钢铁知识

不锈钢（stainless steel）指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素

一、不锈钢简介

　　所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在普通碳钢上形成的氧化铁继续进行氧化，使锈蚀不断扩大，Zui终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金属（例如，锌，镍和铬）进行电镀来保证碳钢表面，但是，正如人们所知道的那样，这种保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏，下面的钢便开始锈蚀
　　铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到12％左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（ 自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。
　　不锈钢通常按基体组织分为：
　　1、铁素体不锈钢。含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高 ， 耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。
　　2、奥氏体不锈钢。含铬大于18％，还含有 8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。
　　3、奥氏体 - 铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。
　　4、马氏体不锈钢。强度高，但塑性和可焊性较差。

二、不锈钢历史

　　从1820年至1900年间，有关不锈钢进展的记载非常少。
　　1932年热轧带钢成功。
　　1934年不锈钢薄板研制成功。不锈钢是一种以铁为主成分的合成钢，具有优良的耐蚀性及不容易生锈的特性。
　　于1820年代初，英国科学家法拉第所发明创造，即为不锈钢诞生的第一步。这是一种在铁中加入数百分比的铬元素，以提升铁的耐蚀性，及不易生锈的合成钢。然而，「不锈钢」的实用化，是在其后数十年，再经众多科学家的种种研究，改良后，才形成现今的不锈钢。

三、不锈钢作用

　　不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。不锈钢还是建筑用金属材料中强度Zui高的材料之一。由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性，所以它能使结构部件地保持工程设计的完整性。含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身，易于部件的加工制造，可满足建筑师和结构设计人员的需要。

四、不锈钢牌号分组

　　沉淀硬化型不锈钢。具有有很好的成形性能和良好的焊接性，可作为超高强度的材料在核工业、航空和航天工业中应用。
　　按成分可分为cr系（sus400）、cr－ni系（sus300）、cr－mn－ni（sus200）及析出硬化系（sus600）。
　　200 系列—铬-镍-锰 奥氏体不锈钢
　　300 系列—铬-镍 奥氏体不锈钢
　　301—延展性好，用于成型产品。也可通过机械加工使其迅速硬化。焊接性好。抗磨性和疲劳强度优于304不锈钢。
　　302—耐腐蚀性同304，由于含碳相对要高因而强度更好。
　　303—通过添加少量的硫、磷使其较304更易切削加工。
　　304— 即18/8不锈钢。gb牌号为0cr18ni9。
　　309—较之304有更好的耐温性。
　　316—继304之後，第二个得到Zui广泛应用的钢种，主要用于食品工业和外科手术器材，添加钼元素使其获得一种抗腐蚀的特殊结构。由于较之304其具有更好的抗氯化物腐蚀能力因而也作“船用钢”来使用。ss316则通常用于核燃料回收装置。18/10级不锈钢通常也符合这个应用级别。[1]
　　型号 321—除了因为添加了钛元素降低了材料焊缝锈蚀的风险之外其他性能类似304。
　　400 系列—铁素体和马氏体不锈钢
　　408—耐热性好，弱抗腐蚀性，11%的cr，8%的ni。
　　409—Zui廉价的型号（英美），通常用作汽车排气管，属铁素体不锈钢（铬钢）。
　　410—马氏体（高强度铬钢），耐磨性好，抗腐蚀性较差。
　　416—添加了硫改善了材料的加工性能。
　　420—“刃具级”马氏体钢，类似布氏高铬钢这种Zui早的不锈钢。也用于外科手术刀具，可以做的非常光亮。
　　430—铁素体不锈钢，装饰用，例如用于汽车饰品。良好的成型性，但耐温性和抗腐蚀性要差。
　　440—高强度刃具钢，含碳稍高，经过适当的热处理後可以获得较高屈服强度，硬度可以达到58hrc，属于Zui硬的不锈钢之列。Zui常见的应用例子就是“剃须刀片”。常用型号有 三种：440a、440b、440c，另外还有440f（易加工型）。
　　500 系列—耐热铬合金钢。
　　600 系列—马氏体沉淀硬化不锈钢。
　　630—Zui常用的沉淀硬化不锈钢型号，通常也叫17-4；17%cr，4%ni。

