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常用金屬材料

從第一節(jié)中已經(jīng)知道，壓力管道中最常用的材料是金屬材料，而且不同元素組成的金屬材料其性能差別很大，既是相同的材料，在不同的環(huán)境下，其性能也不同。然而，不同的元素或相同的元素以不同比例組成可以得到無數(shù)種金屬材料，要羅列出這些材料是不現(xiàn)實的，也是沒有必要的。在這里僅對壓力管道中常用的金屬材料，就其分類、特點、用途和表示方法進行介紹。

在所用的眾多金屬材料中，大致可以分為兩大類：黑色金屬和有色金屬。黑色金屬通常指鐵和鐵的合金，有色金屬是指鐵及鐵合金以外的金屬及其合金。

一、常用黑色金屬材料

黑色金屬根據(jù)它的元素組成和性能特點可以分為三大類，即鑄鐵、碳素鋼及合金鋼。

（一）鑄鐵

從鐵碳合金相圖（圖3-4）中可以知道，含碳量大于2.06%的鐵碳合金稱為鑄鐵（而真正有工業(yè)應用價值的鑄鐵其含碳量一般為2.5%~6.67%）。鑄鐵的主要成分除鐵之外，含碳和硅量也比較高。由于鑄鐵中的含碳量較高，使得其中的大部分碳元素已不再以Fe₃C化合物存在，而是以游離的石墨存在，故鑄鐵的性能特點是可焊性、塑性、韌性和強度均比較差，一般不能鍛造，但它卻具有優(yōu)良的鑄造性、減摩性、切削加工性能，價格便宜，因此常用作泵機座、低壓閥體等材料，有時地下低壓管網(wǎng)也用鑄鐵做成的管子和管件。根據(jù)鑄鐵中石墨的形狀不同可將鑄鐵分為灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵三類。

石墨以片狀形式存在于組織中的鑄鐵稱之為灰口鑄鐵?；铱阼T鐵澆鑄后緩冷得到的組織為鐵素體和游離石墨共存，斷口呈灰色，灰口鑄鐵也因此而得名?；铱阼T鐵各項機械性能均較差，工程上很少用。根據(jù)GB9439的規(guī)定，灰口鑄鐵的牌號表示方法如下：

H T X X

最小抗拉強度的十分之一，MPa

“灰鐵”兩字的漢語拼音第一個字母

經(jīng)過長時間石墨化退火，使石墨以團絮狀存在于鑄鐵組織中，此類鑄鐵稱之為可鍛鑄鐵。在可鍛鑄鐵中，由于團絮狀石墨對金屬基體的割裂和引起應力集中的作用比片狀石墨小，故可鍛鑄鐵的強度、塑性、韌性均優(yōu)于灰口鑄鐵，其延伸率可達12%，但可鍛鑄鐵制造工藝復雜，價格比較高。由于可鍛鑄鐵具有一定的塑性，故“可鍛”的名稱也由此而出，其實它仍為不可鍛?？慑戣T鐵在工程上常用作閥門手輪以及低壓閥門閥體等。根據(jù)斷面顏色或組織的不同，可鍛鑄鐵又分為黑心可鍛鑄鐵、白心可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵三種。常用的是黑心可鍛鑄鐵，牌號有KTH330－8、KTH350－10（見GB9440標準）等。黑心可鍛鑄鐵的牌號表示方法如下：

KTH X X X —— X X

延伸率，（%）

最低抗拉強度，MPa

“可鐵黑”三字的漢語拼音第一個字母

球墨鑄鐵是通過在澆注前向鐵水中加入一定量的球化劑進行球化處理，并加入少量的孕育劑以促進石墨化，在澆注后直接獲得具有球狀石墨結晶的鑄鐵。由于球狀石墨比團絮狀石墨對金屬基體的割裂和引起應力集中的作用更小，故球墨鑄鐵的各項機械性能指標均優(yōu)于可鍛鑄鐵，故可代替可鍛鑄鐵用在較苛刻的條件下。球墨鑄鐵比可鍛鑄鐵價格便宜，故它的應用更廣泛。球墨鑄鐵牌號的表示方法為QTXXX-XX，后面的數(shù)字意義同可鍛鑄鐵，QT為“球鐵”兩字的漢語拼音第一個字母。常用的球墨鑄鐵有QT400－15、QT450－10等牌號，見GB12227標準。

