1. การแนะนำ
300-Series Austenitic Stainless Steel is the workhorse family of stainless alloys used across industry because it combines corrosion resistance, ความเหนียว, ความเหนียว, and excellent fabricability in a single, versatile material system.
Characterized principally by a chromium content typically in the range of 16–20% and nickel content of approximately 8–12%, these alloys (most commonly grades 304 และ 316 and their low-carbon and stabilized variants)
form a stable austenitic (ลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางหน้า) microstructure at room temperature that delivers non-magnetic behaviour in the annealed condition, high toughness down to cryogenic temperatures, and predictable corrosion performance in many environments.
2. What is 300-Series Austenitic Stainless Steel?
“300-series” denotes a group of austenitic สแตนเลส whose microstructure is stabilized as austenite (ลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางหน้า) by relatively high nickel and chromium content.
The typical chemistry range is about 16–20% chromium และ 8นิกเกิล –12%, with some grades carrying molybdenum, titanium or niobium for enhanced performance in specific environments.
This chemistry creates a self-healing passive oxide film on the surface and delivers the ductility and toughness that define the group.
3. Common Grades and Application-Specific Advantages
ที่ 300-Series Austenitic Stainless Steels encompass a variety of grades, each engineered to achieve specific performance characteristics through controlled variations in chemical composition and processing.
| ระดับ (เรา) | Key Alloying Additions | ข้อได้เปรียบที่สำคัญ | Primary Applications |
| 304 (US S30400) | 18% Cr, 8% ใน, ≤0.08% C | Excellent general corrosion resistance, high ductility and formability | อุปกรณ์แปรรูปอาหาร, เครื่องครัว, แผงสถาปัตยกรรม |
| 304ล (US S30403) | 18% Cr, 8% ใน, ≤0.03% c | Low-carbon for superior weldability, reduced sensitization risk | Welded tanks, ระบบท่อ, structural weldments |
| 316 (US S31600) | 16–18% cr, 10% ใน, 2–3% mo, ≤0.08% C | Enhanced resistance to chlorides and chemical corrosion | อุปกรณ์ทางทะเล, การแปรรูปทางเคมี, อุปกรณ์เภสัชกรรม |
| 316ล (US S31603) | 16–18% cr, 10% ใน, 2–3% mo, ≤0.03% c | รุ่นคาร์บอนต่ำ 316 for welded structures, ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม | Offshore piping, เครื่องมือแพทย์, desalination units |
| 321 (UNS S32100) | 17–19% Cr, 9–12% Ni, Ti stabilization, ≤0.08% C | Titanium-stabilized, resists carbide precipitation at high temperatures | ท่อร่วมไอเสีย, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน, furnace components |
| 347 (UNS S34700) | 17–19% Cr, 9–12% Ni, Nb stabilization, ≤0.08% C | Niobium-stabilized, excellent creep strength and intergranular corrosion resistance | Boiler tubes, โรงกลั่น, ภาชนะรับความดัน, high-temperature steam systems |
| 310ส (uns s31008) | 24–26% Cr, 19–22% Ni, ≤0.08% C | Exceptional high-temperature oxidation and corrosion resistance, maintains strength at elevated temperatures | ชิ้นส่วนเตาเผา, heat treatment equipment, kilns, gas burners, high-temperature chimneys |
4. คุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลที่สำคัญ
ที่ 300-Series Austenitic Stainless Steels are characterized by a unique combination of mechanical strength, ความเหนียว, and physical behavior that make them highly versatile for engineering applications.
These properties are influenced by alloy composition, cold work, การรักษาความร้อน, และสภาพแวดล้อม.
