Нержавеющая сталь 401: свойства и ключевые применения

Нержавеющая сталь 401 классифицируется как мартенситная нержавеющая сталь, которая характеризуется высокой прочностью и умеренной коррозионной стойкостью. Эта марка стали в основном состоит из железа, с значительными легирующими элементами, включая хром (около 11-13%), а также меньшими количествами никеля, молибдена и углерода. Наличие хрома имеет решающее значение, так как он повышает коррозионную стойкость стали, в то время как углерод способствует ее твердости и прочности.

Обширный обзор

Нержавеющая сталь 401 известна своими отличными механическими свойствами, что делает ее подходящей для различных инженерных применений. Уникальное сочетание прочности и пластичности позволяет ей выдерживать значительные механические нагрузки, сохраняя при этом структурную целостность. Твердость стали может быть увеличена с помощью термообработки, что делает ее универсальным выбором для приложений, требующих стойкости к износу.

Преимущества:
- Высокая прочность: Нержавеющая сталь 401 обладает превосходной прочностью на растяжение и текучестью по сравнению со многими другими марками нержавеющей стали.
- Хорошая стойкость к износу: Способность закаливаться при термообработке делает ее идеальной для приложений, где стойкость к износу критична.
- Умеренная коррозионная стойкость: Хотя она не так устойчива, как аустенитные марки, она хорошо работает в слабо коррозионных средах.

Ограничения:
- Низкая коррозионная стойкость: По сравнению с аустенитными нержавеющими сталями, 401 имеет уменьшенную стойкость к питтинговой и трещинной коррозии.
- Хрупкость при определенных условиях: При повышенных температурах она может стать хрупкой, что ограничивает ее использование в высокотемпературных приложениях.

Исторически нержавеющая сталь 401 использовалась в различных отраслях, включая автомобилестроение и аэрокосмическую промышленность, где ее прочность и устойчивость имеют первостепенное значение. Ее рыночная позиция стабильна, а приложения варьируются от крепежных деталей до компонентов в машинах.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Марка	Страна/Регион происхождения	Примечания
UNS	S40100	США	Ближайший эквивалент AISI 401
AISI/SAE	401	США	Мартенситная нержавеющая сталь
ASTM	A276	США	Стандартная спецификация для нержавеющих стальных прутков
EN	1.4006	Европа	Похожие свойства, незначительные различия в составе
JIS	SUS 401	Япония	Эквивалентная марка с аналогичными приложениями

Различия между этими марками могут повлиять на выбор в соответствии с конкретными требованиями применения. Например, хотя UNS S40100 и AISI 401 тесно взаимосвязаны, изменения в содержании углерода могут повлиять на твердость и коррозионную стойкость.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (Углерод)	0.15 - 0.25
Cr (Хром)	11.0 - 13.0
Ni (Никель)	0.5 - 1.0
Mo (Молибден)	0.5 макс
Mn (Марганец)	1.0 макс
Si (Кремний)	1.0 макс
P (Фосфор)	0.04 макс
S (Сера)	0.03 макс

Основная роль хрома в нержавеющей стали 401 заключается в повышении коррозионной стойкости, в то время как углерод увеличивает твердость и прочность. Никель способствует прочности и пластичности, а молибден улучшает стойкость к питтинговой коррозии.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Типичное значение/Диапазон (метрические - SI единицы)	Типичное значение/Диапазон (имперские единицы)	Справочный стандарт для метода испытаний
Прочность на растяжение	Отожженная	550 - 750 МПа	80 - 110 ksi	ASTM E8
Текучесть (0.2% смещение)	Отожженная	350 - 500 МПа	51 - 73 ksi	ASTM E8
Удлинение	Отожженная	15 - 25%	15 - 25%	ASTM E8
Твердость (по Роквеллу C)	Отожженная	30 - 40 HRC	30 - 40 HRC	ASTM E18
Ударная вязкость (Шарпи)	-20°C	30 Дж	22 ft-lbf	ASTM E23

Комбинация высокой прочности на растяжение и текучести делает нержавеющую сталь 401 подходящей для приложений, требующих значительной механической нагрузки. Ее твердость позволяет ей противостоять износу, в то время как удлинение указывает на хорошую пластичность, что необходимо для процессов формования.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрические - SI единицы)	Значение (имперские единицы)
Плотность	-	7.75 г/см³	0.28 lb/in³
Температура/Диапазон плавления	-	1450 - 1510 °C	2642 - 2750 °F
Теплопроводность	20°C	25 W/m·K	14.5 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Удельная теплоемкость	20°C	500 Дж/кг·К	0.12 BTU/lb·°F
Электрическое сопротивление	20°C	0.73 µΩ·м	0.73 µΩ·in