（二）碳素鋼

在鐵碳合金相圖（圖3-4）中，含碳量小于等于2.06%的鐵碳合金稱為碳素鋼。

注：實際上，從使用性上來說，錳鋼（含錳的碳素鋼）使用范圍與碳素鋼大致相同，僅僅是鋼的強度比碳素鋼高，

而重量略輕，故國外例如美國ASTM標準常將錳鋼與碳素鋼歸為一類，統(tǒng)稱為碳鋼，而我國的材料標準則將

錳鋼叫做低合金鋼。作者認為有些不妥，因為在人們的印象中，凡合金鋼都是通過加入Cr、Mo、Ni、V、W

等合金元素，且表現(xiàn)出特殊的性能（如耐熱性、抗腐蝕性等）。但為了與我國的標準保持一致，這里仍將錳鋼

等歸為低合金鋼。

碳素鋼的分類方法有很多種，如按化學成分分類常分為低碳鋼（C<0.25%）、中碳鋼（C=0.25%~0.6%）和高碳鋼（C>0.6%）三種；按質(zhì)量分類常分為普通鋼（S≤0.05%，P≤0.05%）、優(yōu)質(zhì)鋼（S≤0.04%，P≤0.04%）和高級優(yōu)質(zhì)鋼（S≤0.02%，P≤0.03%）三類；按用途分類常分為結構鋼、承壓用鋼（壓力容器用鋼、鍋爐用鋼）、工具鋼等。由于中碳鋼和高碳鋼可焊性較差，在工程設計中除螺栓材料之外，常用的壓力管道材料都是低碳鋼。

1、普通碳素鋼

普通碳素鋼與優(yōu)質(zhì)碳素鋼相比，由于它的有害雜質(zhì)元素S、P含量相對較高，綜合機械性能和耐蝕性較差，故不宜用在較重要的場合，但普通碳素鋼價格便宜，故工程上常用于各種鋼構架、支吊架等，而流體輸送管道上使用時常給與一定的限制，詳見本章第四節(jié)。

普通碳素鋼根據(jù)其冶煉過程的脫氧程度不同可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼三種。在澆鑄前不用硅和鋁脫氧，澆鑄時在鋼錠模內(nèi)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，這類鋼叫沸騰鋼。而脫氧較完全，澆鑄時鋼水在鋼錠模內(nèi)不產(chǎn)生CO氣體，這類鋼叫鎮(zhèn)靜鋼。進行中等程度脫氧，介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼叫半鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼常在其材料牌號后面加字母F進行表示，半鎮(zhèn)靜鋼則是在其材料牌號后面加字母b進行表示，鎮(zhèn)靜鋼省略不加。

沸騰鋼由于脫氧不完全，鋼液中含氧量多，澆注及凝固時會產(chǎn)生大量CO氣泡，造成劇烈的沸騰現(xiàn)象。沸騰鋼冷凝后沒有集中縮孔，因而成材率高，成本低，表面質(zhì)量及深沖性能好。但因含氧量高，成分偏析大，內(nèi)部雜質(zhì)多，抗腐蝕性和機械性能差，且容易發(fā)生時效硬化和鋼板的分層，故不宜作重要用途。

鎮(zhèn)靜鋼由于脫氧完全，澆注時鋼液平靜，沒有沸騰現(xiàn)象，冷凝后有集中縮孔，所以成材率低，成本高。但鎮(zhèn)靜鋼中氣體含量低，時效傾向小，鋼錠中氣泡、疏松較少，質(zhì)量較好。

普通碳素鋼的表示方法和代號按GB700標準規(guī)定如下：

Q XXX——X X

冶煉時的脫氧方法，分別為F、z、b三個字母。F為沸騰鋼；z為鎮(zhèn)靜

鋼，可省略不注；b為半鎮(zhèn)靜鋼。

質(zhì)量等級號，分別用A、B、C、D字母表示。A級不做沖擊試驗，B級

做常溫V形缺口沖擊試驗；C、D兩級常用在重要場合下。

材料的屈服強度，MPa。分別為195、215、235、255、275五個等級

“屈”字漢語拼音第一個字母。

壓力管道中常用的普通碳素結構鋼牌號為Q235A（F、ｂ）、Q235B（F、b）、Q235C、Q235D四種，這些牌號的質(zhì)量要求是順次提高的。材料標準為GB700。

