压力管道全书 (2).doc

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2.56.67。 ◆ 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 C≤0.04％的Fe、C合金 低碳钢 C≤0.25％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（c＝0.620.7） 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 （ P≤0.05％ 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（P≤0.04％ S ≤0.04）10，15，20，25 高级优质钢（P≤0.03％S ≤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 Ⅰ高级铸钢S、P≤0.04 Ⅱ优级铸钢S、P≤0.05 铸钢 Ⅲ普通级铸钢S、P≤0.06 一般阀门均为铸钢，一般应注明级别，不注为Ⅲ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Q235AF、b、Q235BF、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 C0.17～0.24 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2－1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）、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 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0Cr18Ni9304、00Cr19Ni10304L、0Cr17Ni12Mo2316、00cr17Ni14Mo2316L、0Cr18Ni10Ti321、0Cr18Ni11Nb347、0Cr25Ni20310、0Cr23Ni13等。 ※ 高碳奥氏体不锈钢 含碳量较高C0.04％～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0Cr18Ni9304、0Cr17Ni12Mo2316、0Cr18Ni10Ti321、0Cr18Ni11Nb347、0Cr25Ni20310、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 1GB/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。 2GB/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。 3GB/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。 4GB/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。