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、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。

　　黑色金屬根據它的元素組成和性能特點分為三大類,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 。

　　◆真正有工業應用價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：是可焊性、塑性、韌性和強度均比較差,一般不能鍛,但它卻具有優良的鑄造性、減摩性、切削加工性能,價格便宜。

　　用    途：常用作泵機座、低壓閥體等材料；地下低壓管網的管子和管件。

　　根據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。灰口鑄鐵的各項機械性能均較差,工程上很少使用。

　　2.1.2可鍛鑄鐵：經過長時間石墨化退火,使石墨以團絮狀存在于鑄鐵組織中,此類鑄鐵稱為可鍛鑄鐵。

　　性能特點：強度、塑性、韌性均優于灰口鑄鐵，其延伸率可達12%；但可鍛鑄鐵制造工藝復雜,價格比較高。

　　◆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：是通過在澆注前向鐵水中加入一定量的球化劑進行球化處理,并加入少量的孕育劑以促進石墨化,在澆注后直接獲得具有球狀石墨結晶的鑄鐵。

　　性能特點：球墨鑄鐵的各項性能指標均優于可鍛鑄鐵，比可鍛鑄鐵價格便宜。

　　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GB9439的規定鑄鐵的牌號表示方法：

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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

　　◆普通碳素鋼與優質碳素鋼相比,由于它的有害雜質元素S、P含量相對較高,綜合機械性能和耐蝕性較差,故不宜用在較重要的場合,但普通碳素鋼價格便宜,故工程上常用于各種鋼構架、支吊架等,而流體輸送管道上使用時常給與一定的限制。

　　◆普通碳素鋼根據冶煉過程的脫氧程度分為沸騰鋼、鎮靜鋼和半鎮靜鋼三種。

　　沸騰鋼：在澆鑄前不用硅和鋁脫氧, 鋼液中含氧量多,澆注及凝固時會產生大量CO氣泡，在鋼錠模內產生沸騰現象,這類鋼叫沸騰鋼。

　　  沸騰鋼冷凝后沒有集中縮孔,因而成材率高,成本低,表面質量及深沖性能好。但因含氧量高,成分偏析大,內部雜質多,抗腐蝕性和機械性能差,.且容易發生時效硬化和鋼板的分層,故不宜作重要用途。

　　鎮靜鋼：而脫氧較完全,澆鑄時鋼水在鋼錠模內不產生CO氣體,這類鋼叫鎮靜鋼。

　　成材率低,成本高。但鎮靜鋼中氣體含量低,時效傾向小,鋼鏡中氣泡、疏松較少,質量較好。

　　半鎮靜鋼：進行中等程度脫氧,介于沸騰鋼和鎮靜鋼之間的鋼叫。

　　普通碳素鋼的表示方法和代號按GB700標準

　　◆壓力管道中常用的普通碳素結構鋼牌號為Q235A(F、b)、Q235B(F、b)、Q235C、Q235D四種,這些牌號的質量要求是順次提高的。材料標準為GB700。

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　　2.2.3優質碳素鋼

　　◆優質碳素鋼中的有害雜質元素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爐冶煉,而優質碳鋼則采用平爐或純氧頂吹轉爐冶煉,脫氧較好,雜質含量較低,故其綜合機械性能、耐蝕性等均優于普通碳素鋼。優質碳素鋼與高級優質碳素鋼相比,價格不高,且是工程上應用最廣泛的碳素鋼。

　　◆優質碳素鋼的表示方法和代號按GB221標準：

　　◆GB/T699給出了優質碳素鋼的化學成分和機械性能要求。

　　該標準共列出了08F、10F、15F、08、10、20、25、……70Mn等31種材料牌號；

　　壓力管道中常用的牌號為08、10、20三種。

　　2.2.4高級優質碳素鋼

　　高級優質碳素鋼各方面性能略優于優質碳素鋼,但價格較高，工程上用的并不多。一般情況下,如果采用優質碳素鋼不能滿足使用條件要求時，將考慮選用相應的合金鋼而不用高級優質碳素鋼。高級優質碳素鋼在優質碳素鋼的牌號后加A

　　2.3合金鋼

　　合金鋼：為了提高鋼的機械性能、工藝性能或物理化學性能,通常有意識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	特點及用途
合金鋼	合金結構鋼	低合金鋼	1．低碳型合金鋼，合金元素總量一般≯3％； 2．強度明顯高于碳素鋼，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。
		調質鋼	1．中碳型合金鋼，合金元素含量較低； 2．強度較高； 3．用于高溫螺栓、螺母材料等。
		彈簧鋼	1含碳量比調質鋼高； 2經調質處理，強度較高 抗疲勞強度較高； 3用于彈簧材料。
		滾動軸承鋼	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，機加工性能好，穩定性好； 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化作用,從而提高了材料的硬度和強度,但同時卻使其韌性和塑性相對降低。

