ステンレス鋼への完全なガイド

ステンレス鋼は通常、耐食性があるために選択されますが、鋼であるためにも選択されます。強度、歩留まり、靭性、硬度、加工硬化への応答、溶接性、耐熱性などの特性により、鋼は、特にコストを考えると、エンジニアリング、建設、製造において非常に有用な金属になります。エンジニアは、グレードを決定する前に、ステンレス鋼の使用荷重と大気条件を考慮します。

引張特性

金属の引張特性は引っ張ることによって測定されます。代表的な引張棒は、引張荷重としても知られる引張力を受けます。破損すると、引張強度、降伏強度、伸び、および面積の減少が測定されます。

硬度

硬度は、くぼみや摩耗に耐える鋼の能力です。最も一般的な2つの硬さ試験は、ブリネルとロックウェルです。ブリネル試験では、小さな焼入れ鋼球を標準荷重で鋼に押し込み、得られた印象の直径を測定します。ロックウェルテストは、くぼみの深さを測定します。一部の金属では、冷間加工（加工硬化とも呼ばれます）によって硬度を上げることができます。一部の金属では、熱処理によって硬度を上げることができます。

タフネス

靭性は、非常に局所的な応力下で塑性的に降伏する鋼の能力です。強靭な鋼は割れに強く、エンジニアリング用途で使用される非常に望ましい品質の靭性を実現します。靭性のレベルは、動的テストを使用して決定されます。サンプルバーに切り込みを入れて応力を特定し、振り子を振り子で叩きます。サンプルバーを壊すときに吸収されるエネルギーは、振り子が失うエネルギーの量によって測定されます。丈夫な金属はより多くのエネルギーを吸収しますが、もろい金属はより少ないエネルギーを吸収します。

フェライト系

フェライト系ステンレス鋼には、鉄、炭素、および10.5〜18％のクロムが含まれています。それらは、モリブデンやアルミニウムなどの他の合金元素を含む場合がありますが、通常はごく少量です。それらは、体心立方（BCC）結晶構造を持っています。これは、周囲温度での純鉄と同じです。

それらの結晶構造のために、フェライト系ステンレス鋼は磁性を帯びています。それらの比較的低い炭素含有量は、それに応じて低い強度を生み出す。フェライト系のその他の弱点には、溶接性の悪さや耐食性の低下などがあります。ただし、靭性に優れているため、エンジニアリングアプリケーションには適しています。フェライト系ステンレス鋼は、車両の排気管、燃料ライン、建築用トリムによく使用されます。

オーステナイト系

オーステナイト系ステンレス鋼は面心立方（FCC）結晶構造を持ち、鉄、炭素、クロム、および少なくとも8％のニッケルで構成されています。クロムとニッケルの含有量が高いため、耐食性が高く、非磁性です。フェライト系ステンレス鋼と同様に、オーステナイト系ステンレス鋼は熱処理によって硬化させることはできません。ただし、冷間加工により硬化させることができます。オーステナイト系ステンレス鋼はニッケル含有量が高いため、低温用途で十分に機能します。

最も一般的な2つのステンレス鋼（304と316）は、どちらもオーステナイト系ステンレス鋼です。オーステナイト系ステンレス鋼の人気の背後にある主な推進力は、それらが成形および溶接されやすいことであり、高効率の製造に理想的です。炭素含有量に大きなばらつきがあるオーステナイト系ステンレス鋼には多くのサブグループがあります。特性は、モリブデン、チタン、銅などの合金元素を追加することでさらに調整されます。オーステナイト系ステンレス鋼は、台所の流し台、窓枠、食品加工機器、化学薬品タンクの製造によく使用されます。また、ベンチ、ステンレス鋼のボラード、自転車ラックなどの屋外用家具にも一般的に使用されています。

マルテンサイト系

マルテンサイト系ステンレス鋼は、体心正方晶（BCT）構造を持っています。それらは12〜18％のクロムを含み、オーステナイト系またはフェライト系ステンレス鋼よりも高い炭素含有量（0.1〜1.2％）を持っています。フェライト系BCC構造と同様に、BCTは磁性を帯びています。マルテンサイト系ステンレス鋼は、溶接性や耐食性よりも鋼の強度が重要な状況で非常に役立ちます。主な違いは、マルテンサイト系ステンレス鋼は炭素含有量が高いため、熱処理によって硬化できることです。これにより、航空宇宙部品、カトラリー、ブレードなど、さまざまな用途に役立ちます。

