不銹鋼316L(UNS S31603)的特性及焊接

316L(UNS S31603)是以鉬為基礎(chǔ)的奧氏體不銹鋼， 這個(gè)不銹鋼與常規(guī)的鉻-鎳奧氏體如304 合金相比，具有更好的抗一般腐蝕及點(diǎn)腐蝕、 裂隙腐蝕性。這些合金具有更高的延展性、抗應(yīng)力腐蝕性能、耐壓強(qiáng)度及耐高溫性能。

一般屬性

316(UNS S31600), 316L(S31603), 317L(S31703) 是以鉬為基礎(chǔ)的奧氏體不銹鋼, 與常規(guī)的鉻-鎳奧氏體如304 合金相比，具有更好的抗一般腐蝕及點(diǎn)腐蝕、 裂隙腐蝕性。這些合金具有更高的延展性、抗應(yīng)力腐蝕性能、耐壓強(qiáng)度及耐高溫性能。在要求更佳抗一般腐蝕和點(diǎn)腐蝕性能的應(yīng)用中，317L比316或316L更受歡迎，因?yàn)?/span>317L含鉬量達(dá)3-4％，316和316L的含鉬量只有2-3％。316 合金和316L 和317L銅-鎳-鉬合金還具有奧氏體不銹鋼的典型特征，即良好的加工性及成形性。

耐腐蝕

一般腐蝕

和18-8不銹鋼相比，316，316L和317L在大氣環(huán)境下和其他溫和環(huán)境下具有更佳的耐腐蝕性。一般來(lái)說(shuō)，不腐蝕18-8不銹鋼的媒介，都不會(huì)腐蝕含鉬的等級(jí)。一例外的是高氧化性酸，如硝酸，含鉬的不銹鋼對(duì)這種酸的耐腐蝕性較弱。在硫酸溶液中，316和317L比其他鉻-鎳類型的等級(jí)具有更良好的耐腐蝕性。在溫度高達(dá)120°F（38°C）的條件下，這兩個(gè)等級(jí)對(duì)高濃度溶液都有良好的耐腐蝕性。當(dāng)然，使用期間的測(cè)試是不可少的，因?yàn)樽鳂I(yè)條件和酸性污染物可能嚴(yán)重影響腐蝕速率。濃縮含硫氣體時(shí)，這兩種等級(jí)比其他類型的不銹鋼具有更好的耐腐蝕性。然而，在這樣的應(yīng)用中，酸濃度對(duì)腐蝕速率的影響相當(dāng)大，這一因素要慎重考慮。含鉬不銹鋼316和317L，對(duì)其他各種環(huán)境都有一定的耐腐蝕性。以下的腐蝕數(shù)據(jù)表明，這些合金在沸騰的20%磷酸溶液中，表現(xiàn)出*的耐腐蝕性。它們也被廣泛應(yīng)用于處理熱有機(jī)酸和脂肪酸。食物，醫(yī)藥產(chǎn)品的制造和處理，通常用到含鉬的不銹鋼，因?yàn)橐M量減少金屬污染。一般來(lái)說(shuō)，在相同的環(huán)境條件下，316，316L可以看成和317L的性能相當(dāng)。但是在可以引起焊接，熱影響區(qū)晶間腐蝕的環(huán)境下，例外。在這樣的媒介，316L和317L更常被選用，因?yàn)楹剂康?，可以提高耐晶間腐蝕性。