2、優(yōu)質(zhì)碳素鋼

優(yōu)質(zhì)碳素鋼中的有害雜質(zhì)元素S、P比普通碳素鋼低，不僅如此，二者的冶煉方法也多有不同，普通碳素鋼多用成本最低的轉爐冶煉，而優(yōu)質(zhì)碳鋼則采用平爐或鈍氧頂吹轉爐冶煉，脫氧較好，雜質(zhì)含量較低，故其綜合機械性能、耐蝕性等均優(yōu)于普通碳素鋼。優(yōu)質(zhì)碳素鋼與高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼相比，價格不高，故這類鋼是工程上應用最廣泛的碳素鋼。

優(yōu)質(zhì)碳素鋼的表示方法和代號按GB221標準規(guī)定如下：

XX X X XX X

特殊用途標記，如R表示壓力容器用鋼；g表示鍋爐用鋼；D表示低

溫用鋼。如果為沸騰鋼或半鎮(zhèn)靜鋼，尚應用“F”或“b”字母附后。

含錳元素的量達到0.7%以上時，或者特意加入的其它元素，為該元素

的化學符號，如Mn，Si等。

兩位數(shù)數(shù)字，表示鋼中平均含碳量的萬分之幾。常見的有10、20、25、

35等。

兩個字母“ZG”，表示鑄鋼，鑄鋼以外的生產(chǎn)方法不表示。

GB699標準給出了優(yōu)質(zhì)碳素鋼的化學成分和機械性能要求。該標準共列出了08F、10F、15F、08、10、15、20、25、……70Mn等31種材料牌號，而壓力管道中常用的牌號為08、10、20三種。08和10鋼因含碳量低、硬度低、塑性好，常用作金屬墊片。20鋼則常用于管子和管件。

GB8163、GB9948、GB6479、GB3087、GB5310等標準給出了優(yōu)質(zhì)碳素鋼鋼管的材料制造要求，它們都是壓力管道常用的鋼管標準，有關這些標準的應用將在第五章中介紹。

GB710、GB711、GB713、GB5681、GB6654等標準給出了優(yōu)質(zhì)碳素鋼鋼板的材料制造要求，它們都是壓力管道常用的鋼板標準。選用時，應根據(jù)其應用范圍確定。

GB12225、GB12228等標準給出了壓力管道常用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼的鑄件材料制造要求。

3、高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼

高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼各方面性能略優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素鋼，但價格較高，工程上應用的并不多。一般情況下，如果采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼不能滿足使用條件要求時，將考慮選用相應的合金鋼而不用高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼的表示方法是在優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號后面加字母“A”。

（三）合金鋼

為了提高鋼的機械性能、工藝性能或物理化學性能，通常有意識地向鋼中加入一些合金元素，由此得到的鋼就叫合金鋼。

材料中加入合金元素后，其性能將發(fā)生一系列的變化。

從本章第一節(jié)中已經(jīng)知道，常用鋼材都是由鐵素體、奧氏體、碳化物、金屬間化合物、金屬和非金屬夾雜物以及基本上不溶解于鋼中的少量的游離元素等組成的混合體，但不同的鋼具有不同的晶格結構和微觀組織，也表現(xiàn)出不同的性能。鋼的性能取決于鐵的固溶體和碳化物的各自性能以及彼此相對的分布狀態(tài)，合金元素正是通過改變上述的因素而發(fā)生作用的。

合金元素因溶于鐵素體中起固溶強化作用，從而提高了材料的硬度和強度，但同時卻使其韌性和塑性相對降低。在珠光體低合金鋼中，合金元素主要是通過對鐵素體的固溶強化和使珠光體變細而得到強化的。

一般情況下，除了碳元素對合金鋼的淬火和回火性能有影響外，合金元素的影響則更大，其影響主要表現(xiàn)在：提高鋼的淬透性，使截面積較大的零部件也能獲得全部的馬氏體組織；提高鋼的回火穩(wěn)定性，使材料在較高溫度下回火也能獲得較好的綜合機械性能。

