316 против 317 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между нержавеющими сталями 316 и 317 при спецификации компонентов для коррозионных сред. Проблема выбора обычно заключается в балансе между коррозионной стойкостью и стоимостью, свариваемостью и легкостью обработки, а также доступностью и производительностью в условиях эксплуатации. Оба сорта являются аустенитными нержавеющими сталями с похожим механическим поведением, но они различаются в первую очередь по стратегии легирования — в частности, по количеству молибдена и никеля — что определяет различия в стойкости к точечной и трещинообразующей коррозии и влияет на цену.

Самое важное практическое различие заключается в том, что 317 содержит большее количество молибдена (и, как правило, немного другой баланс никеля/хрома), чем 316; это увеличивает стойкость к локализованной коррозии в агрессивных средах с хлоридами или восстанавливающими кислотами. Поскольку эти сорта часто используются для аналогичных задач (насосы, клапаны, процессное оборудование, трубопроводы), инженеры сравнивают их напрямую, чтобы определить, оправданы ли дополнительные затраты на материал для 317 в условиях эксплуатации.

1. Стандарты и обозначения

Общие стандарты и обозначения, которые охватывают нержавеющие стали 316 и 317, включают: - ASTM / ASME: A240 / SA-240 (лист, плита), A276 (брусья), A312 (труба) — оба сорта представлены в спецификациях ASTM в различных формах продукции. - UNS: 316 → UNS S31600 (и низкоуглеродистая S31603 для 316L), 317 → UNS S31700 (и S31703 для 317L). - EN: 316 часто соответствует EN 1.4401 / 1.4404 (316L); 317 имеет эквиваленты EN в семействе 1.4440/1.4449 в зависимости от варианта. - JIS / GB: Национальные стандарты соответствуют аналогичным химическим/физическим спецификациям для форм продукции.

Классификация: как 316, так и 317 являются аустенитными нержавеющими сталями (категория нержавеющих), не подлежащими термической обработке обычным закаливанием; они не являются углеродными или инструментальными сталями, ни HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица показывает типичные диапазоны состава для стандартных (не низкоуглеродистых L или стабилизированных) нержавеющих сталей 316 и 317. Значения ниже представлены как типичные диапазоны, используемые в коммерческих спецификациях; точные пределы зависят от конкретного стандарта и формы продукции.

Элемент	316 (типичный, вес%)	317 (типичный, вес%)
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16.0–18.0	18.0–20.0
Ni	10.0–14.0	11.0–15.0
Mo	2.0–3.0	3.0–4.0
V	≈ 0	≈ 0
Nb	≈ 0 (кроме стабилизированных сортов)	≈ 0
Ti	≈ 0 (кроме стабилизированных сортов)	≈ 0
B	следы	следы
N	следы/≤0.11	следы/≤0.11

Как легирование влияет на производительность: - Хром (Cr) обеспечивает общую коррозионную стойкость и образует пассивную оксидную пленку. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу и улучшает прочность и свариваемость. - Молибден (Mo) значительно повышает стойкость к точечной и трещинообразующей коррозии в средах, содержащих хлориды, и восстанавливающих средах. - Углерод влияет на сенсибилизацию и прочность при высоких температурах; низкоуглеродистые (L) варианты используются для улучшения свариваемости и снижения осаждения карбидов. - Неосновные элементы и стабилизаторы (Ti, Nb) используются в специфических сортах для предотвращения сенсибилизации в сварных конструкциях.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура: - Оба сорта 316 и 317 полностью аустенитные после стандартной обработки (кубическая кристаллическая структура с центром грани) и остаются аустенитными при комнатной температуре для типичных составов. - Наличие Ni и N увеличивает стабильность аустенита; Mo не изменяет основного аустенитного характера, но влияет на образование осадков и коррозионное поведение.

Реакция на термообработку: - Ни 316, ни 317 не закаливаются обычной термообработкой с закалкой и отпуском; они не подлежат термообработке в смысле мартенситной трансформации. Механические свойства в первую очередь определяются холодной обработкой и отжигом в растворе. - Типичный процесс обработки: отжиг в растворе при 1010–1150 °C (в зависимости от стандарта), за которым следует быстрая закалка для сохранения однородной аустенитной матрицы и растворения карбидов. - Сенсибилизация: длительное воздействие в диапазоне 450–850 °C может вызвать осаждение карбидов хрома на границах зерен (сенсибилизация), что снижает межзеренную коррозионную стойкость. Использование низкоуглеродистых (L) или стабилизированных сортов, или правильный отжиг в растворе, смягчает это. - Термомеханическая обработка и холодная работа увеличивают плотность дислокаций и предел текучести/прочности при растяжении, снижая при этом пластичность. Упругость при работе выражена для аустенитных нержавеющих сталей и должна учитываться при формовке.

