2常用金屬材料

　　介紹壓力管道中常用的金屬材料的分類、特點(diǎn)、用途和表示方法

　　金屬材料:黑色金屬：  通常指鐵和鐵的合金

　　有色金屬：  指鐵及鐵合金以外的金屬及其合金。

　　黑色金屬根據(jù)它的元素組成和性能特點(diǎn)分為三大類,即鑄鐵、碳素鋼及合金鋼。

　　2.1鑄鐵

　　鑄    鐵：含碳量大于2.06％的鐵碳合金 。

　　◆真正有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的鑄鐵其含碳量一般為2.5%~6.67%。

　　◆ 鑄鐵的主要成分除鐵之外,碳和硅的含量也比較高。由于鑄鐵中的含碳量較高,使得其中的大部分碳元素已不再以Fe3C化合物存在,而是以游離的石墨存在。

　　性能特點(diǎn)：是可焊性、塑性、韌性和強(qiáng)度均比較差,一般不能鍛,但它卻具有優(yōu)良的鑄造性、減摩性、切削加工性能,價(jià)格便宜。

　　用    途：常用作泵機(jī)座、低壓閥體等材料；地下低壓管網(wǎng)的管子和管件。

　　根據(jù)鑄鐵中石墨的形狀不同將鑄鐵分為灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。

　　2.1.1灰口鑄鐵：石墨以片狀形式存在于組織中的鑄鐵稱之為灰口鑄鐵。

　　◆灰口鑄鐵澆鑄后緩冷得到的組織為鐵素體和游離石墨共存,斷口呈灰色，灰口鑄鐵也因此而得名。灰口鑄鐵的各項(xiàng)機(jī)械性能均較差,工程上很少使用。

　　2.1.2可鍛鑄鐵：經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火,使石墨以團(tuán)絮狀存在于鑄鐵組織中,此類鑄鐵稱為可鍛鑄鐵。

　　性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性、韌性均優(yōu)于灰口鑄鐵，其延伸率可達(dá)12%；但可鍛鑄鐵制造工藝復(fù)雜,價(jià)格比較高。

　　◆由于可鍛鑄鐵具有一定的塑性,故"可鍛"的名稱也由此而出,其實(shí)它仍為不可鍛。

　　用    途：可鍛鑄鐵在工程上常用作閥門手輪以及低壓閥門閥體等。

　　根據(jù)斷面顏色或組織的不同,可鍛鑄鐵又分為黑心可鍛鑄鐵、白心可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵三種。常用的是黑心可鍛鑄鐵。

　　2.1.3球墨鑄鐵：是通過(guò)在澆注前向鐵水中加入一定量的球化劑進(jìn)行球化處理,并加入少量的孕育劑以促進(jìn)石墨化,在澆注后直接獲得具有球狀石墨結(jié)晶的鑄鐵。

　　性能特點(diǎn)：球墨鑄鐵的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于可鍛鑄鐵，比可鍛鑄鐵價(jià)格便宜。

　　用    途：可代替可鍛鑄鐵用在較苛刻條件下。用途更廣泛。

　　鑄鐵命名：根據(jù)GB9439的規(guī)定鑄鐵的牌號(hào)表示方法：

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　　2.2碳素鋼

　　碳素鋼：含碳量小于等于2.06%的鐵碳合金稱為碳素鋼。

　　2.2.1.碳素鋼的分類

　　2.2.2普通碳素鋼

　　◆普通碳素鋼與優(yōu)質(zhì)碳素鋼相比,由于它的有害雜質(zhì)元素S、P含量相對(duì)較高,綜合機(jī)械性能和耐蝕性較差,故不宜用在較重要的場(chǎng)合,但普通碳素鋼價(jià)格便宜,故工程上常用于各種鋼構(gòu)架、支吊架等,而流體輸送管道上使用時(shí)常給與一定的限制。

　　◆普通碳素鋼根據(jù)冶煉過(guò)程的脫氧程度分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼三種。

　　沸騰鋼：在澆鑄前不用硅和鋁脫氧, 鋼液中含氧量多,澆注及凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量CO氣泡，在鋼錠模內(nèi)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象,這類鋼叫沸騰鋼。

