生产材料的目的就是为了应用。材料的消费,带动了整个材料的循环和流动,也是整个材料循环和流动的推动力。不锈钢是一种非常优秀的金属材料,材料的选用原则和方法都适用于不锈钢,当然不锈钢的选用也有自己的独特性。


  为了某一个特定的用途,选择最经济又适用的不锈钢可以说是既简单、又复杂和谨慎的事情;这是由于不锈钢一方面具有比其他金属材料更优越的使用性能,可以适应大多数用途;另一方面,所使用的环境和场合对其要求都是极为严格的,严格到极为苛刻的程度。所以了解掌握不锈钢的性能(使用性能和工艺性能)就显得十分重要和非常必要。


  从根本上来说,为某一用途选用的不锈钢必须是,从性能上考虑,能满足预定用途要求;从经济和工艺上考虑,能较为经济地加工制成所需的制品;从来源上考虑,市场上有所需要的现成的不锈钢。这就是不锈钢选用的“三原则”。


不锈钢选用要运用本书前几章所介绍的相关内容,有一个较为良好的理论基础和选择依据。在此基础上,再谈正确、合理选择不锈钢。本章将就如何正确选用不锈钢的相关事宜作一介绍。


对不锈钢部件或设备所用材料的合理选择,必须掌握不锈钢使用条件和相关知识,否则谈不锈钢选择就没有条件和依据了,也就无意义了。



一、详尽地了解和掌握不锈钢的使用条件


 1. 对不锈钢零部件或设备的使用条件必须是非常熟悉和了解


   不锈钢零部件或设备的使用条件,包括腐蚀介质成分、温度、压力、受力状态、对磁性的限制、预期寿命、是否遭受中子辐照等,这些都直接影响着不锈钢零部件或设备的使用安全和使用寿命。这样一来,充分了解不锈钢零部件或设备的使用环境和条件,就成为合理选择不锈钢的首要条件。


 2. 深入了解并掌握各种不锈钢的性能和相关数据


   应根据不锈钢零部件或设备的工作条件选择不锈钢材料,选材者应对各类不锈钢性能、限制其使用的环境因素,是否易于购得到所需钢种及其加工成零部件、设备的难易程度等,要有较全面的了解。只有如此,方能有针对性地进行选择。另外,不锈钢品种繁多,每种不锈钢都有自己独特的性能和使用条件。熟悉、了解不锈钢的性能和使用条件,是正确选用不锈钢的基础。


 3. 了解一些工程实例中不锈钢的实际使用经验


   了解并掌握同行、同类型使用条件下的不锈钢材料实际使用经验和使用效果,是合理选材不走弯路的重要依据,应予以特别重视,也是正确合理选用不锈钢的一种捷径。


 4. 模拟试验数据


   不锈钢在大多数使用环境下,一般都没有实际使用的相关技术资料、数据和经验,实验室内的模拟试验数据或使用现场挂片试验数据,往往就成为合理选用不锈钢材料的最为关键数据和依据,对此选材者也应给予关注和重视。



二、正确合理选择不锈钢的相关知识


   不锈钢的主要特性,也就是其主要功能,在GB/T 20878-2007不锈钢的定义中有明确的表述,那就是“不锈、耐腐蚀”;当然还应包括力学性能(强度)、耐热性能、低温性能和加工性能等。


   前面的章节已介绍过了不锈钢的物理性能、力学性能、耐腐蚀性、耐热性能、低温性能和工艺性能等。不锈钢材料的使用条件包括温度、腐蚀介质成分、受力状态、预期使用寿命等。材料因素和使用条件是不锈钢选用时必须认真考虑的两大决定因素,但要使所选用不锈钢的性能与使用条件两大因素完全相符合,那只有专用、专供了,那是不现实的,也是没有必要的。


  在表6-1中列出了材料的性能和功能要求。


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 1. 不锈钢性能


   前面章节已介绍过,不锈钢的性能包括有物理性能、力学性能、耐蚀性和工艺性能,这些性能是由材料的本身所决定的,是不锈钢的内在性能。内在性能决定了一种材料的应用范围;内在性能不外乎化学成分、结构和组织。超出内在性能允许使用范围就会造成材料的失效,造成经济损失和安全事故。


  a. 物理性能


   钢的弹性模量、热膨胀系数、磁性、热导率等物理性能,在某些应用场合成为不可忽视的选择依据,如要求无磁性,仅限于奥氏体不锈钢。对于制造容器、塔、槽等设备衬里的不锈钢,钢的热膨胀系数就十分重要;对于制造热交换器的不锈钢,热膨胀系数和热导率就成为选择的重要条件,尤其是在与异种钢焊接时其热膨胀系数就更加重要。


  b. 力学性能


   力学性能包括强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和断裂力学性能。这些性能是作为结构材料选择时必须考虑的因素,也可以认为是合理选择不锈钢的基础。


