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    化工设备选型知识
    泵阀常用耐腐蚀材料
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        点蚀又称坑蚀和小孔腐蚀。点蚀有大有小,一般情况下,点蚀的深度要比其直径大的多。点蚀经常发生在表面有钝化膜或保护膜的金属上。由于金属材料中存在缺陷、杂质和溶质等的不

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          1 腐蚀的分类及特点

          1.1 点蚀

          点蚀又称坑蚀和小孔腐蚀。点蚀有大有小,一般情况下,点蚀的深度要比其直径大的多。点蚀经常发生在表面有钝化膜或保护膜的金属上。

          由于金属材料中存在缺陷、杂质和溶质等的不均一性,当介质中含有某些活性阴离子(如Cl-)时,这些活性阴离子首先被吸附在金属表面某些点上,从而使金属表面钝化膜发生破坏。一旦这层钝化膜被破坏又缺乏自钝化能力时,金属表面就发生腐蚀。这是因为在金属表面缺陷处易漏出机体金属,使其呈活化状态,而钝化膜处仍为钝态,这样就形成了活性—钝性腐蚀电池,由于阳极面积比阴极面积小得多,阳极电流密度很大,所以腐蚀往深处发展,金属表面很快就被腐蚀成小孔,这种现象被称为点蚀。

          在石油、化工的腐蚀失效类型统计中,点蚀约占20%25%。流动不畅的含活性阴离子的介质中容易形成活性阴离子的积聚和浓缩的条件,促使点蚀的生成。粗糙的表面比光滑的表面更容易发生点蚀。

          PH值降低、温度升高都会增加点蚀的倾向。氧化性金属离子(如Fe3+Cu2+Hg2+等)能促进点蚀的产生。但某些含氧阴离子(如氢氧化物、铬酸盐、硝酸盐和硫酸盐等)能防止点蚀。

          点蚀虽然失重不大,但由于阳极面积很小,所以腐蚀速率很快,严重时可造成设备穿孔,使大量的油、水、气泄漏,有时甚至造成火灾、爆炸等严重事故,危险性很大。点蚀会使晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等加剧,在很多情况下点蚀是这些类型腐蚀的起源。

          1.2 缝隙腐蚀

          在电解液中,金属与金属或金属与非金属表面之间构成狭窄的缝隙,缝隙内有关物质的移动受到了阻滞,形成浓差电池,从而产生局部腐蚀,这种腐蚀被称为缝隙腐蚀。缝隙腐蚀常发生在设备中法兰的连接处,垫圈、衬板、缠绕垫与金属重叠处,它可以在不同的金属和不同的腐蚀介质中出现,从而给生产设备的正常运行造成严重障碍,甚至发生破坏事故。对钛及钛合金来说,缝隙腐蚀是最应关注的腐蚀现象。介质中,氧气浓度增加,缝隙腐蚀量增加;PH值减小,阳极溶解速度增加,缝隙腐蚀量也增加;活性阴离子的浓度增加,缝隙腐蚀敏感性升高。但是,某些含氧阴离子的增加会减小缝隙腐蚀量。

          1.3 应力腐蚀

          材料在特定的腐蚀介质中和在静拉伸应力(包括外加载荷、热应力、冷加工、热加工、焊接等所引起的残余应力,以及裂缝锈蚀产物的楔入应力等)下,所出现的低于强度极限的脆性开裂现象,称为应力腐蚀开裂。

          应力腐蚀开裂是先在金属的腐蚀敏感部位形成微小凹坑,产生细长的裂缝,且裂缝扩展很快,能在短时间内发生严重的破坏。应力腐蚀开裂在石油、化工腐蚀失效类型中所占比例最高,可达50%

          应力腐蚀的产生有两个基本条件:一是材料对介质具有一定的应力腐蚀开裂敏感性;二是存在足够高的拉应力。导致应力腐蚀开裂的应力可以来自工作应力,也可以来自制造过程中产生的残余应力。据统计,在应力腐蚀开裂事故中,由残余应力所引起的占80%以上,而由工作应力引起的则不足20%

          应力腐蚀过程一般可分为三个阶段。第一阶段为孕育期,在这一阶段内,因腐蚀过程局部化和拉应力作用的结果,使裂纹生核;第二阶段为腐蚀裂纹发展时期,当裂纹生核后,在腐蚀介质和金属中拉应力的共同作用下,裂纹扩展;第三阶段中,由于拉应力的局部集中,裂纹急剧生长导致零件的破坏。