　　  沸騰鋼冷凝后沒(méi)有集中縮孔,因而成材率高,成本低,表面質(zhì)量及深沖性能好。但因含氧量高,成分偏析大,內(nèi)部雜質(zhì)多,抗腐蝕性和機(jī)械性能差,.且容易發(fā)生時(shí)效硬化和鋼板的分層,故不宜作重要用途。

　　鎮(zhèn)靜鋼：而脫氧較完全,澆鑄時(shí)鋼水在鋼錠模內(nèi)不產(chǎn)生CO氣體,這類鋼叫鎮(zhèn)靜鋼。

　　成材率低,成本高。但鎮(zhèn)靜鋼中氣體含量低,時(shí)效傾向小,鋼鏡中氣泡、疏松較少,質(zhì)量較好。

　　半鎮(zhèn)靜鋼：進(jìn)行中等程度脫氧,介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼叫。

　　普通碳素鋼的表示方法和代號(hào)按GB700標(biāo)準(zhǔn)

　　◆壓力管道中常用的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)為Q235A(F、b)、Q235B(F、b)、Q235C、Q235D四種,這些牌號(hào)的質(zhì)量要求是順次提高的。材料標(biāo)準(zhǔn)為GB700。

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　　2.2.3優(yōu)質(zhì)碳素鋼

　　◆優(yōu)質(zhì)碳素鋼中的有害雜質(zhì)元素S、P比普通碳素鋼低,不僅如此,二者的冶煉方法也多有不同,普通碳素鋼多用成本最低轉(zhuǎn)爐冶煉,而優(yōu)質(zhì)碳鋼則采用平爐或純氧頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉,脫氧較好,雜質(zhì)含量較低,故其綜合機(jī)械性能、耐蝕性等均優(yōu)于普通碳素鋼。優(yōu)質(zhì)碳素鋼與高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼相比,價(jià)格不高,且是工程上應(yīng)用最廣泛的碳素鋼。

　　◆優(yōu)質(zhì)碳素鋼的表示方法和代號(hào)按GB221標(biāo)準(zhǔn)：

　　◆GB/T699給出了優(yōu)質(zhì)碳素鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能要求。

　　該標(biāo)準(zhǔn)共列出了08F、10F、15F、08、10、20、25、……70Mn等31種材料牌號(hào)；

　　壓力管道中常用的牌號(hào)為08、10、20三種。

　　2.2.4高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼

　　高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼各方面性能略優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素鋼,但價(jià)格較高，工程上用的并不多。一般情況下,如果采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼不能滿足使用條件要求時(shí)，將考慮選用相應(yīng)的合金鋼而不用高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼。高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼在優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號(hào)后加A

　　2.3合金鋼

　　合金鋼：為了提高鋼的機(jī)械性能、工藝性能或物理化學(xué)性能,通常有意識(shí)地向鋼中加入一些合金元素,由此得到的鋼就叫合金鋼。

　　2.3.1合金鋼分類

表2－1合金鋼分類(用途)

第一層	第二層分類	第三層分類	特點(diǎn)及用途
合金鋼	合金結(jié)構(gòu)鋼	低合金鋼	1．低碳型合金鋼，合金元素總量一般≯3％； 2．強(qiáng)度明顯高于碳素鋼，有較好的塑性和韌性，可焊性尚可； 3．用于中高溫、抗氫、抗高溫硫腐蝕等。
		調(diào)質(zhì)鋼	1．中碳型合金鋼，合金元素含量較低； 2．強(qiáng)度較高； 3．用于高溫螺栓、螺母材料等。
		彈簧鋼	1含碳量比調(diào)質(zhì)鋼高； 2經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度較高 抗疲勞強(qiáng)度較高； 3用于彈簧材料。
		滾動(dòng)軸承鋼	1高碳型合金鋼，合金含量較高； 2具有高而均勻的硬度和耐磨性； 3用于滾動(dòng)軸承。
	合金工具鋼	量具鋼	1高碳型合金鋼，合金元素含量較低； 2具有高的硬度和耐磨性，機(jī)加工性能好，穩(wěn)定性好； 3用于量具材料。
	特殊性能鋼	不銹鋼	1低碳高合金鋼； 2抗腐蝕性好； 3用于抗腐蝕、部分可做耐熱材料。
		耐熱鋼	1低碳高合金鋼； 2耐熱性能好； 3用于耐熱材料、部分可做抗腐蝕材料。
		低溫鋼	1低碳合金鋼，根據(jù)耐低溫程度合金元素有高有低； 2抗低溫性好； 3用于低溫材料（專用鋼為鎳鋼）。

