第4章對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求(3)壓力容器的材料

1、第四章第四章 對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求4-3壓力容器的材料 對(duì)材料性能的基本要求 壓力容器的使用條件多種多樣，如處理、輸送易燃、易爆、有腐蝕性、有毒與有害等物料，操作壓力可能從真空到高壓甚至超高壓、溫度從低溫到高溫，使得設(shè)備處在極其復(fù)雜的操作條件下運(yùn)行，這就對(duì)壓力容器的選材提出了不同的要求。 選用材料的一般要求 (1)材料品種應(yīng)符合我國(guó)資源和供應(yīng)情況； (2)材質(zhì)可靠，能保證使用壽命； (3) 要有足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，對(duì)腐蝕性介質(zhì)能耐腐蝕； (4) 便于制造加工，焊接性能良好； (5) 經(jīng)濟(jì)上合算。選材不當(dāng)所引起的事故因選材不當(dāng)所引起的事故頗多。如2001年3月某公司

2、人造水晶224號(hào)超高壓水晶釜發(fā)生爆炸，釜體下部被撕開長(zhǎng)1130mm、寬約200mm的缺口，與缺口等面積的一塊鋼板被炸斷飛出1.5m遠(yuǎn)，將水泥地砸出深300mm的凹坑，4根M402的地腳螺栓均被剪斷，釜體歪斜倒在鄰近的釜上，爆炸沖擊波將車間部分門窗損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失約30萬(wàn)元。該釜設(shè)計(jì)壓力151Mpa，設(shè)計(jì)溫度400，工作壓力137 Mpa，工作溫度380，工作介質(zhì)為堿溶液，釜體材質(zhì)33CrNi3MoVA，為超高壓三類壓力容器。分析事故原因可知，除了違規(guī)操作，導(dǎo)致溫度失控，超壓運(yùn)行外，NaOH、NaN02溶液對(duì)33CrNi3MoVA材料是極為敏感的應(yīng)力腐蝕介質(zhì)，釜體材料存在應(yīng)力腐蝕。因此，要滿足

3、各種壓力容器每個(gè)具體工況的要求，合理的選用材料是設(shè)計(jì)化工設(shè)備的主要環(huán)節(jié)，也是提高壓力容器的安全可靠性，確保其安全運(yùn)行的前提。為能選擇合適的材料制造壓力容器，保證壓力容器安全正常地進(jìn)行工作，必須首先了解材料的基本性能。對(duì)材料性能的基本要求 材料的性能包括: 力學(xué)性能 物理性能 化學(xué)性能 工藝性能 其它性能 力學(xué)性能 構(gòu)件在使用過(guò)程中受力(載荷)超過(guò)某一限度時(shí)，就會(huì)發(fā)生變形，甚至斷裂失效。金屬材料在外力作用下所引起的變形和破壞過(guò)程，大致可分為三個(gè)階段：(一)彈性變形階段；(二)彈塑性變形階段；(三)斷裂。一般的斷裂有兩種形式：斷裂之前沒有明顯塑性變形階段的，稱為脆性斷裂；經(jīng)過(guò)大量塑性變形之后才發(fā)生

4、斷裂的，稱為韌性斷裂。力學(xué)性能 我們把材料在外力（或外加能量）的作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行為（包括變形、抗力、彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度和韌性等特征指標(biāo)），即在外力作用下不產(chǎn)生超過(guò)允許的變形或不被破壞的能力，叫做材料的力學(xué)性能（亦稱機(jī)械性能）。 1強(qiáng)度指標(biāo) 2塑性指標(biāo) 3硬度 4韌性指標(biāo) 5缺口敏感性 強(qiáng)度指標(biāo) 強(qiáng)度是固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。 屈服點(diǎn) (也叫屈服極限) (s) 抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）(b) 蠕變極限(n) 持久極限(D) 疲勞極限（-1）屈服點(diǎn) (也叫屈服極限) (s) 金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，仍繼續(xù)

5、發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為“屈服”。發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，即開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為“屈服點(diǎn)”，用s (MPa)表示。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。 式中Ps是載荷不再增加，甚至有所降低時(shí)，試件還繼續(xù)伸長(zhǎng)的最小負(fù)荷(N)；F0試件的原始接面積，m2。0FPss 除退火的或熱軋的低碳鋼和中碳鋼等少數(shù)合金有屈服現(xiàn)象外，大多數(shù)金屬合金沒有明顯的屈服點(diǎn)。因此，工程中規(guī)定發(fā)生0.2殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，作為“條件屈服點(diǎn)”，稱為屈服強(qiáng)度，以0.2(MPa)表示。 式中P0.2為產(chǎn)生0.2殘余伸長(zhǎng)的負(fù)荷(N)。02 . 02 . 0FP抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）(b) 金屬材料在受力過(guò)程中，

6、從開始加載到發(fā)生斷裂所能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫做強(qiáng)度極限。由于外力形式的不同，有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等?？估瓘?qiáng)度是壓力容器設(shè)計(jì)常用的性能指標(biāo)，它是試件拉斷前最大負(fù)荷下的應(yīng)力，以b(MPa)表示。 式中Pb為拉斷前試件所承受的最大負(fù)荷(N)。 抗彎強(qiáng)度是鑄鐵等低塑性的脆性材料的強(qiáng)度指標(biāo)之一，以bb(MPa)表示。 式中M彎矩，Nm； W標(biāo)準(zhǔn)試件的抗彎斷面模數(shù)，m3。0FPbbWMbb 工程上所用金屬材料，不僅希望具有高的s值，而且還希望具有一定的屈強(qiáng)比(s/b)。屈強(qiáng)比愈小，就具有較大的塑性儲(chǔ)備，愈不容易發(fā)生危險(xiǎn)的脆性破壞，但是，屈強(qiáng)比太低，材料的強(qiáng)度水平就不能充分發(fā)揮。反之，屈

7、強(qiáng)比愈大，材料的強(qiáng)度水平能得到充分發(fā)揮，但塑性儲(chǔ)備較小。實(shí)際上，一般還是希望屈強(qiáng)比高一些。 蠕變極限(n) 所謂蠕變，是指在高溫時(shí)，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象，或者金屬在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。 材料在高溫條件下，抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力，用蠕變極限n(MPa)表示。蠕變極限(n) 常用的蠕變極限有兩種。一種是在工作溫度下，引起規(guī)定變形速度(如v=110-5mm(mmh)或v=110-4 mm(mmh)的應(yīng)力值；另一種是在一定工作溫度下，在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)，使試件發(fā)生一定量的總變形的應(yīng)力值。如在某一溫度下，在一萬(wàn)或十萬(wàn)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的總變形量為1時(shí)的最大應(yīng)力。 材料的

8、蠕變極限與溫度、蠕變速度有關(guān)。表中給出了不銹耐酸鋼(0Cr18Ni9Ti)在不同溫度及不同蠕變速度下的蠕變極限值（MPa）。 蠕變速度(mmmmh)溫 度 ()42547552056010-61769133610-7-8819-持久極限(D) 在給定溫度下，促使試樣或工件經(jīng)過(guò)一定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力叫做持久極限，以D(MPa)表示。在化工容器用鋼中，設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命一般為十萬(wàn)小時(shí)，以 (D)表示試件經(jīng)十萬(wàn)小時(shí)斷裂的應(yīng)力。也可以表示成Dt，上標(biāo)t表示溫度，下標(biāo)D表示載荷作用至斷裂時(shí)的小時(shí)數(shù)。100000500表示材料在500的溫度下，經(jīng)載荷作用105小時(shí)即發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。 持久強(qiáng)度是一定溫度和一定