デュプレックス

二相ステンレス鋼は最新のステンレス鋼タイプです。オーステナイト系ステンレス鋼よりも多くのクロム（19〜32％）とモリブデン（最大5％）が含まれていますが、ニッケルは大幅に少なくなっています。二相ステンレス鋼は、フェライト系とオーステナイト系のハイブリッド結晶構造を持っているため、オーステナイト系ステンレス鋼と呼ばれることもあります。二相ステンレス鋼のオーステナイト相とフェライト相の約半分の混合は、それに独特の利点を与えます。それらは、オーステナイト系ステンレス鋼よりも応力腐食割れに対して耐性があり、フェライト系ステンレス鋼よりも強靭であり、どちらの純粋な形よりも約2倍強力です。二相ステンレス鋼の主な利点は、塩化物にさらされた場合のオーステナイト系ステンレス鋼と同等またはそれ以上の耐食性です。

二相ステンレス鋼も非常に費用効果が高いです。二相ステンレス鋼の強度と耐食性は、同等のオーステナイト系ステンレス鋼よりも低い合金含有量で達成されます。二相ステンレス鋼は、淡水化および石油化学産業で塩化物にさらされる用途の部品を製造するために定期的に使用されています。また、橋、圧力容器、タイバーの建築および建設業界でも使用されています。

析出硬化

析出硬化ステンレス鋼はさまざまな結晶構造を持つことができますが、それらはすべてクロムとニッケルの両方を含んでいます。それらの共通の特徴は、耐食性、製造の容易さ、および低温熱処理による非常に高い引張強度です。

オーステナイト系析出硬化合金は、ほとんどがより高強度の超合金に取って代わられています。ただし、セミオーステナイト系析出硬化ステンレス鋼は、航空宇宙用途で引き続き使用されており、新しい形態にも適用されています。マルテンサイト析出硬化ステンレス鋼は、通常のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも強度が高く、棒、棒、ワイヤーの製造に頻繁に使用されます。

技術的な外観：ステンレス鋼の分子微細構造

金属が溶融状態から凍結すると、結晶化して粒子を形成します。この結晶構造は、金属の機械的特性の多くを決定します。多くの要因がこの微細構造に影響を与えます。

合金中の原子の種類は、それらの原子の種類によって形成される分子によって構造を変化させます。各材料のパーセンテージは、原子が形成する配置も決定します。

温度は、金属の結晶格子の形状に大きな影響を及ぼします。特定の温度でさまざまな構造が形成され始めます。合金には、さまざまな温度でさまざまな割合の重要な元素で一般的な粒子の種類を示す位相表があります。

私たちの鉄-炭素状態図は、温度と炭素が鋼の結晶粒の形成にどのように影響するかを示しています。鉄鉱床の3つの段階を示しています：

• フェライトまたはアルファ鉄（α）は、912°C未満の温度で形成される標準的な粒子です。
• オーステナイト、またはガンマ鉄（γ）は、より密に詰まった結晶粒を持ち、912〜1394°Cの間に現れます。
• デルタ鉄（δ）は、1395°Cを超える熱で形成され、その後、鉄は1538°Cで液体に変わります。デルタ鉄相は、α鉄またはフェライトに非常によく似ています。

炭素の添加は、鋼の基本的な粒子がどのように結晶化し、安定し、相互作用するかに影響を与えます。温度は炭素の吸収方法に影響します。高熱オーステナイト相は炭素で飽和しており、金属の分子が密に詰まっています。他の温度では、すべての炭素が吸収されません。それは他の分子構造を作成します。たとえば、鉄-炭素合金にはFe ₃が含まれているのが一般的です。 Cセメンタイト分子。純粋な形では、セメンタイトはセラミックとして分類されます。それは硬くて脆く、これらの属性を最終的な金属に与えます。グラファイトは分子レベルでも形成されます。このグラファイトの形状は、打たれたときの金属の挙動に影響を与える可能性があります。丸いグラファイトの小塊は、ぶつかったときに互いにすべり、変形しますが、折れることはありません。それに比べて、フレーク状のグラファイトを多く含む金属は、打たれたときにフレークの境界に沿ってせん断する可能性があります。金属がどのくらいの速さで冷却されるか、そしてそれが熱処理されているか加工されているかは、結晶粒径と形状にも影響します。

オーステナイト鋼は、γ-鉄を含むオーステナイト格子を有する鋼です。鉄-炭素状態図では、この格子は通常高温で見られます。ただし、ニッケルおよび/またはマンガンを添加すると、鋼が冷える間オーステナイトが残る可能性があります。オーステナイトの微細構造は「面心立方」として知られています。面心立方分子は、金属に特定の特性を与えます。

体心立方微細構造と面心立方微細構造

金属は分子格子でできた結晶です。格子の各セルは原子で構成されています。各格子セル内の原子の数、およびそれらが互いにどのように接続するかによって、この格子がひずみ下でどのように動作するかが変わります。基本的なラティスは、プリミティブ、ボディ中心、およびフェース中心です。

