301不锈钢

引述

按照材料加工的研究思路，可以从以下四个不互相独立的方面入手：

成分	加工	组织	性能
不同标准的需求	轧制工艺	组织形貌	硬度
成分大类的性能特点	热处理工艺	工艺过程	强度（抗拉、屈服）
成分的作用	拉矫工艺	组织对性能的影响	韧性
成分对其他三者的影响		晶粒度	磁性

成分

不同标准下对钢种的成分要求略有不同，下图是日标与国标对301不锈钢的要求，可以看出国标对S30103的含碳量要求是0.03以下，比日标的更严苛些，其他的组元的要求则完全相相同。

我们知道，不锈钢是以$Fe-Cr$，$Fe-Cr-C$和$Fe-Cr-Ni$为合金系的铁合金。$Fe-Cr$是不锈钢耐腐蚀能力的基础，不锈钢之所以能称之为不锈，它的最低要求是至少含有$10.5\%$的$Cr$。根据主要化学成分的差异，可以分为

按成分划分	组织形貌特点	钢种系列	钢种举例
铬系	马氏体、铁素体	400系列	430
铬镍系	奥氏体	300系列	301、304、316
铬锰氮系	奥氏体	200系列	201、202
铬镍钼系	奥氏体+铁素体

铬锰氮系列不锈钢的由来：由于镍是一种价格昂贵的矿物资源,为了节约成分，大家通常在$Cr-Ni$ 系奥氏体不锈钢生产过程中通过添加锰元素(特点见下文)和氮元素来代替部分镍元素,形成了 $Cr-Mn$ 奥氏体不锈钢,也就是我们常见的 200 系列不锈钢。这种不锈钢虽然在耐蚀性上不如 300 系列不锈钢,但 Mn 作为奥 氏体稳定元素添加在 Fe-Cr 系中稳定了奥氏体相,同时 N 元素能起到不错的固溶效果, 强化了 200 系不锈钢的机械性能。

301B

为了达到更高的硬度，通过改变301系列的元素配比，得到了更硬的材料301B，与301相比，其元素组成方面的主要差异有

• NI含量提高：强度增加
• Cr含量下降：耐腐蚀性下降
• Si含量提升：提高屈强比，保证的弹性和韧性，不形成碳化物，以固溶态形式存在，增加硬度。
• Mn含量下降：

组织

现代人喜欢“用”甚于“体”，不喜欢计较什么原理、元素，更喜欢直观的性能。因而现行的标准大多以组织来对不锈钢进行划分：

分类
铁素体不锈钢
马氏体不锈钢
奥氏体不锈钢
双相不锈钢
沉淀硬化不锈钢
其中奥氏体不锈钢又可分为稳定奥氏体不锈钢与亚稳奥氏体不锈钢。

• 稳态奥氏体不锈钢的组织以奥氏体组织为主,通常表现为弱磁性或非磁性,并且具有良好的耐蚀性和 成型性。其中最具有代表性的有 06Cr19Ni10(AISI 304 不锈钢)、0Cr17Ni12Mo2(AISI 316 不锈钢)等。
• 亚稳奥氏体不锈钢的$Cr$、$Ni$、$C$含量略低于稳定奥氏体不锈钢。面心立方结构的$\gamma$相在冷加工条件下会发生部分乃至大部分的马氏体相变，产生具有六方结构的$\varepsilon$马氏体和$\alpha^{'}$马氏体。加工硬化和马氏体转变的共 同作用使这种钢具有较高的强度、硬度,同时也能兼具一定的塑性。

原始组织-(变化过程)-冷变形-(变化过程)-退火-(变化过程)-去应力

• 变形量越大。组织减薄和细化难度增加，同时使晶粒尺寸偏差逐渐增大。变形引起的剪切带在晶界处偏聚，损害相分布均匀性。
• 在 Md30(马氏体转变临界温度)温度以下对奥氏体不锈钢进行塑性变形时会诱发形变马氏体的产生。
• 在冷轧过程中,大量位错堆积形成剪切带和少量的变形孪晶优先出现,而形变马氏体很容易 在这些位置处形核。

性能

各国标准对于不锈钢的性能要求是以不同的表面状态进行划分的，大体分为软态、硬态、超硬态三种。

国标中对材料的要求较为细致：

工艺

301/301B的工艺一般为两轧一退。退火主要在一次轧制后半成品阶段进行，处理温度在1100左右，得到150-200之间的软态组织，之后再次进行轧制得到成品。

一般将严重冷轧变形与随后的马氏体相逆转变退火称为相逆转变加工工艺。

轧制

了解一下301轧制的工艺，此部分参考《Si对变形AISI 301精密带钢中马-奥转变及性能的影响》 根据作者对$0.4mm$到$0.15mm$厚度组织的分析，得到了：

• 随着冷轧的变形量逐渐增大, 试样厚度逐渐减小, 组织的平均晶粒尺寸减小, 同时表面硬度也在逐渐增加。
• 在应变的过程中会伴随着 SIM (形变马氏体)的发生,因此随着应变量的增大,马氏体的含量也会逐渐增加,这种硬而脆的组织会导致试样的硬度上升。
• 应变量增大也导致了在组织各个位置的应力应变分布愈发不均匀,同时也会导致多分布在大应变区的马氏体分布的不均匀。这种不均匀的组织对于材料的塑性、耐蚀性等性能是不利的。