點(diǎn)腐蝕/隙腐蝕

鉻，鉬，氮含量增加，可以提高奧氏體不銹鋼在氯化物或其他鹵素離子環(huán)境下的耐點(diǎn)腐蝕/隙腐蝕性。點(diǎn)腐蝕通過(guò)PREN（點(diǎn)蝕當(dāng)量）來(lái)計(jì)算，PRE = Cr+3.3Mo+16N。316，316L的PREN=24.2， 304的PREN=19.0, 這就反映了316（或316L）耐點(diǎn)腐蝕性比304好。317L，鉬含量達(dá)31%，PREN=29.7，說(shuō)明比316耐點(diǎn)腐蝕性更好。304不銹鋼在含100ppm 氯化物的水環(huán)境下，具有耐點(diǎn)腐蝕和耐隙腐蝕性。含鉬的316和317L，分別在含2000ppm和5000ppm氯化物的水環(huán)境下，具有耐點(diǎn)腐蝕和耐隙腐蝕性。盡管這兩種合金在海水環(huán)境下（氯化物含量19000ppm）使用取得一定成效，但是不建議這樣使用。2507合金，鉬含量4%，鉻含量25%，鎳含量7%是專門用于咸水環(huán)境的。316，317L只適用某些海洋環(huán)境的應(yīng)用，如船只導(dǎo)軌，海洋附近建筑物外墻等。316，317L合金在100小時(shí)5%鹽霧測(cè)試中，都沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕（ASTM B117）粒間腐蝕316，317L合金暴露在800°F至 1500°F (427°C至 816°C)溫度下，可能引起碳化鉻在晶界沉淀。這類不銹鋼暴露在苛刻環(huán)境下，容易形成粒間腐蝕。但是短暫暴露的時(shí)候，如焊接時(shí)， 317L由于較高的鉻，鉬含量，比316更能抵御粒間腐蝕。當(dāng)焊接厚度超過(guò)11.1mm時(shí)，即使是317L合金，也需要做退火處理才行。如果焊接后不能做退火處理或需要做低溫應(yīng)力消除處理時(shí)，采用316L和317L可以有效避免粒間腐蝕。在焊態(tài)和暴露在800 to 1500°F (427 to 826°C)溫度范圍內(nèi)，這兩種合金有耐腐蝕性。需要做應(yīng)力消除處理的容器，在此溫度范圍內(nèi)做短時(shí)間處理，不會(huì)影響金屬正常的耐腐蝕性能。L等級(jí)的大型鋼材經(jīng)過(guò)退火后，無(wú)需做高溫加速冷卻處理。316L，317L和對(duì)應(yīng)的高碳含量合金相比，具有同等的耐腐蝕性和機(jī)械性能，在容易產(chǎn)生粒間腐蝕的應(yīng)用中，這兩種合金更是具有額外的優(yōu)勢(shì)。在焊接和應(yīng)力消除遇到的短暫熱力，盡管不足以引起粒間腐蝕，但是值得注意的是，連續(xù)或者長(zhǎng)期暴露在800到 1500°F (427 到826°C)的溫度范圍內(nèi)，對(duì)這兩種合金來(lái)說(shuō)都是有害的。在1100到1500°F (593 到 816°C)溫度范圍下做應(yīng)力消除處理，可能對(duì)這類合金引起輕微脆裂。

應(yīng)力腐蝕龜裂

在鹵化環(huán)境下，奧氏體不銹鋼容易受應(yīng)力腐蝕龜裂的影響。盡管316，317L由于含有鉬，比18Cr-8Ni合金一定程度上具有較好的耐應(yīng)力腐蝕龜裂性，但是它們?nèi)匀皇潜容^容易受影響的。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕龜裂的條件包括：（1）鹵化物的存在（一般來(lái)說(shuō)是氯化物）；（2）殘余張應(yīng)力；（3）溫度超過(guò)120°F (49°C)。焊接過(guò)程中，冷變形或熱循環(huán)可以產(chǎn)生應(yīng)力。退火，應(yīng)力消除熱處理可以有效減少應(yīng)力，因此，減低了材料對(duì)鹵化物應(yīng)力腐蝕龜裂的敏感性。低碳的L等級(jí)，在耐應(yīng)力腐蝕龜裂方面沒(méi)有特殊優(yōu)勢(shì)，但是在應(yīng)力消除狀態(tài)下作業(yè)時(shí)，L等級(jí)是仍然是選，因?yàn)檫@樣的環(huán)境下可能引起粒間腐蝕。

抗氧化性

316，317L具有良好的抗氧化性，在大氣環(huán)境下，溫度即使到達(dá)1600 至1650°F (871 至 899°C)，銹皮產(chǎn)生率也比較低。一般來(lái)說(shuō)，316的性能稍次于304不銹鋼，因?yàn)?/span>304的鉻含量稍高（18%，316鉻含量16%）。氧化率通常受大氣和作業(yè)環(huán)境所影響，因此無(wú)法提供確切的氧化率供參考。

物理性能

結(jié)構(gòu)

