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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流不锈钢与碳钢设计规则.精品文档.设计规则 为什么不锈钢不能沿用碳素结构钢的设计规则？ 碳钢的设计规则不能用于不锈钢是因为碳钢与不锈钢之间有着根本的区别： 1不锈钢没有屈服点，通常以0.2来表示该屈服应力被认为是当量值。 2应力应变曲线形状不同，不锈钢的弹性极限大约是屈服应力的50，就标准中所规定的最小值而论，该屈服应力值低于中碳钢的屈服应力值。 3冷加工时不锈钢产生加工硬化，例如，弯曲时具有各向异性，即：横向和纵向性能不同。 可以利用由冷加工而增高的强度，不过如果与总面积相比弯曲面积较小而忽略不计这种增加时，强度增高可以在一定程度上提高安全系
2、数。 基本设计程序 不锈钢的设计程序大体上是从现适用于结构工程设计的各个方面的原则派生出来的。 但是由于通常使用的不锈钢是薄规格型钢，所以，它的设计过程比碳钢薄规格材料复杂得多。 重要的是确定不锈钢的最终用途，因为在许多应用中不锈钢不仅作为结构件而且要起到美观的作用。 为了防止构件受力部分出现局部弯曲和变形，关键的因素是材料的宽度和厚度之比的极限值。 还有一点也很重要，值得一提，即：材料标准规定了0.2的最小值，对于建筑物所用的奥氏体不锈钢，该值大约是240Nmm2，但是，材料的特征强度一般要比该值高出15，设计人员应将这一强度系数考虑在内。 设计依据 1不锈钢和碳结钢之比较 首先，看一下普通
3、碳结钢与不锈钢之间的主要区别。 2应力应变曲线图 碳钢的应力应变曲线的线性部分实际上是一条直达屈服点的直线，而不锈钢的线性区大约是0.2的50。 当应力级在非弹性区时，用于结构设计中的弯曲设计理论和虎克定律，即：应力与应变成比例，不真正适用于不锈钢。 因此，在应力级较低的情况下，对不锈钢构件结构进行设计比较简单，但是在应力级较高的情况下，需要查阅变形和局部弯曲的标准。 3张力 在现代结构法规中，拉伸应力加上载荷系数与毛断面的材料的屈服应力联系在一起，抗拉极限强度与屈服应力的比值用于校 验净截面。 不锈钢的抗拉极限强度与屈服应力之比为24，而碳钢中该范围是1621。 拉伸构件需要对其强度进行两项
4、检查： 毛断面的屈服应力 净有效断面的拉伸极限强度（最大 12） 4压力 压力取决于屈服应力和模数，因为受压杆件的破坏通常是由于挠曲引起的，而挠曲本身又与刚度有关。因此，用减小E值来增大所能承受的力是很有必要的。因为这表明在细长比一定的条件下，不锈钢构件的纵向弯曲力低于相同的碳钢结构件。 细长比较低时，两种材料一样。 细长比较高时，应力低，强度类似，但细长比在80120的中间值范围内，不锈钢的纵向弯曲力较低。 5弯曲 在没有纵向弯曲情况下，弯曲应力一般与屈服应力有关。各种规则即使是含有弹性设计的规则，都认识到了形状系数的重要性。形状系数把梁的塑性力矩值增加到远远高于开始屈服时能力的值。 但是，
5、不锈钢应变硬化在开始屈服后立即开始，因此，外纤维增加而内纤维仍在弹性区内变形。所以，由于应变硬化，不锈钢能够具有较高的弯曲能力。 不过在EUROCODE3第14节中没有提供塑性分析的内容。 6剪力和压力 它们与刚度无关，而是直接关系到屈服应力和极限应力。应变硬化可以提高安全裕度。 7.纵横向性能 在英国的研究中，材料检验的结果普遍表明纵横性能差不超过75。 美国的结构分析和设计 新版ANSIASCE标准利用许用载荷和力距替代了许用应力。 因此，安全载荷的计算方法是在为所使用的构件和连接件计算得出的最大强度、纵向弯曲力或屈服力加上一个安全系数。大多数条款中还使用了无因次方程，从而可以方便地使用任
6、何单位进行设计，同时还简化了载荷和抗力设计格式的转换。 有关结构不锈钢的设计 1冷成型结构件技术规格，参见ANSIASCE8-90，可以向ASCE索取。 2. EUROINOX（欧洲不锈钢）协会的结构不锈钢设计手册。不锈钢的性能与组织目前已知的化学元素有100多种，在工业中常用的钢铁材料中可以遇到的化学元素约二十多种。对于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践而形成的不锈钢这一特殊钢系列来说，最常用的元素有十几种，除了组成钢的基本元素铁以外，对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是：碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外，都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。
7、实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的，当几种元素共存于不锈钢这一个统一体中时，它们的影响要比单独存在时复杂得多，因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用，而且要注意它们互相之间的影响，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。 1各种元素对不锈钢的性能和组织的影响和作用 1-1.铬在不锈钢中的决定作用 决定不锈钢性属的元素只有一种，这就是铬，每种不锈钢都含有一定数量的铬。迄今为止，还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素，根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后，促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以下方面得到说明：铬使铁基