1. 变形量大
2. 剪切带更致密
3. 晶粒更细
4. 随着厚度减少，奥氏体($(111)_{\gamma}$、$(200)_{\gamma}$、$(220)_{\gamma}$峰)越来越多被消耗，马氏体($(110)_{\alpha^{'}}$、$(110)_{\alpha^{'}}$)占比逐渐增加

★温度

人们把厚度小于$0.05 mm$ 的不锈钢箔型材料称为超薄精密带钢，这种材料具 有质量轻、耐热性好、抗电磁屏蔽性良好等优点。超薄带下的组织特点。

超精密301带钢工艺

考虑到尺寸效应，0.02mm以下的带钢与一般厚度的工艺会有所不同，因此，本文遵照上述说法，也将带钢分为精密与超精密两部分。首先对超精密带钢进行分析：

根据下图 $0.02mm$ 试样的差热分析曲线^[1]，可以清楚地看到,在整个加热过程中只 产生了一个向上的吸热峰,而最大的吸热速率则是出现在 675°C附近。

相关研究表明冷轧亚稳态奥氏体不锈钢在 400-800°C的范围内出现了马氏体→奥氏体的逆转变，而且是一个吸热过程。此结论与实验中 AISI 301 不锈钢在 675°C附近看到的结果具有相似性。

因此可以确定，$0.02 mm$ 超薄带钢试样会在 $675°C$附近发生马氏体$\to$奥氏体的逆转变,且从图中可以看到此时的能量变化最大,对应着逆转变速率最大的位置。

结论：675度附近是301不锈钢形变马氏体开始转变成奥氏体的温度。

精密301带钢工艺

待完善

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旧工艺路线

温度、TV与机组密切相关，实在难以通过计算得到，只能利用经验数据统计总结： 由此整理出非线性工艺如下：

厚度	TV
h<0.1	3
0.1-0.2	3.5
0.2-0.35	3.5/4.0
0.35-0.45	4.0/4.5
0.45-0.55	4.5
0.55-0.65	4.5/5.0
0.65-0.8	6

张力

论文《沈寿荣.冷带卷取机力能参数的研究及关键部件的强度分析[D].重庆大学,2005.》，文中第三节“卷取机主要力能参数的选择”提出了卷取机张力的计算公式，觉得很是受用，

$$T=\sigma_0 b h$$

利用此公式可以计算不同表面状态下张力、单位张力的经验数值：

附2：差热分析法

附1：合金元素对不锈钢组织性能的影响

• Cr元素：铁素体形成元素 Cr是决定不锈钢性能的主要元素，其主要作用是形成有抗腐蚀性的钝化氧化膜，当含量达到10.5%以上时，可以与氧结合在不锈钢表面生成一层致密的钝化膜， 厚度为几纳米左右，可以有效防止腐蚀情况的产生。当含量低于此数值时，会在局部形成贫铬区，从而导致局部腐蚀。Cr 元素可以通过加入之后提高铁基固溶体的电极电位以及吸收铁的电子使铁钝化，进而提高材料的耐点腐蚀性、晶间腐蚀性等抗腐蚀性能。
• Ni元素：奥氏体稳定元素 可以扩大$\gamma$相区，促进铁素体(BCC)转变为奥氏体(FCC)。改善热加工性能与耐腐蚀性。Ni与Cr元素同时存在于不锈钢中时将 发挥更优良的性能，提高材料的延展性，改善耐腐蚀性能。
• C元素：奥氏体稳定元素 碳和铬的亲和力很大，与铬形成一系列复杂的碳化物。而碳化物通常会提高硬度，降低塑性。此外，当碳化物析出不均匀时还会降低组织均匀性，如$C$ 与 $Cr$ 就会在晶界附近 形成碳化铬析出相,这将大幅度降低其周围晶界附近的 Cr 含量。当 Cr 含量低于 11%时 就会形成贫 Cr 区,导致晶界附近的晶间腐蚀耐蚀性大幅下降。
• N元素：N 是强烈的稳定奥氏体化的元素，可以增加细晶强化的效果，提高耐点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀性能，对奥氏体不锈钢抗蠕变和抗疲劳磨损性能有促进作用。 N可以有效的改善材料表面的硬度和耐磨性，改善材料性能，延长材料使用寿命。N的存在形式为气体，在气体渗氮表面改性过程中易与Cr形成化合物，导致基体贫铬现象的产生，影响材料的耐蚀性能。
• Mn可以改善不锈钢耐高温强度。
• Si：铁素体形成元素，可降低不锈钢的堆垛层错能，从而促进奥氏体转变为马氏体，加强加工硬化效果301的变体301B便是利用Si元素使材料获得了更高的强度。此外还可以：提高耐蚀性，抗腐蚀性，抗氧化性。（对于薄带，在塑性变形中会产生严重的相分布和晶粒尺寸分布不均匀的问题，Si合金化可以有效改善马氏体转变后的组织均匀性）
• Al 可以改善材料在高温环境下的抗氧化性
• Cu 可以减少材料对点腐蚀的敏感性
• Ti 与C结合生成TiC，使得C不再捕获Cr，提高耐晶间腐蚀性。
• Mo使不锈钢钝化膜更稳定，提高材料的高温强度和蠕变性能。
• Nb 也是一种强碳化物形成元素，并会因长时间受热而形成金属间化合物，其耐高温性能是Mo的20倍。

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1. 将金属在一定的温度区间、按照特定的加热速度进行加热，根据加热过程中的吸热放热情况来分析物相转变过程的方法。 ↩︎