基本的な細胞の形

プリミティブ
キュービック

• このプリミティブキューブの各原子は、セルの隅にあります。各原子は格子内の接続点です。
• 各コーナーアトムは、周囲のセルと等しく共有されます。したがって、各原子は8つの隣接する立方体の一部です。
• ユニットセルには合計1つの原子が含まれています。各コーナー原子は8つの隣接する立方体と共有されているため、各原子の1/8のみがプリミティブセル内にあります。
  各コーナー原子の8x1/8ピース=合計1原子。

ボディ-
中央揃え
キュービック（BCC）

• 原始的な3次超曲面のように、セルの各隅に原子があります。
• さらに、原子はセルの中央にあります。この原子は他のセルと共有されていません。格子に結合されたセルが8つあり、原子にのみ結合されたセルが1つあります。
• ユニットセルには、合計2つの原子が含まれています。
  原始立方構造のように、原子ごとに8つの原子x 1/8のシェアと、中央の原子。
• アルファ鉄（フェライト）とデルタ鉄はどちらもBCC金属です。

顔中心
キュービック（FCC）

• 面心立方構造では、セルの各コーナーに原子があり、さらに立方体の各面の中央に原子があります。
• 「面」を中心とする原子は2つのセルとのみ共有されるため、それぞれが原子の半分の価値をもたらします。
• ユニットセルには合計4つの原子が含まれています。
  コーナー原子の場合は8原子x1/8共有、面心原子の場合は6原子x1/2共有。
• ガンマ鉄（オーステナイト）はFCC金属です。

ニッケルやマンガンを含まない鋼は、1,674〜2,541°Fの安定した面心立方（FCC）構造を実現します。これらの温度では、鋼中の炭素が各セルに浸透します。

ただし、この鋼は、通常の（急冷されていない）方法で冷却され、フェライト系および体心立方（BCC）になります。 FCC構造は維持されません。

BCC格子は、より密に詰まったFCC構造よりも、ある種の機械的ひずみに対して脆弱です。格子を一緒に保持している各セルに同じ数の原子がありません。室温でもFCC構造を維持することは、その余分な強度を維持するのに役立ちます。これは通常、合金に追加の元素を追加して行われます。

フェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系、および二相鋼の微細構造

フェライト鋼 一般的なBCC鋼です。極低温では脆くなり、高温ではすぐに強度を失い、磁性を帯びます。これらの特性は、体心立方（BCC）フォームによるものです。

「ゆるく」詰め込まれた各BCCセル内では、すべての電子が反対のスピンの電子を見つけてペアリングできるわけではありません。フェライト鋼の磁性を生み出すのは、これらの付着していない電子です。各セルに強度を加える原子が2つしかないため、フェライト鋼は、特に高温または低温の環境で壊れやすくなります。

オーステナイト鋼 は、合金にニッケルが添加されているため、室温でのFCCです。オーステナイト鋼は、極低温でもFCCよりも延性があります。それはより多くの熱強度を持っています。また、磁気ではありません。これらの特性は、面心（FCC）形式によるものです。

すべての格子には「スリップシステム」、つまりせん断線があり、細胞を引き裂くことなく、格子を叩くとスライドすることができます。立方格子は多くの対称性を持っているため、より多くのすべり面があります。おそらく直感に反して、より密に充填されたFCC結晶は、緩く充填されたBCC結晶よりも多くのせん断線を持っています。密に詰まった結晶は、互いにすべりやすくなります。各セルは、より多くの原子量と強度を持ち、より簡単に結合します。

ミクロレベルでの塑性変形は、マクロレベルでの材料の延性をサポートします。これが、面心立方構造に幅広い弾力性がある理由です。フェライト系構造物は、特に困難な環境では、衝撃で粉々になったり、伸ばされたときに破損したりする可能性が高くなります。

オーステナイト系ステンレス鋼は、極低温用途で脆くならず、容易に破壊されない唯一のステンレス鋼です。オーステナイト鋼は、-292°F未満でもほとんどの靭性と伸びを維持します。低温脆化はフェライト鋼と二相鋼の特徴です。転移温度の後、それらはストレス下で粉砕する可能性が高くなります。

マルテンサイト鋼 表面に非常に異なる種類の粒子を持つ別の種類の鋼です。これらの鋼は、単純な立方晶の微細構造を持っていません。マルテンサイトは焼入れによって形成されます：表面の急速な冷却。環境衝撃により、格子が凍結するときに格子が隆起します。マルテンサイトの微細構造はひずみを受けており、体心が正方晶の形をしており、均一に並んでいません。これにより、マルテンサイト系表面はより硬くなりますが、室温でもよりもろくなります。

二相鋼 さまざまなステンレス鋼に比較的新しく追加されたものです。これらの鋼は微細構造のブレンドを持っています。フェライトとオーステナイトのインターリーブ層は、両方の最終的な材料特性を提供します。二相ステンレス鋼に必要なニッケルおよび/またはマンガンの割合が低いため、オーステナイト系ステンレス鋼と比較してコストが低くなります。