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压力管道全书,压力,管道,全书
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常用金属材料 2.1 铸铁 2.1.1灰口铸铁 2.1.2可锻铸铁 2.1.3球墨铸铁 2.2 碳素钢 2.2.1.碳素钢的分类 2.2.2普通碳素钢 2.2.3优质碳素钢 2.2.4高级优质碳素钢 2.3 合金钢 2.3.1合金钢分类 2.3.2常用合金钢 2.4 常用金属材料技术条件标准 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： QT400-15 QT450-10 KTH330-8 延伸率（） 最低抗拉强度（MPa） “球铁”汉语拼音第一个字母 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 工业纯铁 C0.04的Fe、C合金 低碳钢 C0.25的钢（强度低 塑性好 焊接性能好 Q235-A、20g、20用于管道 压容） a. 按化学成分 中碳钢 C0.250.60%的钢。强度及塑性适中，用于紧固件和锻件如：35钢 （含碳量） 高碳钢C0.60%的钢 强度和硬度高、塑性差，可制作弹簧、钢丝绳等。如 65Mn（c0.620.7） 甲类钢A 按机械性能供应钢 A1，A2，A3A7 普通碳素钢 乙类钢B 按化学成分供应的钢B1，B2，B7等 （ P0.05 S 0.05%） 特类钢C 按机械性能化学成分C1,C2,C3C b.按品质分类 优质碳素钢（P0.04 S 0.04%）10，15，20，25 高级优质钢（P0.03S 0.02%） 平炉钢 普碳钢、低合金钢、优质碳素钢 冶炼设备 转炉钢 普碳钢 电炉钢 优质钢和合金钢 c.冶炼方法 沸腾钢 A3F 脱氧程度 镇静钢 A3 半镇静钢 18Nbb（18铌半） 结构钢 d.按用途 承压用钢(压力容器用、锅炉用钢) 工具钢 特种用途钢 高级铸钢S、P0.04% 优级铸钢S、P0.05% 铸钢 普通级铸钢S、P0.06% 一般阀门均为铸钢，一般应注明级别，不注为级。适用于制造一些形状复杂，难以进行铸造和切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件。 锻钢 用锻造方法生产的各种锻材和锻件。锻钢的质量和机械性能都优于铸钢，能承e.按成型方法 受大冲击力的作用，用于重要的受力零件。 热轧钢 表面质量及尺寸精度较差，不能轧制细、薄的钢材。主要用来生产型钢、钢管、钢板等大型钢材。 轧钢 冷轧钢 与热轧相比，表面光洁、尺寸精确、机械性能好。常用来轧制表面质量优良和尺寸精确的板、管、带等细薄产品。 冷拔钢 以热轧钢为原料，在冷态下进行多次拉拔而成的各种钢材。特点：精度高、表面质量好。主要用于生产钢丝和小直径园钢和钢管。 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 Q 235 A F F沸腾钢，b 半镇静钢，镇静钢省略 质量等级号,A级不做冲击试验,B级做常温V形缺口冲击试验; C、D两级常用在重要场合下 材料的屈服强度,MPa。分别为195、215、235、255、275五个等级 “屈”字汉语拼音第一个字母。 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。 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： 08 F 沸腾钢 万分之几“C” 20 g （25g） 锅炉钢 C:0.170.24% XX XX XX X 特殊用途标记，R 压容用钢；g锅炉用钢；D低温用钢 如为沸腾钢或半镇静钢,尚应加“F”或 b 含锰元素的量达到0.7以上时,或特意加入的其它元素，为该元素的化学符号，如Mn、Si等(16MnR) 两位数字,表示钢中平均含碳量的万分之几如：10、20、25、35等 “ZG”表示铸钢,铸钢以外的生产方法不表示。 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21合金钢分类(用途) 第一层 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。 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 抗疲劳强度较高； 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。 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，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。 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）、Q345AE、Q390AE、Q420AE、Q460CE; l 用于常温及以上温度时，可用A、B或C级；用于2040 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 XX XX XXXX X 特殊用途标记,同优质碳钢部分。