　　材料在低溫下強度一般略有提高,但塑性和韌性則下降很多,通過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。

　　合金鋼的優點

　　合金鋼與碳素鋼相比,它具有較高的強度,較好的耐熱性,較好的耐低溫性能,較好的耐腐蝕性能等優點,甚至有些生產環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、調質鋼、不銹鋼、耐熱鋼和低溫鋼。其它鋼種有時也會偶爾碰到在此不再作進一步的介紹。

　　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給出了化學成分和機械性能要求;

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

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

　　l　表示方法及代號同普通碳素鋼

　　◆鉻鉬系和鉻鉬釩系

　　     GB/T3077給出了化學成分和機械性能要求;

　　l  材料牌號主要為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。

　　l  表示方法及代號

　　b.調質合金鋼

　　l  中碳型合金鋼，合金元素總量一般≯3％；

　　l  它的含碳量較高，強度高，可焊性差；

　　l  GB/T3077給出了化學成分和機械性能要求;

　　l  材料牌號為40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25CrMoVA  等

　　l  用于螺栓、螺母材料

　　l  表示方法及代號同低合金鋼中的鉻鉬系和鉻鉬釩系

　　c.不銹鋼

　　◆不銹鋼特點

　　l  合金元素含量比較高,均超過10％,有的高達50%甚至更多；

　　l  它含有大量的合金元素,故其耐熱、耐蝕等性能大大優于碳素鋼和低合金鋼,但隨之而來的是其價格也遠遠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,故有利于抗電化學腐蝕；

　　●它含有大量耐蝕合金元素，抗高溫化學腐蝕；

　　●具有良好的機械性能和可焊性；

　　●價格較高。

　　●GB1220標準共給出了33種奧氏體不銹鋼的材料牌號,而常用的材料

　　牌號有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％)，不易產生晶間腐蝕傾向，常用作耐蝕鋼；強度較低，不應在高溫下使用。

　　※　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   應力腐蝕性能明顯優于奧氏體型不銹鋼。

　　● 具有良好的綜合機械性能和可焊性；

　　● 常代替奧氏體型不銹鋼用于容易發生晶間腐蝕的工作環境。

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

　　● GB1220標準給出了0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi、00Cr18Ni5Mo3Si2共3種奧氏體一鐵素體型不銹鋼的材料牌號。

　　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境。在壓力管道中應用的不多,而在壓力容器中常

　　用作復合材料的復層；

　　● GB1220標準共給出了7種鐵素體型不銹鋼的材料牌號,常用的材料牌號有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；

　　● 常被用于手術刀，壓力管道中碳素鋼和鉻鉬鋼閥門的閥桿和閥芯；

　　● GB1220標準共給出了18種馬氏體型不銹鋼的材料牌號,常用的材料牌號有1cr13和2Cr13、3Cr13。

　　5）沉淀硬化型不銹鋼

　　● 指可以進行沉淀硬化處理的奧氏體或馬氏體不銹鋼；

　　● 有很高的強度和硬度，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標準共給出了3種材料牌號, 0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al.

　　e.耐熱鋼

　　● 除超低碳不銹鋼和雙相不銹鋼外，大多數不銹鋼都可作為耐熱鋼；

　　● GB1221標準共給出了40種耐熱鋼的材料牌號，常用的牌號有：

　　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標準中卻沒有列入。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馬氏體組織。這類鋼有較高的熱強性,常用于350-650℃且腐蝕性不強的工況下，如動力系統的高溫蒸汽管道。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,容易出現延遲裂紋,一般焊后要進行熱處理。

　　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)一般沒有低溫冷脆現象,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,一般要嚴格控制。

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

　　2.4 常用金屬材料技術條件標準

　　(1)GB/T699一1999《優質碳素結構鋼技術條件》

　　主要對10、20、25、35等優質碳素鋼的牌號及化學成分、冶煉方法、交貨狀態、力學性能、試驗要求等作出了規定。

　　(2)GB/T700-88《碳素結構鋼》

　　主要對Q195、Q215、Q235、Q255等碳素結構鋼的生產和試驗等要求作出了規定。是碳素結構鋼的技術條件。

　　(3)GB/T1220-92《不銹鋼棒》

　　對不銹鋼棒的尺寸、外形、技術要求、試驗方法等作出了規定。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條件。

　　(4)GB/T1221-92《耐熱鋼棒》

　　對耐熱鋼棒的尺寸、外形、技術要求、試驗方法、驗收規則等作出了規定。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條件。

　　(5) GB/T1591-94《低合金高強度結構鋼》

　　對低合金高強度結構鋼的牌號和技術要求、試驗方法、檢驗規則等作出了規定。標準包括了Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等牌號低合金高強度結構鋼的制造檢驗要求。

　　(6) GB/T3077-1999《合金結構鋼技術條件》

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

　　此技術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。