คุณสมบัติทางกายภาพ
| คุณสมบัติ | ค่าทั่วไป / พิสัย | หมายเหตุ |
| ความหนาแน่น | 7.9–8.1 g/cm³ | Slightly higher for Mo-bearing grades (316/316ล) |
| ช่วงการหลอมละลาย | 1370–1450°C | Varies slightly by grade; 310S melts at ~1400–1450°C |
| การนำความร้อน | 14–16 W/m·K | Relatively low compared to carbon steels; affects welding and heat dissipation |
| ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (20–100 ° C) | 16–19 µm/m·°C | Higher than ferritic steels; important for assemblies with dissimilar metals |
| ความจุความร้อนจำเพาะ | 0.50–0.54 J/g·K | Slightly influenced by nickel content |
| ความต้านทานไฟฟ้า | 0.72–0.75 µΩ·m | ปานกลาง; affects applications involving electrical heating |
คุณสมบัติทางกล
| คุณสมบัติ | 304 / 304ล | 316 / 316ล | 321 / 347 | 310ส | หมายเหตุ |
| ความต้านแรงดึง (MPa) | 505–720 | 515–720 | 515–760 | 550–830 | Varies with cold work; higher for cold-worked sheets |
| ความแข็งแรงของผลผลิต 0.2% ชดเชย (MPa) | 205–310 | 205–310 | 205–275 | 240–310 | Cold work increases yield strength |
| การยืดตัว (%) | 40–60 | 40–60 | 40–55 | 35–50 | Excellent ductility allows deep drawing and forming |
| ความแข็ง (HRB) | 70–95 | 70–95 | 80–95 | 80–95 | Work-hardening increases hardness significantly |
| โมดูลัสความยืดหยุ่น (เกรดเฉลี่ย) | 193–200 | 193–200 | 190–200 | 190–200 | ต่ำกว่าเหล็กเฟอร์ริติก, affects springback in forming |
| แรงกระแทก (เจ) | 200–300 | 200–300 | 180–250 | 180–220 | Retains toughness at cryogenic temperatures |
5. Key Features of 300-Series Austenitic Stainless Steel
ที่ 300-series austenitic stainless steel distinguish themselves from other stainless steel families through a combination of โครงสร้างจุลภาคที่เสถียร, alloying-driven performance, exceptional formability, and versatile weldability.
Stable Austenitic Microstructure
- Non-Magnetic in Annealed Condition: With a magnetic permeability of <1.005 (ASTM A342), annealed 300-series steels are essentially non-magnetic.
This property is critical in อิเล็กทรอนิกส์, MRI chambers, and medical diagnostic equipment, where even minor magnetic interference can compromise functionality. - Cryogenic Toughness: The austenitic microstructure retains ≈90% of impact energy at –270°C (liquid helium temperatures), making these steels suitable for ถังเก็บ LNG, rocket fuel lines, and cryogenic piping.
- ความเสถียรของอุณหภูมิ: Austenite remains stable across wide temperature ranges, ensuring consistent mechanical properties from sub-zero to high-temperature service conditions.
Alloying-Driven Performance
- Molybdenum for Chloride Resistance: Addition of 2–3% Mo in 316 เกรด increases the จำนวนความต้านทานต่อหลุมเทียบเท่า (ไม้) จาก 16 (304) ถึง 18, enabling resistance to 5% NaCl solutions at 80°C, compared to 60°C for 304.
สิ่งนี้ทำให้ 316 ideal for ทะเล, เคมี, and pharmaceutical applications. - Stabilizers for Weld Reliability: Titanium in 321 binds with carbon, การป้องกัน การตกตะกอนของคาร์ไบด์ in the weld heat-affected zone (ฮาซ).
Niobium in 347 provides similar stabilization. Both grades pass the ASTM A262 Strauss test, มั่นใจ ความต้านทานต่อการกัดกร่อนระหว่างเกรน after welding or prolonged high-temperature service.
Exceptional Formability
- การวาดภาพลึก: 304 can achieve a depth-to-diameter ratio of 2.5:1, ทำให้เหมาะสมกับ stainless steel sinks, เครื่องครัว, and complex tank geometries.
High elongation (≥40%) and relatively low yield strength facilitate extensive forming without cracking. - ดัด: 300-series steels can be bent to a radius as small as 1× material thickness (ASTM A480), compared to 2× for ferritic 430 สแตนเลส.
This minimizes fabrication waste and enables intricate component designs. - ความคล่องตัวในการผลิต: Excellent ductility allows stamping, การหมุน, and hydroforming operations, providing flexibility for diverse industrial applications.
Versatile Weldability
- No Post-Weld Heat Treatment Required: Low-carbon grades (304ล, 316ล) retain full corrosion resistance after welding,
reducing production time by 20–30% compared to martensitic stainless steels, which require post-weld heat treatment (PWHT) to relieve stresses. - Weld Efficiency: Welded joints in 316L retain ≈80% of base metal tensile strength (ASTM A312), ทำให้เหมาะสมกับ ภาชนะรับความดัน, ระบบท่อ, และส่วนประกอบโครงสร้าง in accordance with ASME BPVCCCE A VIII.