          在发生应力腐蚀破裂时,并不发生明显的均匀腐蚀,甚至腐蚀产物极少,有时肉眼也难以发现,因此,应力腐蚀是一种非常危险的破坏。

          一般来说,介质中氯化物浓度的增加,会缩短应力腐蚀开裂所需的时间。不同氯化物的腐蚀作用是按Mg2+Fe3+Ca2+Na1+Li1+等离子的顺序递减的。发生应力腐蚀的温度一般在50300之间。

          防止应力腐蚀应从减少腐蚀和消除拉应力两方面来采取措施。主要是:一要尽量避免使用对应力腐蚀敏感的材料;二在设计设备结构时要力求合理,尽量减少应力集中和积存腐蚀介质;三在加工制造设备时,要注意消除残余应力。

          1.4 腐蚀疲劳

          腐蚀疲劳是在腐蚀介质与循环应力的联合作用下产生的。这种由于腐蚀介质而引起的抗腐蚀疲劳性能的降低,称为腐蚀疲劳。疲劳破坏的应力值低于屈服点,在一定的临界循环应力值(疲劳极限或称疲劳寿命)以上时,才会发生疲劳破坏。而腐蚀疲劳却可能在很低的应力条件下就发生破断,因而它是很危险的。

          影响材料腐蚀疲劳的因素主要有应力交变速度、介质温度、介质成分、材料尺寸、加工和热处理等。增加载荷循环速度、降低介质的PH值或升高介质的温度,都会使腐蚀疲劳强度下降。材料表面的损伤或较低的粗糙度所产生的应力集中,会使疲劳极限下降,从而也会降低疲劳强度。

          1.5 晶间腐蚀

          晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中,沿着材料的晶粒间界受到腐蚀,使晶粒之间丧失结合力的一种局部腐蚀破坏现象。受这种腐蚀的设备或零件,有时从外表看仍是完好光亮,但由于晶粒之间的结合力被破坏,材料几乎丧失了强度,严重者会失去金属声音,轻轻敲击便成为粉末。

          据统计,在石油、化工设备腐蚀失效事故中,晶间腐蚀约占4%9%,主要发生在用轧材焊接的容器及热交换器上。

          一般认为,晶界合金元素的贫化是产生晶间腐蚀的主要原因。通过提高材料的纯度,去除碳、氮、磷和硅等有害微量元素或加入少量稳定化元素(钛、铌),以控制晶界上析出的碳化物及采用适当的热处理制度和适当的加工工艺,可防止晶间腐蚀的产生。

          1.6 均匀腐蚀

          均匀腐蚀是指在与环境接触的整个金属表面上几乎以相同速度进行的腐蚀。在应用耐蚀材料时,应以抗均匀腐蚀作为主要的耐蚀性能依据,在特殊情况下才考虑某些抗局部腐蚀的性能。

          1.7 磨损腐蚀(冲蚀)

          由磨损和腐蚀联合作用而产生的材料破坏过程叫磨损腐蚀。磨损腐蚀可发生在高速流动的流体管道及载有悬浮摩擦颗粒流体的泵、管道等处。有的过流部件,如高压减压阀中的阀瓣(头)和阀座、离心泵的叶轮、风机中的叶片等,在这些部位腐蚀介质的相对流动速度很高,使钝化型耐蚀金属材料表面的钝化膜,因受到过分的机械冲刷作用而不易恢复,腐蚀率会明显加剧,如果腐蚀介质中存在着固相颗粒,会大大加剧磨损腐蚀。

          1.8 氢脆

          金属材料特别是钛材一旦吸氢,就会析出脆性氢化物,使机械强度劣化。在腐蚀介质中,金属因腐蚀反应析出的氢及制造过程中吸收的氢,是金属中氢的主要来源。金属的表面状态对吸氢有明显的影响,研究表明,钛材的研磨表面吸氢量最多,其次为原始表面,而真空退火和酸洗表面最难吸氢。钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。

          

