钢制阀门常用主体材料.pdf

文章编号 100225855 2004 0320015202 作者简介郑云海1944 - ,沈阳市人,高级工程师,从事阀门开发与制造技术和技术与质量管理工作。 钢制阀门常用主体材料 郑云海,于国良 沈阳阀门研究所,辽宁 沈阳 110025 摘要 介绍了适用于各种不同工况条件的钢制阀门主体材料常用的普通碳钢、普通低温钢、 铬钼高温钢和奥氏体不锈钢等钢种所适用的标准。在简单介绍各类钢种的主要性能及其化学元素 对材料的性能影响的基础上,对各类钢种又分别以铸件、锻件、板材和管材等4种材料类型对其 化学成分和力学性能等进行了分析和比较。 关键词 钢制阀门;壳体;标准;材料 中图分类号 TG65 文献标识码 A Common main body material for steel valve ZHENG Yun2hai , YU Guo2liang Shenyang Valve Research Institute , Shenyang Liaoning 110025 , China Abstract Introduces the applicable standards for many steel grades such as common carbon steel , common low temperature steel , chrome2molybdenum high temperature steel and austenitic steel as common main body material for steel valve used for different kindsof working conditions. On the basis of brief introduction of main properties of the steel grades and affect of chemical elements on the mate2 rial , the chemical composition and mechanics properties are both an alyzed and compared separately by 4 kinds of material types such as casting , forging , plate and pipe. Key words steel valve ; shell body; standard; material 1 概述 阀门广泛应用于石油、化工、冶金、电力和矿 山等领域,是控制流体通断、节流和改变压力的主 要装置。应用于输送高温、高压、低温和腐蚀性介 质等高参数工况条件下的阀门主体材料主要以钢制 为主。因而适用不同工况条件下钢制阀门主体材料 的选用,将直接影响阀门使用的安全可靠性和使用 寿命,是阀门质量的关键因素之一。这样,在阀门 开发设计时合理地选用阀门主体材料而适用于特定 的工况条件就显得极其重要了。 2 钢制阀门主体材料的种类 211 按适用工况条件分类 现行国内外钢制阀门常用的主体材料按工况条 件主要分为4大类,即普通碳钢WCB、WCC 等、普通低温钢LCB、LC2、LC3等、高温钢 WC6、WC9、ZG15Cr1MoG等 、不锈钢CF8、 CF8M、304、316等。 212按材料成型工艺形式分类 一般情况下采用铸件的形式较多。但由于有些 工况条件要求不允许采用铸件或采用其他类毛坯更 为合理等情况下,便应根据具体情况选用锻件、锻 焊或板焊等结构,就需要采用铸件的变形合金。其 变形合金与铸件的性能要求一般相同,但其化学成 分略有差别,其原因是在保证性能的前提下,铸件 需要有较好的铸造性能,其他的变形合金材料应有 较好的塑性以便加工。阀门主体材料的变形合金主 要有锻件、板材和管材。这样按材料的成型工艺不 同,其主体材料又可分为铸件、锻件、板材和管材 4大类。 本文主要按适用工况条件分类原则,同时对每 类材料又分为铸件、锻件、板材和管材进行归纳、 分析和介绍。国外主要以ASME B16134所涉及的 512004年第3期 阀 门 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 材料为代表,国内由于还没有一个完整的阀门用材 料体系,以GB/ T 9124所涉及的材料为基础。 3 钢制阀门主体材料的力学性能 由于阀门属于承压装置,主体承压件需要有良 好的力学性能,不仅要求有足够的强度和硬度,同 时还应具有良好的塑性和韧性。 