不锈钢316L(UNS S31603)的特性及焊接

不锈钢316L(UNS S31603)的特性及焊接
316L(UNS S31603)是以钼为基础的奥氏体不锈钢， 这个不锈钢与常规的铬-镍奥氏体如304 合金相比，具有更好的抗一般腐蚀及点腐蚀、 裂隙腐蚀性。这些合金具有更高的延展性、抗应力腐蚀性能、耐压强度及耐高温性能。
一般属性
316(UNS S31600), 316L(S31603), 317L(S31703) 是以钼为基础的奥氏体不锈钢, 与常规的铬-镍奥氏体如304 合金相比，具有更好的抗一般腐蚀及点腐蚀、 裂隙腐蚀性。这些合金具有更高的延展性、抗应力腐蚀性能、耐压强度及耐高温性能。在要求更佳抗一般腐蚀和点腐蚀性能的应用中，317L比316或316L更受欢迎，因为317L含钼量达3-4％，316和316L的含钼量只有2-3％。316 合金和316L 和317L铜-镍-钼合金还具有奥氏体不锈钢的典型特征，即良好的加工性及成形性。
耐腐蚀
一般腐蚀
和18-8不锈钢相比，316，316L和317L在大气环境下和其他温和环境下具有更佳的耐腐蚀性。一般来说，不腐蚀18-8不锈钢的媒介，都不会腐蚀含钼的等级。唯一例外的是高氧化性酸，如硝酸，含钼的不锈钢对这种酸的耐腐蚀性较弱。在硫酸溶液中，316和317L比其他铬-镍类型的等级具有更良好的耐腐蚀性。在温度高达120°F（38°C）的条件下，这两个等级对高浓度溶液都有良好的耐腐蚀性。当然，使用期间的测试是必不可少的，因为作业条件和酸性污染物可能严重影响腐蚀速率。浓缩含硫气体时，这两种等级比其他类型的不锈钢具有更好的耐腐蚀性。然而，在这样的应用中，酸浓度对腐蚀速率的影响相当大，这一因素要慎重考虑。含钼不锈钢316和317L，对其他各种环境都有一定的耐腐蚀性。以下的腐蚀数据表明，这些合金在沸腾的20%磷酸溶液中，表现出优越的耐腐蚀性。它们也被广泛应用于处理热有机酸和脂肪酸。食物，医药产品的制造和处理，通常用到含钼的不锈钢，因为要尽量减少金属污染。一般来说，在相同的环境条件下，316，316L可以看成和317L的性能相当。但是在可以引起焊接，热影响区晶间腐蚀的环境下，例外。在这样的媒介，316L和317L更常被选用，因为含碳量低，可以提高耐晶间腐蚀性。
点腐蚀/隙腐蚀
铬，钼，氮含量增加，可以提高奥氏体不锈钢在氯化物或其他卤素离子环境下的耐点腐蚀/隙腐蚀性。点腐蚀通过PREN（点蚀当量）来计算，PRE = Cr+3.3Mo+16N。316，316L的PREN=24.2， 304的PREN=19.0, 这就反映了316（或316L）耐点腐蚀性比304好。317L，钼含量达31%，PREN=29.7，说明比316耐点腐蚀性更好。304不锈钢在含100ppm 氯化物的水环境下，具有耐点腐蚀和耐隙腐蚀性。含钼的316和317L，分别在含2000ppm和5000ppm氯化物的水环境下，具有耐点腐蚀和耐隙腐蚀性。尽管这两种合金在海水环境下（氯化物含量19000ppm）使用取得一定成效，但是不建议这样使用。2507合金，钼含量4%，铬含量25%，镍含量7%是专门用于咸水环境的。316，317L只适用某些海洋环境的应用，如船只导轨，海洋附近建筑物外墙等。316，317L合金在100小时5%盐雾测试中，都没有出现腐蚀（ASTM B117）
粒间腐蚀
316，317L合金暴露在800°F至 1500°F (427°C至 816°C)温度下，可能引起碳化铬在晶界沉淀。这类不锈钢暴露在苛刻环境下，容易形成粒间腐蚀。但是短暂暴露的时候，如焊接时， 317L由于较高的铬，钼含量，比316更能抵御粒间腐蚀。当焊接厚度超过11.1mm时，即使是317L合金，也需要做退火处理才行。如果焊接后不能做退火处理或需要做低温应力消除处理时，采用316L和317L可以有效避免粒间腐蚀。在焊态和暴露在800 to 1500°F (427 to 826°C)温度范围内，这两种合金有耐腐蚀性。需要做应力消除处理的容器，在此温度范围内做短时间处理，不会影响金属正常的耐腐蚀性能。L等级的大型钢材经过退火后，无需做高温加速冷却处理。316L，317L和对应的高碳含量合金相比，具有同等的耐腐蚀性和机械性能，在容易产生粒间腐蚀的应用中，这两种合金更是具有额外的优势。在焊接和应力消除遇到的短暂热力，尽管不足以引起粒间腐蚀，但是值得注意的是，连续或者长期暴露在800到 1500°F (427 到826°C)的温度范围内，对这两种合金来说都是有害的。在1100到1500°F (593 到 816°C)温度范围下做应力消除处理，可能对这类合金引起轻微脆裂。