Нормализация/закалка и отпуск: - Не применимо как механизмы упрочнения — "нормализация" в ферритной/перлитной интерпретации не имеет значения; необходимый этап — отжиг в растворе для восстановления коррозионной стойкости после обработки.

4. Механические свойства

Оба сорта имеют в целом схожие механические свойства в отожженном состоянии, поскольку оба являются аустенитными нержавеющими сталями. Типичная механическая производительность для отожженной продукции (лист/брус/труба) резюмирована качественно ниже.

Свойство	316 (отожженный, типичный)	317 (отожженный, типичный)
Прочность на разрыв (UTS)	~средний диапазон 500 МПа (варьируется в зависимости от продукта)	Сравнимо с немного более высоким, чем 316
Предел текучести (0.2% смещение)	~200–300 МПа (зависит от формы)	Похож; может быть немного выше
Удлинение (A%)	Высокая пластичность; обычно ≥ 40% в листе	Сравнимо; отличная пластичность
Ударная вязкость	Отличная при комнатной и низкой температуре	Сравнимо; аустенит обеспечивает хорошую вязкость
Твердость	Низкая до умеренной (мягкий отожженный)	Похожая

Интерпретация: - 317 не значительно прочнее в механических терминах; основное преимущество 317 над 316 заключается в коррозионной стойкости, а не в механической прочности. - Холодная обработка увеличивает прочность в обоих сортах, но снижает пластичность и увеличивает остаточные напряжения; финальный отжиг используется по мере необходимости для восстановления формуемости и коррозионной стойкости.

5. Свариваемость

Оба сорта 316 и 317 легко свариваются с использованием общих процессов (GTAW/TIG, GMAW/MIG, SMAW), и оба имеют варианты с низким содержанием углерода (L) или стабилизирующими элементами для улучшения коррозионной стойкости после сварки.

Полезные индексы свариваемости: - Углеродный эквивалент для оценки горячих трещин и закаливаемости можно оценить качественно с помощью формул, таких как: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ и более сложной $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Интерпретация: оба сорта имеют низкое содержание углерода и умеренное содержание никеля, что обеспечивает хорошую свариваемость. Более высокий Mo в 317 немного увеличивает вклад в $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ через термин Cr+Mo, но эффект скромный по сравнению с углеродом или элементами, образующими феррит.

Практическое руководство: - Используйте 316L/317L для сварных компонентов, чтобы снизить риск сенсибилизации и межзеренной коррозии. - Постсварочный отжиг в растворе восстанавливает коррозионные характеристики, когда это возможно; в противном случае проектируйте для снятия напряжений или указывайте стабилизированные сорта. - Выбор filler metal: подберите или используйте немного более легированный filler для защиты от локализованной коррозии; проконсультируйтесь с процедурами сварки.

6. Коррозия и защита поверхности

Для нержавеющих (аустенитных) сортов, таких как 316 и 317, основными соображениями по коррозионной производительности являются общая коррозия, точечная коррозия, трещинообразующая коррозия и коррозионное растрескивание (SCC) в средах с хлором.

Эквивалентный номер стойкости к точечной коррозии: - Чтобы сравнить стойкость к локализованной коррозии, используйте PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Поскольку 317 обычно содержит больше Mo (и часто немного более высокий баланс Cr/Ni), его PREN выше, чем у 316, что указывает на превосходную стойкость к точечной и трещинообразующей коррозии в средах, содержащих хлориды, и восстанавливающих кислотах.

Когда PREN и индексы не применимы: - Для не нержавеющих сталей (не актуально здесь) или для сред, доминирующих под воздействием равномерной коррозии в окислительных условиях, общие скорости коррозии и покрытия (гальванизация, покраска, полимерные покрытия) являются основными стратегиями защиты.

