Какова плотность нержавеющей стали? Полное руководство по типам и свойствам

1.0 Плотность нержавеющей стали

1.1 Введение в плотность нержавеющей стали

Плотность нержавеющей стали относится к массе, содержащейся в единице объема. Обычно она находится в диапазоне от 7,5 и 8,0 г/см³ (или 7500–8000 кг/м³, 0,27–0,29 фунта/дюйм³), что делает его одним из ключевых физических свойств материалов из нержавеющей стали. Точное значение варьируется в зависимости от типа сплава и состава.

Нержавеющая сталь — широко используемая легированная сталь, содержащая не менее 10.5% хром, с дополнительными элементами, такими как углерод, кремний, марганец, никель, молибден, титан, и медь добавляются в зависимости от предполагаемого применения. Эти легирующие элементы не только определяют его коррозионная стойкость, механическая прочность, и формуемость, но и напрямую влиять на его плотность.

В области инженерного проектирования и контроля качества, плотность является критическим параметром используется для оценки веса, расчета грузоподъемности и оценки стоимости материалов. Понимание плотности различных марок нержавеющей стали помогает обеспечить точные выбор материала и структурное проектирование.

1.2 Плотность нержавеющей стали 304 и 316

• Плотность нержавеющей стали 304: ≈ 7,93 г/см³ (7930 кг/м³ или 0,286 фунт/дюйм³)
  304 — наиболее часто используемая аустенитная нержавеющая сталь. Ее плотность немного выше, чем у ферритных и мартенситных марок (например, 403), немного ниже, чем у 316, ниже, чем у меди, и выше, чем у алюминия и углеродистой стали.
• Плотность нержавеющей стали 316: ≈ 7,98 г/см³ (7980 кг/м³ или 0,288 фунт/дюйм³)
  По сравнению с 304, нержавеющая сталь 316 содержит большее количество никель и молибден, что приводит к немного более высокой плотности.

1.3 Таблица плотности нержавеющей стали

*Значения плотности приведены при стандартных условиях температуры и давления.

1.4 Таблица плотности наиболее распространенных сталей  

1.5 Перевод плотности нержавеющей стали: кг/м³, г/см³ и фунт/дюйм³

2.0 Дуплексная нержавеющая сталь и ее уникальная плотность

Плотность: Примерно 7,7–7,8 г/см³, ниже, чем у аустенитной нержавеющей стали из-за наличие феррита, имеющий меньшую плотность.

2.1 Обзор

Дуплексные комбайны из нержавеющей стали аустенит и феррит примерно в равных пропорциях. Эта двухфазная структура предлагает высокая прочность и отлично стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, что делает его идеальным для требовательных приложений.

2.2 Состав

Обычные оценки, такие как УНС S31803 и S32205 содержать:

• 21–23% Хром
• 4,5–6,5% Никель
• 2,5–3,5% Молибден

Эти элементы улучшают коррозионную стойкость и соотношение прочности и веса, подходят для химический, нефть и газ, и морской среды.

2.3 Основные преимущества

• В два раза больше урожайности сила из стандартных нержавеющих сталей
• Позволяет более тонкий материал, снижение стоимости и веса
• Хороший свариваемость и теплопроводность
• Меньшее тепловое расширение, подходит для систем высокого давления и коррозионных систем

3.0 Сравнение плотности различных типов нержавеющей стали

Аустенитная нержавеющая сталь: Такие марки, как 304 и 316, имеют плотность около 7,9 г/см³. Состоящие в основном из хрома и никеля, они немагнитны, обладают высокой коррозионной стойкостью и очень пластичны. Их более высокая плотность делает их идеальными для морских, химических и других высокопрочных применений.
Ферритная нержавеющая сталь: Такие марки, как 430 и 409, имеют немного меньшую плотность, обычно 7,7–7,8 г/см³. С большим содержанием хрома и меньшим содержанием никеля они магнитные и более устойчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением, подходят для автомобильных выхлопных систем и применений, чувствительных к весу.
Мартенситная нержавеющая сталь: Такие марки, как 410 и 420, также имеют диапазон от 7,7 до 7,8 г/см³. Эти стали содержат больше углерода, что обеспечивает высокую твердость после термообработки. Хотя они менее устойчивы к коррозии, они предлагают отличное соотношение прочности и веса для инструментов, лезвий и деталей с высокой нагрузкой.

4.0 Факторы, влияющие на плотность нержавеющей стали

Плотность нержавеющей стали не является фиксированным значением — она варьируется в зависимости от нескольких ключевых факторов:

4.1 Состав сплава

Плотность во многом зависит от типа и соотношения легирующих элементов:

• Железо (Fe): базовый элемент, определяет базовую плотность.
• Хром (Cr): ~7190 кг/м³; немного снижает общую плотность.
• Никель (Ni): ~8900 кг/м³; более высокое содержание увеличивает плотность.
• Молибден (Mo): ~10 280 кг/м³; значительно увеличивает плотность.
• Другие элементы (например, углерод, азот, марганец, кремний) оказывают незначительное влияние, но могут иметь решающее значение для высокопроизводительных марок.

