Materialers mekaniske egenskaber
Materialers mekaniske egenskaber refererer til de mekaniske egenskaber, som materialer udviser under forskellige miljøforhold (temperatur, medium, fugtighed), når de udsættes for ydre belastninger (spænding, kompression, bøjning, vridning, stød, vekslende belastning osv.).
Styrken af rustfrit stål bestemmes af forskellige faktorer, men **den mest kritiske og fundamentale faktor ligger i de forskellige tilsatte kemiske elementer**, primært metalliske elementer. Forskellige typer rustfrit stål udviser tydelige styrkeegenskaber på grund af forskelle i deres kemiske sammensætning.
01 Strength (Trækstyrke, Yield Strength)
Martensitisk rustfrit stål
Martensitisk rustfrit stål deler den hærdende-gennem-hærdende egenskab som almindeligt legeret stål, hvilket gør det muligt at opnå en bred vifte af mekaniske egenskaber ved at vælge kvaliteter og varmebehandlingsbetingelser.
Martensitisk rustfrit stål hører i store træk til Fe-Cr-C systemet. Det kan yderligere klassificeres i martensitisk chrom rustfrit stål og martensitisk chrom-nikkel rustfrit stål. Tendenserne i styrkeændringer som følge af tilsætninger af krom, kulstof og molybdæn i martensitisk krom rustfrit stål, samt styrkeegenskaberne for nikkeltilsætninger i martensitisk krom-nikkel rustfrit stål, er beskrevet nedenfor.
I martensitisk chrom rustfrit stål under bratkølede og hærdede forhold, øger chromindholdet ferritindholdet, hvorved hårdheden og trækstyrken reduceres. For lav-carbon martensitisk krom rustfrit stål i udglødede forhold, øger kromindholdet en smule forbedrer hårdheden, mens forlængelsen reduceres en smule. Ved fast kromindhold øger et højere kulstofindhold efter-hærdende hårdhed, men reducerer plasticiteten. Molybdæntilsætninger forbedrer primært styrke, hårdhed og sekundære hærdningseffekter. Efter bratkøling ved lav temperatur bliver molybdæns virkning særligt udtalt med typisk indhold under 1 %.
I martensitisk krom-nikkel rustfrit stål reducerer et vist nikkelindhold δ-ferritindholdet, hvilket maksimerer hårdheden.
Den kemiske sammensætning af martensitisk rustfrit stål varierer typisk fra 0.1%-1.0% kulstof og 12%-27% krom, med tilsætninger af molybdæn, wolfram, vanadium og niobium. Dens kropscentrerede kubiske struktur forårsager hurtig styrkenedgang ved høje temperaturer. Men under 600°C udviser den den højeste højtemperaturstyrke og krybemodstand blandt rustfrit stål.
Ferritisk rustfrit stål
Forskning viser, at når chromindholdet er under 25%, undertrykker ferritisk struktur martensitdannelse, hvilket fører til reduceret styrke med stigende chromindhold. Over 25 % forbedrer styrken af fast opløsning en smule styrken. Højere molybdænindhold fremmer ferritdannelse og udfældning af α'-, σ- og χ-faser, hvilket øger styrken via fast opløsning. Dette øger dog også hakfølsomheden og reducerer sejheden. Molybdæn bidrager mere væsentligt til styrkeforbedring i ferritisk rustfrit stål end krom.
Ferritisk rustfrit stål indeholder typisk 11%-30% krom med tilsætning af niobium og titanium. Det har den laveste højtemperaturstyrke blandt rustfrit stål, men tilbyder den højeste modstand mod termisk træthed.
Austenitisk rustfrit stål
I austenitisk rustfrit stål øger øget kulstofindhold styrken gennem forstærkning af solid opløsning.
Austenitisk rustfrit stål er baseret på krom og nikkel med tilsætning af molybdæn, wolfram, niobium og titanium. Dens ansigtscentrerede kubiske struktur giver høj styrke og krybemodstand ved høje temperaturer. Dens større termiske udvidelseskoefficient resulterer imidlertid i dårligere termisk træthedsmodstand sammenlignet med ferritisk rustfrit stål.