　　

　　合金元素因溶于鐵素體中起固溶強(qiáng)化作用,從而提高了材料的硬度和強(qiáng)度,但同時(shí)卻使其韌性和塑性相對(duì)降低。

　　材料在低溫下強(qiáng)度一般略有提高,但塑性和韌性則下降很多,通過(guò)添加一些合金元素可提高材料在低溫下的塑性和韌性。

　　奧氏體不銹鋼由于含有較多的合金元素又具有單一的奧氏體組織,故它具有較好的抗氧化腐蝕性能和高溫使用性能。工程上,奧氏體不銹鋼常用于多種腐蝕工況和高溫工況。

　　合金鋼的優(yōu)點(diǎn)

　　合金鋼與碳素鋼相比,它具有較高的強(qiáng)度,較好的耐熱性,較好的耐低溫性能,較好的耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn),甚至有些生產(chǎn)環(huán)境采用碳素鋼是滿足不了要求的。故合金鋼是壓力管道中常用的也是很重要的材料。

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　　2.3.2常用合金鋼

　　壓力管道中常用的合金鋼有低合金鋼、調(diào)質(zhì)鋼、不銹鋼、耐熱鋼和低溫鋼。其它鋼種有時(shí)也會(huì)偶爾碰到在此不再作進(jìn)一步的介紹。

　　a.低合金鋼

　　低碳型合金鋼，合金元素總量一般≯3％；強(qiáng)度明顯高于碳素鋼，有較好的塑性和韌性，可焊性尚可；低合金鋼有碳錳系、碳錳釩系、鉻鉬系、鉻鉬釩系

　　◆碳錳系和碳錳釩系

　　 GB/T1591給出了化學(xué)成分和機(jī)械性能要求;

　　l　材料牌號(hào)為Q295A（B）、Q345A～E、Q390A～E、Q420A～E、Q460C～E;

　　l　用于常溫及以上溫度時(shí)，可用A、B或C級(jí)；用于－20～－40℃ 時(shí)，可用C或D級(jí)

　　l　表示方法及代號(hào)同普通碳素鋼

　　◆鉻鉬系和鉻鉬釩系

　　     GB/T3077給出了化學(xué)成分和機(jī)械性能要求;

　　l  材料牌號(hào)主要為12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV；

　　l  它們常用作抗氫腐蝕、抗高溫硫或硫化氫腐蝕和耐熱(次高溫)等材料

　　例如,12CrMo和15CrMo常用于550℃以下的高溫工況,或用于320℃以下的臨氫工況;12CrlMoV常用于575℃以下的高溫高壓蒸汽介質(zhì)。

　　l  表示方法及代號(hào)

　　b.調(diào)質(zhì)合金鋼

　　l  中碳型合金鋼，合金元素總量一般≯3％；

　　l  它的含碳量較高，強(qiáng)度高，可焊性差；

　　l  GB/T3077給出了化學(xué)成分和機(jī)械性能要求;

　　l  材料牌號(hào)為40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25CrMoVA  等

　　l  用于螺栓、螺母材料

　　l  表示方法及代號(hào)同低合金鋼中的鉻鉬系和鉻鉬釩系

　　c.不銹鋼

　　◆不銹鋼特點(diǎn)

　　l  合金元素含量比較高,均超過(guò)10％,有的高達(dá)50%甚至更多；

　　l  它含有大量的合金元素,故其耐熱、耐蝕等性能大大優(yōu)于碳素鋼和低合金鋼,但隨之而來(lái)的是其價(jià)格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳素鋼和低合金鋼。