4.2 Изменение температуры

При повышении температуры тепловое расширение увеличивает объем и уменьшает плотность.

• В среднем плотность уменьшается на ~0,4% при повышении температуры на каждые 100°C.
• Чрезвычайно высокие или низкие температуры могут повлиять как на плотность, так и на эксплуатационные характеристики материала.

4.3 Условия давления

• Высокое давление сжимает атомную структуру, увеличивая плотность.
• Низкое давление (например, вакуум) может вызвать небольшое расширение, что приведет к снижению плотности.

Эти эффекты следует учитывать в условиях высокого давления или вакуума.

4.4 Пористость

• Пористость — это наличие внутренних пустот или зазоров в материале.
• Более высокая пористость уменьшает эффективный объем металла, снижая плотность.
• Такие процессы, как пудра металлургия или спекание может привести к пористости.

4.5 Процесс производства

• Такие параметры, как температура печи, скорость охлаждения, последовательность легирования, и нагревать уход может повлиять на микроструктуру и конечную плотность.
• Оптимизированное управление процессом обеспечивает постоянные и стабильные свойства материала.

5.0 Как плотность нержавеющей стали влияет на производительность

Плотность нержавеющей стали не только отражает компактность ее атомной структуры, но и влияет на различные физические и механические свойства:

• Предел прочности: Нержавеющая сталь более высокой плотности обычно обеспечивает большую прочность на разрыв благодаря более плотной атомной структуре, что повышает устойчивость к разрушению при растяжении.
• Твёрдость: Более плотные материалы имеют более плотно упакованные атомы, что обеспечивает более высокую твердость и лучшую устойчивость к вдавливанию, царапанию и деформации.
• Пластичность: Нержавеющая сталь с меньшей плотностью, как правило, более пластична, что позволяет ей растягиваться без разрушения — идеально подходит для применений, требующих значительной деформации.
• Коррозионная стойкость: Более плотная микроструктура сокращает путь проникновения агрессивных сред, повышая коррозионную стойкость, особенно в суровых условиях.
• Формуемость: Стали с меньшей плотностью и более свободным расположением атомов легче гнуть, подвергать глубокой вытяжке и штамповке, что делает их пригодными для изготовления сложных или прецизионных деталей.
• Свариваемость: Нержавеющая сталь высокой плотности обычно требует больше энергии для плавления из-за более сильных межмолекулярных сил, что затрудняет ее сварку. Сорта с меньшей плотностью обычно легче сваривать.
• Обрабатываемость: Сорта с высокой плотностью тверже и эластичнее, что увеличивает сопротивление резанию и износ инструмента. Стали с меньшей плотностью легче и эффективнее обрабатывать.
• Устойчивость: Нержавеющая сталь с более высокой плотностью часто обладает большей прочностью и долговечностью, что обеспечивает более длительный срок службы, менее частую замену и более высокую эффективность использования ресурсов.

6.0 Роль плотности нержавеющей стали в практическом применении

• Расчет веса: Плотность имеет решающее значение для расчета веса материала (Вес = Плотность × Объем), влияет на транспортные расходы и расчет нагрузки на конструкцию.
• Выбор материала: Разные плотности соответствуют разным потребностям — сталь с более высокой плотностью для деталей, критичных к прочности, сталь с более низкой плотностью для легких конструкций.
• Оценка прочности: Плотность помогает оценить механическую прочность и жесткость, облегчая выбор материалов для строительства, машиностроения и сосудов под давлением.
• Оценка коррозионной стойкости: Более высокая плотность часто указывает на более плотную микроструктуру, что повышает устойчивость к газовой или жидкой коррозии.
• Проектирование тепловых характеристик: Плотность влияет на теплопроводность и теплоемкость, что важно для теплообменников и тепловых систем.
• Анализ плавучести и устойчивости: В жидких средах, таких как морские сооружения или резервуары, плотность используется для анализа плавучести и устойчивости.
• Настройка параметров обработки: Различная плотность влияет на усилия резания, выбор инструмента и методы охлаждения в процессе производства.
• Структурное моделирование и симуляция: Точные значения плотности имеют решающее значение в FEA или CAD для обеспечения надежных результатов моделирования.
• Переработка и оценка ресурсов: Плотность помогает оценить ценность материала и эффективность использования ресурсов при переработке и анализе жизненного цикла.

Ссылки:

https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-stainless-steel