对高级优质合金钢,在其后加“A” 主要合金元素符号及其含量,其中前两位为元素符号,后两位数字为该合金元素的平均百分比含量。数字为一位数时则用一个数字表示,含量不足1.5时可省略不注。有多个合金元素时则依次按此规则填写。 两位数字,表示钢中平均含碳量的万分之几。 两个字母“ZG”铸钢,铸钢以外的生产方法不表示。 25 Cr2 Mo V A 高级优质合金钢 合金元素含量1.5% X 仅标合金元素 1.52.49% 标“2” 2.53.49 标“3” 3.54.49 标“4” 1719.00 标“18” 含碳量25（两位数字表示） 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 1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni9 00Cr18Ni18 合金元素表示方法同低合金钢 含碳量千分之几（一位数表示） C0.1% 用“0”表示“低碳” 0.03% 用“00”表示“超低碳” 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(C0.08)、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=0.040.12)，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(C0.03)，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(C0.08，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。 压力管道材料部分 前言 管道材料是整个管道设计过程中的基础部分，它直接影响到压力管道的可靠性和经济性。在一个石油化工生产装置中，管道材料的费用约占整个工程投资的十分之一，而管道的材料设计涉及到管道器材标准体系的选用、材料选用、压力等级的确定、管道及其元件型式的选用等内容。 由于压力管道安全管理刚刚起步,许多从事这方面工作的技术人员对这一事物还不太了解,技术基础工作也比较薄弱。从压力管道设计认证过程中发现,一些设计单位尤其是在管道材料和管道应力方面以前考虑的较少, 因此压力管道的材料部分我们就从最基础的知识讲起，重要的不是您在本次学习班上学到了某一个知识点，而是要搞清一个设计思路，设计的每一个环节都有依据、有标准可寻。 目录 1 金属材料基础知识 1.1金属的微观结构 1.2金属材料的基本性能 1.3温度对金属材料的影响 1.4常见元素对金属材料性能的影响 2 常用金属材料 2.1铸铁 2.2碳素钢 2.3合金钢 3 压力管道常用金属材料的基本限制条件 3.1一般限制条件 3.2 常用材料的应用限制 3.3其它方面对材料的限制 4应用标准体系 4.1国际上常用的标准体系 4.2国内常用的标准体系 5管道压力等级 6管道器材选用 7表面处理、防腐、涂层 8管道施工及验收规范 1 金属材料基础知识 金属材料的性能首先取决于它的元素组成，其次它也将受微观组织、加工方法、热处理方式等因素的影响，而工程选材主要是依据材料的性能而进行的。作为材料工程师，有必要对影响材料的有关基本知识有所了解，并能够对材料的加工方法、热处理、检查试验等提出适宜的要求，从而能够选用到既可靠又经济的材料。 有关金属材料的基本知识今天仅介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容。 1.1 金属的微观结构 1.1.1碳钢与铸铁 由95以上Fe（0.054）C组成的Fe、C合金。 1）铁的内部结构 将铁水缓冷到其凝固点1534以下，铁水就开始结晶，直到全部结晶成固态铁为止，温度才又继续下降。所结晶成的固体是由许多小颗粒组成，每个小颗粒具有不规则的外形，叫晶粒。 图11 金属的晶格 每个晶粒内部都是由无数个原子按一定的规律排列而成。若将各个原子的中心用线条连接起来，组成一个空间格子，可用来说明原子排列的规律性，这种空间格子叫“晶格”。 常见的金属晶格形式 面心立方晶格 体心立方晶格 图12 金属的面心立方晶格和体心立方晶格 面心立方晶格 是在立方体的8个顶点和六个面的中心处各为一个原子所占据如：Al、Cu、Ni等 体心立方晶格 是在立方体的8个顶点和立方体中心处各为一个原子所占据如：Cr、W、Mo、Mn、V等 金属的变形，实质上就是其晶格的变形或移动。 在外力的作用下，金属内部的晶格首先将发生伸长或歪扭变形，如果去掉外力，变形的晶格将恢复正常的稳定位置，此时的金属变形称为弹性变形。 如果施加的外力足够大，以致超过了原子间的结合力，金属内部的晶格将发生错位或滑移，移位后的原子将和新位置上的原子发生粘结，此时就说金属发生了塑性变形。 如果再增大外力，使它能够克服整个金属断面上所有晶格滑移所需要的力，此时金属的塑性变形量将快速增加，直到金属的断裂。 对单晶体来说，晶格的变形(拉伸或扭转)或移位总是优先在原来结合力较小的面间进行，或者是沿原子密度最大的几何面(称为晶面)发生。对于每种晶胞来说，这种面越多，晶体变形越容易，表现出来的金属塑性越好。面心立方晶胞变形面较多，体心立方晶胞较少，故具有体心立方晶胞结构的金属强度最高，面心晶胞则较低。 Fe属于面心立方晶格还是体心立方晶格？ 