一般情況下，蠕變的產(chǎn)生常由于晶界強度的降低所致，而合金元素如鉬、鉻等能顯著提高材料的晶界強度，從而使材料有較高的抗蠕變性能。

材料在低溫下強度一般略有提高，但塑性和韌性則下降很多，通過添加一些合金元素可提高材料在低溫下的塑性和韌性。例如，從組織上來講，奧氏體組織有較好的塑性和韌性，超細晶粒組織其塑性和韌性也較好，故通過加入足夠的合金元素使材料在常溫下為奧氏體組織，或加入能使奧氏體晶粒變細的鋁（Al）、鎳（Ni）等元素而獲得的材料，用于低溫甚至超低溫下仍具有良好的塑性和韌性。

奧氏體不銹鋼由于有較多的合金元素，又具有單一的奧氏體組織，故它具有較好的抗氧化腐蝕性能和高溫使用性能。工程上，奧氏體不銹鋼常用于多種腐蝕工況和高溫工況。

綜上所述，合金鋼與碳素鋼相比，它具有較高的強度，較好的耐熱性，較好的耐低溫性能，較好的耐腐蝕性能等優(yōu)點，甚至有些生產(chǎn)環(huán)境采用碳素鋼是滿足不了要求的。故合金鋼是壓力管道中常用的也是很重要的材料。根據(jù)用途不同，合金鋼可以按表3-2分類：

表3-2 合金鋼的分類

第一層分類	第二層分類	第三層分類	特點及用途
合金	合金結構鋼	低合金鋼	屬于低碳型合金鋼，合金元素總量一般不超過3%，強度明顯高于碳素鋼，有較好的塑性和韌性，可焊性尚可，常用于中高溫、抗氫、抗高溫硫腐蝕等工況條件
鋼		調(diào)質(zhì)鋼	屬中碳型合金鋼，合金元素含量也比較低，主要是用于提高淬透性，獲得強度較高的索氏體組織。這類合金鋼常用作高溫螺栓、螺母材料

表3-2（續(xù)）

第一層分類	第二層分類	第三層分類	特點及用途
	合金結構鋼	彈簧鋼	其含碳量比調(diào)質(zhì)鋼更高，通過調(diào)質(zhì)處理以獲得較高的強度和屈強比，并有較好的抗疲勞強度，常用作彈簧材料
		滾動軸承鋼	屬于高碳型合金鋼，合金含量較高，通過球化退火、淬火、低溫回火等獲得高而均勻的硬度和耐磨性，常作滾動軸承等
		刀具鋼	屬高碳型合金鋼，通過淬火+低溫回火獲得馬氏體組織，有較高的硬度、耐磨性和熱硬性，常用作機加工切削工具
合	合金工具鋼	模具鋼	屬中碳型合金鋼，通過淬火+高溫回火獲得索氏組織，以獲得較好的強度、韌性、硬度和耐磨性，同時還具有好的回火穩(wěn)定性，常用作鍛造模具
金		量具鋼	屬高碳型合金鋼，通過復雜的熱處理工藝（包括冷處理和人工時效處理）使得它既具有高的硬度和耐磨性，還具有機加工性能好、穩(wěn)定性好等特點，常用作量具材料
鋼	特殊性能鋼	不銹鋼	屬于低碳高合金元素的合金鋼，利用合金元素本身的抗蝕性或形成單一的組織，常用于抗腐蝕。一部分不銹鋼可用作耐熱鋼。
		耐熱鋼	屬于低碳高合金元素的合金鋼，但并不是所有的耐熱鋼都可以用作抗腐蝕
		低溫鋼	屬于低碳合金鋼，根據(jù)耐低溫的溫度不同，其合金元素有高有低。常用的低溫專用鋼為鎳鋼

壓力管道中常用的合金鋼有低合金鋼、調(diào)質(zhì)鋼、不銹鋼、耐熱鋼和低溫鋼。其它鋼種有時也會偶爾碰到，有興趣的讀者可查閱有關專著，在此不再作進一步的介紹。

