第二章船舶用钢

第二章船舶用钢,教学目标:重点介绍船用金属材料的分类与牌号、性能要求及正确选用；适当介绍船用非铁金属材料性能极其用途。,第一节钢的分类和牌号,一、钢的分类(一)传统的分类方法1.按钢的用途可分为建筑及工程用钢、机械制造用结构钢、工具钢、特殊性能钢、专业用钢（如桥梁钢、锅炉用钢）等，每一大类又可分为许多小类。2.按钢的冶金质量（有害杂质硫、磷含量）可划分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢。3.按冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢、电炉钢；根据炼钢时所用脱氧方法，可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,4.按钢中含碳量可分为低碳钢（C0.25%）、中碳钢（C=0.25%0.60%）、高碳钢（C0.60%）。5.合金钢按钢中合金元素总含量可分为低合金钢（Me5%）、中合金钢（Me=5%10%）、高合金钢（Me10%）。6.根据钢中合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、硅锰钢、铬镍钢等。7.按合金在空气中冷却后所得到的组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢、莱氏体钢等。8.工业用钢材按最终加工方法可分为热轧材或冷轧材、拉拔材、锻材、挤压材、铸件等。,（二）新的钢分类方法国家标准GB/T1330491钢分类是参照国际标准制定的钢的分类分为“按化学成分分类”、“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两部分。1.按化学成分分类根据各种合金元素规定含量界限值，将钢分为非合钢、低合钢、合金钢三大类，如表2-1所示。2.按主要质量等级、主要性能及使用特性分类(包括非合金钢、低合金钢、合金钢)(1)普通质量钢对生产过程中控制质量无特殊规定(2)优质钢在生产过程中需要按规定控制质量(3)特殊质量钢在生产过程中需要严格控制质量和性能,(二)工业用钢牌号表示方法按GB/T2212000的规定，我国钢铁产品采用汉语拼音字母、化学元素符号与阿拉伯数字相结合的原则表示钢的牌号。1.非合金结构钢和低合金高强度结构钢的牌号表示（1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢牌号用Q+数字表示，其中“Q”为“屈”字的汉语拼音字头，数字表示屈服强度值。若牌号后面标注A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，其中A级最低，D级最高。若在牌号后标注字母F(沸腾钢)、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。例如Q235-AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。（2）优质碳素结构钢牌号开头的两位数字表示钢的平均含碳量，以平均含碳量100表示，Mn含量较高的优质碳素结构钢数字后面应标出“Mn”。例如，45Mn表示钢中平均含碳量为0.45%且Mn含量较高的优质碳素结构钢。用途：用作各种较重要的机器零件如：齿轮、主轴等。,（3）易切削结构钢牌号冠以“Y”，以区别优质碳素结构钢；例如Y30表示平均含碳量0.3%的易切削结构钢。用途：主要用在自动机床上加工大批量的零件，如螺钉，螺母等。（4）碳素工具钢牌号冠以“T”，后面的数字表示平均含碳量10；例如T8，表示平均C=0.80%的碳素工具钢。Mn含量较高者在钢号的数字后标出“Mn”，高级优质碳素工具钢钢号后加注“A”。用途：用来制作各种刀具、量具和模具。,2.合金钢的牌号一般牌号的首部是表示碳的平均质量分数的数字；对于结构钢，以平均含碳量10表示，对于工具钢以平均含碳量100表示。当钢中某合金元素的平均质量分数Me1.5时，牌号中只标出元素符号，不标明含量；当Me=1.52.5、2.53.5时，在该元素后面相应地用整数2、3、注出其近似含量。（1）合金结构钢两位数字+合金元素符号+数字前两位数字表示平均含碳量的万倍，后面数字表示合金元素的百倍。如60Si2Mn,40Cr等。钢中钒、钛、铝、硼、稀土等均属为微量合金元素，虽然含量很低，但仍应在钢号中标出，例如40MnVB、25MnTiBRE等。(2)合金工具钢的牌号其牌号表示方法与合金结构钢类似，但其平均Wc1%时不标出；当Wc1%前面数字表示含碳量的千倍。如：9SiCr,C5CrMnMo等。但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。