8、固溶体的电极电位提高铬吸收铁的电子使铁钝化钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属与合金钝化的理论很多，主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。 1-2. 碳在不锈钢中的两重性 碳是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。 认识了这一影响的规律，我们就可以从不同的使
9、用要求出发，选择不同含碳量的不锈钢。 例如工业中应用最广泛的，也是最起码的不锈钢0Crl34Cr13这五个钢号的标准含铬量规定为1214，就是把碳要与铬形成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的，目的即在于使碳与铬结合成碳化铬以后，固溶体中的含铬量不致低于11.7这一最低限度的含铬量。 就这五个钢号来说由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有区别的，0Cr132Crl3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3Crl3和4Cr13钢，多用于制造结构零件，后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服188铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03以下，或者加
10、入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时，我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾定的耐腐蚀功能，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢，含碳量虽高达0.850.95，由于它们的含铬量也相应地提高了，所以仍保证了耐腐蚀的要求。 总的来讲，目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.10.4之间，耐酸钢则以含碳0.10.2的居多。含碳量大于0.4的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低
11、的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。 1-3. 镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的 镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体的元素，但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量要达到24；而只有含镍27时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。 基于上面的情况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。 1-4. 锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍 铬镍奥氏体钢的优点虽然很多，但近几十年
12、来由于镍基耐热合金与含镍20以下的热强钢的大量发展与应用，以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大，而镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区，因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。所以在不锈钢与许多其他合金领域（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中，特别是镍 的资源比较缺乏的国家，广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践，在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。 锰对于奥氏体的作用与镍相似。但说得确切一些，锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。在提
13、高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的 含锰量从0到104%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。 锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一，即2的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。 1-5