应力腐蚀龟裂
在卤化环境下，奥氏体不锈钢容易受应力腐蚀龟裂的影响。尽管316，317L由于含有钼，比18Cr-8Ni合金一定程度上具有较好的耐应力腐蚀龟裂性，但是它们仍然是比较容易受影响的。产生应力腐蚀龟裂的条件包括：（1）卤化物的存在（一般来说是氯化物）；（2）残余张应力；（3）温度超过120°F (49°C)。焊接过程中，冷变形或热循环可以产生应力。退火，应力消除热处理可以有效减少应力，因此，减低了材料对卤化物应力腐蚀龟裂的敏感性。低碳的L等级，在耐应力腐蚀龟裂方面没有特殊优势，但是在应力消除状态下作业时，L等级是仍然是首选，因为这样的环境下可能引起粒间腐蚀。
抗氧化性
316，317L具有良好的抗氧化性，在大气环境下，温度即使到达1600 至1650°F (871 至 899°C)，锈皮产生率也比较低。一般来说，316的性能稍次于304不锈钢，因为304的铬含量稍高（18%，316铬含量16%）。氧化率通常受大气和作业环境所影响，因此无法提供确切的氧化率供参考。
物理性能
结构
适当退火后，316，317合金主要是奥氏体。少量铁素体或许会出现。当从800 至 1500°F (427 至 816°C),慢慢冷却，会产生碳化物沉淀，这时结构由奥氏体和碳化物构成。
熔化范围: 2450 to 2630°F (1390 to 1440°C)
密度: 0.29 lb/in3 (8.027 g/cm3)
抗拉弹性模数: 29 x 106 psi (200 Gpa)
剪切模量: 11.9 x 106 psi (82 Gpa)
磁导率
奥氏体不锈钢在退火状态和完全奥氏体状态下是无磁性的。316，317L在退火状态下，在200H情况下，磁导率一般低于1.02。冷变形材料的磁导率因金属成分的不同和冷变形程度的不同而有所不同，但是通常来说，都比退火材料的磁导率高。
疲劳强度
金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。奥氏体不锈钢的疲劳强度一般来说是抗拉强度的35%。在实际作业中，疲劳强度也会受其他因素影响，如：腐蚀情况，应力形式，表面平滑度等。因此，无法给出疲劳极限的确切数值。
热处理
退火
退火状态下的奥氏体不锈钢可以直接使用。在加工中或加工后，可能需要做热处理，用于去除冷成型产生的副作用和溶解沉淀的碳化铬。316，317L固溶退火在1900 至 2150°F (1040 至 1175°C)温度范围内完成，然后根据材料的厚度，决定进行空气冷却还是水淬。材料要迅速从1500 至 800°F (816 至 427°C)冷却下来，避免碳化铬再沉淀以及提供最佳的耐腐蚀性。材料从退火温度冷却到暗热的时间应少于3分钟。316，317L不能通过热处理硬化。
加工
奥氏体不锈钢，包括316，317L，通常被加工成各种各样的部件。加工方法有穿孔，成形等，所用设备和加工碳钢的设备基本上一样。奥氏体不锈钢的良好延展性，通过弯曲，拉伸，深拉等方法，很容易达到成形。然而，奥氏体不锈钢本身强度和硬化性能较大，因此加工奥氏体不锈钢的功率要求比碳钢大得多。
焊接
奥氏体不锈钢被认为是最容易焊接的不锈钢，可以用所有的融合物焊接，也可以进行电阻焊接。焊接点要考虑两个重要因素1）避免硬化裂纹；2）保持焊口和热影响区的耐腐蚀性。焊接完全奥氏体结构的金属，在焊接操作中更容易形成裂纹。因此，316，316L，317L合金中添加了少量的铁素体，降低材料的裂纹敏感性。在腐蚀环境下使用的焊接件，建议使用低碳的316L和317L焊基金属和焊料。焊接金属含碳量越高，越容易产生碳化物沉淀（敏化作用），这可能导致粒间腐蚀。低碳的L等级，可以有效降低和避免敏化作用。高钼含量的焊堆在苛刻的环境下，由于钼的微偏析，可能导致耐腐蚀性下降。要克服这种副作用，应该提高焊料的钼含量。317L在某些苛刻的应用中，焊堆的钼含量要达到4%或者更高。904L合金（AWS ER 385, 4.5% Mo）或625合金（AWS ERNiCrMo-3, 9% Mo）常被用做这种焊料。在焊接区域应该避免铜和锌的污染，因此这两种成分会形成低熔点的化合物，导致焊接裂纹。