    2 泵阀常用耐蚀材料

     序号                                             

      1   1Cr18Ni9Ti      30418-8B        有机酸、低温低浓度各种酸碱盐

      2   00Cr18Ni9           304L       有机酸、低温低浓度各种酸碱盐,抗晶间腐蚀

      3   0Cr18Ni12Mo2Ti  316M     稀硫酸、磷酸、有机酸,耐蚀性比304

      4   00Cr18Ni12Mo2Ti     316L稀硫酸、磷酸、有机酸,耐蚀性比304好,抗晶间腐蚀

      5   0Cr20Ni25Mo5Cu2     904   有机酸(醋酸、甲酸等)、磷酸、低温稀硫酸和盐酸

      6   00Cr20Ni25Mo5Cu2    904L有机酸(醋酸、甲酸等)、磷酸、低温稀硫酸和盐酸,抗晶间腐蚀

      7  0Cr30Ni42Mo3Cu2    804 因可合金)高温高浓度烧碱和盐及高温40%50%硫酸

      8  0Cr20Ni42Mo3Cu2    824(因可合金)高温高浓度烧碱和盐及高温40%50%硫酸

      9  0Cr24Ni20Mo2Cu3    K合金   60各种浓度的硫酸

     10  0Cr26Ni5Mo2Cu3     CD-4Mcu   稀硫酸、磷酸(可时效硬化耐磨

     11  00Cr25Ni6Mo2        M M-4      硝酸磷肥专用钢

     12  0Cr18Ni5Mo5         N H55     海水

     13  0Cr21Ni32Mo2Cu3    20号合金  稀硫酸(t130,浓度40%左右)

     14  00Cr10Ni20Mo1.5Si6Cu  SS920  浓硫酸(t130,浓度93%98%

     15  0Cr12Ni25Mo3Cu3Si2Ni  941全浓度常温硫酸,特别适用100以下中等浓度(50%左右)硫酸

     16  0Cr30Ni6Mo2Mn1.5P    D合金   稀硫酸(浓度1%1.5%,温度<80

     17  0Cr27Ni31Mo4.5Cu2    28号合金(ZS28)盐酸料浆

     18   0Cr13Ni7Si4S-05       中浓中温硫酸

     19  0Cr17Ni17Si5S-05钢(日本)高浓高温硫酸

     20  00Cr14Ni14Si4         C4全浓度硝酸,特别适用浓硝酸,是目前浓硝酸用钢综合性能最好的铸材

     21  00Ni65Cu28Fe2.5Mn1.5    蒙耐尔合金     非氧化性介质,氢氟酸、氢氧化钠溶液,高温烧碱等

     22  0Ni60Mo22Fe20        哈氏合金 A   硫酸、盐酸、磷酸、醋酸、蚁酸等

     23  0Ni65Mo28Fe5V       哈氏合金B     硫酸、盐酸、磷酸、醋酸、蚁酸等

     24  0Ni60Mo18Fe8Cr17Cu2.5Mn  哈氏合金C    冷硝酸、次氯酸、氢氟酸等

     25  STNiCr202            镍铸铁       高温高浓度烧碱

    26  STSi15                高硅耐蚀铸铁(G)硝酸、铬酸、硫酸等(不含HCl

     27  ZGCr28               高铬铸铁(E)浓硝酸

     28  TA2                 工业纯钛      氧化性腐蚀介质

     29  TiAl6V4               TC4                  氧化性腐蚀介质

     30  TiMo32              32钼合金    氧化性及还原性腐蚀介质等

     31  TiPd0.2          钛钯合金       氧化性腐蚀介质,抗缝隙腐蚀能力强,对还原性酸有一定的耐蚀能力

     32  TiMo0.3Ni0.8     钛钼镍合金与TiPd0.2相近,价格较TiPd0.2

     33  TiTa5            钛钽合金热      浓硝酸及合成树脂等强腐蚀介质

     