15341390 体心立方排列叫铁 1390910 面心立方排列叫铁 910以下 体心立方排列叫铁 铁 铁 铁 这种在固态下晶体结构随温度发生改变的现象叫“同素异构转变”。它是钢铁能够进行多种热处理而改变其性能的重要依据。 2）碳的存在形式 钢铁是一种Fe、C合金，C是以怎样的形式与Fe构成合金呢？ 在铁的晶格中，原子之间是有一定空隙的，碳原子半径较小，可以嵌在Fe的晶格中构成固溶体。它不破坏Fe的晶格结构。 固溶体：就是由两种或两种以上的化学元素，在固态下互相溶解构成的单一均相物质。 铁素体 碳溶解在体心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。是低碳钢在常温时的主体相。 体心立方晶格Fe原子之间空隙小，溶碳能力小，室温溶碳0.006，723溶碳最大0.02。强度和硬度低，韧性和塑性好。 奥氏体 碳溶解在面心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。是碳钢在高温时的组织。 面心立方晶格Fe原子之间空隙大，溶碳能力最大2.06。C的大量溶入，使其具有一定的强度和硬度，良好的塑性。 渗碳体：铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体、奥氏体中时， “剩余”的碳与铁形成的铁碳化合物（Fe3C）的晶体组织。（其硬度极高，塑性几乎零。渗碳体含C 6.67，熔点1600） 石 墨：铸铁中的C 2.06% ，奥氏体最大溶碳量2.06，剩余的C以石墨形式存在。 1.1.2铁碳合金相图 铁碳合金相图 是表示不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的状态或组织的关系图。 相图的作用 通过铁碳合金相图能掌握钢的组织随成分和温度变化的规律,以便能够正确制定热处理和热加工的工艺，是改变其组织，获得所需要的性能的依据。 图13 铁碳合金相图 相图中有： 两个组元： 铁（Fe） 性能表现为强度和硬度较低，塑性和韧性较好 渗碳体（Fe3C） 性能表现为硬而脆 四个基本相：液相（L）、铁素体（）、奥氏体（）和渗碳体（Fe3C） 两个次生相：珠光体（铁素体渗碳体的两相机械混合物）具有良好的强度和硬度又具有良好的塑性和韧性，属常温稳定组织 莱氏体（奥氏体渗碳体的两相机械混合物） 1) C2.06% 取含碳量为0.8的Fe、C 合金，它在1600时是液态（1点），将合金冷却至点2时，液相中将有首批奥氏体晶体核析出。当温度降至3点时，全部液态合金均被转变成奥氏体。继续降低合金的温度至s点（723）以下时，合金就会从单一的奥氏体组织转变成铁素体和渗碳体两相组织。在这个两相组织中渗碳体占11、铁素体89，这种特定比例的渗碳体、铁素体是在723以下一起从奥氏体中析出的，所以把它当作一种组织看待，并称它为珠光体又叫共析钢。 在平衡状态下： C0.8 珠光体 共析钢 C0.8 渗碳体珠光体 过共析钢（ES过共析钢） GS线：C2.06% 合金为铸铁 当C4.3时，合金有最低的结晶温度（1130），结晶时，从液态合金中同时析出奥氏体和渗碳体。这种具有特殊比例的奥氏体和渗碳体共晶混合物称为莱氏体。 1.1.3碳钢的热处理 热处理：就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却以改变其组织，获得所要求的性能。按照热处理的操作及其过程所发生的组织变化的不同，将热处理分为淬火、回火、退火及化学热处理。 淬火：是将钢加热至超过临界温度以上，保温一定时间后,以快速冷却,使其得不到稳定的组织。 目的：是为了获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨度。 如亚共析钢加热超过GS以上30-50，保温后全部转变为奥氏体，而后在水或油中冷却，由于冷却速度很快，碳来不及析出，奥氏体就转变马氏体（马氏体是含碳过饱和的固溶体）。由于其中含碳量的过饱和，它的含碳量与原来的奥氏体中的含碳量相同。因而使体心立方晶格歪扭成体心正方晶格，硬度很高，但很脆。由于马氏体转变时体积要膨胀，零件内有较大的内应力，不能直接应用，必须进行回火。 回火：是将淬火后的钢重新进行不超过临界温度（GS线）时加热，使之得到较为稳定的组织。根据对零件机械性能的具体要求回火的加热温度分为低、中、高温三种。 目的：消除淬火后工件的内应力，并降低材料的脆性。钢件在淬火后，几乎总是跟着回火。 低温回火（150250）用于高硬度及耐磨零件。 作用：消除脆性和内应力。HRC=5963 中温回火（300450）用于需要足够的硬度，高弹性极限并保持一定韧性的零件。HRC=4454 高温回火（500650）要求综合机械性能高的零件（高强度、弹性、塑性及韧性），内应力完全消除。HRC=2335 淬火后高温回火可使钢获得良好的综合机械性能，所以把这种热处理称为调质处理。 退火：退火处理时用来消除钢材在焊接、铸造或锻造后遗留下来的粗晶组织和内应力，降低硬度，增加塑性和韧性，消除偏析。 完全退火将钢加热到GS线以上2030，经保温后随炉缓冷或埋在保温灰中缓冷。对亚共析钢加热保温后得到细小均匀奥氏体组织，缓冷后得到细小的铁素体和珠光体；消除前一工序所形成的不均匀或粗大组织，得到细而均匀的组织.降低硬度,改善切削性能. 低温退火加热至小于临界点PSK的温度而后缓慢冷却。这种退火主要用于焊接结构.