9、應(yīng)力下材料抵抗斷裂的能力。在相同的條件下，能支持的時(shí)間越久，則該材料抵抗斷裂的能力越大。510疲勞極限（-1） 很多構(gòu)件與零件，經(jīng)常受到大小及方向變化的交變載荷，這種交變載荷，使金屬材料在應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服極限即發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞”。金屬在無(wú)數(shù)次交變載荷作用下，而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，稱為“疲勞極限”。 實(shí)際上不可能進(jìn)行無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)，而把經(jīng)106108次循環(huán)試驗(yàn)作為疲勞強(qiáng)度。如鋼在純彎曲交變載荷下循環(huán)5106次時(shí)，所測(cè)得不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，即算作它的彎曲疲勞強(qiáng)度，用R(MPa)表示。下標(biāo)R代表應(yīng)力比或循環(huán)特征。例如-1即代表材料在對(duì)稱循環(huán)（R=-1）時(shí)彎曲交變應(yīng)力下的疲勞極限。塑性指

10、標(biāo) 金屬的塑性，是指金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標(biāo)是延伸率和斷面收縮率。 延伸率() 試件受拉力拉斷后，總伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與原始長(zhǎng)度之比的百分率，稱為延伸率，以()表示。 式中l(wèi)k試件斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm； l0試件的原始標(biāo)距長(zhǎng)度，mm； lK斷裂后試件的絕對(duì)伸長(zhǎng)，mm。 為了便于比較，試件必須標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)采用的拉伸試樣有：長(zhǎng)圓試樣用l0/d0=10(d0為試樣直徑）、短圓試樣用l0/d0=5，其延伸率分別用5或10表示。%100%100000lllllKK斷面收縮率() 試件受拉力拉斷后，斷面縮小的面積同原始截面面積比值的百分率，叫做斷面收縮率，以()表示。 式中

11、FK斷裂后試件的最小截面積，mm。； F0試件的原始截面積，mm。 斷面收縮率與試件尺寸無(wú)關(guān)，它能更可靠、更靈敏地反映材料塑性的變化。 延伸率和斷面收縮率，都是用來(lái)度量金屬材料塑性大小的，延伸率和斷面收縮率愈大，表示金屬材料的塑性愈好。如純鐵的延伸率幾乎為50，20R的d5不小于25% ；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%，而普通鑄鐵的延伸率還不到1，因此，鑄鐵的塑性非常差。 最小值：錳鋼、碳鋼16%，合金鋼14% (對(duì)于同類材料，強(qiáng)度越高，尺寸越小，但塑性就越差。塑性好，不但易發(fā)現(xiàn)，而且可松弛局部超應(yīng)力，而避免斷裂)。%10000FFFK冷彎（角） 冷彎角也

12、是衡量金屬材料和焊縫塑性的指標(biāo)之一，它是由冷彎試驗(yàn)測(cè)定的。金屬材料和焊接接頭在室溫下以一定的內(nèi)半徑進(jìn)行彎曲，在試樣被彎曲受拉面出現(xiàn)第一條裂紋前，金屬材料的變形越大，其塑性就越好。焊接接頭的冷彎試驗(yàn)常以一定的彎曲角度（=120或180)下是否出現(xiàn)裂紋為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。 冷彎試驗(yàn)不但是對(duì)壓力容器用材的一項(xiàng)驗(yàn)收指標(biāo)，而且在容器制造過(guò)程中，對(duì)焊接工藝試板和產(chǎn)品試板均需做冷彎試驗(yàn)。（對(duì)不銹鋼，沖擊試驗(yàn)可以不做，但冷彎試驗(yàn)必須做。）硬度 硬度是指金屬材料抵抗其它更硬物體壓入表面的能力。硬度不是一個(gè)單純的物理量，而是反映材料彈性、強(qiáng)度與塑性等的綜合性能指標(biāo)。 常用的硬度測(cè)量方法都是用一定的載荷(壓力)把一定的壓頭

13、壓入金屬表面，然后測(cè)定壓痕的面積或深度。當(dāng)壓頭和壓力一定時(shí)，壓痕面積愈大或愈深，硬度就愈低。根據(jù)壓頭和壓力的不同，常用的硬度指標(biāo)可分為布氏硬度(HBS鋼球壓頭 、HBW硬質(zhì)合金球壓頭 )、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、維氏硬度(HV)和肖氏硬度（HS）等。 布氏硬度 布氏硬度測(cè)量方法是以直徑為D(mm )的鋼球，在載荷F(N)下壓入金屬表面；如圖所示。經(jīng)規(guī)定保壓時(shí)間卸載后，根據(jù)試件表面壓痕直徑d(mm )按下式計(jì)算材料的布氏硬度。 MPadDDDFAFHBWHBS)(2102. 0102. 0)(22或硬度 試驗(yàn)中，如果材料布氏硬度小于等于450，采用鋼球壓頭，用HBS 表示布氏硬度；如

14、果材料布氏硬度大于450且小于等于650， 則采用硬質(zhì)合金球壓頭，布氏硬度則用HBW表示；如果硬度大于650HBW，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，須改用洛氏硬度測(cè)量方法。 布氏硬度的特點(diǎn)是比較準(zhǔn)確，因此用途很廣，但不能測(cè)硬度更高的金屬，如HBW650以上。也不能測(cè)太薄的試樣，而且布氏硬度壓痕較大，易損壞表面等。 硬度是材料的重要性能指標(biāo)之一。一般說(shuō)來(lái)，硬度高強(qiáng)度也高，耐磨性較好。大部分金屬硬度和強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系，因而可用硬度近似地估計(jì)抗拉強(qiáng)度值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，它們的關(guān)系為（應(yīng)力均已Mpa計(jì)）： 對(duì)于碳鋼，當(dāng)HBS140時(shí)，b（3.683.76）HBS；當(dāng)140HBS450時(shí)，b（3.403.51）HBS 對(duì)

15、于碳鋼及低合金鋼，450HBW650時(shí)，b（3.364.08）HBW。韌性指標(biāo) 沖擊韌性是衡量材料韌性的一個(gè)指標(biāo)，是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常以標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功AK表示。 沖擊韌性 目前工程技術(shù)上常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬承受沖擊載荷的能力，其試驗(yàn)方法和原理如圖所示。 擺錘沖斷試樣所失去的位能為沖擊功沖擊功（試件所吸收的功）： Ak =G(H1-H2) 焦耳焦耳！吸收功的高低取決于！吸收功的高低取決于 材料能否迅速塑性變形的能力。材料能否迅速塑性變形的能力。 沖擊韌性 將欲測(cè)定的材料先加工成標(biāo)準(zhǔn)式樣，如圖14所示。然后放在試驗(yàn)機(jī)的機(jī)座上，又將具有一定重量G

16、的擺錘舉至一定的高度H1，使其獲得一定的位能(GH1)，再將其釋放，沖斷試樣，擺錘的剩余能量為GH2。擺錘沖斷試樣所失去的位能，即沖擊負(fù)荷使試樣破斷所做的功，稱為沖擊功，以AK表示，單位是Nm。，則AK=GH1GH2=G(H1H2)Nm（J）。用試樣缺口處截面積F(cm2)去除AK，即得到?jīng)_擊韌性（ak）： Nm/cm2(J/cm2) FAaKk沖擊韌性 韌性是材料在外加動(dòng)載荷突然襲擊時(shí)的一種及時(shí)和迅速塑性變形的能力。韌性高的材料，一般都有較高的塑性指標(biāo)；但塑性較高的材料，卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因?yàn)殪o載荷下能夠緩慢塑性變形的材料，在動(dòng)載荷下不一定能迅速塑性變形。 雖然壓力容器的

