不銹鋼

科學知識 9547 608 2014-11-23

不銹鋼是在普通碳鋼的基礎上,加入一組鉻的質量分數(wCr)大於12%合金元素的鋼材,它在空氣作用下能保持金屬光澤,也就是具有不生銹的特性。這是由於在這類鋼中含有一定量的鉻合金元素,能使鋼材表面形成一層不溶解於某些介質的堅固的氧化薄膜(鈍化膜),使金屬與外界介質隔離而不發生化學作用。在這類鋼中,有些除含較多的鉻(Cr)外,還匹配加入較多的其他合金元素,如鎳(Ni),使之在空氣中、水中、蒸汽中、都具有很好的化學穩定性,而且在許多種酸、鹼、鹽的水溶液中也有足夠的穩定性,甚至在高溫或低溫環境中,仍能保持其耐腐蝕的優點。

不銹鋼是具有60年發展歷程的現代材料

自本世紀初發明不銹鋼以來,不銹鋼就把現代材料的形象和建築應用中的卓越聲譽集於一身,使其競爭對手羨慕不已。

只要鋼種選擇的正確,加工適當,保養合適,不銹鋼不會產生腐蝕、點蝕、銹蝕或磨損。不銹鋼還是建築用金屬材料中強度最高的材料之一。由於不銹鋼具有良好的耐腐蝕性,所以它能使結構部件永久地保持工程設計的完整性。含鉻不銹鋼還集機械強度和高延伸性於一身,易於部件的加工製造,可滿足建築師和結構設計人員的需要。

在建築、大樓和結構的行業中,不銹鋼成功的關鍵是其具有良好的耐腐蝕性能。

不銹鋼的分類:

「不銹鋼」一詞不僅僅是單純指一種不銹鋼,而是表示一百多種工業不銹鋼,所開發的每種不銹鋼都在其特定的應用領域具有良好的性能。根據使用的經驗來看,除機械失效外,不銹鋼的腐蝕主要表現在:不銹鋼的一種嚴重的腐蝕形式是局部腐蝕(亦即應力腐蝕開裂、點腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕)。這些局部腐蝕所導致的失效事例幾乎占失效事例的一半以上。事實上,很多失效事故是可以通過合理的選材而予以避免的。

應力腐蝕開裂(SCC):是指承受應力的合金在腐蝕性環境中由於烈紋的擴展而互生失效的一種通用術語。應力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌,但它也可能發生於韌性高的材料中。發生應力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應力(不論是殘餘應力還是外加應力,或者兩者兼而有之)和特定的腐蝕介質存在。型紋的形成和擴展大致與拉應力方向垂直。這個導致應力腐蝕開裂的應力值,要比沒有腐蝕介質存在時材料斷裂所需要的應力值小得多。在微觀上,穿過晶粒的裂紋稱為穿晶裂紋,而沿晶界擴圖的裂紋稱為沿晶裂紋,當應力腐蝕開裂擴展至其一深度時(此處,承受載荷的材料斷面上的應力達到它在空氣中的斷裂應力),則材料就按正常的裂紋(在韌性材料中,通常是通過顯微缺陷的聚合)而斷開。因此,由於應力腐蝕開裂而失效的零件的斷面,將包含有應力腐蝕開裂的特徵區域以及與已微缺陷的聚合相聯繫的「韌窩」區域。

點腐蝕:是一種導致腐蝕的局部腐蝕形式。

晶間腐蝕:晶粒間界是結晶學取向不同的晶粒間紊亂錯合的界城,因而,它們是鋼中各種溶質元素偏析或金屬化合物(如碳化物和δ相)沉澱析出的有利區城。因此,在某些腐蝕介質中,晶粒間界可能先行被腐蝕乃是不足為奇的。這種類型的腐蝕被稱為晶間腐蝕,大多數的金屬和合金在特定的腐蝕介質中都可能呈現晶間腐蝕。

縫隙腐蝕:是局部腐蝕的一種形式,它可能發全於溶液停滯的縫隙之中或屏蔽的表面內。這樣的縫隙可以在金屬與金屬或金屬與非金屬的接合處形成,例如,在與鉚釘、螺栓、墊片、閥座、鬆動的表面沉積物以及海生物相接燭之處形成。

v全面腐蝕:是用來描述在整個合金表面上以比較均勺的方式所發生的腐蝕現象的術語。當發生全面腐蝕時,村料由於腐蝕而逐漸變薄,甚至材料腐蝕失效。不銹鋼在強酸和強鹼中可能呈現全面腐蝕。全面腐蝕所引起的失效問題並不怎麼令人擔心,因為,這種腐蝕通常可以通過簡單的浸泡試驗或查閱腐蝕方面的文獻資料而預測它。

銹鋼可以按用途、化學成分及金相組織來大體分類。

以奧氏體系類的鋼由18%鉻-8%鎳為基本組成,各元素的加入量變化的不同,而開發各種用途的鋼種。

1、以化學成分分類:

1、CR系列:鐵素體系列、馬氏體系列

2、CR-NI系列:奧氏體系列,異常系列,析出硬化系列。

2、以金相組織的分類:

1、奧氏體不銹鋼

2、鐵素體不銹鋼

3、馬氏體不銹鋼

4、雙相不銹鋼

5、沉澱硬化不銹鋼

3、不銹鋼的表面類別

現在不銹鋼的發展,已使不銹鋼的耐蝕性、外觀、加工性、強度等特性遠遠超過其它材料,而且,不銹鋼的許多表面處理法,可以取得豐富多彩的顏色及形狀,這為不銹鋼的發展作出很大的貢獻。

不銹鋼製造過程中的表面處理法以及機械研磨表面處理法

4、不銹鋼的缺陷類別

不銹鋼為什麼耐腐蝕?