1、低合金鋼

工程上常用的低合金鋼有碳錳系、碳錳釩系、鉻鉬系和鉻鉬釩系等系列。

GB/T1591標準給出了碳錳系和碳錳釩系低合金鋼的化學成分和機械性能要求。該標準列出了Q295A（B）、Q345A~E、Q390A~E、Q420A~E、Q460C~E共20種材料牌號。其表示方法及代號含義同普通碳素鋼部分。當用于常溫及以上溫度時，可用A、B或C級；當用于－20℃~－40℃時，可用D或E級。值得一提的是，該標準修訂前與修訂后的表示方法差別很大，而當該標準修訂后，其它相應的配套標準（例如GB8163、GB9948、GB6479、JB4726、GB6654等）尚未隨之變動，故近期應用時應注意這個問題。

GB3077標準給出了鉻鉬系和鉻鉬釩系低合金鋼的化學成分和機械性能要求。該標準共列出了81種材料牌號，其表示方法按GB221標準的規(guī)定如下：

XX X X XXXX X

特殊用途標記，同優(yōu)質(zhì)碳鋼部分。對于高級優(yōu)質(zhì)合金鋼，則在其基

本代號后面加字母“A”。

主要合金元素符號及其含量，其中前兩位為元素符號，后兩位數(shù)字

表示該合金元素的平均百分比含量。數(shù)字為一位數(shù)時則用一個數(shù)字

表示，含量不足1.5%時可省略不注。有多個合金元素時則依次按此

規(guī)則填寫。

兩位數(shù)字，表示鋼中平均含碳量的萬分之幾。

兩個字母“ZG”，表示鑄鋼，鑄鋼以外的生產(chǎn)方法不表示。

常用的鉻鉬系和鉻鉬釩系低合金鋼材料牌號有12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等，它們常用作抗氫腐蝕、抗高溫硫或硫化氫腐蝕和耐熱（次高溫）等材料。例如，12CrMo和15CrMo常用于550℃以下的高溫工況，或用于320℃以下的臨氫工況；12Cr1MoV常用于575℃以下的高溫高壓蒸汽介質(zhì)。

2、調(diào)質(zhì)合金鋼

調(diào)質(zhì)合金鋼屬于低合金結構鋼的一種，合金元素總量一般不大于3％，但由于它的含碳量較高，故強度高，可焊性差，常用于螺栓、螺母材料。

GB3077標準給出了調(diào)質(zhì)合金鋼的化學成分和機械性能要求，其表示方法同低合金鋼中的鉻鉬系和鉻鉬釩系。常用材料牌號有40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25Cr2MoVA等。用作螺栓材料時常為高級優(yōu)質(zhì)調(diào)質(zhì)合金鋼。

3、不銹鋼

不銹鋼的最大特點就是其合金元素含量比較高，均超過10％，有的高達50％甚至更多。由于它含有大量的合金元素，故其耐熱、耐蝕等性能大大優(yōu)于碳素鋼和低合金鋼，但隨之而來的是其價格也遠遠高于碳素鋼和低合金鋼。

不銹鋼根據(jù)其常溫的組織不同可分為奧氏體型、奧氏體—鐵素體雙相型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型五類。對于奧氏體型又可根據(jù)其含碳量的不同分為高碳型（C=0.04%~0.12%），低碳型（C≤0.08%）和超低碳型（C≤0.03%）三種。

a、奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼常溫組織為單一奧氏體組織，它消除了組織之間的電位差，故有利于抗電化學腐蝕。又由于它含有大量耐蝕合金元素，故也抗高溫化學腐蝕。奧氏體不銹鋼具有良好的綜合機械性能，也具有良好的可焊性，故工程上應用很廣泛。但其價格較高，約是碳鋼材料的10倍，是普通合金鋼的近4倍，故不是必須使用時就不要輕易選用。

高碳奧氏體不銹鋼由于其含碳量較高，高溫強度較高，故常用作耐熱鋼。

超低碳型奧氏體不銹鋼由于其含碳量較低，不易產(chǎn)生晶間腐蝕傾向，故常用作耐腐蝕鋼。但它的強度較低，尤其是高溫強度較低，故不應在高溫下使用。

低碳型奧氏體不銹鋼的性能介于高碳和超低碳之間，既可作防腐蝕用，又可作為耐熱用。但其防腐性能不如超低碳型，而高溫強度不如高碳型。

有時為了使奧氏體不銹鋼既具有較高的強度和耐熱性，又具有抗晶間腐蝕性能，常在低碳型奧氏體不銹鋼中加入穩(wěn)定化元素（Ti、Nb），得到穩(wěn)定型的奧氏體不銹鋼。這種材料對耐溫和耐蝕兼而有之，故工程上應用較廣。

