压力管道基础知识讲座——常用金属材料.docx

压力管道基础知识讲座(2)常用金属材料

2常用金属材料
　　介绍压力管道中常用的金属材料的分类、特点、用途和表示方法
　　金属材料:黑色金属： 通常指铁和铁的合金
　　有色金属： 指铁及铁合金以外的金属及其合金。
　　黑色金属依据它的元素组成和性能特点分为三大类,即铸铁、碳素钢及合金钢。
　　2.1铸铁
　　铸 铁：含碳量大于2.06％的铁碳合金 。
　　◆真正有工业应用价值的铸铁其含碳量一般为2.5%6.67%。
　　◆ 铸铁的主要成分除铁之外,碳和硅的含量也比较高。由于铸铁中的含碳量较高,使得其中的大部分碳元素已不再以Fe3C化合物存在,而是以游离的石墨存在。
　　性能特点：是可焊性、塑性、韧性和强度均比较差,一般不能锻,但它却具有合格的铸造性、减摩性、切削加工性能,价格便宜。
　　用 途：常用作泵机座、低压阀体等材料；地下低压管网的管子和管件。
　　依据铸铁中石墨的形状不同将铸铁分为灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。
　　2.1.1灰铸铁：石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称之为灰铸铁。
　　◆灰铸铁浇铸后缓冷得到的组织为铁素体和游离石墨共存,断呈灰色，灰铸铁也因此而得名。灰铸铁的各项机械性能均较差,工程上很少使用。
　　2.1.2可锻铸铁：经过长时间石墨化退火,使石墨以团絮状存在于铸铁组织中,此类铸铁称为可锻铸铁。
　　性能特点：强度、塑性、韧性均优于灰铸铁，其延伸率可达12%；但可锻铸铁制造工艺复杂,价格比较高。
　　◆由于可锻铸铁具有一定的塑性,故"可锻"的名称也由此而出,其实它仍为不可锻。
　　用 途：可锻铸铁在工程上常用作阀门手轮以及低压阀门阀体等。
　　依据断面颜色或组织的不同,可锻铸铁又分为黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁三种。常用的是黑心可锻铸铁。
　　2.1.3球墨铸铁：是通过在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理,并加入少量的孕育剂以促进石墨化,在浇注后直接获得具有球状石墨结晶的铸铁。
　　性能特点：球墨铸铁的各项性能指标均优于可锻铸铁，比可锻铸铁价格便宜。
　　用 途：可代替可锻铸铁用在较苛刻条件下。用途更广泛。
　　铸铁命名：依据GB9439的规定铸铁的牌号表示方法：

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　　2.2碳素钢
　　碳素钢：含碳量小于等于2.06%的铁碳合金称为碳素钢。
　　2.2.1.碳素钢的分类

第二层分类
第三层分类
特点及用途
合金钢
合金结构钢
低合金钢
1．低碳型合金钢，合金元素总量一般≯3％；
2．强度显然高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可焊性尚可；
3．用于中高温、抗氢、抗高温硫腐蚀等。
调质钢
1．中碳型合金钢，合金元素含量较低；
2．强度较高；
3．用于高温螺栓、螺母材料等。
弹簧钢
1含碳量比调质钢高；
2经调质处理，强度较高 抗疲惫强度较高；
3用于弹簧材料。
滚动轴承钢
1高碳型合金钢，合金含量较高；
2具有高而均匀的硬度和耐磨性；
3用于滚动轴承。
合金工具钢
量具钢
1高碳型合金钢，合金元素含量较低；
2具有高的硬度和耐磨性，机加工性能好，稳定性好；
3用于量具材料。
特别性能钢
不锈钢
1低碳高合金钢；
2抗腐蚀性好；
3用于抗腐蚀、部分可做耐热材料。
耐热钢
1低碳高合金钢；
2耐热性能好；
3用于耐热材料、部分可做抗腐蚀材料。
低温钢
1低碳合金钢，依据耐低温程度合金元素有高有低；
2抗低温性好；
3用于低温材料〔专用钢为镍钢〕。