其目的是消除工件在焊接过程中所形成的内应力，以防脆裂。 正火：是退火的一种变态，它与退火不同之处是在静止空气中冷却。 正火时的加热温度对亚共析钢为GS线以上3050。由于正火的冷却速度较退火为快，正火后一般都可以得到较细的珠光体组织。机械性能比退火后的珠光体高。一般不重要的机械零件，常以此为最终的处理。还可作为淬火前的预处理，由于它细化组织可降低淬火时的变形与裂纹，以提高淬火质量。 1.1.4 常用压力管道材料使用的热处理状态 表11 常用压力管道材料使用的热处理状态 材料牌号 热处理状态 材料牌号 热处理状态 Q235 20 16Mn 12CrMo 正火 正火 正火 正火回火或调质 15CrMo 1Cr5Mo 35CrMoA 0Cr18Ni9 正火回火或调质 正火回火或调质 调质 固溶 1.2金属材料的基本性能 材料的性能究竟都包括那些内容呢? 我们有必要先介绍一下材料的基本性能和反映这些性能的参数指标，才能更好地去分析理解有关的金属理论，并有意识地采取措施以获得所希望的性能，或者根据材料的基本性能去指导工程设计选材。 金属材料的基本性能一般包括以下五个方面: 机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。 l.2.1机械性能 材料的机械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。 它包括材料的强度指标、弹性指标、塑性指标、韧性指标、疲劳强度、断裂韧度和硬度等。 1)强度指标 材料的强度指标是决定其许用应力值的依据。设计中常用的有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切的强度极限b和屈服极限s，高温时还要考虑蠕变极限n和高温持久极限D. 强度极限b 指材料在外力的作用下，由开始加载到断裂时为止所能承受的最大应力。它是反映材料抵抗大量均匀塑性变形的强度指标。 屈服强度s 指材料在外力的作用下，由开始加载到刚出现塑性变形时所承受的应力。它是反映材料抵抗微量塑性变形的强度指标。对某些材料，在加载试验时，其应力应变图中没有明显的屈服平台，此时就以产生0.2塑性变形时的应力作为该种材料的屈服极限，并用0.2表示。 蠕变极限n 指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后产生的塑性变形量为1%时的应力。 高温持久极限D是指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后发生断裂时的应力。 蠕变极限n和高温持久极限D均是高温下材料抵抗破坏的强度指标。 2）弹性指标 弹性指标是稳定性计算的主要依据，它包括的参数主要有弹性模量E等。 弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。 3）塑性指标和韧性指标 塑性指标和韧性指标是材料受冲击载荷作用时的主要设计依据，也是低温或超低温条件下对材料使用性考核的一个重要指标。 塑性指标 包括的参数主要有材料的延伸率、断面收缩率。 韧性指标 包括的参数主要有材料的冲击韧性k和冲击功AK等。 延伸率 是指试样发生拉伸破坏时，产生的塑性变形量与原试样长度比值的百分数。根据所选试样长度是试样直径的5倍还是10倍，延延率分别有5和10两个数据。 一般情况下， 5铜合金一般铸铁碳素钢合金钢奥氏体不锈钢。 2)可铸性: 它是指液体金属在铸造过程中的流动性和凝固时的收缩性以及产生铸造缺陷的倾向性。常用的金属材料中铸铁的铸造性较好，而铸钢的铸造性则较差，合金钢的铸造性更差。 3)可锻性： 它是指金属材料通过锻造等压力加工方式而成形的能力。一般情况下，金属材料的可锻性包括其塑性变形抗力、金属固态流动性、对模具的摩擦力、对氧化起皮的抗力、热裂倾向等性能。脆性材料无可锻性。 4)可焊性： 它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能。良好的焊接接头是指不易产生焊接缺陷如裂纹、气孔、夹杂等，且焊接接头的机械性能接近母材的焊接接头。焊接是压力管道中最常用的连接方式之一，因此可焊性也是影响材料选用的一个重要因素。 5)热处理性能：金属的热处理性能是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等。 1.2.5材料的经济性 材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。选材的原则： 1) 设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。 2) 对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。 对于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平较高时，或者应用条件比较缓和时，就不必再提出许多超出制造标准要求的附加检验项目，较多的附加检查试验要求是不经济的。 3) 对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，物尽其用。 1.3 温度对金属材料性能的影晌 金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。