14、.不锈钢中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀。 1-6.钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能。 1-7.其他元素对不锈钢的性能和组织的影响 以上主要的九种元素对不锈钢的性能和组织的影响，除这些元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外，不锈钢中还含有一些其他的元素。有的是和一般钢一样为常存杂质元素，如硅、硫、磷等也有的是为了某些特定的目的而加入的，如钴、硼、硒、稀土元素等。从不锈钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说，这些元素相对于已讨论的九种元素，都是非主要方面的，虽然如此，但也不能完全忽略，因为它们对不锈钢的性能与组织同样也发生影响。 硅是形成铁素体的元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。 钴作为合金元素在钢
15、中应用不多，这是因为钴的价格高及其在其它方面（如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等）有着更重要的用途。在一般不锈钢中加钴作合金元素的也不多，常用不锈钢如9Crl7MoVCo钢（含1.2-1.8钴）加钴，目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度，因为这种不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。 硼高铬铁素体不锈钢Crl7Mo2Ti钢中加0005硼，可使在沸腾的65醋酸中的耐腐蚀性能提高。加微量的硼（0.00060.0007）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善。少量的硼由于形成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大，但含有较多的硼（0506）时，反而可防止热裂纹
16、的产生。因为当含有0506的硼时，形成奥氏体硼化物两相组织，使焊缝的熔点降低。熔池的凝固温度低于半溶化区时，母材在冷却时产生的张应力，由处于液态固态的焊缝金属承受，此时是不致引起裂缝的，即使在近缝区形成了裂纹，也可以为处于液态固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。 磷在一般不锈钢中都是杂质元素，但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显著，故含量可允许高一些，如有的资料提出可达006，以利于冶炼控制。个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达006（如2Crl3NiMn9钢）以至0.08（如Cr14Mnl4Ni钢）。利用磷对钢的强化作用，也有加磷作为时效硬化不锈
17、钢的合金元素，PH1710P钢(含025磷)乃PHHNM钢（含030磷）等。 硫和硒在一般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0204的硫，可提高不锈钢的切削性能，硒也具有同样的作用。硫和硒提高不锈钢的切削性能，是因为它们降低不锈钢的韧性，例如一般188铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含031硫的188钢（0084C、1815Cr、925Ni）的冲击值为18公斤/平方厘米；含0。22硒的188钢（0094C、184Cr、9Ni）的冲击值为324公斤/平方厘米。硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能，所以实际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。 稀土元素稀土元素应用于不锈钢，目前主要在于改
18、善工艺性能方面。如向Crl7Ti钢和Cr17Mo2Ti钢中加少量的稀土元素，可以消除钢锭中因氢气引起的气泡和减少钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体铁素体不锈钢中加00205的稀土元素（铈镧合金），可显著改善锻造性能。曾有一种含195%铬、23镍以及钼铜锰的奥氏体钢，由于热加工工艺性能在过去只能生产铸件，加稀土元素后则可轧制成各种型材。 2按金相组织对不锈钢的分类及各类不锈钢的一般特点 按化学成分（主要是含铬量）及用途，不锈钢分为不锈与耐酸两大类。工业上还按自高温（900-1100度）加热空气冷却后钢的基体组织的类型对不锈钢进行分类，这是基于我们上面所讨论的碳及合金元素对不锈钢组织影响的特点决定的。
19、工业上应用的不锈钢按金相组织可分为三大类：铁素体不锈钢，马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢。可以把这三类不锈钢的特点归纳(如下表)，但需要说明的是马氏体不锈钢并不是都不可焊接，只是受某些条件的限制，如焊前应预热焊后应作高温回火等，而使焊接工艺比较复杂。实际生产中一些马氏体不锈钢如1Cr13,2Cr13以及2Cr13与45钢焊接还是比较多的。 不锈钢的分类、主要成分及性能比较 分类 大概成分 （%） 淬火性 耐蚀性 加工性 可焊接性 磁性 C Cr Ni 铁素体系 035以下 16-27 - 无 佳 尚佳 尚可 有 马氏体系 120以下 11-15 - 自硬性 可 可 不可 有 奥氏体系 025以下 1
20、6以上 7以上 无 优 优 优 无 以上分类仅是按钢的基体组织分的，由于钢中稳定奥氏体及形成铁素体的元素的作用不能互相平衡，以及由于大量的铬使平衡图S点左移，工业中应用的不锈钢的组织除了上面讲的三种基本类型以外，还有马氏体铁素体，奥氏体铁素体，奥氏体马氏体等过渡型的复相不锈钢，以及具有马氏体碳化物组织的不锈钢。 2-1.铁素体钢 含铬大于14的低碳铬不锈钢，含铬大干27的任何含碳量的铬不锈钢，以及在上述成分基础上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、钨、钒等元素的不锈钢，化学成分中形成铁素体的元素占绝对优势，基体组织为铁素。这类钢在淬火（固溶）状态下的组织为铁素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化