311 强度 材料的强度主要是指材料的抗拉强度σb和屈 服强度σs,可由拉伸试验测得。 1抗拉强度σb代表金属材料能承受最大均匀 塑性变形的应力。 由于材料破坏是在大量的塑性变 形之后发生的,所以抗拉强度σb除直观地代表抵抗 破坏的抗力的大小之外,更确切地说它是代表材料 抵抗大量塑性变形的抗力大小。 2屈服强度σs代表金属材料抵抗微量塑性变 形的应力,也就是屈服极限或屈服点,是阀门设计及 所有机械设计力学性能的临界点。 312 塑性 金属材料在破断前的塑性变形能力的大小称其 为塑性。 材料的塑性用材料的延伸率δ和断面收 缩率ψ两个指标来表示。 延伸率δ和断面收缩 率ψ的数值可由式1和2确定。 δ L1- L0 L0 1001 ψ F0-Fη F0 1002 式中 L0 拉伸试样原始标距长度, mm L1 拉伸试样破断后标距间的长度, mm F0 拉伸试样原始截面积, mm2 Fη 拉伸试样破断处截面积, mm2 式中各数值可由拉伸试验测得。因此,在测定 金属材料的强度指标时,同时可以测得它们的塑性 指标。 313 硬度 材料的硬度是代表金属材料对塑性变形抵抗力 的大小。一般情况下硬度的大小和抗拉强度σb成 正比,是材料克服最大塑性变形的一个指标,对阀 门的密封性起至关重要的作用。有硬度要求时,可 在拉抻试验前在拉伸试样的夹紧端进行。生产上常 用的有布氏硬度HB和洛氏硬度HRC两种, 阀门主体材料一般采用布氏硬度。对于碳钢和一般 合金钢来讲,材料硬度与抗拉强度有近似关系。当 HB≤175时,σb 316HB。当HB 175时,σb 315HB ,即HB 013σb 314 韧性 强度、塑性和硬度是材料在静载荷下的力学性 能指标,而韧性是表示材料抵抗冲击抗力的指标。 当阀门所处的工况条件经常受到冲击载荷的作用或 有抗震要求时,就不能只用金属材料在静载荷作用 下的性能指标来衡量材料的冲击抗力,而且还应采 用韧性这一指标。韧性是代表材料在破断前在单位 体积内所能吸收的能量的大小,同时冲击载荷不仅 是力的作用,还有作用时的速度问题,所以冲击载 荷是一个能量载荷。衡量该指标一般采用冲击值 或 V 形缺口冲击功 , 用α K J/ cm2或AKV J表示。零件对冲击载荷的抗力不单是材料的冲 击值,重要是取决于体积的大小,这一点与静载荷 的指标是有区别的,在受冲击载荷的情况下应对它 引起重视。 金属材料的强度、塑性、硬度和韧性4个力学 性能指标,真正独立的是强度和塑性,前者表示材 料的塑性变形抗力和破断抗力,后者则表示材料的 塑性变形能力,硬度则是强度的另一种表达方式, 而韧性则受强度和塑性二者的综合影响。因此,通 常在鉴别材料力学性能时,总是以强度和塑性作为 最主要的指标。 4 碳素钢 相比之下,在钢制阀门主体材料中,由于碳钢 的价格低廉,同时在许多场合下碳钢的各项性能指 标可以满足工况条件的要求碳钢可以适用温度为 - 29～425℃的无腐蚀或弱腐蚀性介质的工况条 件 , 因此被广泛采用。 411 碳钢的化学成分 1 C C是重要元素, 对钢的金相组织和力 学性能起重要作用。按C的含量可将碳钢分为共 析钢C 0180 、亚共析钢C 0180 3类。在通常情况下, 共析钢的组织为珠光体,亚共析钢为铁素体加珠光 体,过共析钢为二次渗碳体加珠光体。阀门主体材 料 为亚共析钢类。在该类碳钢中,随着含碳量的 增加,组织中珠光体的数量随之增加,钢的强度 σb和σs和硬度HB上升,而塑性δ、ψ 和韧性αK指标下降。 2 Mn Mn具有很强的脱氧能力, 能够清 除钢中的FeO ,可以和S形成MnS ,这样将大大 提高钢的品质,特别是降低钢的脆性,改善钢的热 61 阀 门 2004年第3期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 加工性能。同时Mn能够溶于Fe ,形成含锰铁素 体,对钢有一定的强化作用。Mn对碳钢的性能有 良好的影响,是一种有益元素。 3 Si Si的脱氧性比Mn好, 能消除FeO夹 渣对钢的不良影响。同时Si大部分溶于铁素体中, 可提高钢的强度。 4 S S在铁中几乎不能溶解而与铁形成化 合物FeS , FeS与Fe形成低熔点的共晶体而产生 热脆性。因此,钢中的S越少越好。但S具有改善 钢材切削加工性能的有利的一面。 5 P 在钢中有C存在时, P在α 2Fe 相中的 溶解度急剧下降,这样会在组织中析出脆性很大的 化合物Fe3P ,使钢在常温下硬度提高,脆性增大。 