不銹鋼（包括奧氏體型、奧氏體—鐵素體雙相型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型）的表示方法按GB221標準規(guī)定如下：除含碳量的表示方法不同外，其它均與低合金鋼相同。此時的含碳量以一位數(shù)字來表示，該數(shù)字為平均含碳量的千分之幾。當平均含碳量小于千分之一時，用“0”表示；當平均含碳量小于0.03%時，用“00”表示。

GB1220標準共給出了33種奧氏體不銹鋼的材料牌號，而常用的材料牌號有0Cr18Ni9(304)、00Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2(316)、00Cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb（347)、0Cr25Ni20（310）、0Cr23Ni13等。

b、奧氏體—鐵素體型不銹鋼

奧氏體—鐵素體型不銹鋼常溫組織為奧氏體+鐵素體組織。由于此類材料中含有硅、鋁等合金元素，加之它具有雙相組織，故它抗氯化物引起的晶間腐蝕和應力腐蝕性能明顯優(yōu)于奧氏體型不銹鋼。它與奧氏體型不銹鋼一樣，具有良好的綜合機械性能，也具有良好的可焊性，故常代替奧氏體型不銹鋼用于容易發(fā)生晶間腐蝕的工作環(huán)境。但該種材料制造工藝復雜，成本較高，價格約是奧氏體型不銹鋼的（3~4）倍，故這種材料在工程上應用的并不普遍。

GB1220標準給出了0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi、00Cr18Ni5Mo3Si2共3種奧氏體—鐵素體型不銹鋼的材料牌號。關于這些材料牌號的應用可參照有關的手冊或專著。

c、鐵素體型不銹鋼

鐵素體型不銹鋼常溫組織為鐵素體組織。由于它的平均含鉻量大于11.7%，可在材料表面形成一層致密的鉻氧化物薄膜，從而能有效地保護材料免遭腐蝕。但其防腐性能不如奧氏體型不銹鋼，焊接性能也比較差，還容易出現(xiàn)475℃回火脆性和σ相析出引起的脆性，故常用在腐蝕性較弱的環(huán)境。鐵素體型不銹鋼在壓力管道中應用的不多，而在壓力容器中常用作復合材料的復層。

GB1220標準共給出了7種鐵素體型不銹鋼的材料牌號，而常用的材料牌號有00Cr12和0Cr13Al。

d、馬氏體型不銹鋼

馬氏體型不銹鋼的合金元素含量與鐵素體型不銹鋼類似，但其含碳量較高，淬透性較好，容易得到硬而脆的馬氏體組織。因此，它具有較高的硬度和耐磨性，耐蝕性較弱，常用于醫(yī)療中的手術刀，而壓力管道中則常用作碳素鋼和鉻鉬鋼閥門的閥桿和閥芯。

GB1220標準共給出了18種馬氏體型不銹鋼的材料牌號，而常用的材料牌號有1Cr13、2Cr13、3Cr13等。

e、沉淀硬化型不銹鋼

沉淀硬化型不銹鋼是指可以進行沉淀硬化處理的奧氏體或馬氏體型不銹鋼。經(jīng)過沉淀硬化處理后，此類不銹鋼有很高的強度和硬度，其耐蝕性則接近于奧氏體不銹鋼，在壓力管道中它常用作螺栓和螺母材料。

GB1220標準給出了0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al共3種沉淀硬化型不銹鋼的材料牌號。關于這些材料牌號的應用可參照有關的手冊或專著。

4、耐熱鋼

GB1221標準共給出了40種耐熱鋼的材料牌號。對比GB1220和GB1221標準就可以看出，除超低碳不銹鋼和雙相不銹鋼外，大多數(shù)不銹鋼都可用作耐熱鋼。耐熱鋼根據(jù)其常溫的組織不同可分為奧氏體型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型四大類。工程上常用的耐熱鋼材料牌號有：

a、奧氏體型：0Cr18Ni9(304)、0Cr17Ni12Mo2(316)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb（347)、0Cr25Ni20（310）、0Cr23Ni13等；