適當(dāng)退火后，316，317合金主要是奧氏體。少量鐵素體或許會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)從800 至 1500°F (427 至 816°C),慢慢冷卻，會(huì)產(chǎn)生碳化物沉淀，這時(shí)結(jié)構(gòu)由奧氏體和碳化物構(gòu)成。

熔化范圍: 2450 to 2630°F (1390 to 1440°C)

密度: 0.29 lb/in3 (8.027 g/cm3)

抗拉彈性模數(shù): 29 x 106 psi (200 Gpa)

剪切模量: 11.9 x 106 psi (82 Gpa)

磁導(dǎo)率

奧氏體不銹鋼在退火狀態(tài)和奧氏體狀態(tài)下是無(wú)磁性的。316，317L在退火狀態(tài)下，在200H情況下，磁導(dǎo)率一般低于1.02。冷變形材料的磁導(dǎo)率因金屬成分的不同和冷變形程度的不同而有所不同，但是通常來(lái)說(shuō)，都比退火材料的磁導(dǎo)率高。

疲勞強(qiáng)度

金屬材料在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。奧氏體不銹鋼的疲勞強(qiáng)度一般來(lái)說(shuō)是抗拉強(qiáng)度的35%。在實(shí)際作業(yè)中，疲勞強(qiáng)度也會(huì)受其他因素影響，如：腐蝕情況，應(yīng)力形式，表面平滑度等。因此，無(wú)法給出疲勞極限的確切數(shù)值。

熱處理

退火

退火狀態(tài)下的奧氏體不銹鋼可以直接使用。在加工中或加工后，可能需要做熱處理，用于去除冷成型產(chǎn)生的副作用和溶解沉淀的碳化鉻。316，317L固溶退火在1900 至 2150°F (1040 至 1175°C)溫度范圍內(nèi)完成，然后根據(jù)材料的厚度，決定進(jìn)行空氣冷卻還是水淬。材料要迅速?gòu)?/span>1500 至 800°F (816 至 427°C)冷卻下來(lái)，避免碳化鉻再沉淀以及提供最佳的耐腐蝕性。材料從退火溫度冷卻到暗熱的時(shí)間應(yīng)少于3分鐘。316，317L不能通過(guò)熱處理硬化。

加工

奧氏體不銹鋼，包括316，317L，通常被加工成各種各樣的部件。加工方法有穿孔，成形等，所用設(shè)備和加工碳鋼的設(shè)備基本上一樣。奧氏體不銹鋼的良好延展性，通過(guò)彎曲，拉伸，深拉等方法，很容易達(dá)到成形。然而，奧氏體不銹鋼本身強(qiáng)度和硬化性能較大，因此加工奧氏體不銹鋼的功率要求比碳鋼大得多。

焊接

奧氏體不銹鋼被認(rèn)為是最易焊接的不銹鋼，可以用所有的融合物焊接，也可以進(jìn)行電阻焊接。焊接點(diǎn)要考慮兩個(gè)重要因素1）避免硬化裂紋；2）保持焊口和熱影響區(qū)的耐腐蝕性。焊接奧氏體結(jié)構(gòu)的金屬，在焊接操作中更容易形成裂紋。因此，316，316L，317L合金中添加了少量的鐵素體，降低材料的裂紋敏感性。在腐蝕環(huán)境下使用的焊接件，建議使用低碳的316L和317L焊基金屬和焊料。焊接金屬含碳量越高，越容易產(chǎn)生碳化物沉淀（敏化作用），這可能導(dǎo)致粒間腐蝕。低碳的L等級(jí)，可以有效降低和避免敏化作用。高鉬含量的焊堆在苛刻的環(huán)境下，由于鉬的微偏析，可能導(dǎo)致耐腐蝕性下降。要克服這種副作用，應(yīng)該提高焊料的鉬含量。317L在某些苛刻的應(yīng)用中，焊堆的鉬含量要達(dá)到4%或者更高。904L合金（AWS ER 385, 4.5% Mo）或625合金（AWS ERNiCrMo-3, 9% Mo）常被用做這種焊料。在焊接區(qū)域應(yīng)該避免銅和鋅的污染，因此這兩種成分會(huì)形成低熔點(diǎn)的化合物，導(dǎo)致焊接裂紋。