17、各承壓部件一般都不承受沖擊載荷，但沖擊值K對(duì)材料的脆性轉(zhuǎn)化比較敏感，也就是說(shuō)，沖擊值也可以反映鋼的低溫冷脆性能。因此，使用溫度較低的壓力容器都把材料在使用溫度下的沖擊值K作為控制指標(biāo)。 沖擊功AKV 因?yàn)橥徊牧显跊_擊試驗(yàn)時(shí)所消耗的功主要取決于發(fā)生塑性變形的體積，而不僅僅取決于缺口處橫截面積F，所以用F來(lái)平均AK也是不夠確切的。 沖擊試驗(yàn)常用試樣有梅氏（U形缺口）試樣，夏比（V形缺口）試樣。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，夏比（V形缺口）試樣缺口尖端的圓角小，能模擬較高的應(yīng)力集中和反映材料的缺口敏感性，它對(duì)考核材料低溫時(shí)的韌性（脆性）較梅氏試樣敏感。因此，我國(guó)壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中規(guī)定，對(duì)低溫容器用材料，要

18、提供夏比（V形缺口）沖擊功AKV。 GB150參考采用了ASME -1的有關(guān)規(guī)定，以沖擊功AKV 為20J作為低碳鋼強(qiáng)度級(jí)別的鋼材的驗(yàn)收判據(jù)。 斷裂韌性 表示材料韌性的一個(gè)新指標(biāo)是平面應(yīng)變斷裂韌性KC，可反映材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力。它表征材料抵抗脆性斷裂的能力。這是根據(jù)斷裂力學(xué)為理論依據(jù)，計(jì)算各種缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子，以缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子和小于該溫度下材料的斷裂韌性作為防止脆斷的準(zhǔn)則。缺口敏感性 缺口敏感性是指在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，屬于材料的韌性范疇。但它和材料的沖擊韌性不同，是在靜載荷下抵抗裂紋擴(kuò)展的性能。而沖擊韌性是指材料承受動(dòng)載荷時(shí)抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

19、一種常用缺敏感性試驗(yàn)方法是：從垂直鋼材軋制面方向開出帶有60角的“V”形缺口，缺口深度為2mm，在油壓機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲時(shí)支點(diǎn)的跨距為40mm，求得載荷P撓度f(wàn)曲線，根據(jù)曲線的陡降程度判定缺口敏感性是否合格。物理性能 金屬材料的物理性能有相對(duì)密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比(有時(shí)也將其歸入機(jī)械性能)等。熱膨脹性 金屬及合金受熱時(shí)，一般說(shuō)來(lái)體積都要膨脹(即幾何尺寸要伸長(zhǎng))，這一特性稱為熱膨脹性。通常應(yīng)用的是線膨脹系數(shù)，以l表示。 （mm/（mm），簡(jiǎn)作1/）式中l(wèi)試件原始長(zhǎng)度，mm l試件伸長(zhǎng)量，mm； t溫度差，。異種鋼的焊接，要考慮到它們的線膨脹系數(shù)是否接近，

20、否則會(huì)因膨脹量不等而使構(gòu)件變形或損壞。有些設(shè)備的襯里及組合件，應(yīng)注意材料的線膨脹系數(shù)要和基體材料相同或接近，以免受熱后因膨脹量不同而松動(dòng)或破壞。tlll1彈性模量與泊松比 材料在彈性范圍為，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即=E。這個(gè)比例系數(shù)E稱為彈性模量，單位為N/m2，它直接表示金屬材料在彈性變形階段的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。彈性模量是金屬材料對(duì)彈性變形抗力的指標(biāo)，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的。材料的彈性模量越大，使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越大。金屬的彈性模量主要取決于金屬原子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶點(diǎn)陣和溫度等因素，而合金化、熱處理和冷熱加工等因素對(duì)它的影響很小，因此，彈性模量是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。對(duì)同一種

21、材料，彈性模量E隨溫度的升高而降低。 泊松比是拉伸試驗(yàn)中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長(zhǎng)之比，以表示。對(duì)于各種鋼材，它近乎為一個(gè)常數(shù)，即= 0. 3?；瘜W(xué)性能 金屬的化學(xué)性能是指材料在所處的介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性，即材料是否會(huì)與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用而引起腐蝕。 金屬的化學(xué)性能主要是耐腐蝕性和抗氧化性。 耐腐蝕性 金屬和合金對(duì)周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。常用金屬材料在酸堿鹽類介質(zhì)中的耐腐蝕性可查表。 耐腐蝕性能：是指材料在使用條件下（包括溫度、壓力、濕度及含有雜質(zhì)等）抵抗工作介質(zhì)侵蝕的能力。 按腐蝕深度評(píng)定金屬的耐蝕性(連續(xù)腐蝕)采用三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)： 但對(duì)壓力容器，一般

22、常見的是斑點(diǎn)、深坑腐蝕，而最嚴(yán)重，最危險(xiǎn)的是晶間、應(yīng)力腐蝕。從最不利條件考慮。 有些氣體在常溫下對(duì)材料沒有腐蝕，而在高溫下卻嚴(yán)重腐蝕。 有些氣體在干燥下對(duì)材料沒有腐蝕，而在含有水分時(shí)卻嚴(yán)重腐蝕。抗氧化性 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多設(shè)備，如各種工業(yè)鍋爐、熱加工機(jī)械、汽輪機(jī)及各種高溫化工設(shè)備等，它們?cè)诟邷毓ぷ鳁l件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過(guò)程，還有其他氣體介質(zhì)如水蒸汽、CO2、SO2等的氧化腐蝕作用因此鍋爐給水中的含氧量和其它介質(zhì)中的硫及其它雜質(zhì)的含量對(duì)鋼的氧化是有一定影響的。工藝性能 金屬和合金的加工工藝性能是指在保證加工質(zhì)量的前提下加工過(guò)程的難易程度。工藝性能主要有：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、

23、切削加工性能、熱處理性能等。這些性能直接影響化工設(shè)備和零部件的制造工藝方法，也是選擇材料時(shí)必須考慮的因素。金屬材料的加工分為冷加工和熱加工。冷加工有冷卷、冷沖壓、冷鍛、冷擠壓及機(jī)械切削加工等；熱加工有熱卷、熱沖壓、鑄造、熱鍛、焊接及熱處理等。冷塑性焊接性能冷塑性 冷塑性變形：金屬在室溫或較低溫度下發(fā)生的永久變形。 當(dāng)壓力容器用鋼板冷加工時(shí)，要求制造容器的材料具有良好的冷塑性。材料的冷塑性由所要求的塑性指標(biāo)可以得到保證。 焊接性能 焊接性能：也稱可焊性，鋼的含碳量越高，可焊性越差。合金元素成分大部分也不利于它的焊接。C0.3% 的碳鋼(普通碳鋼，優(yōu)質(zhì)碳鋼)和C0.2%的普通低合金鋼具有良好的可焊

24、性。Ce碳當(dāng)量 日本: 英國(guó): 一般認(rèn)為碳當(dāng)量Ce0.45%的合金鋼，具有良好的可焊性，注意可焊性，主要是防止焊接裂紋。氫含量、鋼板厚度對(duì)其也有影響。144540624VMCNMSCCorinie1556uiorneCNVMCMCC其它性能 1組織穩(wěn)定性 2抗松弛性 3應(yīng)變時(shí)效敏感性 組織穩(wěn)定性 鋼經(jīng)長(zhǎng)期時(shí)效(在工作溫度下長(zhǎng)期保溫或在應(yīng)力狀態(tài)下長(zhǎng)期保溫)后，其室溫沖擊值往往因組織不穩(wěn)定(如滲碳體分解造成石墨化；珠光體內(nèi)的片狀滲碳體轉(zhuǎn)變成尺寸較大球狀滲碳體)而有所降低。某些珠光體耐熱鋼在400600長(zhǎng)期保溫發(fā)生脆化后，只是沖擊值顯著降低，而其它機(jī)械性能指標(biāo)，包括塑性則無(wú)明顯變化。出現(xiàn)這種脆性的原