了解这些变化，对于确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。实际的工程实践也证明，温度条件是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度条件是确定选材的决定条件。 1.3.1金属材料在高温下的性能变化 1）材料的蠕变及应力松弛 材料的蠕变： 当材料的使用温度超过其熔点的(0.250.35)倍时，金属性能已处于不稳定状态，此时若在外力的作用下，会出现这样一种现象:虽然材料的应力不再增加，但其变形却随着时间的增加而继续增大，而且出现了不可恢复的塑性变形。通常把这种变形称做材料的蠕变。 一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300350，对铬钼合金钢则为400450。 应力松弛：与蠕变现象相反，当材料受高温和外力的持续作用时可能会出现：材料的总应变量不变，使其中部分弹性变形转化成了塑性变形，从而导致弹性应力降低，即意味着金属材料被放松了。材料的这种现象称做应力松弛。应力松弛实际上是蠕变发生的另一种表现形式。 高温下工作的螺栓常因应力松弛而导致法兰泄漏，所以此时应选用抗蠕变能力高的铬钼钢材料作为高温螺栓材料。对于加工残余应力和焊接残余应力，由于应力松弛而使其减弱或释放，从而可减缓或消除它们带来的不利影响。 2）材料的球化和石墨化 材料的球化：在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内，尤其是对于珠光体碳钢，其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。这种现象称为材料的球化。 球化的结果：使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降，而塑性增加。 一般情况下，碳钢长期处于450以上温度环境时，就有明显的球化现象。 材料的石墨化：对于碳钢和一些低合金钢，在高温作用下，其组织中会出现这样一种现象:其过饱和的碳原子发生迁移和聚集，并转化为石墨(石墨为游离的碳原子)。由于石墨强度极低，并以片状存在于珠光体内，将使材料的强度大大降低，而脆性增加。这种现象称为材料的石墨化。 一般情况下，碳钢长期处于425以上温度环境时，就有石墨化发生，而在475以上时则明显出现。为安全起见，SH3059标准规定，碳钢的最高使用温度为425，而GB150规范则规定其最高使用温度为450。 3）材料的高温氧化 金属的氧化 金属材料处于高温和氧化性介质(如空气)的环境中时，将会被氧化。氧化产物为疏松的非金属物质，容易脱落，故有时也称其金属的氧化为脱皮。 以碳钢为例，当它处于570的空气中时，会产生FeO+Fe304+ Fe203氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560以下工作。 一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下(如烧焦时)才可能这样做。常用材料的抗氧化极限温度列于表1-2。 表1-2 常用金属材料的抗氧化极限温度 钢材牌号 抗氧化极限温度 碳素钢 12CrMo 15CrMo 1Cr5Mo 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2 0Cr25Ni20 560 590 590 650 850 1100 1.3.2金属材料在低温下的性能变化 在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性冲击功来衡量，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性(冲击功)的限制。 1.4 常见元素对金属材料性能的影晌 应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于黑色金属材料的基本元素是铁(Fe)，所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。 1.4.1常用碳素钢中各元素对其性能的影响 压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.250.45%的亚共析钢。 碳素钢中，其主要影响元素是碳(C)。除此之外，尚有硅(Si)、硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素 a 碳(C)在碳素钢中的作用 1）碳素钢随含碳量的增加，其强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。 2)当含碳量大于0.25%时，碳钢的可焊性开始变差，故压力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。 3)含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。 b硅(S)在碳素钢中的作用 1) 判断其脱氧程度。为了保正碳素钢的质量，除沸腾钢和半镇静钢外，硅在钢中的含量应0.1%。 