Практическое значение: - Выбирайте 317, когда основными проблемами являются точечная коррозия и трещинообразующая коррозия, вызванные хлором (например, концентрированные хлоридные услуги, агрессивные восстанавливающие кислоты). Для более мягких сред или когда стоимость критична, 316 часто обеспечивает адекватную производительность.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: оба сорта умеренно обрабатываемы по сравнению с ферритными/мартенситными сталями; аустенитные нержавеющие стали быстро упрочняются при работе, поэтому стратегии обработки акцентируют внимание на высокоригидных инструментах, контролируемой нагрузке на стружку и щедром охлаждении. Немного более высокое содержание легирующих элементов в 317 может умеренно повлиять на износ инструмента и силы резания.
• Формуемость: оба демонстрируют отличную пластичность и формуемость в отожженном состоянии; холодная обработка повышает прочность, но увеличивает упругость и упрочнение при работе.
• Обработка поверхности: оба принимают общие отделки поверхности (полировка, пассивация); пассивация после обработки или отделки сварки рекомендуется для восстановления оптимальной коррозионной производительности.
• Холодная формовка и глубокая вытяжка: осуществимы при правильных циклах отжига и выборе инструмента; 316 широко используется в производственных цехах для формованных компонентов; 317 ведет себя аналогично, но может потребовать немного других параметров процесса для той же отделки поверхности.

8. Типичные применения

316 — Типичные применения	317 — Типичные применения
Морские фитинги, валы насосов, валы пропеллеров, оборудование на палубе	Процессное оборудование для химической обработки, подвергающееся воздействию хлоридов и восстанавливающих кислот
Оборудование для переработки пищи и фармацевтики (гигиеничные поверхности)	Трубопроводы для транспортировки химикатов, резервуары и теплообменники в агрессивных средах
Теплообменники и конденсаторы	Бак для отжима, системы восстановления кислоты и услуги с концентрированным рассолом
Архитектурные применения в прибрежных средах (умеренное воздействие)	Среды, где требуется более высокая стойкость к точечной коррозии (большая концентрация хлора/аустенитный вызов)

Обоснование выбора: - Выбирайте 316, когда общая коррозионная стойкость, формуемость и экономическая эффективность являются приоритетами, а среда умеренно коррозионная. - Выбирайте 317, когда риск локализованной коррозии (точечной/трещинообразующей) повышен, и дополнительное содержание молибдена обеспечивает необходимый срок службы.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 317, как правило, дороже, чем 316 из-за более высокого содержания молибдена и часто большего содержания никеля. Mo является относительно дорогим легирующим элементом, поэтому разница в цене может быть значительной в зависимости от рыночных цен на Ni и Mo.
• Доступность: 316 является одним из наиболее часто запасаемых аустенитных сортов и широко доступен в виде листов, плит, брусьев, труб и фитингов. 317 также доступен, но может быть менее часто запасаем в некоторых регионах и формах продукции; сроки поставки и минимальные объемы заказа могут быть выше для специализированных форм.

Советы по закупкам: - Оцените стоимость жизненного цикла: более высокая первоначальная стоимость материала для 317 может быть оправдана, если время простоя, утечки, связанные с коррозией, или затраты на замену снижаются. - Для сварной обработки убедитесь в наличии подходящих filler metals и рассмотрите возможность указания L (низкоуглеродистых) вариантов, если коррозия сварки является проблемой.

10. Резюме и рекомендации

Сорт	Свариваемость	Прочность–Ударная вязкость	Стоимость
316	Отличная (улучшена с 316L)	Хорошая пластичность и вязкость; типичные прочности в отожженном состоянии	Низкая стоимость; широко доступна
317	Очень хорошая (317L для сварных работ)	Сравнимые механические свойства; возможна немного более высокая прочность	Более высокая стоимость; лучшая стойкость к локализованной коррозии

Рекомендации: - Выбирайте 316, если: - Обслуживание связано с умеренным воздействием коррозии (морской брызг, пищевая/фармацевтическая, общая химическая служба) и стоимость или доступность являются приоритетом. - Обработка требует широкой доступности материала и проверенной свариваемости; рассмотрите 316L для обширной сварки. - Выбирайте 317, если: - Среда включает более высокие концентрации хлора, восстанавливающие кислоты или высокий риск точечной/трещинообразующей коррозии, и требуется повышенное содержание молибдена для продления срока службы. - Анализ стоимости жизненного цикла благоприятствует первоначальным инвестициям в легирование, чтобы избежать преждевременных коррозионных отказов.

Заключительная заметка: всегда подбирайте выбор материала к конкретной химической среде, температуре, механической нагрузке и ограничениям обработки. В случае сомнений проконсультируйтесь с данными испытаний на коррозию (лабораторное погружение, циклические испытания на точечную коррозию) для предполагаемых условий эксплуатации и обратитесь к специалистам по материалам для подтверждения выбора сорта и процедур сварки/обработки.