五、不锈钢为什么耐腐蚀？

　　所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在普通碳钢上形成的氧化铁继续进行氧化，使锈蚀不断扩大，Zui终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金属（例如，锌，镍和铬）进行电镀来保证碳钢表面，但是，正如人们所知道的那样，这种保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏，下面的钢便开始锈蚀。
　　不锈钢的耐腐蚀性取决于铬，但是因为铬是钢的组成部分之一，所以保护方法不尽相同。
　　在铬的添加量达到10．5％时，钢的耐大气腐蚀性能显著增加，但铬含量更高时，尽管仍可提高耐腐蚀性，但不明显。原因是用铬对钢进行合金化处理时，把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。这种紧密粘附的富铬氧化物保护表面，防止进一步地氧化。这种氧化层极薄，透过它可以看到钢表面的自然光泽，使不锈钢具有独特的表面。而且，如果损坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反应进行自我修理，重新形成这种氧化物"钝化膜"，继续起保护作用。
　　因此，所有的不锈钢元素都具有一种共同的特性，即铬含量均在10．5％以上。

六、不锈钢的类型

　　"不锈钢"一词不仅仅是单纯指一种不锈钢，而是表示一百多种工业不锈钢，所开发的每种不锈钢都在其特定的应用领域具有良好的性能。成功的关键首先是要弄清用途，然后再确定正确的钢种。有关不锈钢的进一步详细情况可参见由nidi编制的"不锈钢指南"软盘。
　　幸而和建筑构造应用领域有关的钢种通常只有六种。它们都含有17～22％的铬，较好的钢种还含有镍。添加钼可进一步改善大气腐蚀性，特别是耐含氯化物大气的腐蚀。

七、不锈钢的优点--耐大气腐蚀

　　经验表明，大气的腐蚀程度因地域而异。为便于说明，建议把地域分成四类，即：乡村，城市，工业区和沿海地区。
　　乡村是基本上无污染的区域。该区人口密度低，只有无污染的工业。
　　城市为典型的居住、商业和轻工业区，该区内有轻度污染，例如交通污染。
　　工业区为重工业造成大气污染的区域。污染可能是由于燃油所形成的气体，例如硫和氮的氧化物，或者是化工厂或加工厂释放的其它气体。空气中悬游的颗粒，像钢铁生产过程中产生的灰尘或氧化铁的沉积也会使腐蚀增加。
　　沿海地区通常指的是距海边一英里以内的区域。但是，海洋大气可以向内陆纵深蔓延，在海岛上更是如此，盛行风来自海洋，而且气候恶劣。例如，英国气候条件就是如此，所以整个国家都属于沿海区域。如果风中夹杂着海洋雾气，特别是由于蒸发造成盐沉积集聚，再加上雨水少，不经常被雨水冲刷，沿海区域的条件就更加不利。如果还有工业污染的话，腐蚀性就更大。
　　美国、英国、法国、意大利、瑞典和澳大利亚所进行的研究工作已经确定了这些区域对各种不锈钢耐大气腐蚀的影响。有关内容在niidi出版的《建筑师便览》中作了简单介绍，该书中的表可以帮助设计人员为各种区域选择成本效益的不锈钢。
　　在进行选择时，重要的是确定是否还有当地的因素影响使用现场环境。例如，不锈钢用在工厂烟囱的下方，用在空调排气挡板附近或废钢场附近，会存在非一般的条件。

八、维修及清理

　　和其它曝露于大气中的材料一样，不锈钢也会脏。今后的讲座将分析影响维修及清理成本的设计因素。但是，在雨水冲刷，人工冲洗和已脏表面之间还存在着一种相互关系。
　　通过把相同的板条直接放在大气中和放在有棚的地方确定了雨水冲刷的效果。人工冲洗的效果是通过人工用海绵沾上肥皂水每隔六个月擦洗每块板条的右边来确定的。结果发现，与放在有棚的地方和不被冲洗的地方的板条相比，通过雨水冲刷和人工擦洗去除表面的灰尘和淤积对表面情况有良好的作用。而且还发现，表面加工的状况也有影响，表面平滑的板条比表面粗糙的板条效果要好。
　　因此洗刷的间隔时间受多种因素影响，主要的影响因素是所要求的审美标准。虽然许多不锈钢幕墙仅仅是在擦玻璃时才进行冲洗，但是，一般来讲，用于外部的不锈钢每年洗刷两次。

