TP316 против TP316L – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
TP316 и TP316L — это два тесно связанных аустенитных нержавеющих сталей, которые широко используются в трубопроводах, сосудах под давлением, теплообменниках и общем производстве. Инженеры и менеджеры по закупкам часто сталкиваются с дилеммой выбора: балансировка коррозионной стойкости, свариваемости и необходимости термической обработки после сварки против прочности, стоимости и доступности. В многих производимых сборках решение сводится к тому, оправдывает ли небольшое снижение содержания углерода (и его металлургические последствия) в TP316L какие-либо различия в механических характеристиках или цене.
Фундаментальное различие между двумя сталями заключается в максимальном содержании углерода: TP316L имеет значительно более низкий предел углерода, чем TP316. Этот контроль углерода в первую очередь влияет на восприимчивость к осаждению карбидов хрома (сенсибилизация) во время медленного охлаждения после сварки или отжига, и, следовательно, сильно влияет на практику сварки и требования после сварки. Поскольку их уровни хрома, никеля и молибдена в остальном схожи, TP316 и TP316L в остальном сопоставимы по коррозионной стойкости и общим механическим свойствам в отожженном состоянии.
1. Стандарты и обозначения
Общие стандарты и обозначения для этих нержавеющих сталей включают: - ASTM/ASME: TP316, TP316L по ASTM A240 / ASME SA-240 (лист, листовой металл) и связанные спецификации для прутков, труб и кованых изделий. - EN: X5CrNiMo17-12-2 (≈ 316), X2CrNiMo17-12-2 (≈ 316L) по серии EN 10088. - JIS: SUS316 / SUS316L. - GB (Китай): 00Cr17Ni14Mo2 / 0Cr17Ni14Mo2 (приблизительные эквиваленты).
Классификация: как TP316, так и TP316L являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющий класс). Они не являются углеродными сталями или сталями HSLA/инструментальными.
2. Химический состав и стратегия легирования
Основная стратегия легирования для семейства 316 заключается в обеспечении аустенитной матрицы (за счет Ni), коррозионной стойкости (Cr и Mo) и контролируемого углерода для балансировки прочности и риска сенсибилизации.
Таблица: Типичные диапазоны состава (вес.%) — обратитесь к конкретному стандарту или сертификату завода для точных пределов по форме продукта.
| Элемент | TP316 (типичный диапазон) | TP316L (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C (углерод) | ≤ 0.08 | ≤ 0.03 (или ≤ 0.035 в зависимости от спецификации) |
| Mn (марганец) | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si (кремний) | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P (фосфор) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S (сера) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (хром) | 16.0–18.0 | 16.0–18.0 |
| Ni (никель) | 10.0–14.0 | 10.0–14.0 |
| Mo (молибден) | 2.0–3.0 | 2.0–3.0 |
| V (ванадий) | обычно ≤ 0.1 | обычно ≤ 0.1 |
| Nb (ниобий) | в общем ≤ 0.1 | в общем ≤ 0.1 |
| Ti (титан) | обычно ≤ 0.1 | обычно ≤ 0.1 |
| B (бор) | следы | следы |
| N (азот) | ≤ 0.10 (варьируется) | ≤ 0.11 (варьируется) |
Как легирование влияет на характеристики: - Хром (Cr): обеспечивает общую коррозионную стойкость и пассивность. - Никель (Ni): стабилизирует аустенит, улучшает прочность и пластичность. - Молибден (Mo): увеличивает стойкость к точечной и трещинной коррозии. - Углерод (C): умеренно увеличивает прочность, но способствует осаждению карбидов хрома на границах зерен, если находится в диапазоне сенсибилизации (примерно 450–850 °C), снижая межзерновую коррозионную стойкость. - Микроэлементы (Mn, Si, N) влияют на дегазацию, прочность и стабильность аустенита.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура: - Как TP316, так и TP316L в основном являются полностью аустенитными в отожженном состоянии. Структура зерна — равносторонний аустенит; небольшие количества феррита (δ-феррит) могут сохраняться в зависимости от состава и режима кристаллизации — особенно в отливках и сварочном металле. - Осаждение карбидов: углерод способствует образованию карбидов хрома (Cr23C6) на границах зерен во время воздействия на температуры сенсибилизации, что локально истощает хром и позволяет межзерновому разрушению.
Термообработка и обработка: - Растворный отжиг (типичный): нагрев до $1010\text{–}1120\ ^\circ\text{C}$ (в зависимости от спецификации), за которым следует быстрое охлаждение, обычно водяное, для повторного растворения карбидов и восстановления коррозионной стойкости. - Ни один из классов не усиливается обычной термообработкой (они не являются мартенситными или закаливаемыми); прочность может быть увеличена холодной обработкой. - Термомеханическая обработка (прокат, холодная работа + отжиг) контролирует размер зерна и может влиять на прочность; сильная холодная работа увеличивает прочность и снижает пластичность. - Для сварных компонентов: более низкое содержание углерода в TP316L снижает силу, способствующую осаждению карбидов во время медленного охлаждения; TP316 может потребовать растворного отжига после интенсивной или обширной сварки, если служба требует максимальной межзерновой коррозионной стойкости.