25、因，一般認(rèn)為是由于溶質(zhì)原子在固溶體晶粒間界上發(fā)生偏析，降低了晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度。 奧氏體耐熱鋼和合金出現(xiàn)這種時(shí)效脆性的溫度范圍是600800。出現(xiàn)脆性后，與珠光體耐熱鋼不同，不只是引起沖擊韌性降低，塑性指標(biāo)也會(huì)發(fā)生顯著變化，往往還會(huì)引起強(qiáng)度指標(biāo)，特別是持久強(qiáng)度的降低。出現(xiàn)這種脆性的原因，通常是由于脆性的第二相(碳化物、氮化物等)沿晶界析出的結(jié)果。 抗松弛性 試樣和零件在高溫和應(yīng)力狀態(tài)下，如維持總變形不變；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)自發(fā)地減低應(yīng)力的現(xiàn)象稱為松弛。 鍋爐、汽輪機(jī)和高溫化工設(shè)備中很多零件是在松弛條件下工作的，如螺栓等緊固件。緊固件擰緊加上初應(yīng)力后，在高溫下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)生松弛，總變形中的一部分彈性

26、變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，緊固件中的應(yīng)力便降低了一部分，此時(shí)緊固件中所剩下的應(yīng)力叫做“剩余應(yīng)力”。如果剩余應(yīng)力愈高，則稱材料的抗松弛性能愈好。應(yīng)變時(shí)效敏感性 應(yīng)變時(shí)效是金屬及其合金在冷加工變形后，由于在室溫或較高溫度下的內(nèi)部脫溶沉淀(對(duì)低碳鋼來(lái)說(shuō)主要是氮化物的析出)，會(huì)使各種性能(主要是沖擊韌性)隨時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生變化(降低)。 壓力容器常用材料壓力容器常用材料 金屬: 黑色金屬(碳鋼合金鋼絕大部分，鑄鐵) 有色金屬：銅、鋁、鈦及其合金 非金屬： 工程塑料（硬聚氯乙烯塑料、聚乙烯塑料、耐酸酚醛塑料、聚四氟乙烯塑料、玻璃鋼等） 碳纖維復(fù)合材料:優(yōu)點(diǎn)是重量 輕、強(qiáng) 度高、耐腐蝕 壓力容器常用材料 在壓力容

27、器設(shè)計(jì)中，正確地選擇材料對(duì)保證容器的結(jié)構(gòu)合理、安全使用和降低制造成本都是至關(guān)重要的。壓力容器使用的主要材料是碳素鋼和低合金鋼，這兩類鋼材構(gòu)成了壓力容器的基礎(chǔ)材料。牌號(hào)表示原則牌號(hào)表示原則 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 221 2000)的規(guī)定，牌號(hào)中化學(xué)元素用化學(xué)符號(hào)或漢字表示，產(chǎn)品用途、冶煉和澆注方法采用漢字或拼音字母并用的原則。 鋼鐵產(chǎn)品用途、冶煉和澆注方法表示法鋼鐵產(chǎn)品用途、冶煉和澆注方法表示法 名稱牌號(hào)表示名稱牌號(hào)表示漢字符號(hào)漢字符號(hào)平爐平P耐熱鑄鐵RT酸性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐酸S高溫合金高溫GH堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐堿J甲類鋼甲A頂吹轉(zhuǎn)爐頂D乙類鋼乙B沸騰鋼沸F特類鋼特C半鎮(zhèn)靜鋼半b高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼高A*鑄造生鐵鑄Z

28、碳素工具鋼碳T灰口鑄鐵灰鐵HT滾珠軸承鋼滾G球墨鑄鐵球鐵QT易切削鋼易Y可鍛鑄鐵可鐵KT鍋爐鋼鍋G鑄鋼 ZG焊條鋼焊 H鋼號(hào)表示法鋼號(hào)表示法 名稱牌號(hào)舉例說(shuō)明漢字符號(hào)通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q( )(1)Q表示材料的屈服點(diǎn)；(2) （）內(nèi)為屈服點(diǎn)值，單位MPa;(3)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼0808沸20鍋40錳20容0808F20g40Mn20R(1)含碳量以平均含量萬(wàn)分之幾表示，如20表示含碳0.2% ；(2)含錳較高的鋼應(yīng)將Mn字標(biāo)出；(3)澆注方法如為鎮(zhèn)靜鋼不標(biāo)符號(hào)；(4)專門用途的鋼其牌號(hào)末用符號(hào)標(biāo)明，如g代表鍋爐鋼，R代表容器鋼，F(xiàn)代表沸騰鋼低合金鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼16錳容16錳銅

29、15錳釩容20鉻12鉻鉬釩18錳鉬鈮12鉻1鉬釩30鉻錳硅高16MnR16MnCu15MnVR20Cr12CrMoV 18MnMoNb 12CrlMoV 30CrMnSiA(1)含碳量以平均含量萬(wàn)分之幾表示；(2)主要合金元素應(yīng)標(biāo)出，含量小于1.5%時(shí)可不標(biāo)含量，含量為1.50%2.49%時(shí)標(biāo)2，含量為2.50%3.49%時(shí)標(biāo)3，以此類推，標(biāo)含量時(shí)一般以百分?jǐn)?shù)表示；(3)Mo、V、Ti、B一般含量雖很少，但因是有意加入，故應(yīng)標(biāo)出元素符號(hào)；(4) 有時(shí)兩種鋼成分除一種主要元素外其余均相同，且這些主要元素含量均在1. 5%以下，則含量較高的加注1字， 以示區(qū)別，例如，12CrMoV與12Cr1Mo

30、V含Cr分別為0.4%0.6%與0.9%1.3%;(5) 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼于牌號(hào)末加注A字特殊性能鋼1鉻130鉻131鉻18鎳90鉻18鎳9鈦00鉻19鎳101Cr130Cr131Cr18Ni90Cr18Ni9Ti00Cr19Ni10(1)這類鋼含碳量很低，其含碳量以千分之幾表示，0表示平均含碳量小于0.08%，00表示平均含炭量小于0.03% ，000表示平均含碳量小于0.01%;(2)主要合金元素含量以百分?jǐn)?shù)表示普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào) 根據(jù)GB70088，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表鋼材屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)的數(shù)值、材料質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四部分按順序組成。例如，Q235-A F，其中 Q鋼材

31、屈服點(diǎn)屈字漢語(yǔ)拼音首位字母； 235鋼材試件厚度（直徑）16 mm時(shí)屈服點(diǎn)的數(shù)值，單位為MPa; A(B，C，D)鋼材質(zhì)量等級(jí)； F(b,Z)脫氧方法中沸騰鋼沸字漢語(yǔ)拼音首位字母（b為脫氧方法中半鎮(zhèn)靜鋼半字漢語(yǔ)拼音首位字母;Z為鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)字漢語(yǔ)拼音首位字母，在牌號(hào)組成表示方法中，Z符號(hào)予以省略）。鋼材的成分與分類 工程上廣泛應(yīng)用的金屬材料是鋼和鑄鐵，它們的總產(chǎn)量要比其他所有金屬產(chǎn)量的總和還要多幾百倍。鋼和鑄鐵由95%以上的鐵和0. 05%4%的碳及1%左右的其他雜質(zhì)元素組成，因此鋼和鑄鐵又稱為鐵碳合金。一般含碳量在0. 02%2%的稱為鋼，含碳量大于2%的稱為鑄鐵。當(dāng)含碳量小于0.02%時(shí)，稱為

