钢材基础知识

第二部分:钢材与钢管的基础知识
一、钢的分类
1、碳钢是含碳量不超过 2.06%的铁碳合金，按其含碳量可分为三大类：低碳钢，C < 0.25%；中碳钢，C：0.3%～0.55%；高碳钢，C > 0.60%。

2、碳可有限地固溶于铁中，随着温度的下降，其溶解度也相应降低，铁与碳可形成Fe
3C、Fe
2
C、
FeC、，以Fe
3C化合物为主（Fe
3
C为渗碳体）。

3、碳素钢中的含碳量等于0.8%时称为共析钢，组织为片状珠光体；含碳量为0.02%～0.8%（小于0.8%）时称为亚共析钢，组织为铁素体+片状珠光体；含碳量为0.8%～2.0%（大于0.8%）时称为过共析钢，组织为片状珠光体+网状分布的二次渗碳体。

4、公司用的管线钢均为低碳微合金钢，其显著的特点就是低碳（含碳量一般都小于0.1%），添加了微量的合金元素，常见的为Nb、V、Ti、Cr、Ni、Cu等。

组织为铁素体+珠光体，晶粒度一般在9级或9级以上。

二、钢中微量元素的性质
1、锰，常在炼钢时作为脱氧剂而残留于钢中，其锰含量必须保持在0.35%～0.8%范围内，能形成含锰的铁素体，有一定的强化作用，属有益元素。

2、硅，硅的脱氧作用比锰更为强烈，能有效地清除FeO夹杂物，硅在铁中的固溶度较大，能显著地强化铁素体，含量一般在0.17%～0.35%范围内，属有益元素。

3、硫，硫是一种有害元素，与铁形成FeS夹杂物，易出现热脆现象。

在钢中增加锰含量，可以在与在FeS而形成的MnS以克服硫的热脆性。

硫在钢中含量越少越好。

4、磷，磷在钢中也是一种有害元素，因磷偏析易造成冷脆缺陷。

但适当加入磷可改善其切削性能，磷在钢中的含量希望越少越好。

5、氧，氧在钢中易形成Fe
3O
4
、FeO、MnO、Mn
3
O
4
、SiO
2
、Al
2
O
3
等塑性较差的夹杂物，影响钢的
机械性能，氧在钢中也是一种有害元素。

6、氮，氮在铁素体中固溶体较低，能使钢的强度、硬度上升而塑性和韧性下降，在冶炼过程中加入Al、Ti进行脱氮处理，以形成AlN及TiN等夹杂物，便可消除钢的的时效倾向。

7、氢，氢在钢中也是一种有害元素，易引起氢脆、白点等缺陷。

8、碳，碳元素能提高钢材的强度，但碳含量过高将影响钢材的韧性和塑性，另外，它还将影响到焊接性能。

因此，在管线钢中，总希望碳越低越好。

当需要提高钢材的强度时，一般以增加锰含量来实现，或改变微量元素的组合来达到。

三、钢的热处理：
1、热处理——热处理，就是将金属成材或零件加热到低于溶点的一定温度，并将此温度保持一段时间，然后冷却至一定温度的工艺过程。

热处理过程一般都要经过加热——保温——冷却三个阶段。

2、熔点——物质由固态变为液态时的温度，称为熔点。

钢的熔点为1400～1500℃。

3、退火——把钢加热到临界点（钢加热和冷却时发生相变的温度叫临界点和监界温度）或再结晶温度以上，并保温一段时间，然后以小于在静止空气中的冷却速度进行缓冷的一种热处理操作，称为退火。

退火的目的是:a、降低硬度，提高塑性，以便于切削加工或压力加工；b、减少残余应力；c、使成分均匀化；d、细化晶粒，提高钢的力学性能。

4、正火——把钢加热到上临界点以上40℃～60℃或更高的温度，保温一段时间，达到组织的完全奥氏体化和均匀化，然后出炉，并在自然流动的空气中冷却的操作工艺称为正火。

5、淬火——把钢加热到一定温度并保温一定时间，然后将其急速冷却的工艺操作称为淬火。

淬火的目的是：把奥氏体化后的钢材全部变成马氏体，配合回火工序，获得所需综合力学性能。

改善特殊性能钢的某些物理化学性能。

6、钢铁的化学热处理：a、以碳作为主要元素渗入钢材表面，称为渗碳处理；b、碳氮元素同时渗入钢材表面，称为碳、氮共渗；c、以氮作为主要元素渗入钢材表面，称为渗氮处理，又称氮化处理；d、以其它元素渗入钢材表面，如渗硼、渗铬、渗钒、渗硫等。

