316 / 316L - 300系列奧氏體不銹鋼管
316 合金( UNS S31600 ) 和316L ( UNS S31603 ) 是以鉬為基礎(chǔ)的奧氏體不銹鋼， 這個不銹鋼與常規(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、耐壓強度及耐高溫性能。除了出色的抗腐蝕性及強度， 316 合金和316L 銅-鎳-鉬合金還具有奧氏體不銹鋼的典型特征即良好的裝配性及成形性。
316（UNS S31600）, 316L(S31603)
化學(xué)成分
耐腐蝕
抗氧化性
物理性能
機械性能
熱處理
加工
一般屬性
合金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、耐壓強度及耐高溫性能。在要求更佳抗一般腐蝕和點腐蝕性能的應(yīng)用中，317L比316或316L更受歡迎，因為317L含鉬量達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。
化學(xué)成分
化學(xué)成分ASTM A182
| |
重量百分比除特別說明外，表中所列為最大值
|
| 成分 |
Alloy 316 |
Alloy 316L |
Alloy 317L |
| 碳 |
0.08 |
0.030 |
0.030 |
| 錳 |
2.00 |
2.00 |
2.00 |
| 硅 |
0.75 |
0.75 |
0.75 |
| 鉻 |
16.00
18.00 |
16.00
18.00 |
18.00
20.00 |
| 鎳 |
10.00
14.00 |
10.00
15.00 |
11.00
15.00 |
| 鉬 |
2.00
3.00 |
2.00
3.00 |
3.00
4.00 |
| 磷 |
0.045 |
0.045 |
0.045 |
| 硫 |
0.030 |
0.030 |
0.030 |
| 氮 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
| 鐵 |
Balance |
Balance |
Balance |
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。一般來說，不腐蝕18-8不銹鋼的媒介，都不會腐蝕含鉬的等級。唯一例外的是高氧化性酸，如硝酸，含鉬的不銹鋼對這種酸的耐腐蝕性較弱。
在硫酸溶液中，316和317L比其他鉻-鎳類型的等級具有更良好的耐腐蝕性。在溫度高達120°F（38°C）的條件下，這兩個等級對高濃度溶液都有良好的耐腐蝕性。當(dāng)然，使用期間的測試是必不可少的，因為作業(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，這兩種等級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)出優(yōu)越的耐腐蝕性。它們也被廣泛應(yīng)用于處理熱有機酸和脂肪酸。食物，醫(yī)藥產(chǎn)品的制造和處理，通常用到含鉬的不銹鋼，因為要盡量減少金屬污染。
一般來說，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，因為含碳量低，可以提高耐晶間腐蝕性。
| 在沸騰溶液中的耐腐蝕性 |
|
煮沸測試
|
每年腐蝕速率(mm/y) |
| Alloy 316L |
Alloy 317L |
Base
Metal |
Welded |
Base
Metal |
Welded |
20%
乙酸 |
0.12
(0.003) |
0.12
(0.003) |
0.48
(0.012) |
0.36
(0.009) |
45%
甲酸 |
23.4
(0.594) |
20.9
(0.531) |
18.3
(0.465) |
24.2
(0.615) |
1%
鹽酸 |
0.96
(0.024) |
63.6
(1.615) |
54.2
(1.377) |
51.4
(1.306) |
10%
草酸 |
48.2
(1.224) |
44.5
(1.130) |
44.9
(1.140) |
43.1
(1.094) |
20%
磷酸 |
0.60
(0.15) |
1.08
(0.027) |
0.72
(0.018) |
0.60
(0.015) |
10%
氨基磺酸 |
124.2
(3.155) |
119.3
(3.030) |
94.2
(2.393) |
97.9
(2.487) |
10%
硫酸 |
635.3
(16.137) |
658.2
(16.718) |
298.1
(7.571) |
356.4
(9.053) |
10%
硫酸氫鈉 |
71.5
(1.816) |
56.2
(1.427) |
55.9
(1.420) |
66.4
(1.687) |
50%
氫氧化鈉 |
77.6
(1.971) |
85.4
(2.169) |
32.8
(0.833) |
31.9
(0.810) |
點腐蝕/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)境下的耐點腐蝕/隙腐蝕性。點腐蝕通過PREN（點蝕當(dāng)量）來計算，PRE = Cr+3.3Mo+16N。316，316L的PREN=24.2， 304的PREN=19.0, 這就反映了316（或316L）耐點腐蝕性比304好。317L，鉬含量達31%，PREN=29.7，說明比316耐點腐蝕性更好。
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5%鹽霧測試中，都沒有出現(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。但是短暫暴露的時候，如焊接時， 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11.1mm時，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，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)做短時間處理，不會影響金屬正常的耐腐蝕性能。L等級的大型鋼材經(jīng)過退火后，無需做高溫加速冷卻處理。