4. Механические свойства
Механические свойства зависят от формы продукта (лист, листовой металл, труба, пруток), степени холодной обработки и термообработки. Таблица ниже дает типичные диапазоны для отожженного состояния, представляющие собой инженерный выбор. Всегда проверяйте с сертификатом испытаний завода.
| Свойство (отожженное) | TP316 (типичный) | TP316L (типичный) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ~480–620 | ~480–620 |
| Предел текучести, 0.2% смещение (МПа) | ~170–310 | ~140–290 |
| Удлинение (A, %) | ≥ 40% (варьируется) | ≥ 40% (варьируется) |
| Ударная вязкость | Хорошая — сохраняет вязкость при низкой температуре (не указано стандартом) | Хорошая — аналогична TP316 |
| Твердость (HB/HRB) | Отожженное: обычно ≤ 200 HV (≈ ≤ 95 HRB) | Отожженное: обычно ≤ 200 HV (≈ ≤ 95 HRB) |
Объяснение: - Прочность: номинальные прочности на растяжение схожи, поскольку базовое легирование похоже; TP316 может показывать немного более высокий предел текучести из-за более высокого содержания углерода, но различия незначительны в отожженном состоянии. - Вязкость и пластичность: обе стали обладают высокой пластичностью и вязкостью; TP316L может предложить немного лучшую пластичность и формуемость в некоторых операциях из-за более низкого предела текучести. - Твердость: обе стали мягкие в отожженном состоянии; холодная обработка значительно повышает твердость и прочность.
5. Свариваемость
Аустенитные нержавеющие стали семейства 316 являются одними из самых свариваемых нержавеющих классов, но содержание углерода влияет на выбор присадочного материала, практику предварительного/послесварочного подогрева и необходимость термообработки после сварки.
Ключевые соображения по сварке: - Риск сенсибилизации: более высокое содержание углерода увеличивает риск осаждения карбидов хрома в зоне термического влияния (HAZ) во время медленного охлаждения. Более низкое содержание углерода в TP316L значительно снижает этот риск и поэтому предпочтительно там, где требуется обширная сварка или коррозионная стойкость после сварки. - Горячие трещины: аустенитные нержавеющие стали выигрывают от некоторого сохраненного δ-феррита в сварочном металле, чтобы противостоять горячим трещинам. Состав и режим кристаллизации определяют результирующее содержание феррита. - Присадочные металлы: обычно используются соответствующие или низкоуглеродные присадки (например, ER316/ER316L); для несоответствующих соединений используйте соответствующие переходные присадки (например, 309 для ферритных и аустенитных соединений).
Полезные эмпирические индексы (интерпретировать качественно): - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ Более высокий $CE_{IIW}$ указывает на повышенную закаливаемость и большую восприимчивость к холодным трещинам в углеродных сталях; для аустенитных нержавеющих сталей его можно использовать качественно для сравнения склонности к образованию нежелательных микроструктур во время сварки. - Метрика точечной и сварочной трещины: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Более высокий $P_{cm}$ подразумевает большие проблемы со свариваемостью для нержавеющих классов; более низкий углерод снижает $P_{cm}$.
Интерпретация: - TP316L обеспечивает лучшую защиту от сенсибилизации без послесварочного растворного отжига. В конструкциях, где послесварочный отжиг невозможен (большие резервуары, полевые сварки), TP316L является более безопасным выбором. - TP316 может использоваться там, где сварка ограничена, послесварочный отжиг возможен или где требуется немного более высокая прочность/стойкость к ползучести при повышенной температуре.
6. Коррозия и защита поверхности
Нержавеющие стали семейства 316 полагаются на пассивные хромовые оксидные пленки для коррозионной стойкости. Молибден улучшает локальную коррозионную стойкость (точечная, трещинная коррозия).
Эквивалентный номер стойкости к точечной коррозии (PREN) иногда используется для сравнения локальной коррозионной стойкости: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Для обычных 316/316L (умеренный Cr, ~2–3% Mo, низкий N) PREN указывает на умеренную стойкость к точечной коррозии по сравнению с дуплексными или супер-аустенитными классами.
Примечания: - Как TP316, так и TP316L имеют схожую общую коррозионную стойкость, поскольку содержание Cr, Ni и Mo схоже; углерод не изменяет стойкость к точечной коррозии напрямую, но косвенно влияет на коррозионные характеристики, способствуя сенсибилизации и межзерновой коррозии, если образуются карбиды. - Методы защиты поверхности (гальванизация, покраска) применяются к не нержавеющим сталям; для нержавеющих подложек используются методы пассивации (кислотное травление, азотная пассивация) для восстановления или улучшения пассивной пленки.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формование: обе стали имеют отличную формуемость в отожженном состоянии. Немного более низкий предел текучести TP316L может сделать глубокую вытяжку и штамповку немного проще и уменьшить пружинистость.
- Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали быстро упрочняются и имеют плохую обрабатываемость по сравнению с углеродными сталями. Требуются специальные инструменты, жесткие установки и соответствующие подачи/скорости. TP316 и TP316L обрабатываются аналогично; небольшие различия возникают из-за тенденций к холодной обработке.
- Финишная обработка: электropolishing и механическая полировка являются обычными. TP316L выигрывает от сниженного риска сенсибилизации во время термического воздействия в процессе обработки.
- Холодное формование значительно увеличивает