　　合金元素因溶于铁素体中起固溶强化作用,从而提升了材料的硬度和强度,但同时却使其韧性和塑性相对降低。
　　材料在低温下强度一般略有提升,但塑性和韧性则下降很多,通过添加一些合金元素可提升材料在低温下的塑性和韧性。
　　奥氏体不锈钢由于含有较多的合金元素又具有单一的奥氏体组织,故它具有较好的抗氧化腐蚀性能和高温使用性能。工程上,奥氏体不锈钢常用于多种腐蚀工况和高温工况。
　　合金钢的优点
　　合金钢与碳素钢相比,它具有较高的强度,较好的耐热性,较好的耐低温性能,较好的耐腐蚀性能等优点,甚至有些生产环境采纳碳素钢是满足不了要求的。故合金钢是压力管道中常用的也是很重要的材料。
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　　2.3.2常用合金钢
　　压力管道中常用的合金钢有低合金钢、调质钢、不锈钢、耐热钢和低温钢。其它钢种有时也会有时碰到在此不再作进一步的介绍。
　　a.低合金钢
　　低碳型合金钢，合金元素总量一般≯3％；强度显然高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可焊性尚可；低合金钢有碳锰系、碳锰钒系、铬钼系、铬钼钒系
　　◆碳锰系和碳锰钒系
　　 GB/T1591给出了化学成分和机械性能要求;
　　l　材料牌号为Q295A〔B〕、Q345A～E、Q390A～E、Q420A～E、Q460C～E;
　　l　用于常温及以上温度时，可用A、B或C级；用于－20～－40℃ 时，可用C或D级
　　l　表示方法及同一般碳素钢
　　◆铬钼系和铬钼钒系
　　 GB/T3077给出了化学成分和机械性能要求;
　　l 材料牌号主要为12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV；
　　l 它们常用作抗氢腐蚀、抗高温硫或硫化氢腐蚀和耐热(次高温)等材料
　　例如,12CrMo和15CrMo常用于550℃以下的高温工况,或用于320℃以下的临氢工况;12CrlMoV常用于575℃以下的高温高压蒸汽介质。
　　l 表示方法及

　　b.调质合金钢
　　l 中碳型合金钢，合金元素总量一般≯3％；
　　l 它的含碳量较高，强度高，可焊性差；
　　l GB/T3077给出了化学成分和机械性能要求;
　　l 材料牌号为40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25CrMoVA 等
　　l 用于螺栓、螺母材料
　　l 表示方法及同低合金钢中的铬钼系和铬钼钒系
　　c.不锈钢
　　◆不锈钢特点
　　l 合金元素含量比较高,均超过10％,有的高达50%甚至更多；
　　l 它含有大量的合金元素,故其耐热、耐蚀等性能大大优于碳素钢和低合金钢,但随之而来的是其价格也远远高于碳素钢和低合金钢。
　　◆分类〔按常温的组织不同〕
　　奥氏体型
　　奥氏体-铁素体双相型
　　铁素体型
　　马氏体型
　　沉淀硬化型
　　◆表示方法