九、典型用途

　　大多数的使用要求是长期保持建筑物的原有外貌。在确定要选用的不锈钢类型时，主要考虑的是所要求的审美标准、所在地大气的腐蚀性以及要采用的清理制度。
　　然而，其它应用越来越多的只是寻求结构的完整性或不透水性。例如，工业建筑的屋顶和侧墙。在这些应用中，物主的建造成本可能比审美更为重要，表面不很干净也可以。
　　在干燥的室内环境中使用304不锈钢效果相当好。但是，在乡村和城市要想在户外保持其外观，就需经常进行清洗。在污染严重的工业区和沿海地区，表面会非常脏，甚至产生锈蚀。但要获得户外环境中的审美效果，就需采用含镍不锈钢。所以，304不锈钢广泛用于幕墙、侧墙、屋顶及其它建筑用途，但在侵蚀性严重的工业或海洋大气中，采用316不锈钢。
　　现在，人们已充分认识到了在结构应用中使用不锈钢的优越性。有几种设计准则中包括了304和316不锈钢。因为"双相"不锈钢2205已把良好的耐大气腐蚀性能和高抗拉强度及弹限强度融为一体，所以，欧洲准则中也包括了这种钢。
　　产品形状
　　实际上，不锈钢是以全标准的金属形状和尺寸生产制造的，而且还有许多特殊形状。Zui常用的产品是用薄板和带钢制成的，也用中厚板生产特殊产品，例如，生产热轧结构型钢和挤压结构型钢。而且还有圆型、椭圆型、方型、矩型和六角型焊管或无缝钢管及其它形式的产品，包括型材、棒材、线材和铸件。

十、表面状态

　　正如后面将谈到的，为了满足建筑师们美学的要求，已开发出了多种不同的商用表面加工。例如，表面可以是高反射的或者无光泽的；可以是光面的、抛光的或压花的；可以是着色的、彩色的、电镀的或者在不锈钢表面蚀刻有图案，以满足设计人员对外观的各种要求。
　　保持表面状态是容易的。只需偶尔进行冲洗就能去除灰尘。由于耐腐蚀性良好，也可以容易地去除表面的涂写污染或类似的其它表面污染。

十一、未来展望

　　由于不锈钢已具备建筑材料所要求的许多理想性能，它在金属中可以说是的，而其发展仍在继续。为使不锈钢在传统的应用中性能更好，一直在改进现有的类型，而且，为了满足建筑应用的严格要求，正在开发新的不锈钢。由于生产效率不断提高，质量不断改进，不锈钢已成为建筑师们选择的Zui具有成本效益的材料之一。
　　不锈钢集性能、外观和使用特性于一身，所以不锈钢仍将是世界上的建筑材料之一。

十二、不锈钢的标识方法

　　钢的编号和表示方法
　　①用国际化学元素符号和本国的符号来表示化学成份，用阿拉伯字母来表示成份含量：
　　如：中国、俄国 12crni3a
　　②用固定位数数字来表示钢类系列或数字；如：美国、日本、300系、400系、200系；
　　③用拉丁字母和顺序组成序号，只表示用途。
　　我国的编号规则
　　①采用元素符号
　　②用途、汉语拼音，平炉钢：p、 沸腾钢：f、 镇静钢：b、甲类钢：a、t8：特8、
　　gcr15：滚珠
　　◆合金钢、弹簧钢，如：20crmnti 60simn、（用万分之几表示c含量）
　　◆不锈钢、合金工具钢（用千分之几表示c含量），如：1cr18ni9 千分之一（即
　　0.1%c）,不锈 c≤0.08% 如0cr18ni9,超低碳c≤0.03% 如00cr17ni13mo
　　国际不锈钢标示方法
　　美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中：
　　①奥氏体型不锈钢用200和300系列的数字标示，例如，某些较普通的奥氏体不锈钢
　　是以201、 304、 316以及310为标记。
　　②铁素体和马氏体型不锈钢用400系列的数字表示。
　　③铁素体不锈钢是以430和446为标记，马氏体不锈钢 是以410、420以及440c为标
　　记，双相（奥氏体－铁素体），
　　④不锈钢、沉淀硬化不锈钢以及含铁量低于50%的高合金通常是采用专利名称或商标命名。
　　4)．标准的分类和分级
　　4-1分级分类：
　　①国家标准gb ②行业标准yb ③地方标准 ④企业标准q/cb
　　4-2 分类：
　　①产品标准 ②包装标准 ③方法标准 ④基础标准
　　4-3 标准水平（分三级）：
　　y级：国际先进水平 i级：国际一般水平 h级：国内先进水平
　　4-4国标
　　gb1220-84 不锈棒材（i级） gb4241-84 不锈焊接盘园（h级）
　　gb4356-84 不锈焊接盘园（i级） gb1270-80 不锈管材（i级）
　　gb12771-91 不锈焊管（y级） gb3280-84 不锈冷板（i级）
　　gb4237-84 不锈热板（i级） gb4239-91 不锈冷带（i级）