32、工程純鐵，極少使用；當(dāng)含碳量大于4.3% 時(shí)，鑄鐵太脆，沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 金屬的組織與結(jié)構(gòu)金屬的組織與結(jié)構(gòu) 工業(yè)上作為結(jié)構(gòu)使用的金屬材料是固態(tài)的。固態(tài)金屬都屬于晶體物質(zhì)。通常在低于1500倍的顯微鏡下觀察到的金屬的晶粒，稱為金屬的顯微組織，即金屬的金相組織，簡(jiǎn)稱組織，如圖所示。 金屬的組織與結(jié)構(gòu)金屬的組織與結(jié)構(gòu) 如果用X光和電子顯微鏡則可以觀察到金屬原子的各種規(guī)則排列，稱為金屬的晶體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)。 灰鑄鐵中石墨的不同組織形式 這種金屬內(nèi)部的微觀組織和結(jié)構(gòu)的不同形式，影響著金屬材料的性質(zhì)。圖為灰鑄鐵中石墨的不同組織形式，其中球狀石墨的鑄鐵強(qiáng)度最好，細(xì)片狀石墨次之，粗片狀石墨最差。 純鐵在不同

33、溫度下的晶體結(jié)構(gòu) 如圖所示為純鐵在不同溫度下的晶體結(jié)構(gòu)。其中，如圖 (a)所示為面心立方晶格，稱為-Fe；如圖 (b)所示為體心立方晶格，稱為-Fe。前者的塑性好于后者，而后者的強(qiáng)度高于前者。(a)(b)純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 -Fe經(jīng)加熱可轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe，反之，高溫下的-Fe冷卻可轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe。這種在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象,稱為“同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變”。這一同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在910 下恒溫完成的。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是固態(tài)下鐵原子重新排列的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上也是一種結(jié)晶過(guò)程。純鐵塑性較好，強(qiáng)度較低，在工業(yè)上用得很少，常用的是鐵碳合金。 鐵與碳的相互關(guān)系和碳鋼的基本組織鐵與碳的相互關(guān)系和碳鋼的

34、基本組織 碳對(duì)鐵碳合金性能的影響極大，鐵中加入少量的碳以后，強(qiáng)度顯著增加，這是由于碳加入后引起了內(nèi)部組織改變的緣故。 兩種物質(zhì)的相互關(guān)系基本上可以分為溶解、化合與混合幾種，而鐵和碳的關(guān)系也遵循這一普遍原則。碳在鐵中的存在形式有固溶體（兩種或兩種以上元素在固態(tài)下互相溶解，而仍然保持溶劑晶格原來(lái)形式的物體叫做固溶體）、化合物和混合物。下面具體介紹鐵和碳溶解、化合和混合所形成的各種基本組織。 鐵素體(F) 碳溶解在-Fe中所形成的固溶體叫做鐵素體，以F表示，如圖所示。由于-Fe 的原子間隙很小，所以溶碳能力極低，在室溫下僅能溶解0.006%的碳。所以鐵素體強(qiáng)度和硬度低，但塑性和韌性很好。因而含鐵素體

35、的鋼（如低碳鋼）就表現(xiàn)出軟而韌的性能。 奧氏體（A） 碳溶解在-Fe中所形成的固溶體叫做奧氏體，以A表示，如圖所示。由于-Fe 原子間隙較大，所以碳在-Fe鐵中的溶解度比在-Fe中大得多。如在727時(shí)可溶解0.77%，在1148時(shí)可達(dá)最大值2.11%。碳鋼只有加熱到727(稱為臨界點(diǎn)）以上，組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)才存在奧氏體。奧氏體的性能特點(diǎn)是強(qiáng)度、硬度高，塑性低，韌性好，且沒有磁性。滲碳體（C） 鐵和碳以化合物形態(tài)出現(xiàn)的碳化鐵，稱為滲碳體，以C表示。其中鐵原子與碳原子之比為3:1，即Fe3C。其含碳量高達(dá)6.69%。Fe3C的性能既不同于鐵，也不同于碳。其硬度高(HBW為784),塑性幾乎為零，熔點(diǎn)

36、約為1 600。由于Fe3C又硬又脆，純粹的Fe3C在工業(yè)上并無(wú)用處。Fe3C以不同的大小、形狀與分布出現(xiàn)在組織中，對(duì)鋼的組織與性能影響很大。 滲碳體在一定條件下可以分解為鐵和碳，這種游離的碳是以石墨形式存在的。鐵碳合金中碳的含量小于2%時(shí)，其組織是在鐵素體中散布著滲碳體，這就是碳素鋼；當(dāng)碳的含量大于2%時(shí)，部分碳就以游離石墨的形式存在于合金中，這就是鑄鐵。石墨本身的性質(zhì)是質(zhì)軟，強(qiáng)度低。石墨分布在鑄鐵中相當(dāng)于對(duì)鑄鐵挖了許多孔洞，因而鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和塑性都比鋼的低。珠光體（P） 珠光體是鐵素體和滲碳體二者組成的機(jī)械混合物，以P表示。碳素鋼中珠光體組織的平均含碳量約為0.77%。它的力學(xué)性能介于鐵

37、素體和滲碳體之間，即其強(qiáng)度、硬度比鐵素體顯著增高，塑性、韌性比鐵素體要差，但比滲碳體要好得多。 萊氏體（L） 萊氏體是珠光體和初次滲碳體共晶混合物，以L表示。它存在于高碳鋼和白口鐵中。萊氏體具有較高的硬度（HBW686），是一種較粗而硬的組織。 馬氏體（M） 鋼和鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急冷（淬火）下來(lái)，得到一種碳原子在-Fe鐵中過(guò)飽和的固溶體，稱為馬氏體，以M表示。馬氏體組織有很高的硬度，而且硬度隨著含碳量的增大而提高。但馬氏體很脆，延展性很低，幾乎不能承受沖擊載荷。馬氏體由于碳原子過(guò)飽和，所以不穩(wěn)定，加熱后容易分解或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織。鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳合金狀態(tài)圖又稱鐵碳鐵碳合金狀態(tài)圖又稱鐵碳合金

38、相圖，它是描繪鐵碳合金相圖，它是描繪鐵碳合金內(nèi)部組織、成分（含合金內(nèi)部組織、成分（含碳量）與溫度關(guān)系的圖形。碳量）與溫度關(guān)系的圖形。它能顯示出不同含碳量的它能顯示出不同含碳量的鋼和鑄鐵在緩慢加熱或冷鋼和鑄鐵在緩慢加熱或冷卻過(guò)程中組織變化的規(guī)律，卻過(guò)程中組織變化的規(guī)律，是研究鋼鐵組織與性能的是研究鋼鐵組織與性能的基礎(chǔ)，對(duì)于鋼鐵的各種熱基礎(chǔ)，對(duì)于鋼鐵的各種熱加工工藝，也具有重要的加工工藝，也具有重要的指導(dǎo)意義。指導(dǎo)意義。由圖由圖可以看出，含碳量為可以看出，含碳量為0.77%0.77%的鋼，是由單一的珠光體所組成，稱為共析鋼；含碳量小于的鋼，是由單一的珠光體所組成，稱為共析鋼；含碳量小于0.77%0

39、.77%的鋼，是由鐵素體加珠光體所組成，稱為亞共析鋼；含碳量大于的鋼，是由鐵素體加珠光體所組成，稱為亞共析鋼；含碳量大于0.77%0.77%而小于而小于2.11%2.11%的鋼，的鋼，是由珠光體加滲碳體所組成，稱為過(guò)共析鋼。含碳量為是由珠光體加滲碳體所組成，稱為過(guò)共析鋼。含碳量為2.11%2.11%4.3%4.3%的鑄鐵，由珠光體加滲碳體的鑄鐵，由珠光體加滲碳體加萊氏體所組成。含碳量為加萊氏體所組成。含碳量為4.3%4.3%的鑄鐵為單一的萊氏體組織。含碳量在的鑄鐵為單一的萊氏體組織。含碳量在4.3%4.3%以上的鑄鐵的平衡組以上的鑄鐵的平衡組織，則是由萊氏體加滲碳體所組成。織，則是由萊氏體加滲