　　◆分類（按常溫的組織不同）

　　奧氏體型

　　奧氏體-鐵素體雙相型

　　鐵素體型

　　馬氏體型

　　沉淀硬化型

　　◆表示方法

　　◆常用不銹鋼

　　1）奧氏體不銹鋼

　　●根據(jù)其含碳量的不同分為高碳型、低碳型(C≤0.08％)、和超低碳型；

　　●常溫為單一奧氏體組織，消除了組織間的電位差,故有利于抗電化學(xué)腐蝕；

　　●它含有大量耐蝕合金元素，抗高溫化學(xué)腐蝕；

　　●具有良好的機(jī)械性能和可焊性；

　　●價(jià)格較高。

　　●GB1220標(biāo)準(zhǔn)共給出了33種奧氏體不銹鋼的材料牌號(hào),而常用的材料

　　牌號(hào)有0Cr18Ni9(304)、00Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2(316)、00cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)、0Cr23Ni13等。

　　※　高碳奧氏體不銹鋼  含碳量較高(C=0.04％～0.12％)，高溫強(qiáng)度較高，常用作耐熱鋼；

　　※　超低碳型奧氏體不銹鋼  含碳量較低(C≤0.03％)，不易產(chǎn)生晶間腐蝕傾向，常用作耐蝕鋼；強(qiáng)度較低，不應(yīng)在高溫下使用。

　　※　低碳型奧氏體不銹鋼  含碳量(C≤0.08％，性能介于高碳和超低碳之間；

　　2）奧氏體一鐵素體型不銹鋼

　　● 常溫組織為奧氏體+鐵素體組織；

　　● 由于含有硅、鋁等合金元素,加之它具有雙相組織，故它抗氯化物引起的晶間腐蝕和   應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于奧氏體型不銹鋼。

　　● 具有良好的綜合機(jī)械性能和可焊性；

　　● 常代替奧氏體型不銹鋼用于容易發(fā)生晶間腐蝕的工作環(huán)境。

　　● 但該種材料制造工藝復(fù)雜,成本較高,價(jià)格約是奧氏體型不銹鋼的(3-4)倍,故這種材料在工程上應(yīng)用的并不普遍；

　　● GB1220標(biāo)準(zhǔn)給出了0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi、00Cr18Ni5Mo3Si2共3種奧氏體一鐵素體型不銹鋼的材料牌號(hào)。

　　3）鐵素體型不銹鋼

　　● 常溫組織為鐵素體組織。

　　● 由于它的平均含鉻量大于11.7%,可在材料表面形成一層致密的Cr氧化薄膜，能有效地保護(hù)材料免遭腐蝕。但其防腐性能不如奧氏體型不銹鋼，

　　● 焊接性能比較差；

　　● 常用在腐蝕性較弱的環(huán)境。在壓力管道中應(yīng)用的不多,而在壓力容器中常

　　用作復(fù)合材料的復(fù)層；

　　● GB1220標(biāo)準(zhǔn)共給出了7種鐵素體型不銹鋼的材料牌號(hào),常用的材料牌號(hào)有00cr12和0Cr13Al。

　　4）馬氏體不銹鋼

　　● 合金含量與鐵素體型不銹鋼類似；

　　● 碳含量較高，具有較高的硬度和耐磨性，耐蝕性較弱；

　　● 常被用于手術(shù)刀，壓力管道中碳素鋼和鉻鉬鋼閥門的閥桿和閥芯；

　　● GB1220標(biāo)準(zhǔn)共給出了18種馬氏體型不銹鋼的材料牌號(hào),常用的材料牌號(hào)有1cr13和2Cr13、3Cr13。

　　5）沉淀硬化型不銹鋼

　　● 指可以進(jìn)行沉淀硬化處理的奧氏體或馬氏體不銹鋼；

　　● 有很高的強(qiáng)度和硬度，耐蝕接近奧氏體不銹鋼，

　　● 壓力管道中用作螺栓和螺母材料；

　　● GB1220標(biāo)準(zhǔn)共給出了3種材料牌號(hào), 0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al.

