常用金属材料的基本限制条件.docx

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1、常用金属材料的基械制条件目录前言21 .金属材料基本知识21. 1.钢铁材料及其生产21. 1. 1.钢铁的冶炼31.1.2.炼钢的方法41.1.3.钢锭组织4.4.51. 1.4.钢的加工1.2. 对金属材料性能的要求.1.2.1. 材料技术条件规定的性能51.2.2. 设计用的性能71.2.3. 制造和运行要求的性能91.3. 耐热钢的强化和分类121.3.1. 耐热钢的强化原理121.3.2.耐热钢中碳及合金元素的作用a*第15页共49页1.3. 3.耐热钢分类151.4.锅炉元件用材的选择173343432.2.满足材料加工工艺和工业化生产的要求441.1.1. 锅炉管件用钢171.1

2、.2. 锅筒筒体用钢191.5. 锅炉用钢板201.6. 锅炉管子用钢22L 6.1.常用管材221.6.1. 新近使用及研制开发的管材251.6. 3.新材料的许用应力，抗氧化及耐腐蚀性能比较321.7. 核电站用钢2 . 一般限制条件2.1. 满足操作条件的要求-.45462.3. 符合既适用又经济的要求3 .常用材料的应用限制3. 1.铸铁463.2.普通碳素钢463. 3.优质碳素钢473. 4.铭铝合金钢483 . 5.不锈耐热钢484 .常用材料的使用温度49刖百工程上的实际应用环境条件是十分复杂的，不同的介质、介质温度、介质压力等操作条件的组合，构成了无数个选材条件。就常见的选材

3、条件来说，要想在这里逐一给出其选材结论是不现实的，它也正是各个设计院或工程公司一直致力研究的问题。在这里将换一种方式，以材料为主体，应用金属理论、腐蚀理论以及工程理论来确定各种常用材料的使用限制条件。工程上，压力管道选材除了要确定材料牌号外，还要确定材料标准，因为不同的材料标准，对材料质量的要求是不一样的。1.金属材料基本知识L L钢铁材料及其生产在人们生活中所用的、遇到的材料分为金属材料和非金属材料。金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料。这不仅是由于其来源丰富、生产工艺简单、成熟，而且还具有优良的性能。金属材料又有钢铁（黑色金属）和有色金属等，如碳钢、合金钢

4、、有色金属、铸铁及其合金等。钢与生铁由于碳含量不同，性能和用途也不同。生铁的含碳量一般有2.5.4.5%,按其用途分为炼钢生铁（含碳4%左右，是炼钢的主要原料）和铸造生铁（铸铁）。最终炼出来的钢碳含量一般都小于L3%,除少数直接铸成各种形状的铸件外，绝大多数先铸成钢锭，再经轧制或锻压成各种钢件和锻件，然后供进一步加工使用。其中应用最为广泛的是碳钢和合金钢。如将钢按用途来划分，有结构钢（建筑及工程用钢或结构用钢，如锅炉中的钢结构等）、工具钢（各种量具、刃具、模具钢等）和特殊性能钢（耐热钢、不锈耐酸钢及电工用钢）；按质量来划分则有普通钢、优质钢和高级优质钢三类；按冶炼方法、钢液脱氧程度和铸锭工艺的

5、不同来划分则有沸腾钢、镇静钢（脱氧完全的钢，化学成分和力学性能均匀、焊接性能和抗腐蚀性好，一般用来做较重要的部件；受压元件用钢即是）和半镇静钢三类；此外还有其余种类的如按金相组织分类方法。电站锅炉所耗用的金属材料数量大、品种规格多，除少量有色金属和铸铁外，绝大多数为钢材。其中有钢管、钢板、棒材、工字钢、槽钢、角钢以及铸锻件等。一部分钢材为普通钢，用来制作锅炉的普通结构件，性能要求并不高（主要是一些普通钢结构，是从国家标准中所引用的一些钢号）。另一部分则用来制作高温、高压（或承受高应力）条件下或处于腐蚀性介质中长期工作的元件。这些锅炉钢是综合性能要求很高的材料。从20世纪50年代起，我国冶金部门