四、钢的组织：
1、奥氏体---奥氏体是碳和其他元素溶解在Fe中的固溶体。

奥氏体具有面心立方晶格、塑性好，一般在高温下存在。

2、铁素体——铁素体是碳和其他元素溶解在a-Fe中固溶体。

铁素体具有体心立方晶格，含量极少，其性能与纯铁极为相似，也叫纯铁体。

a、块状铁素体：在显微镜下呈现亮白色，有清晰可见的边界，其外形不太规则，内部偶尔可见若干铁素体岛；b、针状铁素体：衬度明显较块状铁素体暗，不少针状铁素体基体上可见点状、粒状、杆状小岛，若小岛为M/A时呈亮黄色，小
岛为珠光体产物时呈暗色，有些针状铁素体并无明显的岛，但仍依稀可见板条轮廓，针状铁素体的边界不太清晰；c、一般地，能称为针状铁素体钢的，其针状铁素体量≥50%，珠光体量<5%，否则不应称为针状铁素体钢，而只能称之为铁素体钢。

3、珠光体----珠光体是铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。

因其显微组织有指纹状的珍珠光泽而行名。

珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并有良好的塑性和韧性。

珠光体组织在铁素体钢中呈灰褐色或黑色。

4、索氏体——索氏体也称细珠光体，属珠光体类组织。

是奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合体，其层片比珠光体细，仅在高倍显微镜下才能辨别出来。

它硬度、强度都较珠光体高，但冲击韧性、塑性较低。

5、贝氏休——贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物，又分为上贝氏体和下贝氏体。

下贝氏体性能优于上贝氏体。

上贝氏体以羽毛状出现，它强度低，脆性大；下贝氏体以竹叶状出现，它强度和韧性都比较高。

6、马氏体——马氏体通常是指碳在a-Fe中过饱和固溶体。

钢中马氏体的硬度随含碳量的增加而提高。

高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。

无论含碳多少，马氏体都是奥氏体转变产物中硬度最高的。

马氏体一般为板条状，竹叶状或隐针马氏体出现，与魏氏体组织相似。

7、带状组织——铁素体和珠光体沿加工方向平行分布的条带组织（铁素体成带）。

带状组织使钢的力学性能呈各向异性，顺加工方向的性能提高，垂直加工方向的韧性、塑性降低。

8、奥氏体—A，铁素体—F、块状铁素体—PF、针状铁素体—AF、魏氏铁素体—WF，珠光体—P，索氏体—S，贝氏休—B，马氏体—M。

9、一般地，埋弧焊的焊接接头的组织包括：焊缝组织（针状铁素体+先共析铁素体）、过热区组织（贝氏体+铁素体+珠光体，呈魏氏组织形态）、正火区组织（铁素体+珠光体）、不完全正火区组织（铁素体+珠光体）、母材组织（铁素体+珠光体）。

10、严重的魏氏组织采用一般的正火处理是较难消除的，可采用退火处理或经锻造后选用合适的冷却速度进行冷却，以使基本得到块状分布的片状珠光体和块、网状分布的铁素体。

一般来说，魏氏组织将降低钢材的机械性能，但经试验表明，具有不严重的魏氏组织，将使钢的强度增加，而使低温冲击韧性有所下降。

过热区组织呈魏氏组织形态出现，它是因为组织受热长大
而导致低温冲击韧性有所下降。

五、钢中的夹杂物：
1、硫化物：在明场下是灰色，暗场下为透明，呈点状或条状；锰能形成硫化锰，当硫化锰外形光滑时，说明其可塑性能较好，但以带状分布的夹杂时将严重地破坏基体金属的连接性，从而降低钢的塑性和强度，尤其是当它分布于材料的锐角处，则更容易导致开裂。

2、氧化物：明场下是深灰色，呈点状或条状；氧化铝夹杂呈条状或线状形态出现，韧性较低，容易引起钢材开裂。

球状氧化物夹杂，一般以氧化锰出现较多，因其以球状出现，故对钢材的影响不是非常明显。

3、硅酸盐：明场下为黑色（类似于珠光体），呈球状或条状；大块的硅酸盐存在，将明显地影响材料的机械性能，但能减弱因硫引起的热脆性。

锰能形成硅酸锰夹杂，在偏振光下呈玫瑰色。

4、氮化物：明场略带金黄色，暗场为透明，呈几何形状出现。

六、管材缺陷：（SY/T6445-2000石油管材常见缺陷术语）
1、发裂：轧制金属内经轧制或其他方式加工后或多或少闭合起来，但未被压合的缝隙。

裂纹：应力引起的金属开裂，一般为尖锐开裂。

2、夹杂：金属凝固过程中残留在其内部的杂质或非金属颗粒。

夹渣：焊后残留在焊缝中的焊渣。

3、分层：通常平行于金属表面的内部层状分离。

折叠：经过轧制或采用其他方式加工的金属沿着轧制金属表面折叠起来起来，但并未被熔合成完好金属。

重皮：轧入基体金属表面，通常只有一端与基体金属相连的极薄的金属长条。

4、错边：焊缝处板边的径向错位。

咬边：由于焊接参数选择不当，或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。

焊偏：内焊道和（或）外焊道的中心线与焊接侧边接合界产生偏离（不对中）状态。

当偏离足够大时，可能造成未焊透。

5、未熔合：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分。

未焊透：焊接时接头根部未完全深透的现象。