常用材料的性能及应用范围

公司常用原材料的种类、性能和应用范围

一、钢材的基础知识

1、钢材的化学成分：钢材的化学成分主要包括以下几种：C Si Mn Mo Cr Ni V Ti W Nb Cu Al P S，专门用途的钢材，在牌号前部加上代表该钢用途的代号。也有在钢材牌号后面加上A、E 等符号，这里的A、E不是钢材的化学元素符号，而是代表另外一种用途的钢种。例如：0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo

2、1Cr5Mo、35CrMoA、Y1Cr17。

2、钢材的机械性能（力学性能）：钢材的机械性能常用的主要有以下几种：抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击值、布氏硬度、铬氏硬度、维氏硬度。

a）抗拉强度：在用金属试样作拉伸试验时，在试样要拉断前所承受的最大负荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强度，用“σb”表示，单位为“MPa”。

b）屈服强度：材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象称为屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点、屈服强度或屈服极限，用“σS”表示，单位“MPa”在进行阀门设计时，抗拉强度和屈服强度是选择阀门主要部件材料的主要依据。

c）延伸率：金属材料在作拉伸试验时，试样拉断后，其标距部分的总伸长△L与原标距长度L0之比的百分比，称为伸长率或延伸率，用“δ”表示。

d）断面收缩率：金属材料在拉断后，其缩径处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比，称为断面收缩率，作“ψ”表示。延伸率和断面收缩率是检验金属材料塑性的主要依据。延伸率或断面收缩率太小，材料就成了脆性材料，如铸铁。

e）冲击韧性：用一定尺寸和形状的试样，在规定类型的试验机上，用大能量一次冲击，将冲断试样所消耗的功A k除以缺口处的断面积Fo，即为冲击韧性，用“A k”表示，单位为J/cm2。

f）布氏硬度、铬氏硬度、维氏硬度是三种不同的检验钢材硬度的的方法，单位分别为“HB”、“HRC”、“HV”。他们互相之间有一定的换算关系，同时他们与材料的抗拉强度也有一定的换算关系。

材料的机械性能除上面讲过的以外还有其他的几种如：（强度方面）疲劳极限、持久极限、

蠕变极限；（塑性方面）冷弯性能、压扁试验；（韧性）应变时效冲击敏感性、脆性转变温度；（脆性）低温冷脆、应变时效脆性、回火脆性；（刚度）弹性模量E等。特别是在高温情况下使用的材料，这些性能就更为重要。

3、金属材料的腐蚀性能:

腐蚀的类型主要有: 点蚀：金属表面产生点状腐蚀，并从表面向内部扩展，形成孔穴。选择性腐蚀：金属中某些组分不按其在合金中所占的比例进行反应所发生的合金腐蚀。晶间腐蚀：沿着或紧挨着金属的晶粒边界发生的腐蚀。应力腐蚀：由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用所产生的材料破坏过程。龟裂：金属表面产生的网状细裂纹。氢脆：由于吸氢使金属的韧性和延伸性降低的过程。氢脆有时导致断裂。氢蚀：高温下（200℃以上）氢和钢中的渗碳体（Fe3C）发生还原作用生成甲烷导致沿金属晶界腐蚀的现象。

4、金属材料的金相组织状态：奥氏体：是碳在γ-Fe中的固溶体。在合金钢中则是碳和合金元素溶液于γ-Fe中所形成的固溶体。以大写字母A表示。铁素体：碳在α-Fe中的固溶体，通常以大写字母F表示。铁素体的性质接近纯铁，塑性、韧性高，强度低。渗碳体：铁和碳的化合物，用Fe3C表示，含碳量为6.69%其性能硬而脆,几乎没有塑性。殊光体：由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织，按片间距的大小，分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，以大写字母P、S、T表示。珠光体中的渗碳体呈粒状分布在铁素体基体上的组织，称为粒状珠光体。马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是钢通过淬火使奥氏体过冷到M S点以下转变而成的，用大写字母M表示。马氏体具有高硬度、但较脆、淬火后可使钢得到强化，低碳马氏体则具有高的硬度和韧性的良好的综合机械性能。贝氏体：奥氏体过冷到中温区间转变而成的产物，组织是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。根据形成温度的高低分上贝氏体和下贝氏体。下贝氏体有较好的机械性能。

5、金属材料的热处理：

将固态金属或合金，在一定介质中加热，保温和冷却，以改变其整体或表面的组织状况（金相组织），从而获得所需性能的工艺过程，称为热处理。

重结晶：固态金属及合金，在加热或冷却通过临界点时，金属内部结构从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象儿为重结晶。

