（2100℉）的退火和淬火处理，即便碳和氮含量在适当低的水平，也引起转变温度的急剧上升。粗大的晶粒尺寸和高碳和氮含量铁素体不锈钢中的氮及碳的析出致使韧性降低。真空熔炼的超低碳和低氮不锈钢如AL 29-4-2与AOD（氩氧脱碳）精炼的铁素体不锈钢相比，前者有更佳的塑性—脆性转变温度。
铁素体不锈钢也由于α′相析出的脆化作用而有使用温度的限制。由于这个原因，对于大多数的这些钢种，ASME标准规定的许用应力的温度被限制为最高315℃（600℉）。当涉及特别长的使用时间时，应当考虑采用略低的最大使用温度。
双相不锈钢
双相不锈钢的抗拉和屈服性能很高。它们的塑性介于铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢之间。随着合金含量的增加，尤其是氮含量的增加，其强度提高而塑性降低。双相不锈钢引人注目的强度性质部分是由于铁素体增加屈服强度和奥氏体由于加工硬化带来的高抗拉强度的联合作用。板材的最低屈服强度高达550MPa，见表9。
双相不锈钢的高温强度也非常好（图23），ASME标准的设计应力见表10，这些设计应力值比奥氏体和铁素体不锈钢的设计应力要高得多。ASME标准的许用设计应力是以屈服强度或抗拉强度的最低值为基础的，这对于铁素体和奥氏体钢种都有不利影响，而对双相不锈钢有利。对于大多数的双相不锈钢，由于α′相的脆化作用，ASME标准的许用应力规定将温度限制在315℃；德国TüV标准设定的最高温度略低一些。尽管必须考虑这种形式的脆性，但它并不像在铁素体钢种中那样损害室温韧性，因为显微组织中占一半的奥氏体不受α′相析出的影响。因此，在某些情况下，有可能考虑用于短暂的较高温度条件下，例如，有时出现短时较高温度不稳定状态的薄壁热交换器管道。但是，许多设计标准不允许这种做法。
当温度降至对大多数工程应用而言足够低时，双相不锈钢仍保持其韧性，但温度不能降至特别低的冷冻温度，那样的话，就需要采用完全是奥氏体结构的合金。图24给出了几个代表性钢种低温夏比冲击试验数据，试验时试样的裂纹面横切轧制方向。虽然这些钢种表现出明确的转化温度，但它们在低至大约-100℃（-150℉）的温度下表现出有效的韧性。然而，韧性是非各向同性的，并且高铁素体含量会使韧性降低。在生产状态固溶退火条件下的商品化钢种含有大约40%～60%的铁素体。这个铁素体含量较好地兼顾了许多力学性能和腐蚀性能。高铁素体含量降低韧性和转化温度，尤其当铁素体含量高于大约80%时，见图25。在某些焊接条件下，可能出现高铁素体含量。双相结构就其在锻造件中铁素体和奥氏体的分布而言也有方向性。当裂纹线平行于层状的铁素体条带时，会导致较低的韧性。图26采用J-R曲线的断裂韧性数据说明了这一点，图中相对于轧制方向在不同取向试验的板材，当长形试样方向平行于轧制方向时表现出韧性的增强。
双相不锈钢由于它们的高屈服强度，其耐疲劳性能也非常优良。图27给出了DP3钢和316不锈钢对比的一些典型数据。
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