十三、不锈钢

　　不锈耐酸钢简称不锈钢，它是由不锈钢和耐酸钢两大部分组成的，简言之，能抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，而能抵抗化学介质腐蚀的钢叫耐酸钢。一般说来，含硌量wcr大于12%的钢就具有了不锈钢的特点 不锈钢按热处理后的显微组织又可分为五大类：即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢及沉淀碳化不锈钢文字
　　不锈钢设备制作过程中会出现表现损伤，缺陷以及一些影响表面的物质，如：粉尘、浮铁粉或嵌入的铁，热回火色和其它氧化层、锈斑、研磨毛刺、焊接引弧斑痕、焊接飞溅、焊剂、焊接缺陷、油和油脂、残余粘合剂和油漆、粉笔和标记笔印等。绝大多数都是因为忽略了它们的有害影响而不重视或做得不好。但是，它们对氧化保护膜有着潜在的危害。保护膜一旦被损坏，被减薄或用其它方法使之改变，下面的不锈钢就会开始腐蚀。腐蚀一般不是遍及整个表面，而是在缺陷处或其周围。这种局总腐蚀通常会为点蚀或缝隙腐蚀，这两种腐蚀会向深度和广度发展，而大部分表面不受侵蚀。下面谈一下造成这些问题的各种原因。

十四、不锈钢表面损伤和夹带外来物的清洗

　　1、粉尘
　　制作经常是在有粉尘的场地进行，空气中常带有许多粉尘，它们不断地落在设备表面。它们可以用水或碱性溶液去除掉。不过，有附着力的尘垢需要高压水或蒸气进行清理。
　　2、浮铁粉或嵌入的铁
　　在任何表面上，游离铁都会生锈并使不锈钢产生腐蚀。因此，必须清除。浮粉一般可随粉尘一起清除掉。有些粘着力很强，必须按嵌入的铁处理。除粉尘外，表面铁的来源很多，其中包括用普通碳钢钢丝刷清理和用以前在普碳钢，低合金钢或铸铁件上使用过的砂子、玻璃珠或其它磨料进行喷丸处理，或在不锈钢部件及设备附近对前面提到的非不锈钢制品进行修磨。在下料或吊过过程中如果不对不锈钢采取保护措施，钢丝绳、吊具和工作台面上的铁很容易嵌入或玷污表面。
　　订货要求和制作后检查可以防止并发现游离铁的存在，astm标准a380[3]规定了检查不锈钢表面铁或钢微粒的铁锈试验法。当要求不能有铁存在的时候，应该使用这种检验方法。如果结果令人满意，应用干净的纯水或硝酸对表面进行洗涤，直到深蓝色完全消失。
　　正如标准a380[3]指出的如果铁锈试验溶液不能全部清除干净，不推荐在设备的工艺表面，即用来生产人类消费品的直接接触表面采用这种试验方法。比较简单的试验方法是在水中暴露12~24小时，检查是否有锈斑。这种试验灵敏性差，而且耗时。这些都是检测试验，不是清理方法。如果发现有铁存在，必须用后面介绍的化学和电化学的方法进行清理。
　　3、划痕
　　为了防止工艺润滑剂或生成物和/或污物积留，必须对划痕和其它粗糙表面进行机械清理。
　　4、热回火色和其它氧化层
　　如果在焊接或修磨过程中不锈钢在空气中被加热到一定的高温，焊缝两侧、焊缝的下表面和底部都会出现铬氧化物热回火色。 热回火色比氧化保护膜薄，而且明显可见。颜色决定于厚度,可呈见彩虹色、蓝色、紫色到淡黄色和棕色。较厚的氧化物一般为黑色。它是由于在高温或长时间在较高度下停留所致。当出现任何一种这类氧化层时，金属表面的铬含量都会降低，造成这些区域的耐腐蚀性降低。在这种情况下，不仅要消除热回火色和其它氧化层，还应对它们下面的贫铬金属层进行清理。
　　5、锈斑
　　制作前或制作过程中有时会看到不锈钢产品或设备上生锈，这说明表面受到严重污染。设备投入使用前必须把锈清除掉，彻底清理过的表面应通过铁试验和/或水试验进行检验。
　　6、粗糙的研磨和机加工
　　研磨和机加工都会造成表面粗糙，留有凹槽，重叠和毛刺等缺陷。每种缺陷也可能使金属表面损伤到一定深度，以至于受损伤的金属表面无法通过酸洗，电抛光或喷丸等方法清理掉。粗糙表面能够成为发生腐蚀和沉积生成物的发源地，重焊前清理焊缝缺陷或清除多余的焊缝加强高都不能用粗磨进行研磨。对后一种情况，应再用细磨料研磨。
　　7、焊接引弧斑痕
　　焊工在金属表面引弧时，会造成表面粗糙缺陷。保护膜受损，留下潜在的腐蚀源。焊工应在已经焊好的焊道上或在焊缝接头的侧边引弧。然后将引弧痕迹熔入焊缝中。
　　8、焊接飞溅
　　焊接飞溅与焊接工艺有很大关系。例如：gtam(气体保护钨极电弧焊)或tig(惰性气体保护钨极焊)没有飞溅。但是，采用gmaw(气体保护金属电弧焊)和fcaw(带焊剂芯的电弧焊)两种焊接工艺时如果焊接参数使用不当会造成大量飞溅。出现这种情况时，必须调整参数。如果要解决焊接飞溅的问题，焊接前应在接头的每一边涂上防溅剂，这样可以消除飞溅物的附着力。焊完后可以很容易地将这种防溅剂及各种飞溅物清理掉，可不损伤表面或带来轻微损伤。
　　9、焊剂
　　利用焊剂进行焊接的工艺有手工焊，带焊剂芯电弧焊和埋弧焊，这些焊接工艺都会在表面留下细小的焊剂颗粒，普通的清理方法无法将它们清除掉。这此颗粒将是缝隙腐蚀的腐蚀源，必须采用机械清理方法去除这些残留焊剂。
　　10、焊接缺陷
　　焊接缺陷如：咬边、未焊透、密集气孔和裂纹不仅降低接头的牢固性，而且还会成为缝隙腐蚀的腐蚀源。改善这种结果进行清理操作时，它们还会夹带固体颗粒。这些缺陷可通过重新焊接或修磨后重焊进行修补。
　　11、油和油脂
　　有机物质如：油，油脂甚至指印都会成为局部腐蚀的腐蚀源。由于这些物质能起屏障作用，它们会影响化学和电化学清理效果，因而必须彻底清理掉。astm a380有一种简单的断水(waterbreak)试验检测有机污染物。试验时，从垂直表面的顶部浇下水，在向下流的过程中水会沿着有机物质的周围分开。熔剂和/或酸性化学清洗剂可清除油迹和油脂。
　　12、残余粘合剂
　　撕掉胶带和保护纸时，粘合剂总有一部分残留在不锈钢表面。如果粘全剂还没硬，可以用有机熔剂去除。但是，当曝露在光和/或空气中时，粘全剂变硬，形成缝隙腐蚀的腐蚀源。然后需要用细磨料进行机械清理。
　　13、油漆、粉笔和标记笔印
　　这些污染物的影响与油和油脂的影响相似。建议用干净的刷子和干净的水或碱性清洗剂进行洗涤，也可以使用高压水或蒸汽冲洗。
　　在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的mo、ti、nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。炉外精炼技术（aod或vod）的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。