如:W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2,（3）滚动轴承钢有自己独特的牌号。牌号前面以“G”（滚）为标志，其后为铬元素符合Cr，其质量分数以千分之几表示，其余与合金结构钢牌号规定相同，例如GCr15SiMn钢。（4）特殊性能钢表示方法与合金工具钢相同。只是当碳的含量小于0.08时，用“0”表示，含碳0.03时，用“00”表示。例如0Cr19Ni9、00Cr30Mo2等。,3.铸钢的牌号（1）工程用铸造碳钢牌号前面是ZG（“铸钢”二字汉语拼音字首），后面第一组数字表示屈服点，第二组数字表示抗拉强度，若牌号末尾标字母H（焊）表示该钢是焊接结构用碳素铸钢。例如ZG230450表示屈服强度为230MPa、抗拉强度为450MPa的工程用铸钢。（2）GB/T56131995铸钢牌号表示方法规定以化学成分表示的铸钢牌号中“ZG”后面一组数字表示铸钢的名义万分碳含量，其后排列各主要合金元素符合及名义百分含量。例如ZG15Cr1Mo1V，表示平均C=0.15%，Cr=0.9%1.40%，Mo=0.9%1.4%，V=0.9%的铸钢。,第二节杂质元素和合金元素在钢中的作用,一、主要常存元素在非合金钢中的作用1.硅和锰的影响：有益元素。不但可以溶于F中，产生强化作用，使钢的强度和硬度提高；而且Mn能消除硫对钢的危害。2.磷的影响：有害元素，使钢产生冷脆性。3.硫的影响：有害元素，使钢产生热脆性。磷、硫虽是有害元素，但可提高钢的切削加工性能。,（一）主要常存元素在非合金钢中的作用1、锰的作用锰在碳钢中质量分数一般为Mn=0.25%0.8%。锰能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高其硬度。锰还能增加并细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度。锰可与硫形成MnS，以消除硫的有害作用，因此锰在钢中是有益的元素。,2、硅的作用硅在镇静钢（用铝、硅铁和锰铁脱氧）中含量为Si=0.10%0.40%。沸腾钢（只用锰铁脱氧）中Si0.07%。硅能溶于铁素体使之强化，从而使钢的强度、硬度、弹性都得到提高。因此硅在钢中也是有益的元素。应该注意：用作冷冲压件的非合金钢，常因硅对铁素体的强化作用，致使钢的弹性极限升高，而冲压性能变差。因此冷冲压常常采用含硅量低的沸腾钢制造。,3、硫的影响硫是钢中有害元素，在钢中以化合物FeS(熔点1190)存在。FeS与Fe形成低溶点（985左右）的共晶体分布在晶界上。钢加热到10001200进行锻压或轧制时，由于分布在晶体上的硫共晶体已熔化，使钢在晶界开裂。这种现象称为热脆。锰与硫的亲合力较强，在钢中形成熔点为1620的MnS，且MnS在高温时有塑性，可避免钢的热脆性。,4、磷的影响磷也是钢中的有害元素，在常温下能溶于铁素体，使钢的强度、硬度提高，但使塑性和韧性显著降低，在低温时表现尤为突出。这种在低温时由磷导致钢严重变脆的现象称为冷脆。磷、硫虽是有害元素，但可提高钢的切削加工性能。因为磷、硫增加钢的脆性，使切屑容易断裂，从而能提高切削效率，延长刀具寿命，还能改善工件表面粗糙度。因此在受力不大的标准件中，有意将磷、硫含量提高为ws=0.08%0.35%；wp=0.05%0.15%，这种钢称为易切削钢。,5、氮的影响一般认为，钢中的氮是有害元素，但是氮作为钢中合金元素的应用，已日益受到重视。氮的有害作用主要是通过淬火时效和应变时效造成的。氮在Fe中的溶解度在591时最大，约为wN=0.1。随着温度的降低，溶解度急剧下降，在室温时小于O.OOl。如果将含氮较高的钢从高温急速冷却下来(淬火)时，就会得到氮在Fe中的过饱和固溶体，将此钢材在室温下长期放置或稍加热时，氮就逐渐以氮化铁的形式从铁素体中析出，使钢的强度硬度升高，塑性韧性下降，使钢材变脆，产生淬火时效。,另外，含有氮的低碳钢材经冷塑性变形后，性能也将随着时间而变化即强度硬度升高，塑性韧性明显下降，这种现象称为应变时效。不管是淬火时效，还是应变时效，对低碳钢材性能的影响都是十分有害的。解决的方法是往钢中加入足够数量的铝，铝能与氮结合成AlN，此外AlN还阻碍加热时奥氏体晶粒的长大，从而起细化晶粒作用。6、氢的影响钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸入的。氢均可被钢件吸收，并通过扩散进入钢内。,氢对钢的危害是很大的。一是引起氢脆，即在低于钢材强度极限的应力作用下，经一定时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂，往往造成灾难性的后果，钢的强度越高，对氢脆的敏感性往往越大。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷白点，在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点，在酸冼后的横断面上则呈较多的发丝状裂纹。