6、、锅炉制造行业和电力部门的科研、生产单位在锅炉钢合金化、冶金生产、焊接和热处理工艺、性能测试、寿命分析诸方面开展了大量的应用研究，形成了我国独特的锅炉用钢体系，有利地保证了火电设备向大容量、高参数的不断发展。从80年代以来，随着我国锅炉制造业与国外的不断交流，也引进了不少国外的优质锅炉钢种进入我国的标准体系OL L L钢铁的冶炼1. 1. 1. 1.铁的冶炼炼铁的主要设备是高炉，高炉炼铁的原料主要是铁矿石、焦炭和熔剂（如石灰石等）。铁的冶炼过程，实质就是将铁矿石中的氧化铁还原成铁的过程。高炉中焦炭本身的碳及其燃烧反应的产物一氧化碳都对氧化铁起还原作用。1. 1. 1.2.钢的冶炼钢与生铁的最主

7、要区别就是碳含量不同，将生铁进行精炼以大幅度降低碳量（和各种杂质）就得到符合要求的钢。精炼所依托的原理主要含有脱碳反应（FeO+C=Fe+CO）、硅锌的氧化反应（2FeO+Si=2Fe+SiO2，FeO+Mn=Fe+MnO） 去磷硫过程（去磷反应 2Fe2P+5FeO=PzO5+9Fe, P2O5+4CaO=4 CaO 2。5,去硫反应FeS+CaO=CaS+FeO）、脱氧反应（沉淀脱氧：将含有Si、Mn、Al等元素的脱氧剂直接加入钢液中，使在钢中的FeO还原，生成不溶于钢液的氧化物，然后上浮排除；扩散脱氧：是向炉渣中加入铝粉、炭粉和硅钙粉等脱氧剂，降低渣中FeO含量，破坏渣、钢间的FeO的平

8、衡，使钢液中的FeO转入渣中而脱氧，这种方法得到的钢质好）。1. 1.2.炼钢的方法主要有转炉炼钢法，平炉炼钢法，电炉炼钢法和电渣重熔法四种。不同的炼钢方法的工艺不同，但最终结果是：当钢液的成分和温度均达到规定的要求，炉渣流动性良好时，就可出钢浇注。1. 1.3.钢锭组织钢锭表面到心部，依次为细小的等轴晶粒、柱状晶粒和粗大的等轴晶粒组成。根据钢中的含氧量和凝固时放出的一氧化碳的程度，可将钢锭分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。1. 1.3. 1.镇静钢钢液在浇注前用锦铁、硅铁和铝进行充分脱氧，使所含氧量不超过0.01%,以至于钢液在凝固时不析出一氧化碳，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭，称为镇静

9、钢。受压部件所使用的钢必须是镇静钢。1.1. 3. 2,沸腾钢在冶炼末期，钢液仅进行了轻度脱氧，而使得相当数量的氧（0.03%以上）留在钢中，则钢液注入锭模后，钢中的氧会与碳发生化学反应，析出大量的一氧化碳，引起钢液沸腾，称之。其成分偏析大、组织不致密，性能不均匀，冲击韧性低。1. 1.4.钢的加工冶炼成的钢锭，除一部分用于大型锻件、铸件外，大部分要通过轧制（金属在转动的轧辐间借助磨擦力的作用，使得坯料得以连续地进入轧辐而变形，即截面变小和长度增加）、挤压（通过对在压模内的材料进行挤压，使材料按压模出口形状而形成）、锻造（自由锻和模型锻造两种）、拉丝等方法制成型材、板材、管材和线材等，供各部门

10、使用。中厚钢板全是热轧产品，薄板有冷轧和热轧两种。无缝钢管有热轧（或挤压）、也有冷拔和冷轧。型钢轧制所采用的轧辐是带有型槽的轧辐，其中凹入的部分称轧槽，两个轧辐的轧槽合起来称为孔型，钢坯就是经过一系列的孔型而轧成型材的。1.2. 对金属材料性能的要求金属材料至少应具有材料技术条件规定的性能要求（标准要求的性能）、设计用的性能数据（使用性能）以及制造运行要求的性能资料（工艺性能）。这三方面的性能加上经济可行性是选用金属材料钢的依据。1.2.1. 材料技术条件规定的性能金属材料技术条件规定的性能是材料研制与评定时做过大量试验的基础上，结合生产和应用条件提炼出来的。对供货钢材检测这些性能可对钢材质量