Плотность нержавеющей стали 401 влияет на ее общий вес в приложениях, в то время как температура плавления указывает на пригодность для высокотемпературных среды. Теплопроводность и удельная теплоемкость важны для приложений, связанных с теплопередачей.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	3-5%	20-60°C (68-140°F)	Умеренная	Риск питтинговой коррозии
Кислоты	10%	20-40°C (68-104°F)	Плохая	Не рекомендуется
Щелочные растворы	5-10%	20-60°C (68-140°F)	Хорошая	Умеренная стойкость

Нержавеющая сталь 401 демонстрирует умеренную коррозионную стойкость, особенно в средах с хлоридами, где она может быть подвержена питтингу. В сравнении с аустенитными марками, такими как 304 или 316, 401 показывает сниженные показатели в кислых средах, что делает ее менее подходящей для приложений, связанных с сильными кислотами.

Стойкость к нагреву

Свойство/Предел	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной службы	400°C	752°F	Подходит для перерывного использования
Максимальная температура прерывистой службы	500°C	932°F	Ограничена сопротивлением окислению
Температура образования окалины	600°C	1112°F	Риск образования окалины при высоких температурах

При повышенных температурах нержавеющая сталь 401 сохраняет свою прочность, но может столкнуться с проблемами окисления. Ее производительность в высокотемпературных приложениях ограничена по сравнению с другими марками, что требует тщательного рассмотрения в дизайне.

Свойства обработки

Сварочность

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
TIG	ER401 (AWS A5.9)	Аргон	Рекомендуется подогрев
MIG	ER401 (AWS A5.9)	Смесь аргона и CO2	Может потребоваться термообработка после сварки

Нержавеющая сталь 401 может быть сварена с использованием стандартных процессов, но часто рекомендуется подогрев, чтобы избежать трещин. Термообработка после сварки может улучшить свойства сварного соединения.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Нержавеющая сталь 401	AISI 1212 (Эталон)	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	40	100	Умеренная обрабатываемость
Типичная скорость резания	30 м/мин	60 м/мин	Используйте карбидные инструменты

Обработка нержавеющей стали 401 требует внимательного учета инструментов и скоростей резания из-за ее умеренной обрабатываемости. Рекомендуется использовать карбидные инструменты для оптимальной производительности.

Формуемость

Нержавеющая сталь 401 демонстрирует хорошую формуемость как в холодных, так и в горячих процессах формования. Однако может возникнуть работающая закалка, требующая тщательного контроля радиусов изгиба, чтобы избежать трещин.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	800-900°C / 1472-1652°F	1-2 часа	Воздух или вода	Понижение жесткости, улучшение пластичности
Закалка	1000-1100°C / 1832-2012°F	30 минут	Воздух	Увеличение твердости

Процессы термообработки значительно влияют на микроструктуру нержавеющей стали 401. Отжиг смягчает материал, улучшая пластичность, в то время как закалка увеличивает твердость через мартенситное превращение.

Типичные приложения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора (кратко)
Автомобильная	Компоненты двигателя	Высокая прочность, стойкость к износу	Долговечность при механическом напряжении
Аэрокосмическая	Крепежные детали	Коррозионная стойкость, прочность	Легкие и прочные материалы
Нефть и газ	Компоненты клапанов	Умеренная коррозионная стойкость, прочность	Достоверность в жестких условиях

Другие приложения включают:
- Столовые приборы: Используются за их твердость и удерживание остроты.
- Промышленное оборудование: Компоненты, требующие высокой прочности и стойкости к износу.

Нержавеющая сталь 401 выбирается для применения, где критически важны прочность и умеренная коррозионная стойкость, что делает ее подходящей для сложных условий.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие сведения

Особенность/Свойство	Нержавеющая сталь 401	AISI 304	AISI 316	Краткое примечание о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Выская прочность	Умеренная	Умеренная	401 превосходит по прочности
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Хорошая	Отличная	401 менее коррозионно-стойкая
Сварочность	Хорошая	Отличная	Хорошая	401 требует подогрева
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Умеренная	401 сложнее обрабатывать
Формуемость	Хорошая	Отличная	Хорошая	401 имеет ограничения в формовании
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Умеренная	Выше	Экономически эффективна для прочности
Типичная доступность	Обычная	Очень распространена	Обычная	401 широко доступна

При выборе нержавеющей стали 401 следует учитывать ее экономическую эффективность, доступность и специфические механические свойства. Хотя она предлагает высокую прочность, ее более низкая коррозионная стойкость по сравнению с аустенитными марками может ограничить ее применение в определенных условиях. Кроме того, ее обрабатываемость и сварочность требуют тщательного внимания к условиям обработки для обеспечения оптимальной производительности в приложениях.