- ความง่ายในการเข้าร่วม: Compatible with TIG, ฉัน, and resistance welding; minimal distortion and excellent corrosion resistance in HAZ.
6. ความต้านทานการกัดกร่อน: mechanisms and service environments
300-series steels are “stainless” because a thin, สานุศิษย์ chromium oxide (cr₂o₃) film forms rapidly on the surface.
The film is self-healing in oxidizing environments, but performance depends on environment, temperature and alloy chemistry.
การกัดกร่อนทั่วไป:
Excellent in atmospheres, freshwater, and many chemical process fluids. For most sanitary and indoor/outdoor structural exposures, 304 performs very well.
Localized corrosion (chloride pitting and crevice corrosion):
นี่คือที่ 316 and related molybdenum-bearing grades outperform 304.
Molybdenum raises the pitting resistance equivalent number (ไม้) and increases the threshold chloride concentration and temperature at which stable pits form.
การกัดกร่อนระหว่างเกรน (อาการแพ้):
If austenitic stainless steels are held within the 450–850°C range during welding or long overheating, chromium carbides can precipitate at grain boundaries, depleting adjacent chromium and leading to intergranular attack.
คาร์บอนต่ำ (ล) grades and stabilized grades (321/347) mitigate this risk.
Stress corrosion cracking (เอสซีซี):
Austenitic steels can be susceptible to SCC in specific environments (เช่น, chloride environments at elevated temperatures).
Nickel adds resistance to many forms of SCC, but material selection and stress control matter.
High-temperature oxidation:
300-series alloys exhibit good oxidation resistance up to several hundred °C, but at higher temperatures, other alloy classes may be preferred.
7. Thermal properties and heat treatment behaviour
การรักษาความร้อน:
- Austenitic stainless steels cannot be hardened by conventional quench-and-temper heat treatment because their stable austenitic structure does not transform to martensite on cooling.
Strength is increased primarily by cold work. - การหลอมโซลูชัน (typically 1000–1150°C for many 300-series alloys) followed by rapid quenching dissolves precipitates (เช่น, chromium carbides) and restores corrosion resistance.
This is commonly used to recover corrosion resistance after welding or high-temperature exposure.
Thermal expansion and conductivity:
- Coefficient of thermal expansion is higher than ferritic steels—important for assemblies combining dissimilar metals.
Thermal conductivity is lower than carbon steel, so heat from welding dissipates more slowly; this affects welding procedures and heat input control.
Cryogenic performance:
- Austenitic stainless steels retain toughness at very low temperatures and are commonly used at cryogenic conditions without brittle failure.
8. Benefits of 300-Series Austenitic Stainless Steel
The technical features of 300-series austenitic stainless steel—including corrosion resistance, stable austenitic microstructure, excellent ductility, and weldability—translate into ใช้ได้จริง, tangible benefits for manufacturers, end-users, and industries.
Low Maintenance and Long Service Life
- ความต้านทานการกัดกร่อน: The inherent resistance to corrosion eliminates the need for painting, ชุบ, or frequent cleaning.
ตัวอย่างเช่น, 316L marine components such as boat railings can last 20–30 years in saltwater, เปรียบเทียบกับ 5–10 years for coated carbon steel. - ประหยัดต้นทุน: Reduced replacement frequency and maintenance labor result in substantial savings.
Food processing plants using 304 อุปกรณ์ report up to 50% lower maintenance costs compared with carbon steel facilities.
ความหลากหลายในแอปพลิเคชัน
- Multi-Purpose Material: A single grade such as 304 can serve multiple industries—การแปรรูปอาหาร (อ่างล้างมือ, สายพานลำเลียง), สถาปัตยกรรม (อาคาร, ราวบันได), และ อิเล็กทรอนิกส์ (เปลือกหุ้ม)—simplifying supply chains and reducing inventory requirements.
- Grade Customization: Specialized grades expand utility:
-
- 310: High-temperature resistance for industrial furnaces and waste incinerators.
- 321: Titanium-stabilized for welded assemblies in aerospace and high-temperature equipment.
