高强度不锈钢

钢的强化通常是为了适应社会需求而发展起来的，其强化的方法很多，在理论方面也有许多说明。强化的要求对具有优良耐蚀性的不锈钢也不例外。钢的强化可以使板厚减薄，结构件轻量化，寿命也可提高。2000年6月修改了建筑标准法施行令，规定不锈钢可用于钢结构.JIS C 4321建筑结构用不锈钢作为一般结构材使用己被认可。当今，由于使用环境十分苛刻以及节能和环保等多方面的问题，要求不锈钢的强度水平要高且多样化。
钢的变形主要是“位错”的运动，所谓“位错”就是指结晶体内存在的缺陷，通常在退火状态约存在(1010-1012)／m’个。若阻碍这种位错的运动就难以发生变形，因此钢就被强化。
这种阻碍位错运动，使钢强化的方法有固溶强化。析出强化、加工硬化(位错强化)、马氏体相变的强化和晶粒细化的强化等。
实际上都是复合利用各种方法，根据需要进行不锈钢开发的。本文将对各强化机理进行简单说明并介绍强化不锈钢的使用例。
固溶强化就是在纯金属中固溶进合金元素，即在母金属的晶格的原子间隙进入其他的合金元素(侵入型)或替换母金属的原子(置换型)和使母金属的晶格发生歪扭，由于这种歪扭在晶体内产生应力场，阻碍了位错运动，而使强度提高。实际上不锈钢就是铬和镍对铁固溶的合金，可以说已经处于固溶强化的状态，但是铬和镍对铁的固溶强化作用不是很大，侵入型元素C、N对固溶强化的作用最大。
在SUS 304中固溶氮而达到高强度化的材料有SUS 304N1(0.Ⅱ-O.25％N)和SUS 304N2(0.15叫.30％N)。与SUS304的0.04x氮量比较是2-7倍的氮含量，在固溶化状态的强度达到SDS 304的15-2.0倍以上，在JIS G 4305的固溶化状态下的力学性能规定，SUS 304的屈服强度在205N／-以上，而SUS 304N1在275 N／m／以上，SUS 304N2在345 N／mm／以上。这些加氮的强化钢被广泛用于结构用强度构件。
固溶强化不仅使常温下的强度增加，而且作为提高高温强度的方法也是有效的。因此，与其他强化方法相比，受焊接的热影响作用小，是确保焊接处特性的最佳强化方法。
为了改善利用图述的加工硬化的SUS 301(17Cr-7Ni)的焊接处的耐蚀性而开发了低碳型SUS 301L，为了保持焊接处的强度，在该钢中固溶了o.2q6以下的氮量，该钢作为铁道车轨用材非常普及。
固溶元素对Cr-Ni奥氏体系不镑钢0.2％屈服强度的影响。
这是在母体金属中形成析出物(碳化物、氮化物、金属间化合物等)使其强化的方法，析出物具有阻碍位错运动的作用。在母相呈微细弥散分布状态，最能提高强度。
钢中合金元素的固溶度因温度而不同，利用这一特点而使钢析出强化。众所周知，PH型不锈钢就是这种析出强化钢，在JIS C 4304中，根据固溶化状态下的基体组织已注册的有马氏体系和半奥氏体系两种析出硬化型不锈钢。
马氏体系的17-4PH不锈钢、SUS 630(17Cr-4Ni)约含4.0n Cu，在约1050qC高温下，铜原子固溶于奥氏体相中，在冷却过程转变成过饱和含铜马氏体组织，此后在450-480摄氏度，经1－4小时的析出硬化处理，使富铜析出物在马氏体基体中弥散析出而强化。其硬度在固溶化热处理时为350HV.在析出硬化处理时为450HV。SUS 630是强度和耐蚀性(耐蚀性与304系不锈钢相同)兼备的材料，用于弹簧材，航空结构材、刀具和压合板的压板等。
半奥氏体系的FH不锈钢是强度与加工性兼备的特殊钢种，在SUS 301中加A1的17-7PH不锈钢、SUS 631(17Cr-7Ni-1.2A1)在固溶化处理后的常温下具有加工性优良的奥氏体系组织。固溶化处理后，在950摄氏度进行10分钟的热处理，使碳的固溶量变化，提高马氏体相变点(Ms点)。接着在Ms点(约－70摄氏度)附近冷却，形成马氏体组织(RH950处理)。另外，还有在固溶化处理后用冷加工方法引起马氏体相变的方法(CH900处理)。形成马氏体后在510摄氏度附近加热进行析出硬化处理，析出NiAl，在奥氏体状态其屈服强度约为280 N/平方毫米，析出硬化处理后达到1520-1790 N/平方毫米。