　　◆常用不锈钢
　　1〕奥氏体不锈钢
　　●依据其含碳量的不同分为高碳型、低碳型(C≤0.08％)、和超低碳型；
　　●常温为单一奥氏体组织，消除了组织间的电位差,故有利于抗电化学腐蚀；
　　●它含有大量耐蚀合金元素，抗高温化学腐蚀；
　　●具有优良的机械性能和可焊性；
　　●价格较高。
　　●GB1220标准共给出了33种奥氏体不锈钢的材料牌号,而常用的材料
　　牌号有0Cr18Ni9(304)、Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2(316)、cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)、0Cr23Ni13等。
　　※　高碳奥氏体不锈钢 含碳量较高(C=0.04％～0.12％)，高温强度较高，常用作耐热钢；
　　※　超低碳型奥氏体不锈钢 含碳量较低(C≤0.03％)，不易产生晶间腐蚀倾向，常用作耐蚀钢；强度较低，不应在高温下使用。
　　※　低碳型奥氏体不锈钢 含碳量(C≤0.08％，性能介于高碳和超低碳之间；
　　2〕奥氏体一铁素体型不锈钢
　　● 常温组织为奥氏体+铁素体组织；
　　● 由于含有硅、铝等合金元素,加之它具有双相组织，故它抗氯化物引起的晶间腐蚀和 应力腐蚀性能显然优于奥氏体型不锈钢。
　　● 具有优良的综合机械性能和可焊性；
　　● 常代替奥氏体型不锈钢用于容易发生晶间腐蚀的工作环境。
　　● 但该种材料制造工艺复杂,成本较高,价格约是奥氏体型不锈钢的(3-4)倍,故这种材料在工程上应用的并不普遍；
　　● GB1220标准给出了0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi、Cr18Ni5Mo3Si2共3种奥氏体一铁素体型不锈钢的材料牌号。
　　3〕铁素体型不锈钢
　　● 常温组织为铁素体组织。
　　● 由于它的平均含铬量大于11.7%,可在材料表面形成一层致密的Cr氧化薄膜，能有效地保护材料免遭腐蚀。但其防腐性能不如奥氏体型不锈钢，
　　● 焊接性能比较差；
　　● 常用在腐蚀性较弱的环境。在压力管道中应用的不多,而在压力容器中常
　　用作复合材料的复层；
　　● GB1220标准共给出了7种铁素体型不锈钢的材料牌号,常用的材料牌号有cr12和0Cr13Al。
　　4〕马氏体不锈钢
　　● 合金含量与铁素体型不锈钢类似；
　　● 碳含量较高，具有较高的硬度和耐磨性，耐蚀性较弱；
　　● 常被用于手术刀，压力管道中碳素钢和铬钼钢阀门的阀杆和阀芯；
　　● GB1220标准共给出了18种马氏体型不锈钢的材料牌号,常用的材料牌号有1cr13和2Cr13、3Cr13.
　　5〕沉淀硬化型不锈钢
　　● 指可以进行沉淀硬化处理的奥氏体或马氏体不锈钢；
　　● 有很高的强度和硬度，耐蚀接近奥氏体不锈钢，
　　● 压力管道中用作螺栓和螺母材料；
　　● GB1220标准共给出了3种材料牌号, 0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al.
　　e.耐热钢
　　● 除超低碳不锈钢和双相不锈钢外，大多数不锈钢都可作为耐热钢；
　　● GB1221标准共给出了40种耐热钢的材料牌号，常用的牌号有：
　　奥氏体型：0Cr18Ni9(304)、0Cr17Ni12Mo2(316)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)、0Cr23Ni13等；
　　铁素体型：cr12和0Cr13Al等；
　　马氏体型：1Cr5Mo、1cr13和2Cr13、3Cr13等；
　　沉淀硬化型：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等
　　※工程上常用的耐热合金钢还有Cr2Mo、Cr9Mo等材料,但GB1221标准中却没有列入。Cr2Mo、Cr9Mo材料和1Cr5Mo一样,属于低碳型合金钢,常温下可获得铁素体和珠光体组织但容易淬硬而出现马氏体组织。这类钢有较高的热强性,常用于350-650℃且腐蚀性不强的工况下，如动力系统的高温蒸汽管道。它还有一定的抗高温硫腐蚀和高温氢腐蚀的能力。这类钢焊接性较差,容易出现延迟裂痕,一般焊后要进行热处理。
　　f.低温用钢(镍钢)
　　● 具有面心立方晶格的金属材料(如铜Cu、镍Ni、奥氏体钢等)一般没有低温冷脆现象,是最好的低温用材,故含铜、镍等元素的合金钢常用于低温工况。
　　● 晶粒越细钢材的低温冲击韧性越好,故一般铁素体钢要正火处理后使用。杂质元素硫(S)、磷(P)、氧(O)都将降低钢材的低温冲击韧性,一般要严格控制。
　　● 我国的低温用钢有：16Mn、09Mn2V、06AlCu、06MnNb，奥氏体不锈钢。　　
　　2.4 常用金属材料技术条件标准
　　(1)GB/T699一1999《优质碳素结构钢技术条件》
　　主要对10、20、25、35等优质碳素钢的牌号及化学成分、冶炼方法、交货状态、力学性能、试验要求等作出了规定。
　　(2)GB/T7-88《碳素结构钢》
　　主要对Q195、Q215、Q235、Q255等碳素结构钢的生产和试验等要求作出了规定。是碳素结构钢的技术条件。
　　(3)GB/T1220-92《不锈钢棒》
　　对不锈钢棒的尺寸、外形、技术要求、试验方法等作出了规定。它是包括0Cr18Ni9、Cr19Nil0、0Cr17Ni12Mo2、Cr17Ni14Mo2等奥氏体不锈钢，0Cr13等铁素体不锈钢,1Cr13、2Cr13等马氏体不锈钢和0Crl7Ni14Cu4Nb等沉淀硬化型等各种不锈钢的技术条件。
　　(4)GB/T1221-92《耐热钢棒》
　　对耐热钢棒的尺寸、外形、技术要求、试验方法、验收规则等作出了规定。它是包括奥氏体耐热不锈钢、铁素体耐热钢和1Cr5Mo马氏体耐热钢等的技术条件。
　　(5) GB/T1591-94《低合金高强度结构钢》
　　对低合金高强度结构钢的牌号和技术要求、试验方法、检验规则等作出了规定。标准包括了Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等牌号低合金高强度结构钢的制造检验要求。
　　(6) GB/T3077-1999《合金结构钢技术条件》
　　主要用于直径或厚度不大于250mm的合金结构钢热扎和锻制条钢。其化学成分亦适用于钢坯及其制品。
　　此技术条件包括了石油化工管道常用的12CrMo、15CrMo、35CrMo、40Cr等常用合金钢牌号。

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