ความคุ้มทุน
- Balanced Performance vs. ค่าใช้จ่าย: 304 โดยทั่วไปแล้ว 20–30% cheaper than specialty alloys (เช่น, Hastelloy C276) while fulfilling about 80% of stainless steel application needs.
ตัวอย่างเช่น, 304L piping costs $2–$4 per foot, versus $10–$15 per foot for 6% molybdenum alloys. - Low Processing Costs: Excellent formability and weldability reduce fabrication steps and production time.
Manufacturers report ≈30% faster production ของ 304 stainless steel tanks compared with ferritic grades.
ความยั่งยืนและการรีไซเคิล
- High Recyclability: 300-series stainless steel is 100% รีไซเคิลได้, with over 90% of scrap reused in new production.
Recycled 304 retains the same mechanical and corrosion properties as virgin material, การลดลง carbon emissions by ~50%. - Extended Lifespan: อายุการใช้งานที่ยาวนาน (20–50 years) minimizes replacement frequency, lowering overall environmental impact.
ตัวอย่างเช่น, 304 building facades often require no replacement for 40+ ปี, เปรียบเทียบกับ 10–15 years for painted aluminum.
Reliability in Extreme Environments
- Cryogenic Stability: เกรด 304 และ 316 retain toughness at –270°C, ทำให้พวกเขาเหมาะสำหรับ LNG storage, rocket fuel tanks, and other cryogenic applications where failure could be catastrophic.
- High-Temperature Durability:310 withstands continuous operation up to 1150องศาเซลเซียส, ensuring reliability in industrial furnaces and heat treatment equipment.
Replacement cycles are 5–10 ปี สำหรับ 310 ชิ้นส่วนเตาเผา, เมื่อเทียบกับ 1–2 years for carbon steel.
9. ข้อจำกัด, failure modes and mitigation strategies
- Pitting and crevice corrosion in chlorides: Mitigate by selecting molybdenum-bearing grades (316), specifying higher-alloy or duplex steels for aggressive chloride exposure, or applying protective coatings.
- Stress corrosion cracking: Reduce tensile residual stresses, control temperature and environment, or select more SCC-resistant metallurgy.
- Work hardening and machinability: Use appropriate tooling and machining parameters; consider annealing or using free-machining variants if machinability is critical.
- Cost sensitivity: Where nickel cost or budget constraints are paramount, consider lower-cost alternatives (ferritic stainlesss, coated carbon steels, or duplex) while weighing performance trade-offs.
Typical failure root causes: incorrect grade selection for the environment; poor welding practice leading to sensitization; inadequate passive film restoration after fabrication; incorrect mechanical design (เช่น, stress concentrators leading to SCC).
10. Typical Applications of 300 Series Austenitic Stainless Steel
Because of their balanced properties, 300-series alloys are used across nearly every industry:
- อาหาร & เครื่องดื่ม / เกี่ยวกับเภสัชกรรม: รถถัง, ท่อ, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน, conveyors — 304 และ 316 are standard because they are easily cleaned and resist food acids.
- Chemical processing and petrochemical: 316 and higher Mo-content variants for corrosion resistance in aggressive fluids.
- มารีน and offshore: 316 for seawater environments, though severe marine service may require duplex or higher-alloy materials.
- Medical devices and surgical instruments: 316ล (and variants) for biocompatibility and corrosion resistance; some implants use specialized grades.
- Architecture and building: Cladding, ราวบันได, and fittings—304 for general use, 316 for coastal or polluted environments.
- Cryogenics and aerospace: ความเหนียวอุณหภูมิต่ำที่ยอดเยี่ยม; used in cryogenic tanks, piping and structural components.
- Automotive and consumer goods: Exhaust components, เล็ม, เครื่องครัว.