40、碳體所組成。鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵鋼在加熱或冷卻過(guò)鐵鋼在加熱或冷卻過(guò)程中，其內(nèi)部組織發(fā)程中，其內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度叫做臨生轉(zhuǎn)變的溫度叫做臨界溫度，或稱臨界點(diǎn)。界溫度，或稱臨界點(diǎn)。在狀態(tài)圖中的臨界點(diǎn)在狀態(tài)圖中的臨界點(diǎn)有有A1 （PSK線）、線）、A3 （GS線）和線）和ACM （ES線），各臨界點(diǎn)線），各臨界點(diǎn)的組織轉(zhuǎn)變情況如下。的組織轉(zhuǎn)變情況如下。A A1 1在圖中是一條水平線，溫度為在圖中是一條水平線，溫度為727,727,它表示各種鋼在加熱到它表示各種鋼在加熱到727727以上時(shí)，珠光體開始以上時(shí)，珠光體開始轉(zhuǎn)變成奧氏體。反之，從高溫冷卻至轉(zhuǎn)變成奧氏體。反之，從高溫冷卻至727727以下時(shí)，

41、奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。A A3 3它表示亞共析鋼加熱到它表示亞共析鋼加熱到A A3 3以上時(shí)，其組織中的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。反之，當(dāng)冷卻以上時(shí)，其組織中的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。反之，當(dāng)冷卻到到A A3 3時(shí)，奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。時(shí)，奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。A ACMCM它表示過(guò)共析鋼加熱到它表示過(guò)共析鋼加熱到A ACMCM以上時(shí)，其組織中的滲碳體全部溶解到奧氏體中。反之，當(dāng)以上時(shí)，其組織中的滲碳體全部溶解到奧氏體中。反之，當(dāng)冷卻到冷卻到A ACMCM時(shí)，奧氏體中開始析出滲碳體。時(shí)，奧氏體中開始析出滲碳體。A ACMCM和和A A3 3點(diǎn)一樣，都是隨著含碳量的

42、變化而變化。點(diǎn)一樣，都是隨著含碳量的變化而變化。狀態(tài)圖中的狀態(tài)圖中的ACDACD線為液相線，即液態(tài)合金開始結(jié)晶時(shí)溫度的連線。線為液相線，即液態(tài)合金開始結(jié)晶時(shí)溫度的連線。AECFAECF線為固相線，即液態(tài)合線為固相線，即液態(tài)合金結(jié)晶終了溫度的連線。金結(jié)晶終了溫度的連線。鐵碳合金狀態(tài)圖 通過(guò)對(duì)鐵碳合金狀態(tài)圖的分析可知，碳鋼的組織主要取決通過(guò)對(duì)鐵碳合金狀態(tài)圖的分析可知，碳鋼的組織主要取決于含碳量的多少。當(dāng)含碳量極低時(shí)（于含碳量的多少。當(dāng)含碳量極低時(shí)（0.006%），碳原子全部），碳原子全部溶解到鐵中，通常組成單一的鐵素體組織。隨著含碳量的增加，溶解到鐵中，通常組成單一的鐵素體組織。隨著含碳量的增加，

43、珠光體量逐漸增加，而鐵素體量逐漸減少。當(dāng)含碳量達(dá)到珠光體量逐漸增加，而鐵素體量逐漸減少。當(dāng)含碳量達(dá)到0.77%時(shí)，碳鋼組織全部為珠光體。含碳量超過(guò)時(shí)，碳鋼組織全部為珠光體。含碳量超過(guò)0.77%，碳鋼，碳鋼組織中除了珠光體外，開始出現(xiàn)滲碳體。隨著含碳量的增加，組織中除了珠光體外，開始出現(xiàn)滲碳體。隨著含碳量的增加，滲碳體量不斷增多且呈網(wǎng)狀分布在晶界上，正是由于上述組織滲碳體量不斷增多且呈網(wǎng)狀分布在晶界上，正是由于上述組織的變化，引起鋼的性能隨含碳量而變化。如珠光體量不斷增加，的變化，引起鋼的性能隨含碳量而變化。如珠光體量不斷增加，鋼的強(qiáng)度和硬度不斷提高，而塑性和韌性有所降低，當(dāng)網(wǎng)狀滲鋼的強(qiáng)度和硬度

44、不斷提高，而塑性和韌性有所降低，當(dāng)網(wǎng)狀滲碳體出現(xiàn)時(shí)，又使強(qiáng)度略有降低。碳體出現(xiàn)時(shí)，又使強(qiáng)度略有降低。鋼材的分類 按化學(xué)成分 按金屬品質(zhì) 按冶煉方式 按冶煉設(shè)備 按脫氧程度和澆注制度 按用途 化學(xué)成分分類 鋼分為碳鋼和合金鋼兩類。碳鋼是指含碳量小于2.06%的鐵碳合金。按含碳量可分為低碳鋼（含碳量小于0.25%)、中碳鋼（0.25%0.55%)和高碳鋼(大于0.55%)。合金鋼是為了改善鋼的某些性能而加入一定量的一種或幾種合金元素的鋼。根據(jù)鋼中合金元素總含量的不同可以分為：合金元素總含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不大于5%的低合金鋼、合金元素總含量在5%10%之間的中合金鋼和合金元素總含量大于10%的高合金鋼

45、。 鋼碳素鋼合金鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼低合金鋼中合金鋼高合金鋼按鋼的品質(zhì)分類 鋼的品質(zhì)主要指鋼的純潔度。鋼的純潔度以鋼中所含硫、磷等有害雜質(zhì)的多少來(lái)衡量。據(jù)此可將鋼分類為普通碳鋼（P0.045%，S0.050%)、優(yōu)質(zhì)碳鋼(P 0.040%, S0.035%)和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼（P0.030%， S0.030%)。優(yōu)質(zhì)碳鋼的表示方法是在鋼號(hào)后面加一個(gè)A字，如20A。 鋼普通鋼優(yōu)質(zhì)鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼按冶煉方法分類 按冶煉設(shè)備:可分類為平爐鋼、電爐鋼和轉(zhuǎn)爐鋼。 平爐鋼 是在有拱形爐頂?shù)钠綘t里，利用外來(lái)熱源熔化鑄鐵和廢鋼所煉出來(lái)的鋼。此種冶煉方法易于控制成分和除去有害雜質(zhì)，煉出的鋼質(zhì)量較高。 電爐鋼 是在電爐里

46、利用電能產(chǎn)生的高溫冶煉出來(lái)的鋼。電爐鋼中大量是電弧爐鋼。在電弧爐中，由于能準(zhǔn)確地控制爐溫，充分進(jìn)行冶煉反應(yīng)，故有害雜質(zhì)除去較完全， 煉出的鋼質(zhì)量很高，鋼中氣體和偶存的有害元素含量都極低。 轉(zhuǎn)爐鋼 是在可轉(zhuǎn)動(dòng)的爐里，向髙溫液態(tài)鐵水供給空氣，利用鐵水中的雜質(zhì)與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量冶煉出的鋼。在冶煉轉(zhuǎn)爐鋼過(guò)程中向爐里吹入氧氣，強(qiáng)化鋼液的高溫化學(xué)反應(yīng)，使雜質(zhì)除去較為完全，能夠得到質(zhì)量較高的鋼。 按冶煉方法分類 按脫氧程度和澆注制度 :可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。 鋼沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼 沸騰鋼冶煉時(shí)只用弱脫氧劑Mn脫氧，是脫氧不完全的鋼，含氧量為0.03%0. 07%， 其錠模