过热：金属或合金在热加工时，由于温度过高，晶粒长的很大，致使性能显著降低的现象，称为过热。过热的材料可以通过热处理的方法使其恢复。

过烧：金属或合金加热温度达到固相线附近时，发生晶界开始部分熔化或氧化的现象，称为过烧。过烧的金属或合金不能通过热处理的方法使其恢复。

时效：合金经固溶处理或冷变形后，性能随时间而变化的现象，称为时效。由固溶处理所引起的时效称为热时效或淬火时效，而由冷变形所引起的时效称为应变时效或机械时效。

退火：把钢加热到临界点（A c1或A c3）或再结晶温度以上，保温硬度时间，然后缓慢冷却，使组织达到接近平衡状态的热处理过程，称为退火。退火又可分为完全退火、去应力退火、再结晶退火等。

正火：将钢加热到A c3（或A cm）以上30~50℃，保温后在空气中冷却，得到珠光体型组织的热处理操作过程称为正火。正火主要用于碳钢与低合金钢，细化晶粒，改善组织，提高其机械性能。

回火：钢淬火后为了消除残余应力及获得所需的组织性能，把以淬火的钢重新加热到A C1以下温度，保温后机械冷却的热处理工艺，称为回火。回火又分低温回火、中温回、高应回火。低温回火：回火后钢有较高的硬度和较好的耐磨性。（200~300℃），中温回火：回火后钢有足够的硬度和较高的弹性强度并保持一定的韧性。（400~600℃），高温回火：回火后钢既有较高的强度和硬度又有较好的韧性。（600℃以上）。

调质：淬火加高温回火（获得索氏体组织）获得强度和韧性相配合的综合机械性能。

固溶处理：将合金加热到高温单相区，经过充分的保温，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过程。固溶处理改善了金属的塑性和韧性，并为进一步沉淀硬化处理准备条件。

沉淀硬化：从过饱和固溶体中析出弥散的碳化物或金属化合物等第二相而引起的硬化现象，称为沉淀硬化。金属经过固溶处理后加热到480~630℃保温一小时空冷，或获得HB900~1150状态的马氏体组织。

6、按金相组织区分的合金钢、不锈钢、耐热钢金属材料类型：珠光体型、马氏体型、铁素体型、奥氏体型、铁素体-奥氏体型、沉淀硬化型。

二、常用优质碳素钢

（一）20、20g、20G、20R号钢：20号钢是使用较多的低碳钢，也是优质碳素钢。主要用途是制作各种高压管件、水冷排等。焊接性能优良，因此广泛用于需要焊接的管件制作上。对于20号钢根据其用途的不同，可分为20、20g、20G、20R等几种，这四种材料的化学成份没用太大的区别，但是其机械性能有较大的区别。因此对这几种钢的冶炼方法，检验方法及热处理都有不同的要求。

（二）25、35、45号钢：25、35、45号钢是比较常用的优质碳素钢，按其含碳量的多少可知，25号钢为低碳钢，而35、45号钢为中碳钢。使用25号钢作碳钢高压阀门的阀体，具有优良的

工艺性能，焊接性好，通过正火又可以得到较好的综合机械性能，完全满足阀门设计的需要。35、45号钢用来作阀体、法兰、螺栓、螺母、各种管件等。

三、常用低合金结构钢16Mn：具有低合金结构钢的特性，具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，冷冲压及切削性能好。广泛应用于石油化工设备。主要用来制作中、低压管件。

四、常用合金结构钢和耐热钢：具有良好的淬透性又有较高的强度、塑性和韧性，还具有一系列特殊的力学性能和物理性能，如抗蠕变和持久破断能力、抗松驰性、抗氧化性和介质腐蚀性能、组织稳定性等。这类钢与高合金钢相比，有冷热加工工艺性能优越，在工作条件范围内，力学性能高，属于比较经济的材料。

（一）常用合金结构钢40Cr、35CrMo：

40Cr是机械制造业常用的钢种，此钢具有良好的淬透性，有较高的疲劳强度。主要是作中低压阀门的阀杆。40Cr钢的焊接性能较差，有形成裂缝的倾向。如必须焊接要制定焊接工艺规范，焊前要预热，焊后要进行热处理。40Cr钢可进行正火、调质等各种形式的热处理，热处理的温度不同，可以得到所需的各种不同的机械性能。