316L，317L和對應(yīng)的高碳含量合金相比，具有同等的耐腐蝕性和機械性能，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。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)或者長期暴露在800到 1500°F (427 到826°C)的溫度范圍內(nèi)，對這兩種合金來說都是有害的。在1100到1500°F (593 到 816°C)溫度范圍下做應(yīng)力消除處理，可能對這類合金引起輕微脆裂。
| 粒間腐蝕測試 |
|
ASTM A262
評估測試
|
腐蝕率, Mils/Yr (mm/a) |
| Alloy 316 |
Alloy 316L |
Alloy 317L |
Practice B
基焊金屬
焊接后 |
36 (0.9)
41 (1.0) |
26 (0.7)
23 (0.6) |
21 (0.5)
24 (0.6) |
Practice E
基焊金屬
焊接后 |
No Fissures
on Bend
Some Fissures
on Weld (unacceptable) |
No Fissures
No Fissures |
No Fissures
No Fissures |
Practice A
基焊金屬
焊接后 |
Step Structure
Ditched (unacceptable) |
Step Structure
Step Structure |
Step Structure
Step Structure |
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（一般來說是氯化物）；（2）殘余張應(yīng)力；（3）溫度超過120°F (49°C)。
焊接過程中，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，減低了材料對鹵化物應(yīng)力腐蝕龜裂的敏感性。低碳的L等級，在耐應(yīng)力腐蝕龜裂方面沒有特殊優(yōu)勢，但是在應(yīng)力消除狀態(tài)下作業(yè)時，L等級是仍然是首選，因為這樣的環(huán)境下可能引起粒間腐蝕。
| 鹵化物（氯化物應(yīng)力腐蝕測試） |
|
測試
|
U型彎曲（高度受壓）樣品 |
| Alloy 316 |
Alloy 316L |
Alloy 317L |
| 42% 氯化鎂，沸騰 |
斷裂,
424小時 |
斷裂
21-45 小時 |
斷裂
72 小時 |
| 33%氯化鋰，沸騰 |
斷裂
48-569 小時 |
斷裂
21-333 小時 |
斷裂
22-72 小時 |
| 26% 氯化鈉，沸騰 |
斷裂
530-940 小時 |
無斷裂
1002 小時 |
斷裂
小時 |
| 40% 氯化鈣，沸騰 |
斷裂
144-1000 小時 |
-- |
-- |
| 暴露在海邊環(huán)境，周圍溫度 |
無斷裂 |
無斷裂 |
無斷裂 |
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1600 至1650°F (871 至 899°C)，銹皮產(chǎn)生率也比較低。一般來說，316的性能稍次于304不銹鋼，因為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。少量鐵素體或許會出現(xiàn)。當(dāng)從800 至 1500°F (427 至 816°C),慢慢冷卻，會產(chǎn)生碳化物沉淀，這時結(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)
線性熱膨脹系數(shù)
|
溫度范圍
|
系數(shù) |
| °F |
°C |
in/in/°F |
cm/cm/°C |
| 68 - 212 |
20 - 100 |
9.2 x 10-6 |
16.5 x 10-6 |
| 68 - 932 |
20 - 500 |
10.1 x 10-6 |
18.2 x 10-6 |
| 68 - 1832 |
20 - 1000 |
10.8 x 10-6 |
19.5 x 10-6 |
熱傳導(dǎo)
|
溫度范圍
|
Btu•in/hr•ft2•°F |
W/m•K |
| °F |
°C |
| 68 - 212 |
20 - 100 |
100.8 |
14.6 |
金屬的總傳導(dǎo)系數(shù)除了由金屬的熱傳導(dǎo)性決定以外，還取決于其他因素。18-8合金不銹鋼具有保持表面清潔的性能，和其他熱傳導(dǎo)系數(shù)高的金屬相比，18-8合金的熱傳導(dǎo)性能往往更好。
比熱
| °F |
°C |
Btu/lb•°F |
Jkg•K |
| 68 |
20 |
0.108 |
450 |
| 200 |
93 |
0.116 |
485 |
電阻率
| 合金 |
68°F時數(shù)據(jù) (20°C) |
| Microhm-in. |
Microhm-cm. |
| 316 |
29.1 |
74.0 |
| 317 |
31.1 |
79.0 |
磁導(dǎo)率
奧氏體不銹鋼在退火狀態(tài)和完全奧氏體狀態(tài)下是無磁性的。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，但是通常來說，都比退火材料的磁導(dǎo)率高。
機械性能
室溫下的機械性能
已退火的316，316L，317L奧氏體不銹鋼板，ASTM標(biāo)準(zhǔn)A276, ASTM A182，要求的最低機械性能如下表所示：
| 性能 |
ASTM A276和 ASTM A182要求的最低機械性能 |