47、上小下大，澆注后鋼液在錠模中發(fā)生FeO + C = CO + Fe的自脫氧反應(yīng)，放出大量的CO氣體，出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。沸騰鋼錠中沒有縮孔，凝固收縮后氣體分散為很多形狀不同的氣泡，布滿全錠，因而內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松。這個(gè)缺點(diǎn)通過(guò)碾壓時(shí)的壓合作用可以得到克服。沸騰鋼錠沒有縮孔處的廢棄部分，所以成材率高，成本低。但沸騰鋼的鋼錠含碳量常有一些偏析。鎮(zhèn)靜鋼 鎮(zhèn)靜鋼在澆注前用Si、Al等元素對(duì)鋼液進(jìn)行完全脫氧，把FeO中的氧還原出來(lái)，生成Si02和A1203 ，使得鋼中含氧量不超過(guò)0.01%(通常是0. 002%0. 003%)。鋼錠模上大下小，澆注后鋼液從底部向上、向中心順序地凝固，在鋼錠上部形成集中縮孔，鍛壓時(shí)將

48、這一部分截去，因而成材率較低，成本較高。但這種方法鑄成的鋼錠內(nèi)部緊密堅(jiān)實(shí)，因此重要用途的優(yōu)質(zhì)碳鋼和合金鋼大都是鎮(zhèn)靜鋼。化工壓力容器一般都要選用鎮(zhèn)靜鋼。半鎮(zhèn)靜 半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間，澆注前在盛鋼桶內(nèi)或鋼錠模內(nèi)加入脫氧劑，錠模也是上小下大，鋼錠的特征是具有薄的緊密外殼，頭部還有縮孔，鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)下半部像沸騰鋼，上半部像鎮(zhèn)靜鋼。由于此種鋼經(jīng)部分脫氧，能早期消除模內(nèi)沸騰，所以鋼錠的偏析發(fā)展較弱。這是生產(chǎn)這種鋼錠的主要原因。同時(shí)這種鋼錠頭部切除較小，成材率也較高。 沸騰鋼成材率高、成本低，但鋼錠內(nèi)有小氣泡、偏析嚴(yán)重，不允許用于重要的壓力容器。鎮(zhèn)靜鋼鋼錠致密，質(zhì)量較好，但成材率低、成本較高。按用

49、途分類 可分為建筑鋼、結(jié)構(gòu)鋼（碳素結(jié)構(gòu)鋼，合金結(jié)構(gòu)鋼）、彈簧鋼、工具鋼、特殊性能鋼（如不銹鋼、耐熱鋼等） 鋼建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼彈簧鋼軸承鋼工具鋼特殊性能鋼鋼材的元素組成 鋼中除碳、鐵以外，還含有少量錳（Mn)、硅（Si)、硫(S)、磷（P)、氧（0)、氮（N)和氫（H)等元素。這些元素并非為改善鋼材質(zhì)量有意加入的，而是由礦石及冶煉過(guò)程中帶入的，故稱為雜質(zhì)元素。 另外為改善鋼材性能也加入一些金屬元素，這些金屬元素有：鉻（Cr)，錳（Mn)，鎳（Ni)，硅(Si),硼（B)，鎢（W),鉬（Mo)，釩（V)，鈦（Ti)和稀土元素（Re)等。它們?cè)阡撝卸计鹨欢ǖ淖饔谩?錳（Mn) 錳（Mn)是一種良好的脫氧

50、劑，又是一種很好的脫硫劑，焊接時(shí)經(jīng)常利用它脫氧和脫硫。錳是低合金鋼中最常用的強(qiáng)化元素。在鋼中含量小于2%時(shí)，對(duì)于低合金鋼來(lái)說(shuō)，可提高鋼的強(qiáng)度和韌性。對(duì)于中、高合金鋼而言，隨著強(qiáng)度的增加，其塑性和韌性則要降低。增加含錳量可以提高鋼的強(qiáng)度、耐磨性和低溫沖擊韌性。 錳的含量在0.8%以下時(shí)，一般認(rèn)為是常存的雜質(zhì)；含量在0.8%以上時(shí)，可認(rèn)為是合金元素。前者是冶煉中引入的，可脫氧和減輕硫的有害作用，是一種有益元素。后者當(dāng)含錳量較高時(shí)，錳能溶解于鐵素體，起強(qiáng)化鐵素體的作用。按技術(shù)條件規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中含錳量是0.5%0.8%，而較高含錳量碳鋼中，含錳量可達(dá)0.7%1.2%。 硅（Si) 硅（Si)是

51、強(qiáng)的脫氧劑?？商岣咪摰目寡趸浴⒏邷仄趶?qiáng)度、耐熱性及耐H2S等介質(zhì)的腐蝕性。但含量超過(guò)2%時(shí)會(huì)使鋼的塑性和韌性降低，所以在低合金鋼中硅的含量要加以適當(dāng)限制。 硅的含量少于0.5%時(shí),認(rèn)為是常存雜質(zhì)。它也是煉鋼過(guò)程中為了脫氧而引入的。脫氧不完全的鋼（如沸騰鋼），其中的硅含量小于0.3%。硅在鋼中或者溶于鐵素體內(nèi)，或者以脫氧生成物Si02的形式殘存于鋼中。溶于鐵素體的硅，可提高鋼的強(qiáng)度、硬度，可算是一種有益元素。 鉻(Cr) 鉻(Cr)在化學(xué)性能方面它不僅能提高金屬耐腐蝕性能，也能提高抗氧化性能。當(dāng)其含量達(dá)到13%時(shí)，能使鋼的耐腐蝕能力顯著提高，并增加鋼的熱強(qiáng)性。鉻能提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的

52、強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但它使鋼的塑性和韌性降低。隨含鉻量增加，可焊性變差。 鎳 (Ni) 鎳 (Ni)主要是形成穩(wěn)定的奧氏體組織，提高耐蝕性能，并且它能提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，提高鋼的塑性，能促進(jìn)石墨化。鎳、鉻同時(shí)存在時(shí)，鋼材既具有較高塑性，又具有較高的硬度和強(qiáng)度。 鎳對(duì)鋼鐵性能有良好的作用。它能提高淬透性，使鋼具有很高的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳能提高耐腐燭性和低溫沖擊韌性。鎳基合金具有更高的熱強(qiáng)性能。鎳被廣泛應(yīng)用于不銹鋼和耐熱鋼中。 鉬（Mo) 鉬（Mo)在鐵素體中有較大的溶解度，有明顯的固溶強(qiáng)化作用。同時(shí)又是強(qiáng)的碳化物形成元素。它可以提髙鋼的熱強(qiáng)性，并提高鋼的高溫強(qiáng)度和硬

53、度，細(xì)化晶粒。在鋼中加入鉬，可以防止回火脆性。但鉬有促進(jìn)石墨化傾向。含鉬小于0.6%時(shí)可提高塑性。鉬能抗氫腐蝕。 鈦（Ti）和鈮（Nb） 鈦（Ti）和鈮（Nb）是強(qiáng)烈地形成碳化物的元素，所形成的碳化物極為穩(wěn)定，常用來(lái)做穩(wěn)定劑，在不銹鋼中起穩(wěn)定碳的作用，減少鉻與碳化合的機(jī)會(huì)，防止鉻鎳奧氏體鋼在高溫下或焊接后產(chǎn)生晶間腐蝕，還可提高耐熱性。鈦能細(xì)化晶粒，從而提高鋼的韌性，改善鋼的可焊性，減小鑄錠縮孔和焊縫裂紋等傾向。 釩（V） 釩（V）對(duì)碳、氮都有很強(qiáng)的親和力，能在鋼中形成穩(wěn)定的碳化物和氮化物，細(xì)化晶粒，降低鋼的過(guò)熱敏性（彈性顯著增加），并提高鋼的高溫強(qiáng)度、韌性和提高淬透性。使它具有良好的抗沖擊和抗