11. Comparison to Other Stainless Steel Families
ที่ 300-series austenitic stainless steels are often compared with other stainless steel families—เฟอร์ริติก, มาร์เทนซิติก, ดูเพล็กซ์, and precipitation-hardening steels—to determine the best material for specific applications.
| คุณสมบัติ | 300-Series Austenitic | เกี่ยวกับไฟ | มาร์เทนซิติก | ดูเพล็กซ์ | การตกตะกอน-การแข็งตัว (พีเอช) |
| โครงสร้างจุลภาค | ลูกบาศก์ (เอฟซีซี) | ลูกบาศก์ (สำเนาลับถึง) | Body-Centered Tetragonal (ก่อนคริสต์ศักราช) | Mixed Austenite + เฟอร์ไรต์ | Austenitic or Martensitic with precipitates |
| องค์ประกอบสำคัญของการผสม | 16–26% Cr, 8–22% Ni, โม, ของ, NB | 10.5–30% Cr, low Ni (<1%) | 12–18% cr, 0.1–1% C, sometimes Ni | 19–28% Cr, 4–8% Ni, 2–5% Mo | Cr, ใน, ลูกบาศ์ก, อัล, Nb/Ti |
| ความต้านทานการกัดกร่อน | ยอดเยี่ยม (Mo grades resist chlorides) | Good in mild environments | ปานกลาง | ยอดเยี่ยม (chloride stress corrosion resistant) | ปานกลาง |
| ความเหนียว & ความเหนียว | สูงมาก, retains cryogenic toughness | ปานกลาง | ต่ำถึงปานกลาง | สูง | ปานกลาง |
| ความแข็งแกร่ง | ปานกลาง (~500–760 MPa tensile) | ต่ำ - ปานกลาง | สูงมาก | สูง | สูงมาก |
| ความสามารถในการขึ้นรูป | ยอดเยี่ยม | จำกัด | ปานกลาง | ปานกลาง | จำกัด |
| ความสามารถในการเชื่อม | ยอดเยี่ยม (low-C/stabilized) | จำกัด | ปานกลาง (PWHT required) | ปานกลาง | ต้องใช้การรักษาความร้อนหลังการทำงาน |
| คุณสมบัติทางแม่เหล็ก | ไม่ใช่แม่เหล็ก (อบอ่อน) | แม่เหล็ก | แม่เหล็ก | แม่เหล็กเล็กน้อย | Magnetic or slightly magnetic |
| ช่วงอุณหภูมิ | –270°C to ~1150°C | –40°C to ~1200°C | 0°C to ~540°C | –40°C to ~315°C | –40°C to ~500°C |
| การใช้งานทั่วไป | การแปรรูปอาหาร, ทะเล, เคมี, ทางการแพทย์, แช่แข็ง, high-temp equipment | Automotive trim, แผงสถาปัตยกรรม, ระบบไอเสีย | ช้อนส้อม, ใบพัดกังหัน, เพลา, วาล์ว | การแปรรูปทางเคมี, แพลตฟอร์มนอกชายฝั่ง, ภาชนะรับความดัน | ส่วนประกอบการบินและอวกาศ, รัด, high-strength valves |
12. บทสรุป
300-series austenitic stainless steels are exceptional engineering materials because they combine corrosion resistance, ความเหนียว, toughness and weldability in a versatile package.
Their performance is defined by a carefully balanced chemistry—chromium for passivity, nickel for austenite stability and toughness, and optional molybdenum or stabilizers for enhanced service behavior.
While they are not universal solutions (limitations exist in chloride-rich, high-temperature or ultra-high-strength applications),
their recyclability and long service life make them a cornerstone of modern engineering across food, เคมี, ทางการแพทย์, marine and architectural sectors.
คำถามที่พบบ่อย
Which 300-series grade is the most commonly used?
ระดับ 304 is the most widely used general-purpose alloy; 316 is the choice where chloride resistance is required.
Can heat treatment harden 300-series austenitic stainless steel?
No—these alloys are not hardenable by quench and temper. Strength is increased primarily by cold working; solution annealing restores ductility and corrosion resistance.
Is 300-series austenitic stainless steel magnetic?
Annealed 300-series stainless steels are essentially non-magnetic. They can become slightly magnetic after heavy cold working due to strain-induced martensite in some alloys.
How should I choose between 304 และ 316?
ใช้ 304 for general, non-chloride environments and where cost is important. ใช้ 316 for environments containing chlorides (น้ำทะเล, saline atmospheres, some chemical processes) or where pitting resistance is essential.
What maintenance does stainless steel require to remain corrosion-resistant?
Regular cleaning to remove deposits and contaminants, prompt removal of embedded iron or corrosion products,
and passivation after heavy fabrication/welding will preserve the passive film and prolong service life.