b、鐵素體型：00Cr12、0Cr13Al等；

c、馬氏體型：1Cr5Mo、1Cr13、2Cr13、3Cr13等；

d、沉淀硬化型：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等。

值得一提的是，作為耐熱合金鋼，工程上常用的還有Cr2Mo、Cr9Mo等材料，但GB1221標準中卻沒有列入。Cr2Mo、Cr9Mo材料和1Cr5Mo一樣，屬于低碳型合金鋼，常溫下可獲得鐵素體和珠光體組織，但容易淬硬而出現(xiàn)馬氏體組織。這類鋼有較高的熱強性，常用于350℃~650℃且腐蝕性不強的工況下，如動力系統(tǒng)的高溫蒸汽管道。它還有一定的抗高溫硫腐蝕和高溫氫腐蝕的能力，故也用在此類介質(zhì)環(huán)境中。這類鋼焊接性較差，容易出現(xiàn)延遲裂紋，故一般焊后要進行熱處理。

5、低溫用鋼（鎳鋼）

具有面心立方晶格的金屬材料（如銅Cu、鎳Ni、奧氏體鋼等），一般沒有低溫冷脆現(xiàn)象，是最好的低溫用材，故含銅、鎳等元素的合金鋼常用于低溫工況。此外，晶粒越細，鋼材的低溫沖擊韌性越好，故一般鐵素體鋼要正火處理后使用。雜質(zhì)元素硫（S）、磷（P）、氧（O）都將降低鋼材的低溫沖擊韌性，故一般要嚴格控制。

我國的低溫用鋼有16Mn、09Mn2V、06AlCu、06MnNb等，或者用奧氏體不銹鋼。但前者一般適應的低溫溫度不宜太低，而奧氏體不銹鋼又比較貴，故這里介紹ASTM中常的低溫用鋼，即鎳（Ni）鋼。常用的鎳鋼牌號及其化學成分和性能見表3-3所示。

表3-3 常用鎳鋼的化學成分和機械性能

	化學成分				強度及塑性			V型沖擊韌性		適用
牌號	C	Mn	Si	Ni	σ_s (MPa)	σ_b (MPa)	σ(%)	T_試(℃)	a_k (J\cm²)	溫度(℃）
2.5Ni	≤0.17	≤0.70	0.15~ 0.30	2.1~2.5	260	≥500	23	-50	20	-50

表3-3（續(xù)）

	化學成分				強度及塑性			V型沖擊韌性		適用
牌號	C	Mn	Si	Ni	σ_s (MPa)	σ_b (MPa)	σ(%)	T_試(℃)	a_k (J\cm²)	溫度(℃）
3.5Ni	≤0.17	≤0.70	0.15~ 0.30	3.25~ 3.75	260	≥500	23	-101	20	-101
5Ni	≤0.13	0.30~ 0.60	0.20~ 0.35	4.75~ 5.25	460	≥670	20	-170	34	-170
9Ni	≤0.13	≤0.90	0.15~ 0.30	8.5~9.5	530	≥700	20	-196	34	-196

二、常用有色金屬材料

工業(yè)上通常將鋁、銅、鎂、鉛、鋅等金屬及其以這些金屬為基體組成的合金叫做有色金屬。應該說，這些材料在壓力管道上的應用并不多，但由于它們具有一些獨特的性能，故仍有必要作一介紹。