    3 常见世界各国标准代号或牌号表

     标准代号或牌号  国家(地区)或标准化机构  标准代号或牌号    国家(地区)或标准化机构

    GB        中国国家标准              AWS          美国焊接学会

    JB         中国机械工业部标准        BS              英国

    H/HG/HGJ   中国化工部标准           COPANT      泛美技术标准委员会

    YB         国冶金工业部标准          CSA      加拿大标准协会

    ZB          中国专业标准             DIN      德国标准化学会

    TQ     机械电子工业部通用机械行业内部标准   ECISS   欧洲钢铁标准化委员会

    ACI美国合金铸造学会FED美国

    AECMA欧洲航天设备制造商协会GOST(前)苏联

    AFNOR法国标准化协会IS印度

    AIR法国航空部标准化局ISO国际标准化组织

    AISI美国钢铁学会JIS日本

    AMS美国航天航空材料技术规范MIL美国军用规范与标准

    ANSI美国国家标准学会NBS美国国家标准局

    API美国石油学会NF法国

    AS澳大利亚SABS南非标准局

    ASME美国机械工程师学会SAE美国汽车工程师协会

    ASTM美国材料与试验协会UNI意大利全国标准协会

     

        4 常见金属材料的力学性能名称、代号、单位和涵义

          指标单位涵义说明

          名称符号

          弹性指标弹性

          模量EN/mm2金属在弹性范围内,外力和变形成比例地增长,即应力与应变成正比例关系时(符合虎克定理),这个比例系数就称为弹性模量,根据应力,应变的性质通常又分为:弹性模量和切变模量,弹性模量的大小,相当于引起物体单位变形时所需应力之大小,是衡量材料刚度的指标,弹性模量愈大,刚度也愈大。

          切变模量GN/mm2

          弹性极限σeN/mm2    这是表示金属最大弹性的指标,即在弹性变形阶段,试样不产生塑性变形时所能承受的最大应力

          强度性能指标抗拉

          强度σbN/mm2指外力是拉力时的强度极限,它是衡量金属材料强度的主要性能指标

          抗弯强度σbb或σwN/mm2指外力是弯曲力时的强度极限

          抗压强度σbc或σyN/mm2    指外力是压力时的强度极限,压缩试验主要适用于低塑性材料,如铸铁、塑料等

          抗剪强度τN/mm2指外力是剪切力时的强度极限

          抗扭强度τbN/mm2    指外力是扭转力时的强度极限

          屈服点σsN/mm2金属承受载荷时,当载荷不再增加,但金属本身的变形却继续增加的现象称为屈服,产生屈服现象时的应力叫屈服点

          屈服强度σ0.2N/mm2    金属发生屈服现象时,为便于测量,通常按其产生永久残余变形量等于试样原长0.2%时的应力,作为屈服强度

          持久强度σb /hN/mm2    

          指金属在一定的高温条件下,经过规定时间发生断裂时的应力,一般所指的持久强度,是指在一定温度下,试样经十万小时后的破断强度

          蠕变极限σ%/hN/mm2   

          金属在高温环境下,即使所受应力小于屈服点,也会随着时间的增长而缓慢地产生永久变形,这种现象叫做蠕变,在一定的温度下经一定的时间,金属的蠕变速度仍不超过规定的数值,此时所能承受的最大应力,称为蠕变极限

          硬度性能指标布氏硬度HBS HBWN/mm2   

          用淬硬小钢球或硬质合金球压入金属表面,以其压痕面积除加压在钢球上的载荷,所得之商,即为金属的布氏硬度数值。使用钢球测定硬度≤450HBS;使用硬质合金球测定硬度>450HBW

         洛氏硬度CHRC无量钢   

          1471N载荷,将顶角为120°的圆锥形金刚石的压头,压入金属表面,取其压痕的深度来计算硬度的大小,即为金属的HRC硬度,HRC用来测量HB=230~700的金属材料,主要用于测定淬火钢及较硬的金属材料

          AHRA    指用588.4N载荷和顶角为120°的圆锥形金刚石的压头所测定出来的硬度,一般用来测定硬度很高或硬而薄的金属材料,如碳化物、硬质合金或表面处理过的零件

          BHRB    指用980.7N载荷和直径为1.59mm(即1/16in)的淬硬钢球所测得的硬度。主要用于测定HB=60~230这一类较软的金属材料,如退火钢、铜、铝等

          维氏 硬度HVN/mm249.03~980.7N以内的载荷,将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压入金属的表面,以其压痕面积除载荷所得之商,即为维氏硬度值,HV只适用于测定很薄(0.3~0.5mm)的金属材料,或厚度为0.03~0.05mm的零件表面硬化层的硬度,测定的数值比较准确

          肖氏硬度HSC HSDH(回跳高度)   