25CrMo钢是常用的紧固件用合钢结构钢，在淬火高温回火后有很好的综合机械性能。此钢调质后有良好的抗松弛性、持久塑性和组织稳定性；有较高的疲劳极限和抗冲击的能力；在高温（550℃）条件下亦有较高的强度，因此该钢也是较常用的紧固件用耐热钢；此钢的低温韧性良好。常用此钢制造480℃以下使用的双头螺栓、510℃以下的螺母及温度低于400℃条件下工作的法兰、盲板等。

（二）常用耐热钢15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo、10MoWVNb、12SiMoVNb：

在高温条件下工作的部件用钢称为耐热钢。耐热钢通常应具备两种性能：一种是能在高温下长期工作而不致因介质的侵蚀导致破坏，即高温化学稳定性，适应这种性能的称为热稳定钢；另一种是在高温下仍具有较高的强度，在受载下不产生大的变形和破断，称为热强钢。可见，耐热钢应具备抗氧化性及高温力学性能。耐热钢不但在常温下有较好的机械性能，而且在高温工作条件下也要有较好的机械性能。因此，耐热钢除了具有常温用钢材的机械性能外，还应具备在高温条件下能正常工作所需的机械性能。选择含碳量低的钢或在钢中加入能形成稳定性高的碳化物的合金元素，如铬、钼、钨、钛、铌等是提高钢的抗氢腐蚀的主要措施。

12Cr1MoV钢有很好的高温力学性能，钢的组织稳定，在540℃条件下长期运行有很高的持久强度、蠕变强度和抗氧化性能。我国引进了美国标准TP304H（1Cr18Ni9）、TP347H等奥氏体热强钢，其性能更优于12Cr1MoV钢。该种钢材在电站用阀门、管件上还在广泛使用。

10MoWVNb与12SiMoVNb是我国自主研发的抗氢钢新钢种。这两种钢主要用于中置式锅炉系统有关设备，三十万吨合成氨装置开工加热炉，氨合成塔内件。炼油，石油化工加热炉及废热锅炉炉管等600~650℃以下耐热用钢；这些设备的管线、阀门、管件等均在高压（32MPa），中温（400℃），高温（600~650℃）氢、氮、氨介质条件下工作，不仅要求钢材有一定的综合机械性能，而且要求具有良好的耐氢、氮、氨腐蚀，抗中、高温的耐热强度，同时还要求加工制造和焊接性能好等。12SiMoVNb主要是用在中置锅炉（400℃），PN32MPa的加氢装置中，作抗氢钢使用。12SiMoVNb还具有较好的加工性能，可进行煨弯、锻造、车削、气割、机械加工、等各种加工形式，工艺性好。

常用美标低合金耐热钢：经常遇到的美标低合金耐热钢是F11、F12、F21、F22这几种型号，他们与国产12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo、有相同的方面，比如都是低合金耐热钢，都具有优良的工艺性能，焊接性好。在高温下工作有一定的热强性和抗氧化性。但是二者又不完全相同，美标低合金耐热钢的铬含量高于国产钢12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV，低于1Cr5Mo。

五、常用的不锈钢：

不锈钢的耐腐蚀性能，一般认为是由于在腐蚀介质中的作用下其表面形成了“钝化膜”的结果，而耐腐蚀的能力则取决于“钝化膜”的稳定性。这除了与不锈钢的化学成分有关外，还与腐蚀介质的种类、浓度、温度、压力、流动速度以及其他因素有关。不锈钢的种类很多，按照我国国家标准GB/T13304—91《钢分类》以及国际上通用的分类方法是按钢的金相组织划分，分为5类即：马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等五种。下面分别介绍我公司常用不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、0Cr18Ni9Ti、

1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti、00Cr17Ni14Mo2、0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Mn14Mo2N 、00Cr22Ni5Mo3N 等。

（一）马氏体不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13

具有良好的淬火性能、较高的韧性和冷变形性，通过淬火和高温回火可以得到优良的综合机械性能。有良好的耐蚀性；在淡水、蒸汽、湿大气条件下有足够的抗锈性和耐蚀性。这三种钢被

广泛用于阀门制造业，1Cr13钢热处理后，主要用来制造要求韧性较高、承受冲击载荷的零件，如水压机阀、紧固件等；2Cr13用的最多，它可以用作各种高压阀门的阀杆，高、中、低压阀门的阀瓣，阀座。如我公司生产的合成氨高压截止阀，抗氢钢截止阀等，阀杆全是2Cr13，他不但强度高，而且在425℃的温度下仍有较好的强度和耐腐蚀性；3Cr13主要用来制造要求强度较高的结构件，如螺栓、阀门阀瓣、阀座等。