54、彎曲能力，不易磨損和斷裂。鉻鋼中加少量釩（1），在保持鋼的強(qiáng)度情況下，能改善鋼的塑性。 釩是重要合金鋼的添加元素。它既是一種脫氧劑，又能強(qiáng)化合金鋼，被譽(yù)為“合金的維生素”，因此許多合金鋼中都加入釩。 鋁 鋁為強(qiáng)脫氧劑，能顯著細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，降低冷脆性。鋁還能提高鋼的抗氧化性和耐熱性，對(duì)抵抗H2S介質(zhì)腐蝕有良好作用。鋁的價(jià)格比較便宜，所以在耐熱合金鋼中常以它來(lái)代替鉻。 稀土元素 稀土元素可提高強(qiáng)度，改善塑性、低溫脆性、耐腐蝕性及焊接性能。 硫（S） 的影響 硫是鋼中有害元素。碳鋼中的硫來(lái)源于礦石和冶煉中的焦炭，硫和鐵生成的FeS（硫化亞鐵）存在于鋼中，F(xiàn)eS易和Fe能形成低熔點(diǎn)的共晶體（

55、熔點(diǎn)為985),其熔點(diǎn)低于鋼材熱加工開始溫度（1 1501 200)。在被加熱到10001200時(shí)，共晶體熔化，導(dǎo)致鋼材在高溫時(shí)破裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆性，在焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。含硫量愈高，這種熱脆性就愈嚴(yán)重。硫化物在鋼中易造成偏析，降低焊接結(jié)構(gòu)的抗層狀撕裂能力和鋼材的韌性。所以硫是一種有害元素，鋼中硫含量應(yīng)控制在0.07%以下。 磷（P）的影響 磷是鋼中有害元素，來(lái)源于礦石。磷在鋼中能溶于鐵素體內(nèi)，可使鋼材在室溫時(shí)的強(qiáng)度、硬度增加，塑性和韌性下降。特別是降低低溫沖擊韌性，即鋼的冷脆性，使鋼的冷加工及焊接性能變壞。鋼材在回火過(guò)程中，磷偏析于晶界，引起鋼材的回火脆性，這在Cr-Mo鋼中特別明顯。所

56、以磷也是一種有害元素。含磷量愈高，冷脆性愈強(qiáng)，故鋼中磷含量控制較嚴(yán)，一般應(yīng)小于0.06%。氧(0)的影響 煉鋼以后，氧在鋼中常以MnO、SiO2、FeO、Al2O3等夾雜物形式存在，它們的熔點(diǎn)高，并以顆粒狀存在于鋼中，從而破壞了鋼基體的連續(xù)性，大大降低了鋼的力學(xué)性能，如沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。所以氧也是一種有害元素。 氮（N）的影響 鐵素體的溶氮能力很低。當(dāng)鋼中溶有過(guò)量的氮，加熱至200250時(shí)，會(huì)析出氮化物，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效，使鋼的硬度、強(qiáng)度提高，塑性下降。在鋼液中加入Al、Ti進(jìn)行固氮處理，使氮固定在AlN和TiN中，就可消除鋼的時(shí)效傾向。氫（H）的影響 氫在鋼中的嚴(yán)重危害是造成白點(diǎn)。它常存

57、在于軋制的厚板或大鍛件中，在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，在橫斷面上則表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點(diǎn)，使用時(shí)會(huì)突然斷裂，造成事故?；毫θ萜饔娩?，不允許有白點(diǎn)存在。 氫產(chǎn)生白點(diǎn)冷裂，主要是因?yàn)殇撚筛邷貖W氏體冷卻至較低溫度時(shí)，氫在鋼中的溶解度急劇下降。當(dāng)冷卻較快時(shí)，氫原子來(lái)不及擴(kuò)散到鋼的表面逸出，留在鋼中一些缺陷處，由原子狀態(tài)氫變成分子狀態(tài)氫。氫分子不能擴(kuò)散，在積聚的局部地區(qū)產(chǎn)生幾百大氣壓的巨大壓力， 使該處局部應(yīng)力超過(guò)了鋼的抗拉強(qiáng)度而在該處形成白點(diǎn)裂紋源。 鋼的熱處理 鋼鐵在固態(tài)下通過(guò)加熱、保溫和不同的冷卻方式，以改變其組織，滿足所要求的物理、化學(xué)與力學(xué)性能，這樣的加工工藝

58、稱為熱處理。熱處理工藝不僅應(yīng)用于鋼和鑄鐵,亦廣泛應(yīng)用于其他金屬材料。 設(shè)備和零件經(jīng)過(guò)熱處理，可使其材料的各種性能按所需要求得到改善和提高，充分發(fā)揮合金元素的作用和材料潛力，延長(zhǎng)使用壽命，并減少金屬材料的消耗。廉價(jià)的普通碳素鋼， 經(jīng)過(guò)專門的熱處理以后，其性能有時(shí)并不比合金鋼差。鋼的熱處理工藝曲線 鋼的常規(guī)熱處理工藝 退火 正火 淬火 回火 退火與正火 退火是把工件加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后隨爐一起緩慢冷卻下來(lái)，以得到接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理方法。正火是將工件加熱至臨界點(diǎn)以上3050，并保溫一段時(shí)間，然后將工件從爐中取出置于空氣中冷卻下來(lái)。正火的冷卻速度要比退火的快一些，因而晶粒更細(xì)化

59、。如圖所示為各種退火、正火的加熱溫度及冷卻速度。退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提高塑性；調(diào)整組織，部分改善力學(xué)性能；使組織均勻化，消除部分內(nèi)應(yīng)力。淬火淬火 淬火是將鋼加熱至淬火溫度臨界點(diǎn)以上3050(圖1-16)，并保溫一定時(shí)間，然后在淬火劑中冷卻以得到馬氏體組織的一種熱處理工藝。淬火劑的冷卻能力按以下次序遞增：空氣、油、水、鹽水。合金鋼導(dǎo)熱性比碳鋼差，為防止產(chǎn)生過(guò)高應(yīng)力，合金鋼一般都在油中淬火；碳鋼可在水和鹽水中淬火。淬火可以增加工件的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。淬火時(shí)冷卻速度太快，容易引起變形和裂紋；冷卻速度太慢，又達(dá)不到技術(shù)要求，因此，淬火常常是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在?；鼗鸹鼗?回火是在零件淬

60、火后再進(jìn)行一次較低溫度（A1以下的某一溫度）的加熱與冷卻處理工藝。回火可以降低或消除工件淬火后的內(nèi)應(yīng)力，使組織趨于穩(wěn)定，并獲得技術(shù)上所需要的性能?；鼗鹛幚碛幸韵聨追N： （1）低溫回火 （2）中溫回火 （3）高溫回火低溫回火 零件經(jīng)淬火后，再加熱至150250，保溫13 h，然后在空氣中冷卻，得到一種叫做回火馬氏體的組織，硬度比淬火馬氏體稍低，但殘余應(yīng)力得到部分消除，脆性有所降低。一般對(duì)需要硬度高、強(qiáng)度大、耐磨的零件進(jìn)行低溫回火處理。 中溫回火 要求零件具有較高的韌性、彈性和屈服強(qiáng)度時(shí)，可采用中溫回火，中溫回火加熱溫度為350500。 高溫回火 要求零件的強(qiáng)度、韌性、塑性都較好時(shí)，采用高溫回火。