          利用一定重量(2.5g)的钢球或金刚石球,自一定的高度(一般为254mm)落下撞击金属后,球又回跳到某一高度h,此高度为肖氏硬度值,其优点是在金属表面上不留下伤痕,缺点是测定值不够准确

          塑性指标伸长率

          L0=5d

          L0=10dδ

           δ5

          δ10%金属受外力作用被拉断以后,在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分数,称为伸长率。根据试样长度的不同,通常用符号δ5或δ10来表示;δ5是试样标距长度为其直径5倍时的伸长率,δ10是试样标距长度为其直径10倍时的伸长率

         断面 收缩率ψ%   

         金属受外力作用被拉断以后,其横截面的缩小量与原来横截面积相比的百分数,称为断面收缩率。δ、ψ的数值愈高,表明这种材料的塑性愈好,易于进行压力加工

                

         韧性指标冲击韧度aKU aKVJ/m2 kJ/m2冲击韧度是评定金属材料于动载荷下承受冲击抗力的力学性能指标,通常都是以大能量的一次冲击值作为标准的。试验结果,以冲断试样上所消耗的功与断口处横截面积之比值大小来衡量。由于aK值的大小不仅取决于材料本身,还随试样尺寸、形状的改变及试验温度的不同而变化,因而aK值只是一个相对指标

         冲击 吸收功AKU AKVJ

         疲劳性能指标疲劳极限σ-1

         σ-1nN/mm2金属材料在交变负荷的作用下,经过无限次应力循环而不致引起断裂的最大循环应力,称为疲劳极限。σ-1—表示光滑试样的对称弯曲疲劳极限,σ-1n—表示缺口试样的对称弯曲疲劳极限

         按我国国家标准,一般钢铁材料采用107循环次数而不断裂的最大应力来确定其疲劳极限,对于有色金属材料,则规定应力循环次数在108或更多周次,才能确定其疲劳极限

         断裂韧度性能指标平面应变断裂韧度K1cN/mm1.5断裂韧度是衡量金属材料在裂纹存在的情况下抵抗脆性开裂能力的指标,它是现代断裂力学在分析高强度材料使用过程中,发生一系列技术事故的基础上而提出的一个新的重要的力学性能指标。根据材料的断裂韧度和用无损探伤方法确定的内部缺陷存在的情况,可以预知零件在工作过程中有无脆性断裂的危险,从而采取合金化与热处理等措施,以满足使用性能的要求。

         断裂韧度是强度和塑性的综合指标,它是在裂纹试样上测得的,主要适用于高强度材料或服役条件有可能促使零件脆断的场合的普通强度材料。对一般机械零件,当断面尺寸不是太大,破坏形式主要是韧性断裂时,仍可沿用传统的五大力学性能指标,无须提出断裂韧度的指标

         条件断裂韧度KQN/mm1.5

         5 钢铁材料中主要元素及其对组织和性能的影响

         元素符号对 响对         

         Al缩小γ相区,形成γ相圈;在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为36%0.6%,不形成碳化物,但与氮及氧亲和力极强主要用来脱氧和细化晶粒。在渗碳钢中促使形成坚硬耐蚀的渗碳层。含量高时,赋予钢高温抗氧化及耐氧化性介质、H2S气体的腐蚀作用。固溶强化作用大。在耐热合金中,与镍形成γ′相(Ni3Al),从而提高其热强性。有促使石墨化倾向,对淬透性影响不显著

          As缩小γ相区,形成γ相圈,作用与磷相似,在钢中偏析严重含量不超过0.2%时,对钢的一般力学性能影响不大,但增加回火脆性敏感性

          B缩小γ相区,但因形成Fe2B,不形成γ相圈。在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为0.008%0.02%   

          微量硼在晶界上阻抑铁素体晶核的形成,从而延长奥氏体的孕育期,提高钢的淬透性。但随钢中碳含量的增加,此种作用逐渐减弱以至完全消失

          C扩大γ相区,但因渗碳体的形成,不能无限固溶。在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为0.02%2.1%   

          随含量的增加,提高钢的硬度和强度,但降低其塑性和韧性

          Co无限固溶于γ铁,在α铁中的溶解度为76%。非碳化物形成元素有固溶强化作用,赋予钢红硬性,改善钢的高温性能和抗氧化及耐蚀的能力,为超硬高速钢及高温合金的重要合金化元素。提高钢的MS点,降低钢的淬透性