　　e.耐熱鋼

　　● 除超低碳不銹鋼和雙相不銹鋼外，大多數(shù)不銹鋼都可作為耐熱鋼；

　　● GB1221標(biāo)準(zhǔn)共給出了40種耐熱鋼的材料牌號(hào)，常用的牌號(hào)有：

　　奧氏體型：0Cr18Ni9(304)、0Cr17Ni12Mo2(316)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)、0Cr23Ni13等；

　　鐵素體型：00cr12和0Cr13Al等；

　　馬氏體型：1Cr5Mo、1cr13和2Cr13、3Cr13等；

　　沉淀硬化型：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等

　　※工程上常用的耐熱合金鋼還有Cr2Mo、Cr9Mo等材料,但GB1221標(biāo)準(zhǔn)中卻沒(méi)有列入。Cr2Mo、Cr9Mo材料和1Cr5Mo一樣,屬于低碳型合金鋼,常溫下可獲得鐵素體和珠光體組織但容易淬硬而出現(xiàn)馬氏體組織。這類鋼有較高的熱強(qiáng)性,常用于350-650℃且腐蝕性不強(qiáng)的工況下，如動(dòng)力系統(tǒng)的高溫蒸汽管道。它還有一定的抗高溫硫腐蝕和高溫氫腐蝕的能力。這類鋼焊接性較差,容易出現(xiàn)延遲裂紋,一般焊后要進(jìn)行熱處理。

　　f.低溫用鋼(鎳鋼)

　　● 具有面心立方晶格的金屬材料(如銅Cu、鎳Ni、奧氏體鋼等)一般沒(méi)有低溫冷脆現(xiàn)象,是最好的低溫用材,故含銅、鎳等元素的合金鋼常用于低溫工況。

　　● 晶粒越細(xì)鋼材的低溫沖擊韌性越好,故一般鐵素體鋼要正火處理后使用。雜質(zhì)元素硫(S)、磷(P)、氧(O)都將降低鋼材的低溫沖擊韌性,一般要嚴(yán)格控制。

　　● 我國(guó)的低溫用鋼有：16Mn、09Mn2V、06AlCu、06MnNb，奧氏體不銹鋼。　　

　　2.4 常用金屬材料技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)

　　(1)GB/T699一1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》

　　主要對(duì)10、20、25、35等優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號(hào)及化學(xué)成分、冶煉方法、交貨狀態(tài)、力學(xué)性能、試驗(yàn)要求等作出了規(guī)定。

　　(2)GB/T700-88《碳素結(jié)構(gòu)鋼》

　　主要對(duì)Q195、Q215、Q235、Q255等碳素結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)和試驗(yàn)等要求作出了規(guī)定。是碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)條件。

　　(3)GB/T1220-92《不銹鋼棒》

　　對(duì)不銹鋼棒的尺寸、外形、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法等作出了規(guī)定。它是包括0Cr18Ni9、00Cr19Nil0、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2等奧氏體不銹鋼，0Cr13等鐵素體不銹鋼,1Cr13、2Cr13等馬氏體不銹鋼和0Crl7Ni14Cu4Nb等沉淀硬化型等各種不銹鋼的技術(shù)條件。

　　(4)GB/T1221-92《耐熱鋼棒》

　　對(duì)耐熱鋼棒的尺寸、外形、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、驗(yàn)收規(guī)則等作出了規(guī)定。它是包括奧氏體耐熱不銹鋼、鐵素體耐熱鋼和1Cr5Mo馬氏體耐熱鋼等的技術(shù)條件。

　　(5) GB/T1591-94《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》

　　對(duì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)和技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等作出了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)包括了Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等牌號(hào)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的制造檢驗(yàn)要求。

　　(6) GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》

　　主要用于直徑或厚度不大于250mm的合金結(jié)構(gòu)鋼熱扎和鍛制條鋼。其化學(xué)成分亦適用于鋼坯及其制品。

　　此技術(shù)條件包括了石油化工管道常用的12CrMo、15CrMo、35CrMo、40Cr等常用合金鋼牌號(hào)。