11、是否符合元件制造要求做出评估。主要是指化学成分、力学性能、冲击性能、金相组织、工艺性能、成品实物等方面的特性。1.2. 1.1. 化学成分技术条件规定的化学成分包含合金元素（C、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、B、Re,以及含量0.5%的Si、0.75%Mn称之,其决定钢的耐热性和物理性能、力学性能、抗腐蚀性能和工艺性能）、残存元素（质量分数0.30%或更少的Cr Ni、Mo、W、Cu和微量V、Nb、B等，是炼钢时从炉料带入钢中的。有时对保证金属材料用钢的性能有利，但含量高时会使钢的工艺性能变差）和有害元素（H、0、N、P、S、Pb、As、Sn、Bi、Sb、Se等，是炼钢时从炉料或环境介

12、质带入钢中的。其对金属材料钢的塑性、韧性、热强性、工艺性能都有不良影响）。1.2. 1.2.拉力性能金属材料常用金属材料的常规力学性能主要有以下几种：强度（是指金属材料抵抗变形和破坏的能力，工程上金属材料的主要强度性能指标是屈服强度和抗拉强度。钢材的屈强比过高，如。s/ob0.75,对受压元件不利，因为弯管后回弹严重，难以冷校正，而热校又影响热强性，特别是对102类钢）；塑性（断后伸长率和断面收缩率表示，对塑性相同的材料采用不同标距时，其试验值也不相同，在数值上ASME标准规定的是50mm标长33 56 10。采用低合金钢板制作受压元件的国家，在金属材料强度计算标准中均规定了受压元件用钢板必须

13、具有的最小5 5值，各标准并不一样，GB9222规定的是18%。中是表征金属塑性的一个较为真实的指标，为了防止焊接时的层状撕裂，锅筒和大梁用的特厚板厚度方向的力值应高一些）。1.2. 1.3.冲击韧性金属材料抵抗瞬间冲击载荷的能力，一般用摆锤弯曲冲击试验来确定；其很大程度上反应了钢的冶金质量和成品热处理的质量，是材料的强度和塑性的综合表现。金属材料元件设计选材时，不能忽视钢材的冲击韧性。1.2. 1.4.钢管和钢板的工艺性能压扁试验用来模拟受热面和管道弯管工况，同时也可暴露表面检查时不易发现的钢管表面折叠、重皮等缺陷。扩口试验用来模拟胀管工况，但有时还不足以表征胀管所要求的材料特性。钢板冷弯试

14、验用来表征钢板冲压、卷板时的塑性，也可暴露钢板的某些缺陷。1.2. 1.5.金相组织金属材料的显微组织类型、实际晶粒度、表面脱碳、夹杂物等级等，是钢材冶金质量和成品热处理质量的直接反映，并从根本上决定了金属材料的力学性能和工艺性能。显微组织类型：GB5310规定的组织类型是根据组织与热强性能之间的关系制定的。如12Cr2MoWVTiB、12Cr3MoVSiTiB钢管中出现自由铁素体将明显降低持久强度；12CrlMoV的贝氏体或珠光体过少也会降低持久强度；15CrMo.12CrlMoV若出现不完全相变产物将明显降低热强性。实际晶粒度：实际晶粒度的级别差不能过大，否则也会降低热强性。表面脱碳：受热面管的脱碳将明显降低钢管的热强性能。夹杂物等级：级别高也一样地降低热强性能。1.2. 1.6.成品状态钢板、钢管成品表面和内部存在的缺陷可能成为开裂源，须通过适当的无损和表面检测手段进行控制。成品表面的防护涂层、标记对钢材的验收和金属材料元件的制造均有影响，应严格按有关规定执行。1.2. 1.7.探伤对于高温高压及重大结构用钢材，对其进行必要的探伤是控制材料质量是非常重要不可替代的，由于破坏性试验总是在实物上取部分材料来进行试验，以代表该材料的性能，总是有局限性的，而采用探伤的手段对材料进行整体的检查可以对材料全面的进行检查，能够找出存在的缺陷，是否超出标准规定，是检验材