          Cr缩小γ相区,形成γ相圈,在α铁中无限固溶,在γ铁中的最大溶解度为12.5%,中等碳化物形成元素,随铬含量的增加,可形成(FeCr3C,(Cr Fe7C3,(Cr Fe23C6等碳化物   

           增加钢的淬透性并有二次硬化作用,提高高碳钢的耐磨性。含量超过12%时,使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用,并增加钢的热强性。为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金化元素。含量高时,易发生σ和475脆性

           Cu     扩大γ相区,但不无限固溶;在α铁及γ铁中的最大溶解度分别约2%8.5%。在724700时,在α铁中的溶解度剧降至0.68%0.52%

           当含量超过0.75%时,经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。含量低时,其作用与镍相似,但较弱。含量较高时,对热变形加工不利,如超过0.30%,在氧化气氛中加热,由于选择性氧化作用,在表面将形成一富铜层,在高温熔化并侵蚀钢表面层的晶粒边界,在热变形加工时导致高温铜脆现象。如钢中同时含有超过铜含量1/3的镍,则可避免此种铜脆的发生,如用于铸钢件则无上述弊病。在低碳低合金钢中,特别与磷同时存在时,可提高钢的抗大气腐蚀性能。Cu2%3%在奥氏体不锈钢中可提高其对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性

         H扩大γ相区,在奥氏体中的溶解度远大于在铁素体中的溶解度;而在铁素体中的溶解度也随温度的下降而剧减   

         氢易使钢产生白点等不允许有的缺陷,也是导致焊缝热影响区中发生冷裂的重要因素。因此,应采取一切可能的措施降低钢中的氢含量

         Mn   扩大γ相区,形成无限固溶体。对铁素体及奥氏体均有较强的固溶强化作用。为弱碳化物形成元素,进入渗碳体替代部分铁原子,形成合金渗碳体与硫形成熔点较高的MnS,可防止因FeS而导致的热脆现象。降低钢的下临界点,增加奥氏体冷却时的过冷度,细化珠光体组织以改善其机械性能,为低合金钢的重要合金化元素之一,并为无镍及少镍奥氏体钢的主要奥氏体化元素。提高钢的淬透性的作用强,但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向

          Mo缩小γ相区,形成γ相圈,在α铁及γ铁中的最大溶解度分别约4%37.5%。强碳化物形成元素阻抑奥氏体到珠光体转变的能力最强,从而提高钢的淬透性,并为贝氏体高强度钢的重要合金化元素之一。含量约0.5%时,能降低或抑止其他合金元素导致的回火脆性。在较高回火温度下,形成弥漫分布的特殊碳化物,有二次硬化作用。提高钢的热强性和蠕变强度,含Mo2%3%能增加耐蚀钢抗有机酸及还原性介质腐蚀的能力

          N扩大γ相区,但由于形成氮化铁而不能无限固溶;在α铁及γ铁中的最大溶解度分别约0.1%2.8%。不形成碳化物,氮与钢中其他合金元素形成氮化物,如TiNVNAlN

         有固溶强化和提高淬透性的作用,但均不太显著。由于氮化物在晶界上析出,提高晶界高温强度,从而增加钢的蠕变强度。在奥氏体钢中,可以取代一部分镍。与钢中其他元素化合,有沉淀硬化作用;对钢抗腐蚀性能的影响不显著,但钢表面渗氮后,不仅增加其硬度和耐磨性能,也显著改善其抗蚀性。在低碳钢中,残余氮会导致时效脆性

          Nb   缩小γ相区,但由于拉氏相NbFe2的形成而不形成γ相圈;在α铁及γ铁中的最大溶解度分别约为1.8%2.0%。强碳化物及氮化物形成元素 

          部分元素进入固溶体,固溶强化作用很强。固溶于奥氏体时,显著提高钢的淬透性;但以碳化物及氧化物微细颗粒形态存在时,却细化晶粒并降低钢的淬透性。增加钢的回火稳定性,有二次硬化作用。微量铌可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下,提高钢的强度。由于细化晶粒的作用,提高钢的冲击韧性并降低其脆性转折温度。当含量大于碳含量的8倍时,几乎可以固定钢中所有的碳,使钢具有很好的抗氢性能;在奥氏体钢中,可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。由于固定钢中的碳和沉淀硬化作用,可以提高热强钢的高温性能,如蠕变强度等