硅是碳素钢中的常见元素之一，但它一般不是主加元素，而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲合力仅次于铝和钒，而强于Mn、Cr、V，所以在炼钢过程为常用的还原剂和脱氧剂。 2)起到提高硬度和强度的作用。硅含量超过3时，将显著地降低钢塑性、韧性和可焊性。 c硫（S）、氧(0)在碳素钢中的作用 硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物(如FeS、FeO)型式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是S的存在常引起材料的热脆。 硫和磷常是钢中要控制的元素，并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。 d磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用 磷、砷、锑在钢中有一些类似的作用。作为杂质元素，它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢的脆性。 1.4.2常用低合金钢中各元素对其性能的影响 管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.250.45的铬钢和铬钼钢。 主要影响元素：碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、Mo、V、Si、Al 杂 质 元 素：S、O、P、As、Sb、 a碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。 b锰(Mn)在低合金钢中的作用 1) 锰与铁形成固溶体，可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。它使材料的延展性有所降低; 2) 增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量应在12%； 3）锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS，可防止因硫导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。因此，在工业用钢中一般都含有一定数量的锰； 4）锰在钢中由于能降低临界转变温度，故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好； 5）锰对钢的焊接性有不利的影响； c铬(Cr)在低合金钢中的作用 铬在-Fe中无限固溶，在-Fe中的最大溶解度为12.5。 1） 铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。 2）显著提高钢的脆性转变温度，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随铬含量增加下降。 c.在含铬的锅炉钢中，加入少量的铬，能防止钢在长期使用过程中的石墨化。 d钼(Mo)在低合金钢中的作用 钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复杂的渗碳体;当含量较高时，则形成特殊碳化物。 1) 钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利作用。 2) 钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。 3) 钼还可有效地抑制渗碳体在450650工作温度下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。 4)钼在钢中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。 5）钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。 一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。 e 钒(V)在低合金钢中的作用 钒在-Fe中无限固溶，在-Fe中的最大溶解度约1.35%。 钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力，为强碳化物及氮化物形成元素。 1) 钒增加钢的热强性和对蠕变的抗力。钒能有效地固定钢中的碳和氮，并形成高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒，即使在高温下，聚合长大也极缓慢.。 一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种，如12CrMoV及12CrlMoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。 2) 含钒钢在热处理中，能提高晶粒粗化的温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性等
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