但P在切削加工中具有断屑性,改善切削加工性能。 在碳钢中还有Cu、Ni、Cr、Mo和N等残留 元素,对钢材的性能产生影响。 412 铸件 由于阀门属于承压装置,因此对材料的质量要 求要高一些,国内外一般都制定了用于阀门主体材 料的碳钢铸件标准。国际上常用的为ASTM A216/ A216M中的WCA、WCB、WCC ,其牌号的基本 含义是 W表示可焊接的, C表示为铸造的, A、 B、C则表示碳素铸钢的强度等级,其中A为较低 强度的, B为中等强度的, C为较高强度的。一般 最常用的为中等强度的WCB牌号的可焊接的碳素 铸钢。当强度要求较高时,应采用WCC ,因为 WCC中的Mn的含量较高,对钢的强化作用提高, σ s值也随之提高。 我国在90年代以前,碳钢阀门铸件的主体材 料一般采用GB 979中的ZG25II。GB 12229289将 ASTM A216/ A216M转化为我国阀门铸钢件标准 并沿用A216中的材料代号后,已逐步取代了 GB 979中的ZG25II ,另外还有部分企业曾使用过 GB 11352中 的ZG 2302450代 替GB 979中 的 ZG25II ,但目前均已不再使用。其主要原因是 WCA、WCB和WCC强调的可焊性和高温时的强 度。碳钢阀门的工况条件一般温度较高,而且有的 与管路的连接方式采用焊接,因此不能将其视为一 般工程用碳钢铸件。GB 11352289的标题是一般 工程用碳钢铸件, ZG2302450强调的是屈服强度 ≥230MPa和抗拉强度 ≥450MPa ,其指标也低于 WCB。而GB 979中的ZG25II的化学成分与WCB 有一定的差别,其力学性能的各项指标σb 、 σ s、 δ和ψ、可焊性和高温性能等都不如WCB。 我国G B 12229289中的WCA、WCB、WCC与美 国ASTM A216/ A216M中的WCA、WCB、WCC的 主要化学成分和力学性能要求是相同的,只是残留 元素中的Cu、Cr和Mo等略有不同表 1 。 表1 WCA、WCB、WCC化学成分及力学性能 钢号 化 学 成 分 / CMnPSSi 残留元素 CuNiCrMoV总和 力 学 性 能 抗拉强度 σb / MPa 屈服强 度σs / MPa 延伸率 δ / 断面收 缩率ψ / WCA012501700104 010450160013001 50 0150015001 40 012001 25 0103110 415～585 415 2052435 WCB013011000104 010450160013001 50 0150015001 40 012001 25 0103110 485～655 485 2502235 WCC012511200104 010450160013001 50 0150015001 40 012001 25 0103110 485～655 485 2752235 注① 表中括号内数据为GB 12229与ASTM A216规定有差异时GB 12229的数据。 ②WCA级允许的最大含碳量每减少0101 ,最大含锰量可增加0104 ,直至最大含量达1128 。 ③WCB级A216标准中允许的最大含碳量每减少0101 ,最大含锰可增加0104 ,直至最大含量达1128 。 ④WCC级允许的最大含碳量每减少0101 ,最大含锰可增加0104 ,直至最大含量达1140 。 ⑤ 表中数据除特殊规定范围外,化学成分为最大值,力学性能为最小值。以后各表相同。 413 锻件 ASTM A105为适用于阀门主体材料的碳钢锻 件标准。标准中对材料的化学成分和力学性能进行 了规定表2 ,同时还对钢材的冶炼方法,制造 要求、热处理方式和化学成分及力学性能的执行标 准都作出了规定。在原API 6D第21版- 1994以 前的标准中,制定了材料的选用规范,碳钢阀门主 体锻件还推荐有ASTM A181/ A181M中的CrI等 级现60级别和CrII等级现70级别 , 2002 年API 6D第22版对材料选择没有单独规定,而 采用ASME B16134中的材料。 我国根据需要也制定了适用于阀门主体材料要 求的碳钢锻件标准。其常用的有GB 12228289和 JB4726294。 