所有金屬都和大氣中的氧氣進行反應,在表面形成氧化膜。不幸的是,在普通碳鋼上形成的氧化鐵繼續進行氧化,使銹蝕不斷擴大,最終形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金屬(例如,鋅,鎳和鉻)進行電鍍來保證碳鋼表面,但是,正如人們所知道的那樣,這種保護僅是一種薄膜。如果保護層被破壞,下面的鋼便開始銹蝕。

不銹鋼的耐腐蝕性取決於鉻,但是因為鉻是鋼的組成部分之一,所以保護方法不盡相同。

在鉻的添加量達到10、5%時,鋼的耐大氣腐蝕性能顯著增加,但鉻含量更高時,儘管仍可提高耐腐蝕性,但不明顯。原因是用鉻對鋼進行合金化處理時,把表面氧化物的類型改變成了類似於純鉻金屬上形成的表面氧化物。這種緊密粘附的富鉻氧化物保護表面,防止進一步地氧化。這種氧化層極薄,透過它可以看到鋼表面的自然光澤,使不銹鋼具有獨特的表面。而且,如果損壞了表層,所暴露出的鋼表面會和大氣反應進行自我修理,重新形成這種鈍化膜,繼續起保護作用。

因此,所有的不銹鋼都具有一種共同的特性,即鉻含量均在10、5%以上。

維修及清理

和其它曝露於大氣中的材料一樣,不銹鋼也會髒。今後的講座將分析影響維修及清理成本的設計因素。但是,在雨水沖刷,人工沖洗和已髒表面之間還存在著一種相互關係。

通過把相同的板條直接放在大氣中和放在有棚的地方確定了雨水沖刷的效果。人工沖洗的效果是通過人工用海綿沾上肥皂水每隔六個月擦洗每塊板條的右邊來確定的。結果發現,與放在有棚的地方和不被沖洗的地方的板條相比,通過雨水沖刷和人工擦洗去除表面的灰塵和淤積對表面情況有良好的作用。而且還發現,表面加工的狀況也有影響,表面平滑的板條比表面粗糙的板條效果要好。

因此洗刷的間隔時間受多種因素影響,主要的影響因素是所要求的審美標準。雖然許多不銹鋼幕牆僅僅是在擦玻璃時才進行沖洗,但是,一般來講,用於外部的不銹鋼每年洗刷兩次。

典型用途

大多數的使用要求是長期保持建築物的原有外貌。在確定要選用的不銹鋼類型時,主要考慮的是所要求的審美標準、所在地大氣的腐蝕性以及要採用的清理制度。

然而,其它應用越來越多的只是尋求結構的完整性或不透水性。例如,工業建築的屋頂和側牆。在這些應用中,物主的建造成本可能比審美更為重要,表面不很乾淨也可以。

在乾燥的室內環境中使用430不銹鋼效果相當好。但是,在鄉村和城市要想在戶外保持其外觀,就需經常進行清洗。在污染嚴重的工業區和沿海地區,表面會非常髒,甚至產生銹蝕。但要獲得戶外環境中的審美效果,就需採用含鎳不銹鋼。所以,304不銹鋼廣泛用於幕牆、側牆、屋頂及其它建築用途,但在侵蝕性嚴重的工業或海洋大氣中,最好採用316不銹鋼。

現在,人們已充分認識到了在結構應用中使用不銹鋼的優越性。有幾種設計準則中包括了304和316不銹鋼。因為雙相不銹鋼2205已把良好的耐大氣腐蝕性能和高抗拉強度及彈限強度融為一體,所以,歐洲準則中也包括了這種鋼。

產品形狀

實際上,不銹鋼是以全標準的金屬形狀和尺寸生產製造的,而且還有許多特殊形狀。最常用的產品是用薄板和帶鋼製成的,

也用中厚板生產特殊產品,例如,生產熱軋結構型鋼和擠壓結構型鋼。而且還有圓型、橢圓型、方型、矩型和六角型焊管或無縫鋼管及其它形式的產品,包括型材、棒材、線材和鑄件。

不銹鋼的未來展望:

由於不銹鋼已具備建築材料所要求的許多理想性能,它在金屬中可以說是獨一無二的,而其發展仍在繼續。為使不銹鋼在傳統的應用中性能更好,一直在改進現有的類型,而且,為了滿足高級建築應用的嚴格要求,正在開發新的不銹鋼。由於生產效率不斷提高,質量不斷改進,不銹鋼已成為建築師們選擇的最具有成本效益的材料之一。

不銹鋼集性能、外觀和使用特性於一身,所以不銹鋼仍將是世界上最佳的建築材料之一。



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