对形状复杂构件的成形要求加工性，也要求满足强度的要求。但是，在成形加工时必须注意因硬化处理而发生的尺寸变化。
钢变形时给结晶加上了剪断应力，在位错运动的同时，给结晶导入了大量的位错。加工硬化加工轧制和拔丝这种塑性变形使晶体内的位错密度增加，是强化钢的方法。这种加工硬化作用奥氏体系比铁素体系大得多。
在18Cr-8Ni组成的亚稳定奥氏体系，因位错密度增大的硬化和马氏体的生成(加工引起相变)容易得到高强度。
利用加工硬化的材料称硬化材，其强度可根据轧制率的变化按H(硬级)、3／4H和1／2H的强度水平划分，SUS 301(17Cr-TNi)硬化材在家庭电器机械的压簧和汽车的引擎垫圈、通信机械的连接器材等板弹簧制品方面使用非常普及。由加工硬化引起的马氏体具有磁性，所以SUS 301和SUS 304的硬化材也有磁性。
非磁性的弹簧用材料有含高锰的不锈钢AISl205(17Cr-15Mn-1.5Ni-O.35N)，该钢是用锰取代了SUS 301中的镍，由于其性质的不同，可以固溶更多的氮。就是说，可以得到前述的固溶强化的效果。在固溶化处理状态下SUS 304的硬度约1801tV，而AISl 205的硬度约2701]V，再进行加工时可发现显著的加工硬化特性。所有钢种随着压下率增加的同时，硬度也上升。
铁素体晶粒大小对退火的软钢屈服强度的影响，可以看出晶粒直径d与屈服强度间有着直线关系，晶粒越细屈服强度越高。这种屈服强度与晶粒大小间的关系称霍尔佩琪法则，因变形在晶粒内运动的位错在晶界其运动被阻，所以晶界大量存在的细晶粒材料，其强度很高。
前述的固溶强化、析出强化及加工硬化若过分提高强度，则会使韧性受损。所以，有时根据加工、使用条件使强度有一定限制。另一方面，当晶粒细化时不但不损坏韧性，而且还能提高强度。
现在，对钢铁材料的晶粒细化的研究非常盛行，并以“超级金属的技术开发。为题进行着开发，通常不锈钢的晶粒直径为数十微米，但在这些课题中正在研究一种制造方法，使金属晶粒有1／100到数百毫微米(nm)，例如，晶粒直径为300nm的奥氏体系不锈钢其拉伸强度为1100 N／mm2，约是通常粒径材料的2倍。为了能在不损害韧性的前提下得到高强度，对这种方法寄予了很大的希望。
在JIS规定的不锈钢中存在具有微细组织的不锈钢，这是把不同组织复合的双相系不锈钢。
SUS329J4L(25Cr—6Ni—3Mo—N)具有在铁素体母相中分布着岛状奥氏体相的组织，由于为复合组织故各组织很细微。另外，由于加入了氮使之固溶强化提高了强度，耐点蚀性也得到改善。由于晶粒细化和固溶强化的复合作用，使得双相钢的屈服强度等强度特性好于奥氏体系和铁索体系。抗应力腐蚀裂纹的铁素体系和高强度奥氏体系的各种特性的不锈钢，可用于贮水柜、原油、含硫天然气油井管和液化产品专用船的管等腐蚀强的环境。
在不锈钢中具有最高硬度的SUS 440(2(13Cr-IC)(640-700[1V)属于马氏体系不锈钢，马氏体组织的结构非常微细，而且在其内部存在高密度的位错，若使碳过饱和固溶还能提高强度。另方面，经过最后的回火处理可以得到碳化物等析出物弥散细微分布的组织。马氏体系不锈钢用固溶碳量和加火处理可以调整其强度。
例如，SUS 420J2(13Cr-O.3C)从i000-C的高温奥氏体区急冷时，发生固溶0.3％C的马氏体相变，再经回火热处理就会使碳化物等析出物呈微细弥散分布。其强度可达到约550HV。SUS 420J2和SUS 420J1(13Cr—0.2C)与SUS 410(13Cr-O.1C)一齐用作发电设备和化工设备等结构材料。
表1表示称作高强不锈钢的代表钢种的组成、用途及它们的强化机理和强度水平

除表1外各公司还开发了保持耐蚀性的各种高强度材料，这些材料的强度水平是多样的，必须根据用途选择耐蚀性、加工性、高温特性及抗氧化性等最佳组合的不锈钢。