有色金屬與黑色金屬相比，具有以下特點：重量輕，比強度高，有特殊的耐腐蝕性能。但其強度一般較低，冶煉困難，價格高。

有色金屬的種類很多，比較常用的有色金屬有鋁及鋁合金、銅及銅合金。表3-4給出了鋁及鋁合金、銅及銅合金的分類、特點和用途。

表3-4 常用有色金屬的分類、特點及用途

第一層分類	第二層分類	第三層分類	特點及用途
	鋁合金	防銹鋁合金（LF）	屬于Al-Mn（LF21）或Al-Mg（LF5、LF11）合金。前者比鈍鋁有較好的耐蝕性，強度高，且有較好的壓力加工性能和焊接性能，但機加工性能較差。后者重量比鈍鋁輕，強度比Al-Mn合金高，耐蝕性能好，可替代鈍鋁和Al-Mn合金，壓力管道中常用作低溫材料
常用		硬鋁合金（LY）	屬Al-Cu-Mg合金，它比防銹鋁合金有較高的強度和較好的機加工性能，但防腐蝕性能不如防銹鋁合金好，尤其不耐海水腐蝕，可作地腳螺栓等材料
有色金屬	銅合金	黃銅(主要添加成分為鋅）	常用的有錫黃銅（HSn62-1）、鉛黃銅（ZHPb59-1）和鐵黃銅（ZHFe59-1-1）三種。錫黃銅能耐海水腐蝕，強度較高，常用于船舶用管；鉛黃銅因鉛的存在而使其加工性能較好，耐磨性也較好，但強度低，常用作閥桿軸承襯套；鐵黃銅具有較好的耐海水腐蝕性能，強度適中，有較好的耐磨性，故常用作軸承襯套和船用管道附件
		青銅(主要添加成分為錫）	常用的有錫青銅（QSn4-4-2.5）、鋁青銅（QAl9-2）、鑄造鋁青銅（ZQAl9-2）三種。錫青銅有良好的減摩性和耐蝕性，常用作受磨擦的零件如軸承等；鋁青銅有較高的機械性能和耐蝕性，可用作海輪上的管道配件；鑄造鋁青銅機械性能適中，用于鑄造耐磨零件

1、鋁及鋁合金

鋁很輕，比重為2.7，其密度大約是銅的三分之一；鋁塑性好（y＝80％），強度低（s_b＝80~100MPa），機加工性能較差；鋁很容易被氧化而形成一層致密的、附著力很強的氧化膜，該氧化膜能保護鋁進一步被腐蝕，故它具有很好的抗大氣腐蝕性能。但因氧化膜的存在，增加了鋁在焊接時的焊接缺陷，故它比碳鋼的焊接性能差。鋁與硅、銅、鎂、錳等組成的合金，可以根據(jù)其組成的比例不同，而得到多種鋁合金，而且不同合金的機械性能和耐腐蝕性能差別很大。常見鋁合金的性能特點、用途已列入表3-4中，其化學成分、機械性能、可適用的腐蝕介質(zhì)等可查閱有關手冊或專著。鋁合金的表示方法為：字母后面跟隨數(shù)字，字母為“鋁”及功能性代表字如“防、硬”的漢語拼音字母，后面的數(shù)字為該系列的順序號。

2、銅及銅合金

銅是良導體，故常用作電導體元件；銅的化學性能比較穩(wěn)定，能很好地耐大氣甚至海洋大氣腐蝕，但不耐氨以及強氧化性介質(zhì)的腐蝕；銅的塑性很好，可以承受各種形式的冷熱壓力加工。銅與錫（Sn）、鉛（Pb）、鋁（Al）、鐵（Fe）等元素并以不同的比例結合，可以得到一系列銅合金。與不同的元素結合，或以不同的比例結合，得到的銅合金性能差別很大。常見銅合金的性能特點和用途已列入表3-4中，其化學成分、機械性能、可適用的腐蝕介質(zhì)等可查閱有關手冊或專著。銅合金的表示方法按相應的國家標準規(guī)定為：“字母+主加元素符號+銅含量—主加元素含量”。對黃銅來說，此處的字母為“H”，即“黃”字的漢語拼音第一個字母；對青銅來說，此處的字母為“Q” ，即“青”字的漢語拼音第一個字母。如果該合金為鑄造合金，則尚應在牌號前加字母“Z”。

思考題：

1、什么叫鑄鐵？工程上常見的鑄鐵材料有那幾種？

2、什么叫普通碳素鋼？表示方法如何？

3、什么叫沸騰鋼？什么叫鎮(zhèn)靜鋼？什么叫半鎮(zhèn)靜鋼？

4、沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼各有何優(yōu)缺點？

5、什么叫優(yōu)質(zhì)碳素鋼？表示方法如何？

6、常用優(yōu)質(zhì)碳素鋼的材料標準和材料牌號有哪些？

7、什么叫合金鋼？常用的合金鋼有哪幾類？

8、低合金鋼的表示方法如何？

9、常用低合金鋼的材料標準和材料牌號有哪些？

10、常用調(diào)質(zhì)合金鋼的材料牌號有哪些？

11、什么叫奧氏體不銹鋼？常用奧氏體不銹鋼的材料標準和牌號有那些？