         Ni    扩大γ相区,形成无限固溶体,在α铁中的最大溶解度约10%。不形成碳化物   

         固溶强化及提高淬透性的作用中等。细化铁素体晶粒,在强度相同的条件下,提高钢的塑性和韧性,特别是低温韧性。为主要奥氏体形成元素并改善钢的耐蚀性能。与铬、钼等联合使用,提高钢的热强性和耐蚀性,为热强钢及奥氏体不锈耐酸钢的主要合金元素之一

         O缩小γ相区,但由于氧化铁的形成,不形成γ相圈;在α铁及γ铁中的最大溶解度分别约为0.03%0.003%固溶于钢中的数量极少,所以对钢性能的影响并不显著。超过溶解度部分的氧以各种夹杂的形式存在,对钢塑性及韧性不利

         P缩小γ相区,形成γ相圈;在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为2.8%0.25%。不形成碳化物,但含量高时易形成Fe3P   

         固溶强化及冷作硬化作用极强;与铜联合使用,提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能,但降低其冷冲压性能。与硫锰联合使用,增加钢的被切削性。在钢中偏析严重。增加钢的回火脆性及冷脆敏感性

         Pb    基本上不溶于钢中含量在0.2%左右并以极微小的颗粒存在时,能在不显著影响其他性能的前提下,改善钢的被切削性

         RE   包括元素周期表ⅢB族中镧系元素及钇和钪,共17个元素。它们都缩小γ相区,除镧外,都由于中间化合物的形成而不形成γ相圈;它们在铁中的溶解度都很低,如铈和钕的溶解度都不超过0.5%。它们在钢中,半数以上进入碳化物中,小部分进入夹杂物中,其余部分存在于固溶体中。它们和氧、硫、磷、氮、氢的亲和力很强,和砷、锑、铅、铋、锡等也都能形成熔点较高的化合物

         有脱气、脱硫和消除其他有害杂质的作用。还改善夹杂物的形态和分布,改善钢的铸态组织,从而提高钢的质量。0.2%的稀土加入量可以提高钢的抗氧化性、高温强度及蠕变强度;也可以较大幅度地提高不锈耐酸钢的耐蚀性

          S  缩小γ相区,因有FeS的形成,未能形成γ相圈。在铁中溶解度很小,主要以硫化物的形式存在提高硫和锰的含量,可以改善钢的被切削性。在钢中偏析严重,恶化钢的质量。如以熔点较低的FeS的形式存在时,将导致钢的热脆现象。为了防止因硫导致的热脆应有足够的锰,使形成熔点较高的MnS。硫含量偏高,焊接时由于SO2的产生,将在焊缝金属内形成气孔和疏松

         Si缩小γ相区,形成γ相圈;在α铁及γ铁中的溶解度分别为18.5%2.15%。不形成碳化物为常用的脱氧剂。对铁素体的固溶强化作用仅次于磷,提高钢的电阻率,降低磁滞损耗,对磁导率也有所改善,为硅钢片的主要合金化元素。提高钢的淬透性和抗回火性,对钢的综合力学性能,特别是弹性极限有利。还可增强钢在自然条件下的耐蚀性。为弹簧钢和低合金高强度钢中常用的合金元素。含量较高时,对钢的焊接性不利,因焊接时飞溅较严重,有损焊缝质量,并易导致冷脆;对中高碳钢回火时易产生石墨化

        Ti   缩小γ相区,形成γ相圈;在α铁及γ铁中的最大溶解度分别约为7%0.75%,系最强的碳化物形成元素,与氮的亲和力也极强固溶状态时,固溶强化作用极强,但同时降低固溶体的韧性。固溶于奥氏体中提高钢淬透性的作用很强,但化合钛,由于其细微颗粒形成新相的晶核从而促进奥氏体分解,降低钢的淬透性。提高钢的回火稳定性,并有二次硬化作用。含量高时析出弥散分布的拉氏相TiFe2,而产生时效强化作用。提高耐热钢的抗氧化性和热强性,如蠕变和持久强度。在高镍含铝合金中形成γ′相〔Ni3AlTi)〕,弥散析出,提高合金的热强性,有防止和减轻不锈耐酸钢晶间和应力腐蚀的作用。由于细化晶粒和固定碳,对钢的焊接性有利