但这2个标准的内容和结构完全不 712004年第3期 阀 门 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 表2 ASTM A105锻件化学成分及力学性能 化 学 成 分 / 力 学 性 能 CMnPSSiCuNiCrMoVNb 抗拉强度 σb / MPa 屈服强度 σs / MPa 延伸率 δ / 断面收缩率 ψ / 硬度 HB /≤ 01350160～11050104010501350140014001300112010301024852502230187 注① 允许在规定的最大含碳量每减少0101 ,最大含锰量可增加0106 ,直至最大含量达1135 。 ②Cu、Ni、Cr和Mo的含量总和不应超过1100 ,Cr和Mo的含量总和不应超过0132 。 ③ 经供需双方商定V或Nb或两者可分别增加至0110 和0105 。 同。GB 12228实际是阀门用碳钢锻件的验收技术 条件,对锻件的锻造、热处理、化学成分和力学性 能的检验方法和试验规则等都作出了具体规定。但 其材料牌号和数据是引用GB 699标准的牌号和数 据。在GB 699中共列出了31种碳钢材料,阀门经 常使用的有20、25、30和30Mn ,与ASTM A105 最接近的应是30Mn。当公称压力和强度要求较低 时可选用20和25 ,较高时可选用30和30Mn。而 JB 4726压力容器用碳钢和低合金钢标准中列出的 11种材料只有20和35为碳钢,其余9种为低合 金钢。其中的20可用于阀门,有些标准中也推荐 16Mn和15MnV等低合金钢代替碳钢锻件使用也 是可以的。因为在性能上是以高代低。在2个标准 中,同种牌号钢的化学成分和性能略有差别。如对 P和S的含量,在JB 4726中的要求是不变的。而 GB 699中是按钢的质量级别优质钢、高级优质 钢和特级优质钢的不同,对P和S的要求不同。 另外对锻件的检测要求2个标准也有所不同。如 GB 12228对无损检测没有提出明确的要求,而对 低倍组织提出检验要求,并规定如供方能保证低倍 组织合格,允许采用GB/ T 7736标准规定的超声 探伤等无损检测方法代替低倍组织检查。JB 4726 则规定锻件要进行超声波检验。合同有要求时还应 进行磁粉或渗透检验等。同时其力学性能要求也略 有不同表 3 。 表3 国内阀门主体常用碳钢锻件材料化学成分及力学性能 牌号标准 化 学 成 分 / 力 学 性 能 CSiMnCrPSNiCu σb / MPa σs / MPa δ5 / ψ / AKV /J 20 GB 12228 0117～0123 0117～0137 0135～0165 0125①①013001254102452555 JB 47260117～0124 0117～0137 0135～0165 012501035 0103501250125370～5202152427 25GB 12228 0122～0129 0117～0137 0150～0180 0125①①01300125450275235071 30GB 12228 0127～0134 0117～0137 0150～0180 0125①①01300125490295215063 30MnGB 12228 0127～0134 0117～0137 0170～1100 0125①①01300125540315204563 16MnJB 47260112～0120 0120～0160 1120～1160 013001035 0103501300125450～6002751934 注①GB 12228中的材料的化学成分引用GB 699 ,P和S的含量因钢的级别优质钢、 高级优质钢、 特殊优质钢不同而不同。按依次顺序 P分别为不大于01035 、01030 和01025 ,S分别不大于01035 、01030 和01020 。如为高级优质钢,在牌号后面加 “A”,特级 优质钢在牌号后面加 “E” 。 ②JB 4726标准规定锻件分为4级,对力学性能和无损检测要求不同,详见标准表4规定。 414 板材 ASTM A515/ A515M是适用于阀门主体材料 的中温和高温用碳素钢钢板标准,在该标准中规定 了4种不同强度的钢板,即55 380级、60 415级、65 450级和70 485级。其级别 的设定是按钢板的抗拉强度给定的。其单位是英制 的ksi klb/ in. 2 ,括号内的数字为公制单位的 MPa。为保证钢板的力学性能要求,钢板的厚度不 同,规定了不同的热处理方式和最大的含碳量,其 他的化学成分要求是相同的表 4 。 