（二）奥氏体不锈钢：奥氏体型不锈钢分为铬镍钢和铬锰钢两大类。

1、18-8型奥氏体不锈耐酸钢：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti都是典型的18-8型奥氏体不锈耐酸钢。与之为一个种族的还有

1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti 等。18-8型钢具有较好的抗晶间腐蚀性能，优良的耐腐蚀性能和冷加工冲压性能。对硝酸有很强的抗腐蚀性；对碱溶液及大部分有机酸和无机酸都有一定的抗腐蚀能力。1Cr18Ni9Ti常用作酸容器和耐酸设备的衬里、输送管道，如氮肥工业用的吸收塔、热交换器等。我公司生产的各种耐酸、碱的阀门中，阀体材料以“P”为标志的都是以这两种材料为主。

2、18-12型奥氏体不锈耐酸钢0Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti

在化肥行业，最早使用在尿素管路中的不锈耐酸钢就是0Cr18Ni12Mo2Ti，被化肥行业通称为Mo2Ti钢，随着不锈耐酸钢材料的发展，后来逐渐有了00Cr17Ni14Mo2，用以取代了

0Cr18Ni12Mo2Ti。到现在随着国外材料的引进化肥厂生产效益的不断提高，人们越来越追求更加优良的钢种用于尿素生产设备，于是又出现了316L和尿素级不锈钢316LMod、25-22-2等等。

3、超低碳不锈钢00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni14Mo3

这两种钢是广泛应用的超低碳不锈耐酸钢，对各种无机酸、有机酸、碱、盐类（如来硫酸、硫酸、磷酸、醋酸、甲酸、氯盐、卤素、来、亚硫酸盐）均有良好的耐蚀性，由于含碳低，因此晶间腐蚀倾向比0Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti钢小，有优良的焊接性能，适合于多层焊接，焊后无刀口腐蚀倾向。是制造合成纤维、石油化工、纺织、化肥、印染及原子能后处理等工业设备的重要耐蚀钢材料。00Cr17Ni14Mo2在我公司应用较多，主要是用来制造尿素装置用高压阀门和各种尿素装置用高压管件。它在尿素及甲胺液介质中的耐腐蚀性远高于0Cr18Ni12Mo2Ti。同时也用来制作尿塔衬里等。

（三）双相不锈钢

双相不锈钢是在其金相组织中即有奥氏体组织，也有铁素体组织的钢，如果以奥氏体为基体，则铁素体组织约占15%~50%；如果以铁素体为基体，则奥氏体组织约15%~50%即可称为双相不锈

钢。双相不锈钢即具有奥氏体钢的特点，又具有铁素体钢的特点，近些年来随着煤化工的发展，双相不锈钢的开发与使用越来越广泛。双相不锈钢如果以铬含量的多少来进行分类的话，可分为18%Cr系、22%Cr系、25%Cr系和28%Cr系。在双相不锈钢组织中，铬、钼、硅等铁素体元素浓缩在α相中，而镍、锰、碳和氮等奥氏体稳定元素浓缩在γ相中。

1、双相不锈钢有以下特点：

a、含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物腐蚀的性能。

b、含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能，相当于316L的耐孔蚀性能。含25%Cr的双相不锈钢的耐孔蚀性能超过316L。

c、双相不锈钢具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。

d、双相不锈钢具有良好的综合力学性能。有较高的持久强度和耐疲劳性能，其屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。经固溶处理后的双相不锈钢的延伸率达到25%、韧性值在100J以上。

e、双相不锈钢可焊性良好，热裂倾向小。一般焊前不需预热，可与碳钢及其他奥氏体钢异种焊接。

f、含低铬（18%Cr）的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小。

j、与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小。

h、有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300℃的工作条件下使用。

2、国产双相不锈钢

a、0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti（22%Cr系）这两种不锈钢都是我国为代替1Cr18Ni9Ti钢而设计的。他们比1Cr18Ni9T有更优良的机械性能，特别是强度高，广泛用于化学工业，食品工业和航空工业。这种钢我公司还没使用过，不作进一步介绍。

