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。
黑色金属根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,但它却具有优良的铸造性、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。
根据铸铁中石墨的形状不同将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。
2.1.1灰口铸铁：石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称之为灰口铸铁。
◆灰口铸铁浇铸后缓冷得到的组织为铁素体和游离石墨共存,断口呈灰色，灰口铸铁也因此而得名。灰口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、韧性均优于灰口铸铁，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。
根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：根据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
2.2.2普通碳素钢
◆普通碳素钢与优质碳素钢相比,由于它的有害杂质元素S、P含量相对较高,综合机械性能和耐蚀性较差,故不宜用在较重要的场合,但普通碳素钢价格便宜,故工程上常用于各种钢构架、支吊架等,而流体输送管道上使用时常给与一定的限制。
◆普通碳素钢根据冶炼过程的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。
沸腾钢：在浇铸前不用硅和铝脱氧, 钢液中含氧量多,浇注及凝固时会产生大量CO气泡，在钢锭模内产生沸腾现象,这类钢叫沸腾钢。
沸腾钢冷凝后没有集中缩孔,因而成材率高,成本低,表面质量及深冲性能好。但因含氧量高,成分偏析大,内部杂质多,抗腐蚀性和机械性能差,.且容易发生时效硬化和钢板的分层,故不宜作重要用途。
镇静钢：而脱氧较完全,浇铸时钢水在钢锭模内不产生CO气体,这类钢叫镇静钢。
成材率低,成本高。但镇静钢中气体含量低,时效倾向小,钢镜中气泡、疏松较少,质量较好。
半镇静钢：进行中等程度脱氧,介于沸腾钢和镇静钢之间的钢叫。
普通碳素钢的表示方法和代号按GB700标准
◆压力管道中常用的普通碳素结构钢牌号为Q235A(F、b)、Q235B(F、b)、Q235C、Q235D四种,这些牌号的质量要求是顺次提高的。材料标准为GB700。
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2.2.3优质碳素钢
◆优质碳素钢中的有害杂质元素S、P比普通碳素钢低,不仅如此,二者的冶炼方法也多有不同,普通碳素钢多用成本最低转炉冶炼,而优质碳钢则采用平炉或纯氧顶吹转炉冶炼,脱氧较好,杂质含量较低,故其综合机械性能、耐蚀性等均优于普通碳素钢。优质碳素钢与高级优质碳素钢相比,价格不高,且是工程上应用最广泛的碳素钢。
◆优质碳素钢的表示方法和代号按GB221标准：
◆GB/T699给出了优质碳素钢的化学成分和机械性能要求。
该标准共列出了08F、10F、15F、08、10、20、25、……70Mn等31种材料牌号；
压力管道中常用的牌号为08、10、20三种。
2.2.4高级优质碳素钢
高级优质碳素钢各方面性能略优于优质碳素钢,但价格较高，工程上用的并不多。一般情况下,如果采用优质碳素钢不能满足使用条件要求时，将考虑选用相应的合金钢而不用高级优质碳素钢。高级优质碳素钢在优质碳素钢的牌号后加A
2.3合金钢
合金钢：为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理化学性能,通常有意识地向钢中加入一些合金元素,由此得到的钢就叫合金钢。
2.3.1合金钢分类
表2－1合金钢分类(用途)
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第一层 |
第二层分类 |
第三层分类 |
特点及用途 |
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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．强度明显高于碳素钢，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。 |
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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。 | ||
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弹簧钢 |
1含碳量比调质钢高； 2经调质处理，强度较高 抗疲劳强度较高； 3用于弹簧材料。 | ||
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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。 | ||
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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。 | |
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特殊性能钢 |
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。 | |
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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。 | ||
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低温钢 |
1低碳合金钢，根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,从而提高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高,但塑性和韧性则下降很多,通过添加一些合金元素可提高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用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。其它钢种有时也会偶尔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％；强度明显高于碳素钢，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 表示方法及代号同普通碳素钢
◆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 表示方法及代号
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 表示方法及代号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
●根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；
●具有良好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)、00Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2(316)、00cr17Ni14Mo2(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 应力腐蚀性能明显优于奥氏体型不锈钢。
● 具有良好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、00Cr18Ni5Mo3Si2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00cr12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：00cr12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,容易出现延迟裂纹,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/T700-88《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、00Cr19Nil0、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2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。