白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是断面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可接近于零值。因此具有白点的钢是不能使用的。这些缺陷主要发生在合金钢中。,二、合金元素对钢基本相的影响（一）强化铁素体产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。（二）形成碳化物随着碳化物数量的增加，钢的硬度、强度提高，塑性、韧性下降。熔点、硬度、耐磨性最高。三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（一）扩大奥氏体区合金元素镍、锰等,利用合金元素扩大奥氏体相区的作用可生产出奥氏体钢。（二）缩小奥氏体区合金元素铬、钼、钛、硅、铝等,可生产出铁素体钢。（三）改变共晶点和共析点的参数例如在高速钢（C=0.7%0.8%）的铸态组织就有莱氏体，可称之为莱氏体钢。,7、氧及其它非金属夹杂物的影响氧在钢中的溶解度非常小，几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中，如FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO等。除此之外，钢中往往还存在硫化铁(FeS)、硫化锰(MnS)、硅酸盐、氮化物和磷化物等。这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性，在静载荷和动载荷的作用下，往往成为裂纹的起点。它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能，尤接是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能筹危害很本，因此，对非金属夹杂物应严加控制。,四、合金元素对钢热处理的影响(一)对奥氏体化及奥氏体晶粒长大的影响除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢；强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。所以合金钢的奥氏体比非合金钢需要的加热温度要高，保温时间更长。(二)对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移从而提高钢的淬透性。常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降，并增加残余奥氏体量。,（三）对回火转变的影响合金元素提高了钢的耐回火性（回火稳定性）。所谓耐回火性，是指淬火钢在回火时抵抗强度、硬度下降的能力。所以合金钢回火到与非合金钢相同的硬度，所需的加热温度更高，其塑性、韧性更好。W、Mo、V等碳化物在550时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。,高的耐回火性和二次硬化使合金钢在较高温度（500600）仍保持高度硬度（60HRC），这种性能称为热硬性。热硬性对高速切削刀具及热变形模具等非常重要。,第三节船体结构钢的性能要求,对船体结构的钢材各项技术性能要求，如强度、塑性、韧性、抗脆性破坏性能、耐疲劳性能、耐海水腐蚀性能以及其它某些特殊性能，同时还应有良好加工工艺性能，如冷热弯曲工艺性能和焊接工艺性能等。一、对强度和塑性的要求（一）对屈服强度的要求屈服强度是造船材料主要性能的指标，在我国通常以此作为船体强度计算的技术依据，对不同的船舶，应选择屈服强度适当的钢材来建造。（二）对抗拉强度的要求海船建造规范中规定，一般强度船体结构用钢的抗拉强度为400490N/mm2，高强度船体结构用钢的抗拉强度为440550N/mm2和490620N/mm2。,（三）对屈强比s/b的要求屈强比是屈服强度与抗拉强度之比，实为钢材强度储备的一个指标。反映了金属结构具有一定的抗偶然过载能力的大小，即钢材屈强比越小，延缓结构损坏过程的潜力越大，结构可靠性越高；也反映了金属均匀塑变的冷变形加工工艺性能。（四）对伸长率和断面收缩率的要求1.伸长率我国在海船建造规范中，对一般强度船体结构钢要求522%，高强度船体结构钢中A32、D32、E32等级的522%，A36、D36、E36等级的522%。2.断面收缩率经验证明，50%的断面收缩率数值，对于船体钢来说是足够了，但在规范中没有明确的规定。,二、对疲劳性能的要求通常船体结构承受的是工作应力较低而交变频率较高的高周疲劳。低应力高周疲劳抗力的评定，常用的指标有疲劳极限疲劳极限过负荷持久值和疲劳缺口敏感度等。