| Alloy 316 (S31600) |
Alloy 316L (S31603) |
Alloy 317L (S31703) |
屈服強度
0.2% 抵消
psi (MPa) |
30,000
(205) |
25,000
(170) |
30,000
(205) |
極限抗張強度
psi (MPa) |
75,000
(515) |
70,000
(485) |
75,000
(515) |
| 延伸率百分比（2英寸或51mm） |
40.0 |
40.0 |
40.0 |
| 硬度，最大，（布氏硬度） (RB) |
217
(95) |
217
(95) |
217
(95) |
冷作的作用
奧氏體合金在室溫或者微升溫環(huán)境下冷變形，可增加強度，但是同時也降低了延伸率。316，316L，317L的平軋產(chǎn)品通常是退火狀態(tài)下的。
成分分析（請看腳注）
| 合金 |
C |
Mn |
Cr |
Ni |
Mo |
| 316 |
0.051 |
1.65 |
16.33 |
10.79 |
2.02 |
| 316L |
0.015 |
1.84 |
16.27 |
10.16 |
2.09 |
| 317L |
0.025 |
1.72 |
18.48 |
11.75 |
3.15 |
升溫情況下拉伸性能
短暫升溫時，316，316L，317L的抗拉性能如下表所示
成分分析（請看腳注）
| 合金 |
C |
Mn |
Cr |
Ni |
Mo |
| 316 |
0.048 |
1.5 |
16.78 |
10.5 |
2.06 |
| 316L |
0.019 |
1.84 |
16.17 |
10.16 |
2.03 |
| 317L |
0.021 |
1.72 |
18.28 |
11.35 |
3.05 |
316（樣本抗拉測試程序）
| 測試溫度 |
屈服強度
0.2% 抵消 |
極限抗張強度 |
| °F |
°C |
psi |
MPa |
psi |
MPa |
| 68 |
20 |
42,000 |
292 |
82,000 |
568 |
| 200 |
93 |
-- |
-- |
75,600 |
521 |
| 400 |
204 |
-- |
-- |
71,400 |
492 |
| 600 |
316 |
-- |
-- |
71,150 |
491 |
| 800 |
427 |
26,500 |
183 |
71,450 |
493 |
| 1000 |
538 |
23,400 |
161 |
68,400 |
472 |
| 1200 |
649 |
22,600 |
156 |
50,650 |
349 |
| 1400 |
760 |
-- |
-- |
30,700 |
212 |
| 1600 |
871 |
-- |
-- |
18,000 |
124 |
| 測試溫度 |
延伸 |
面積縮小百分比 |
| °F |
°C |
| 68 |
20 |
68.0 |
81.0 |
| 200 |
93 |
54.0 |
80.0 |
| 400 |
204 |
51.0 |
78.0 |
| 600 |
316 |
48.0 |
71.0 |
| 800 |
427 |
47.0 |
71.0 |
| 1000 |
538 |
55.0 |
70.0 |
| 1200 |
649 |
24.0 |
32.0 |
| 1400 |
760 |
26.0 |
35.0 |
| 1600 |
871 |
47.0 |
40.0 |
應(yīng)力破壞和蠕變特性
溫度在1000°F (538°C)以上，奧氏體不銹鋼應(yīng)注意蠕變和應(yīng)力破壞，蠕變強度和應(yīng)力破壞強度在不同研究者的報告中有不同的數(shù)值。
沖擊阻力
已退火的奧氏體不銹鋼即使在低溫條件下，仍然能保持較高的沖擊阻力，再加上低溫硬度和加工性等特性，因此被廣泛應(yīng)用于低溫環(huán)境下作業(yè)。夏氏V形沖擊試驗的數(shù)據(jù)如下表所示：
| 溫度 |
能量吸收 |
| °F |
°C |
Ft-lb |
J |
| 75 |
23 |
65 - 100 |
88 - 134 |
疲勞強度
金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強度或疲勞極限。奧氏體不銹鋼的疲勞強度一般來說是抗拉強度的35%。在實際作業(yè)中，疲勞強度也會受其他因素影響，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，決定進行空氣冷卻還是水淬。材料要迅速從1500 至 800°F (816 至 427°C)冷卻下來，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間應(yīng)少于3分鐘。
316，317L不能通過熱處理硬化。
鍛造
| 初始 |
2100 - 2200°F (1150 - 1205°C) |
| 結(jié)束 |
1700 - 1750°F (927 - 955°C) |
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，通過彎曲，拉伸，深拉等方法，很容易達到成形。然而，奧氏體不銹鋼本身強度和硬化性能較大，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)為是最容易焊接的不銹鋼，可以用所有的融合物焊接，也可以進行電阻焊接。焊接點要考慮兩個重要因素1）避免硬化裂紋；2）保持焊口和熱影響區(qū)的耐腐蝕性。
焊接完全奧氏體結(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，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，因此這兩種成分會形成低熔點的化合物，導(dǎo)致焊接裂紋。
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