b、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、0Cr17Mn14Mo2N（18%Cr系）这两种不锈钢是以Mn、N代Ni的双相不锈钢，具有良好的耐蚀性能，并有良好的机械性能和工艺性能，他们在制造丙烯腈和尿素等工业设备中用来代替0Cr18Ni12Mo2Ti、00Cr17Ni14Mo2具有良好的耐蚀性能。如在全循环法生产尿素的合成塔内件、蒸发器、甲铵泵等使用1Cr18Mn10Ni5Mo3N取得良好的效果。他们可以代替18-8型不锈钢使用。其中0Cr17Mn14Mo2N钢也称A4钢。近些年该钢在化工系统，特别在尿素生产设备（如合成塔、高压分离器等）上得到进一步利用。0Cr17Mn14Mo2N（A4钢）的晶间腐蚀试验采用T法,即硫酸铜加硫酸加铜屑法。650℃敏化处理时间为30分钟至一小时。此钢在适当的工艺条件下有良好的可焊性。

c、00Cr22Ni5Mo3N等仿美标准生产的双相不锈钢：这些双相不锈钢是我国仿照美国标准生产的钢种，其化学成分与机械性能及热处理与美国标准的双相不锈钢相同。

d、国产双相不锈钢的热处理及机械性能

00Cr22Ni5Mo3N等仿美标产品，大量用在煤气化工程中。由于国际上石油不断长价，因此我国好多企业利用我国煤碳资源丰富的特点，煤改油变成了油改煤。引进英国壳牌公司的技术，利用煤碳资源制造合成氨和生产甲醇。煤碳在粉碎、升温变成粉沫（粉煤灰）的过程中产生大量的H2S气体，对金属的腐蚀性十分严重。而双相不锈钢是耐H2S腐蚀的最好材料，同时其强度又比奥氏体不锈钢高，适应这种生产环境。因此被大量采用制造煤气化工程中的各种管件，阀门等。我公司2004~2006年曾为中国石化集团、柳化、洞氮化肥厂等多家企业设计制造双相不锈钢截止阀、球阀等。其中十英寸大口径双相不锈钢球阀为我公司独创。

沉淀硬化型不锈钢：0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH，S17400）是一种具备不锈钢特有的耐蚀性外，还可以通过进行时效处理（使钢中的碳化物沉淀析出），从而达到提高强度实现沉淀硬化的高强度不锈钢。沉淀硬化不锈钢分为马氏体系沉淀硬化不锈钢、半奥氏体系沉淀硬化不锈钢、奥氏体系沉淀硬化不锈钢、铁素体系沉淀硬化不锈钢、和奥氏体-铁素体系沉淀硬化不锈钢。我国钢材标准GB/T1220—1992中以经列入的这类钢有马氏体型0Cr17Ni4Cu4Nb、半奥氏体型

0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr17Ni7Al三种沉淀硬化不锈钢，此钢具有易强化又耐腐蚀的性能。

六、美国标准不锈钢简介

随着经济的发展和引进技术的增加，化工行业引进了大量的外国先进工艺和设备，有的成套引进外国设备，而这些外国设备中，使用的阀门、管件等产品，大量使用美国标准材料，其中我们大家比样熟悉的材料有304、304L、316、316L、316L Mod等等。美国钢铁牌号表示方法较多，但我们常见的主要是ASTM（美国试验和材料学会）表示方法。

1、奥氏体型不锈耐酸钢316L、316LMod

这两种钢都是为高压尿素工艺生产的需要而生产的特种不锈钢，由于工艺条件的强腐蚀性和腐蚀机制的复杂性，因此在开发316L的基础上调整了铬、镍、钼的含量并添加了氮后形成了316LMod 尿素级不锈钢。对于316LMod除了化学成分及金相组织（铁素体含量最高为0.6%）有了更严格的限制以外，对其晶间腐蚀试验的取样方法和试验方法以及合格标准（最大腐蚀率为0.60mm/a）都有了比316L更严格的限制。

2、尿素级不锈钢的新钢种UNS N031050、U1、U2，（通常称为25/22/2）

尿素级316LMod 在尿素合成塔液相介质中使用多年后，仍存在晶间腐蚀的现象，这是因为316LMod 焊缝中存在少量铁素体，使其发生选择性腐蚀。同时316LMod 还存在缝隙腐蚀、点蚀、应力腐蚀等局部腐蚀形式。UNS N031050是高合金奥氏体钢，具有较强的耐腐蚀性。

我国钢铁研究总院也研制了与UNS N031050同一类型的钢种U1钢和U2钢，在尿素合成介质中，能使腐蚀率减小一半，国内尿素高压设备己逐渐采用，明显改善材料的抗晶间腐蚀的能力。这几种钢与316LMod相比，主要是含碳量明显减少，硫、磷含量控制更加严格，同时铬、镍含量明显提高。从而使其耐腐蚀性得到进一步提高。目前这两种钢还在试验阶段，相信很快就会得到大量的应用。