元素在金属中的作用

元素在金属中的作用

2009-05-21 15:26:16| 分类：大学自习室|字号订阅

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化学成分对钢性能的影响

.2.2．耐腐蚀性能(化学性能)

金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。

腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的

安全。事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。

石油化工生产过程中所处理的物料大多数是对金属材料有腐蚀的物质，因此材料对介

质的抗腐蚀性就成了选择材料的重要依据。

◆材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生;

◆选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效等等。

应力腐蚀：

材料在腐蚀与应力的同时作用下产生的腐蚀。它只发生于一些特定的“材料－环境”体系，如“奥氏体不锈钢－Cl－”，“碳钢－NO3－”，当然还必须存在应力（外力、或焊接、冷加工

等产生的残余应力）

均匀腐蚀：是由于空气中的氧或其它条件在金属表面进行全面腐蚀而产生可溶性盐，

随着时间的延长，壁厚则减少。

1.2.3物理性能

材料的物理性能主要是指：

密度ρ(kg/m3)、导热系数、比热、熔点Tm(℃)、线膨胀系数、弹性模量E、比重

1.2.4.制造工艺性能

材料的制造工艺性能也是影响材料选择的一个重要因素，主要有：

1)切削加工性能：它是反映金属及合金进行冷机械切削加工难易程度的一个指标。

常用金属材料的切削加工性能：铝合金及镁合金>铜合金>一般铸铁>碳素钢>合金钢>

奥氏体不锈钢。

2)可铸性：它是指液体金属在铸造过程中的流动性和凝固时的收缩性以及产生铸造缺

陷的倾向性。常用的金属材料中铸铁的铸造性较好，而铸钢的铸造性则较差，合金钢的铸造性更差。

3)可锻性：它是指金属材料通过锻造等压力加工方式而成形的能力。一般情况下，金

属材料的可锻性包括其塑性变形抗力、金属固态流动性、对模具的摩擦力、对氧化起皮的抗力、热裂倾向等性能。脆性材料无可锻性。

4)可焊性：它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能。良好的焊接接头是指不易产生焊接缺陷如裂纹、气孔、夹杂等，且焊接接头的机械性能接近母材的焊接接头。焊接是压力管道中最常用的连接方式之一，因此可焊性也是影响材料选用的一个重要因素。

5)热处理性能：金属的热处理性能是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等。

1.2.5材料的经济性

材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别

的显著标志。选材的原则：

设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。

对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。

对于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平较高时，或者应用条件比较缓和时，

就不必再提出许多超出制造标准要求的附加检验项目，较多的附加检查试验要求是不经济的。

对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长

避短，物尽其用。

温度对金属材料性能的影晌

金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。了解这些变化，对于

确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。实际的工程实践也证明，温度条件是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度条件是确定选材的决定条件。

1.3.1金属材料在高温下的性能变化

1）材料的蠕变及应力松弛

材料的蠕变：

Fe203氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560℃以下工作。

※一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下(如烧焦时)才可能这样做。常用材料的抗氧化极限温度列于表1-2。

常用金属材料的抗氧化极限温度

钢材牌号抗氧化极限温度℃

碳素钢≤560

12CrMo ≤590

15CrMo ≤590

1Cr5Mo ≤650

0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti ≤850

0Cr17Ni12Mo2 、0Cr25Ni20 ≤1100

1.3.2金属材料在低温下的性能变化

在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性〈冲击功〉来衡量，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性(冲击功)的限制。

1.4 常见元素对金属材料性能的影晌

应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于黑色金属材料的基本元素是铁(Fe)，所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。

1.4.1常用碳素钢中各元素对其性能的影响

压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25～0.45%的亚共析钢。

碳素钢中，其主要影响元素是碳(C)。除此之外，尚有硅(Si)、硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素

a. 碳(C)在碳素钢中的作用