21、物及金属间化合物。 属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。 2-2.铁素休马氏体钢 这类钢在高温时为y+a（或）两相状态，快冷时发生y-M转变，铁素体仍被保留，常温组织为马氏体和铁素体,由于成分及加热温度的不同，组织中的铁素体量可在百分之几至几十的范围内变化。0Crl3钢，lCrl3钢，铬偏上限而碳偏下限的2Cr13钢，Cr17Ni2钢，Cr17wn4钢，以及在ICrl3钢基础上发展起来的许多改型12铬热强钢（这类钢也叫做
22、耐热不锈钢）中的许多钢号，如Cr11MoV，Cr12WMoV，Crl2W4MoV，18Crl2WMoVNb等均属干这一类。 铁素体马氏体钢可以部分地接受淬火强化，故可获得较高的机械性能。但它们的机械性能与工艺性能在很大程度上受组织中铁素体的含量及分布形态的影响。这类钢按成分中的含铬量分属1214与1518两个系列。前者具有抵抗大气及弱腐蚀性介质的能力，并且具有良好的减震性及较小的线膨胀系数；后者的耐腐蚀性能与相同含铬量的铁素体耐酸钢相当，但在一定程度上也保留着高铬铁素体钢的某些缺点。 2-3.马氏体钢 这类钢在正常淬火温度下处在y相区，但它们的y相仅在高温时稳定，M点一般在3OO左右，故冷却时
23、转变为马氏体。 这类钢包括2Cr13,2Cr13Ni2,3Cr13以及部分改型12铬热强钢，如13Cr14NiWVBA，Cr11Ni2MoWVB钢等。马氏体不锈钢的机械性能、耐腐蚀性能、工艺性能与物理性能，均和含铬1214的铁素体-马氏体不锈钢相近。由于组织中没有游离的铁素体，机械性能比上述钢要高，但热处理时的过热敏感性较低。 2-4.马氏体碳化物钢 FeC合金的并析点的含碳为0.83，在不锈钢中由于铬使S点左移，含12铬和大于0.4碳的钢（图11-3），以及含18铬和大于0.3碳的钢（图卜）3）均属于过共析钢。这类钢在正常淬火温度加热，次生碳化物不能完全溶于奥氏体，因此淬火后的组织为马氏体和
24、碳化物组成。 属于这一类的不锈钢牌号不多，却是一些含碳比较高的不锈钢，如4Crl3、9Cr18、9Crl8MoV 、9Crl7MoVCo钢等，含碳量偏上限的3Crl3钢在较低的温度下淬火，也可能出现这样的组织。由于含碳量高,上述9Cr18等三个钢号中虽含有较多的铬，但其耐腐蚀性能仅与含1214锗的不锈钢相当。这类钢的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、轴承、弹簧及医疗器械等。 2-5.奥氏体钢 这类钢含有较多扩大y区和稳定奥氏体的元素，在高温时为均为y相，冷却时由于Ms点在室温以下，所以在常温下具有奥氏体组织。 18-8， 1812、25-20、20-25Mo等铬镍不锈钢，以锰代替部分
25、镍并加氮的低镍不锈钢如Cr18Mnl0Ni5,Cr13Ni4Mn9,Cr17Ni4Mn9N,Cr14Ni3Mnl4Ti钢等均属于这一类。 奥氏体不锈钢具有前已述及的许多优点，虽然机械性能也比较低，和铁素体不锈钢样不能热处理强化，但可以通过冷加工变形的方法，利用加工硬化作用提高它们的强度。 这类钢的缺点是对晶间腐蚀及应力腐蚀比较敏感，需通过适当地合金添加剂及工艺措施消除。-6.奥氏体铁素体钢 这类钢因扩大y区和稳定奥氏体元素的作用程度，不足以使钢在常温或很高的温度下具有纯奥氏体组织，因此为奥氏体铁素体复相状态，其铁素体量也因成分及加热温度不同而可在较大的范围内变化。 属于这一类的不锈钢很多，如低
26、碳的188铬镍钢，加钛、铌、钼的188铬镍钢，特别是在铸钢的组织中均可见到铁素体，此外含铬大于1415而碳低于02的铬锰不锈钢（如Cr17Mnll），以及目前研究的和已获得应用的大多数铬锰氮不锈钢等。与纯奥氏体不锈钢比较，这类钢的优点很多，如屈服强度较高，抗晶间腐蚀的能力较高，应力腐蚀的敏感性低，焊接时产生热裂纹的倾向小，铸造流动性好等等。缺点是压力加工性能较差，点腐蚀倾向较大，易产生c相脆性，在强磁场作用下表现出弱磁性等。所有这些优点和缺点均来源于组织中的铁素体。 2-7.奥氏钵马氏体钢 这类钢的Ms点低于室温，固溶处理以后为奥氏体组织，易于成形和焊接。通常可用两种工艺方法使之发生马氏体转变
27、。一是固溶处理以后经700800度加热，奥氏体因析出碳化铬而转变为介稳定状态，Ms点升高至室温以上，冷却时转变为马氏体；二是固溶处理以后直接冷却至Ms与Mf点之间，使奥氏体转变为马氏体。后一方法可获得较高的耐腐蚀性能，但固溶处理以后至深冷的间隔时间不宜过久，否则会因奥氏体的陈化稳定作用而使深冷的强化效应降低。经上述处理以后钢再经400500度时效，使析出金属间化合物进步强化。这类钢的典型钢号有17Cr一7Ni一A1、15Cr9NiA1,17Cr5NiMo、15Cr-8NiMo一A1等等。这类钢也称为奥氏体马氏体时效不锈钢，并因为实际上这些钢的组织中除奥氏体和马氏体以外，还存在不同数量的铁素体，故也称为半奥氏体沉淀硬化不锈钢。 这类钢是50年代后期发展和应用的新型不锈钢，它们总的特点是强度高（C可达100一150）及热强性好，但由于含铬量较低并在热处理时有碳化铬析出，因此耐腐蚀性能比标准的奥氏体不锈钢要低一些。也可以说这类钢的高强度是在牺牲一部分耐腐蚀性能与其他性能（如非磁性）的情况下获得的，目前这类钢主要用于航空工业及火箭导弹生产方面，一般机械制造中应用尚不普遍，并且在分类上也有把它们纳为超高强度钢的一个系列。