三、对冲击韧性的要求船舶用钢应具有良好的冲击韧性，以防止脆性断裂。特别是应具有较低的脆性转变温度，防止低温脆断。四、对船舶用钢的工艺性能要求（一）冷加工对钢材的要求船体结构钢的含碳量限制在较低的范围内，一般C0.22%塑性好即冷加工性能好。船体结构钢的冷加工工艺性能通常用冷弯试验测定。,（二）热加工对钢材的要求热加工的起始温度一般低于固相线100200C，大致在10501200C左右。温度过高易过烧，过低则塑性不够。热加工终止温度在800880C的范围内，不能太高，否则晶粒长大剧烈；也不能太低，否则变形抗力大，加工困难。（三）钢材冷、热加工性能的评价采用冷、热弯曲试验（四）钢的可焊性金属材料的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性评定有间接判断法和直接试验法，详细内容见第六章。,第四节船体结构钢,一、船体结构钢船体结构钢按强度等级可分为一般强度船体结构钢和屈服强度265MPa的高强度船体结构钢（简称高强钢）两类。（一）船体结构钢的化学成分和力学性能（GB7122000）1.一般强度船体结构钢的化学成分一般强度船体结构钢按钢材等级分为A、B、D、E四级，各级的化学成分各不相同,其化学成分见表2-3所示。表2-3一般强度钢的化学成分（摘自GB7122000）2.高强度船体结构钢的化学成分高强度船体结构钢按最低屈服强度等级不同可分为s32kgf/mm2级（即s315MPa）、s36kgf/mm2级（s355MPa）、s40kgf/mm2级（s390MPa）三级；每一强度等级又按其缺口冲击韧性的不同而分为A、D、E、F四级。高强度船体结构钢钢号后均加“H”表示来高强度，以示与一般强度船体结构钢的区别,其化学成分见表2-4所示。,3.船体结构钢的力学性能（GB7122000）船体结构钢的常见力学性能要求见表2-5所示。根据力学性能对比，一般强度船体结构钢相当于碳素结构钢中的Q235钢；高强度船体结构钢中的32kgf/mm2级相当于旧牌号中的16MnC；36kgf/mm2级相当于旧牌号中的15MnTiC,40kgf/mm2级相当于旧牌号中的14MnVTiREC。4.船体用结构钢交货状态船体用结构钢交货状态是指钢厂提供给造船厂的钢材的供应状态。一般应包括产品类型、热处理类别、轧制方法等。表2-6、2-7分别是一般强度船体结构钢和高强度船体结构钢的交货状态。,第五节特殊性能钢,船用特殊性能钢主要是指在特定条件下使用，具有特殊性能要求的钢种。船用特殊性能钢主要包括不锈钢和低温用钢。一、不锈钢1.化学腐蚀钢在氧化介质中的氧化如高温时的氧化、脱碳，钢在石油中腐蚀，氢和含氢气体对普通碳素钢的腐蚀均属于化学腐蚀。2.电化学腐蚀这种腐蚀是由于在电解溶液中金属基体或不同金属间电极电位的不同的而发生电化学反应(在化学反就过程中有电流产生)形成原电池或微电池而引起金属基体的腐蚀。,不锈钢是铬、镍含量较高的合金钢。通常把耐大气腐蚀的合金钢称为不锈钢，把在酸中及其它强腐蚀性介质中耐腐蚀的合金钢称为耐酸钢。一般把上述不锈钢与耐酸钢统称为不锈耐酸钢或简称为不锈钢。常用的有铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。(一)铬不锈钢这类钢的主要Cr13型和Cr17型两类。Cr13型属于马氏体型不锈钢，含碳为0.1%-0.4%，含铬为12%-13%，如:1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等；在氧化性介质中,如大气、水蒸气中具有良好的耐蚀性，在淡水、海水、温度不超过30度的盐水溶液、硝酸、食品介质以及浓度不高的有机酸中也具有足够的耐蚀性。主要用于力学性能要求不高，耐蚀性要求较低的零件。,不锈钢船用螺旋桨,不锈钢剪刀,Cr17型属于铁素体不锈钢，单相组织，其耐蚀性能优于马氏体不锈钢；碳质量分数低于0.15%.含铬为17%30%，主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，如:1Cr17、1Cr17Ti等，例主要用于制作抗高温氧化、耐硝酸腐蚀的容器和管道等。,硝酸生产装置,合成氨生产装置,（二）铬镍不锈钢铬镍不锈钢均属于奥氏体型钢，含铬量在18左右，含镍量在8左右，这类不锈钢又称18-8型钢。它比铬不锈钢更具有抗锈蚀性，其强度、硬度很低、塑性、韧性均较好，无磁性，奥氏体不锈钢适合冷作成型（冷变形强化），焊接性能好，是应用最广的一类不锈钢；,二、低温用钢对低温钢的性能有一定的要求：1低温强度2低温韧性3工艺性4耐腐蚀性（一）奥氏体低温钢（二）低碳马氏体低温钢（三）铁素体型低温钢,第六节船用结构钢的选用与代用,通常选用船体结构钢要根据船舶的用途，船舶吨位的大小，船舶的使用条件和钢材的成本等因素决定。一、我国“船规”（2001）对船用结构选用的规定我国钢质海船入级与建造规范（2001）按船体各部位结构承受应