   不锈钢的力学性能受测定条件的强烈影响,如温度、介质的腐蚀程度、中子辐照等都将使在常规条件下所得到的数值显著下降,因此在使用常规数据时应考虑性能指标的变化。


   在特定的使用条件下,常常是某一力学性能指标起主导作用,如量具、刀具、医疗器械等,需优先考虑钢的硬度。在交变载荷作用下,钢的疲劳性能就成为主要选材依据,在承受冲击载荷或在低温下使用,钢的韧性和脆性转变温度是合理选择材料的最关键指标。


   ①. 强度:这一术语包括有多个力学性能,是指在外力作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。


      常用的强度指标有抗拉强度、屈服强度和规定非比例延伸强度。可以利用应力-应变曲线来理解它们。其他相关的强度包括压缩、弯曲、剪切和扭转强度。选材时,最好使用高强度的材料以减少零部件的截面尺寸(厚度或宽度)进而减少材料重量,达到降低材料成本的目的。


  ②. 韧性:材料的韧性是材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。因此,韧性是强度和塑性的综合表现;强度是材料抵抗变形和断裂的能力,而塑性则表示断裂时总的变形程度。一般用材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的多少,来表示韧性的高低;与此相对应地用材料在弹性变形过程中吸收能量的多少,来表示弹性的高低。


      材料的强度、塑性和韧性分别对应于应力、应变和应变能,它们的临界条件是断裂时,则分别是断裂应力、断裂应变和断裂吸收的能量。因此,韧性是强度和塑性的综合表现。


      脆性是韧性的反义词,减少脆性,自然可以提高韧性。


      由于生产的需要,材料工作者对材料(特别是钢材)因各种组织结构或环境引起的脆性进行了大量的研究,对于这些脆性的表现规律、形成机理和抑制措施积累了不少有用的知识。善于应用这些知识,对材料韧化是有益的。


  c. 耐腐蚀性能


   耐腐蚀性能是指耐大气腐蚀性能、耐酸腐蚀性能、耐孔蚀和耐应力腐蚀裂纹等;耐蚀性包括不锈性和在酸、碱、盐等腐蚀介质中的耐均匀腐蚀和耐局部腐蚀性能以及在高温下耐氧化、抗硫化、氯化和氟化的性能。


   作为耐蚀结构材料,耐蚀性是判定是否选用的重要指标,如果钢的耐蚀性不能满足使用要求,无论其他性能如何优越,也不能予以考虑。


   究竟选用哪种耐蚀等级的牌号,要考虑设备制造的难易程度、维修是否方便、预期使用寿命、由此设备所生产的产品质量要求(杂质、颜色、纯度)以及价格等诸多因素。通常,对使用过程中要求与环境介质接触的部分具有光洁镜面或尺寸精密的仪表以及对腐蚀产物污染有严格限制的设备和部件,可选择具有1~3级耐蚀标准的牌号;对要求密切配合,长期不漏和使用寿命长的使用条件,可选用2~5级耐蚀性的材料:对于检修方便易于更换的设备和部件可选用具有4~7级的耐蚀材料。对于年腐蚀率超过1mm的材料,除特殊情况外,应不予以选用。必须强调的是在实际运行中,往往不是单一的均匀腐蚀,可能会存在应力腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳等腐蚀形式出现,在腐蚀介质条件不能改变或无法加以控制的条件下,在选择材料时应一并考虑。


   在仅仅是均匀腐蚀的环境下,目前可以遵循的是耐蚀性的10级标准,见表1-1。


  d. 耐热性能


   耐热性能是指高温强度、高温氧化、硫化。


  e. 低温性能


   低温性能是指低温强度和韧性。


  f. 工艺性能


   工艺性能是指热加工性能(铸造、锻造等)、冷成形性能(冷轧、冷深冲、冷胀形、冷弯曲等)焊接性能和机加工性能等。其中不锈钢的焊接性能、冷成形性能的是最为常用的工艺性能。如容器、结构件的焊接,用不锈钢薄板深拉成形是极为常见的加工工艺。


 2. 使用条件


   不锈钢零部件和设备的工作条件,即使用条件,它包括腐蚀介质成分、受力状态、环境温度、对磁性的限制、是否承受中子辐照等,工作条件构成了合理选择不锈钢的外在因素,所选用的不锈钢必须与外界条件相适应,也就是所选择的不锈钢钢种要满足使用条件的要求。


   选用不锈钢的性能与其使用条件本应该是对应的关系,但是要做到真正地一一对应是十分困难的,如要做到不锈钢性能与外界相适应则是可能的,所以才有不锈钢选用这一问题的提出。不锈钢性能与外界相适应有两种可能,不锈钢适应环境,或是环境适应不锈钢,这需要具体问题具体分析。如不锈钢适应高腐蚀环境,可选用高一级的耐腐蚀不锈钢来适应高腐蚀环境,这会牺牲一些耐腐蚀性能。但只有如此,方可保证不锈钢在高腐蚀环境中的正常使用。