Duplex Rustfrit Stål
Undersøgelser af de mekaniske egenskaber af dupleks rustfrit stål med ~25% krom viser, at øget nikkelindhold inden for α+γ dobbeltfaseområdet øger γ-faseindholdet. Når chromindholdet er 5 %, topper flydespændingen, og maksimal styrke opnås ved 10 % nikkel.
02 Krybestyrke
Krybning refererer til den tidsafhængige deformation under vedvarende stress. Ved høje temperaturer accelererer højere belastninger krybehastigheden. Omvendt, lavere temperaturer langsom krybning, med en tærskeltemperatur, under hvilken krybning bliver ubetydelig. For rent jern er denne tærskel ~330°C, mens den for rustfrit stål (på grund af forstærkningsforanstaltninger) overstiger 550°C.
Faktorer som smeltning, deoxidation, størkning, varmebehandling og forarbejdning påvirker krybeegenskaberne markant. For eksempel afslørede tests på 18-8 rustfrit stål i USA en standardafvigelse på ~11% i krybebrudtid for prøver fra den samme barre, mens prøver fra forskellige barrer viste afvigelser dobbelt så store. Tyske tests på 0Cr18Ni11Nb stål demonstrerede krybestyrker fra <49 MPa til 118 MPa over 10⁵ timer, hvilket indikerer betydelig variation.
03 Træthedsstyrke
Træthed ved høje temperaturer involverer materialefejl under cyklisk stress ved forhøjede temperaturer. Undersøgelser viser, at 10⁸-cyklus højtemperaturtræthedsstyrken er cirka halvdelen af højtemperaturtrækstyrken ved samme temperatur.
Termisk træthed opstår under opvarmning (ekspansion) og afkøling (kontraktion), hvor interne spændinger udvikler sig på grund af begrænset termisk deformation. Hurtig termisk cykling genererer stødlignende spændinger, der potentielt kan forårsage sprøde fejl (termisk stød). Mens termisk træthed involverer betydelig plastisk belastning, forårsager termisk chok primært sprøde brud.
Sammensætning og varmebehandling påvirker træthedsstyrken ved høje temperaturer. Øget kulstofindhold forbedrer især træthedsstyrken, ligesom opløsningens varmebehandlingstemperatur. Ferritisk rustfrit stål udviser generelt overlegen termisk træthedsbestandighed. Blandt austenitiske kvaliteter klarer sig højsiliciumstål med god duktilitet ved høje temperaturer bedst.
Materialer med lavere termiske udvidelseskoefficienter, mindre belastning pr. termisk cyklus, lavere deformationsmodstand og højere brudstyrke udviser længere udmattelseslevetid. For eksempel har martensitisk 1Cr17 rustfrit stål den længste udmattelseslevetid, mens austenitiske kvaliteter som 0Cr19Ni9 og 2Cr25Ni20 har den korteste. Støbegods er mere tilbøjelige til termisk træthedsfejl end smedegods.
Ved stuetemperatur er 10-cyklus udmattelsesstyrken omtrent halvdelen af trækstyrken. Træthedsstyrke viser minimal variation mellem rumtemperaturer og forhøjede temperaturer.
04 Slagsejhed
Slagsejhed refererer til den energi, der absorberes under stødbelastning. For støbt maraging rustfrit stål er stødsejheden lav ved 5 % nikkelindhold. Forøgelse af nikkel forbedrer styrke og sejhed, men værdierne falder igen over 8 % nikkel. Tilføjelse af molybdæn til martensitisk krom-nikkel rustfrit stål øger styrken uden at gå på kompromis med sejheden.
I ferritisk rustfrit stål øger et højere molybdænindhold styrken, men øger kærvfølsomheden, hvilket reducerer sejheden.
Austenitisk chrom-nikkel rustfrit stål med stabile austenitiske strukturer udviser fremragende sejhed (både ved stue- og kryogene temperaturer), hvilket gør dem velegnede til forskellige miljøer. Tilføjelse af nikkel til stabile austenitiske krom-manganstål forbedrer sejheden yderligere.
I dupleks rustfrit stål øges slagstyrken med nikkelindholdet, og stabiliseres typisk mellem 160-200 J i α+γ-dobbeltfaseområdet.