十五、不锈钢和碳钢的物理性能数据对比

　　碳钢的密度略高于铁素体和马氏体型不锈钢，而略低于奥氏体型不锈钢；电阻率按碳钢、铁素体型、马氏体型和奥氏体型不锈钢排序递增；线膨胀系数大小的排序也类似，奥氏体型不锈钢Zui高而碳钢Zui小；碳钢、铁素体型和马氏体型不锈钢有磁性，奥氏体型不锈钢无磁性，但其冷加工硬化生成成氏体相变时将会产生磁性，可用热处理方法来消除这种马氏体组织而恢复其无磁性。
　　奥氏体型不锈钢与碳钢相比，具有下列特点：
　　1）高的电阻率，约为碳钢的5倍。
　　2）大的线膨胀系数，比碳钢大40％，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。
　　3）低的热导率，约为碳钢的1/3。

 

十六、不锈钢的力学性

　　不论不锈钢板还是耐热钢板，奥氏体型的钢板的综合性能，既有足够的强度，又有极好的塑性同时硬度也不高，这也是它们被广泛采用的原因之一。奥氏体型不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服强度和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小。其抗拉强度在温度15~80＆#176;c范围内增长是较为均匀的。更重要的是：随着温度的降低，其冲击韧度减少缓慢，并不存在脆性转变温度。所以不锈钢在低温时能保持足够的塑性和韧性。
　　不锈钢的耐热性能
　　耐热性能是指高温下，既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同时在高温时双有足