         V    缩小γ相区,形成γ相圈;在α铁中无限固溶,在γ铁中的最大溶解度约1.35%。强碳化物及氮化物形成元素 

         固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性;但以化合物状态存在的钒,由于这类化合物的细小颗粒形成新相的晶核,将降低钢的淬透性。增加钢的回火稳定性并有强烈的二次硬化作用。有细化晶粒作用,所以对低温冲击韧度有利。碳化钒是金属碳化物中最硬最耐磨的,可提高工具钢的使用寿命。钒通过细小碳化物颗粒的弥散分布可以提高钢的蠕变和持久强度。钒、碳含量比大于5.7时可防止或减轻介质对不锈耐酸钢的晶间腐蚀,并大大提高钢抗高温高压氢腐蚀的能力,但对钢高温抗氧化不利

         W   缩小γ相区,形成γ相圈,在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为33%3.2%。强碳化物形成元素,碳化钨硬而耐磨含钨高有二次硬化作用,以及增加耐磨性。其对钢淬透性、回火稳定性、力学性能及热强性的影响均与钼相似,但按重量的百分数比较,其作用较钼为弱。对钢抗氧化性不利

        Zr缩小γ相区,形成γ相圈,在α铁及γ铁中的最大溶解度分别约为0.3%0.7%。强碳化物及氮化物形成元素,其作用仅次于钛   

         在钢中的一些作用与铌、钛、钒相似。小量的锆有脱气、净化和细化晶粒的作用,对钢的低温韧性有利,并可消除时效现象,改善钢的冲压性能

          6 钢铁产品中常用化学元素名称和符号

                元素名称符号元素名称符号元素名称符号元素名称符号

                FeAlCsSe

                MnNbBaTe

                GrTaLaAs

                NiLiCeS

                CoBeSmP

                CuMgAcN

                WZrBO

                MoSnCH

                VPbSi混合稀土RE

         TiBi①混合稀土元素有的采用RReXt表示。新标准已统一为RE

        金属材料的热处理

                淬火

                C)将金属或其制品加热到给定温度,并保温一定时间,然后快速冷却(常在水、油中冷却),称为淬火。一般经淬火处理后硬度大大增加,但塑性降低。

                回火   

                将经过淬火的金属重新加热到给定温度,并保温一定时间后进行冷却的工艺叫回火。其目的是消除淬火所产生的内应力,降低硬度和脆性,获得所需要的机械性能(高温回火也叫调质)。

                正火   

                将金属加热到一定的温度,并保温一定时间,然后在空气中冷却,这种工艺叫正火。正火可以细化组织,消除内应力,改善机械性能和切削加工性能。

                退火

                M   

                将金属加热到一定的温度,并保温一定时间,然后缓慢冷却,这种工艺叫退火。退火可消除内应力,降低硬度和脆性,增加塑性,改善切削加工性能。

                时效   

                金属或其制品在热处理或铸造、锻造等加工后,在室温下(自然时效)或较高温度(人工时效)下搁置较长时间的一种热处理。其作用是消除内应力,稳定组织、强化机械性能。

                渗碳    将碳渗入金属件表面层,以增加其淬火后硬度的化学热处理工艺叫渗碳。经渗碳及淬火处理后,零件具有表面硬度高,心部韧性好的性能。

                渗氮

                (氮化)将氮渗入金属件表面层,以增加其硬度,耐磨性和抗腐蚀性的化学热处理工艺叫渗氮。一般是把已调质处理并加工好的零件放在含氮的介质中(常用氮气),在500~540下保持相当长的时间(几十小时),使介质分解渗入零件表面层。

                氰化    将碳和氮同时渗入金属表面以增加其表面硬度、耐磨性和疲劳强度的化学热处理工艺叫氰化。

                固溶    将合金加热到高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却,以得到过饱和固溶体的工艺。

                热等

                静压

                HIP    将有内部缺陷(如气孔、缩孔等)的金属制品放在高温高压设备中,使其缺陷弥合消除并提高材料密度的工艺。


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