表4 ASTM A515/ A515M碳素钢钢板化学成分及拉伸性能 钢板等级 ksiMPa 化 学 成 分 / C ≤25mm25～50mm 50～100mm MnPSSi 拉 伸 性 能 σb / MPa σs / MPa δ/ 200mm标距50mm标距 55380 012001220124019801035010350113～0145380～5152052327 60415 012401270129019801035010350113～0145415～5502202125 65450 012801310133019801035010350113～0145450～5852401923 70485 013101330135113001035010350113～0145485～6202601721 注① 表中的化学成分为成品分析数据,Mn与Si的冶炼分析数据略严于上表数据。对于未做规定的化学成分极限值见ASTM A20/ A20M表1规定。 ② 由于钢板的厚度及拉伸试样的形状与尺寸不同,δ值的调整率见ASTM A20/ A20M。 81 阀 门 2004年第3期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 该标准规定除本标准内规定的具体要求外,其 一般要求如材料的试验、重复试验的方法和程序、 尺寸和重量的允许偏差、缺陷返修、供货标识及装 运等应执行ASTM A20/ A20M的规定。 我国适用于阀门主体材料的钢板应为GB 3274 和GB 6654等。其中GB 3274也是一个碳素结构 钢和低合金结构钢热轧厚钢板的技术验收条件,标 准本身没有列出各种钢的牌号。其中的碳素结构钢 是引用GB 700碳素结构钢的牌号、化学成分、力 学性能及工艺特性等。在GB 700中共有Q195、 Q215、Q235、Q255和Q275等5种碳素结构钢牌 号。其中的Q195和Q275各有一个等级, Q215和 Q255各有A和B 2个等级,而Q235共有A、B、 C和D 4个等级,阀门主体材料一般采用Q235中 A和B 2个等级,即Q235A和Q235B。在GB 6654 标准中,则是一个各方面规定都比较全面的碳素钢 和低合金钢板的独立标准,不但规定了钢板的尺 寸、重量及其他质量方面的验收要求,还列出了7 种碳素钢和低合金钢牌号,其中真正为碳钢牌号的 为20R ,但其中的16MnR和15MnVR也常常被用 做为碳钢钢板使用。在该标准中,钢板的化学成分 之间的协调与ASTM A515/ A515M相反。本标准 是保证化学成分不变,而是随着钢板厚度的增加, 力学性能要求下降。阀门主体材料也可以采用GB 711中20钢板表 5 。 415 管材 表5 国内常用于碳素钢阀门主体材料钢板化学成分和力学性能 牌号 等级 标准 编号 化 学 成 分 / CMnPSSiV 力 学 性 能 σb/ MPaσs/ MPaδ/ 钢板厚度/ mm 6 ～16 16 ～36 36 ～60 60 ～100 6 ～16 6 ～36 36 ～60 60 ～100 6 ～16 6 ～36 36 ～60 60 ～100 AKV /J Q235AGB 700 0112 ～0122 0130 ～0165 01045010500103375～46023522521520526252423 Q235BGB 700 0112 ～0120 0130 ～0170 01045010450103375～4602352252152052625242327 20RGB 66540120 0140 ～0190 0103501030 0115 ～0130 400～520 390 ～570 2452352252052525252431 16MnRGB 66540120 1120 ～1160 0103501030 0120 ～0155 510 ～640 490 ～620 470 ～600 460 ～590 3453253052852121212031 15MnVRGB 66540118 1120 ～1160 0103501030 0120 ～0155 0104 ～0112 530 ～665 510 ～645 490 ～625 390370350191919-31 注① 冲击试验的温度为20℃。GB 700为纵向试样,GB 6654为横向试样。 ② 标准还要求冷弯等试验,请详见标准规定。 当阀门主体需要采用管材组焊时, ASTM A106标准中高温用无缝碳钢管列出的A、B和C 等3个级别的钢管可供选用。其级别是按其标准强 度的大小排列的。A级较低,其次是B级,而C 级的抗拉强度最高。而延伸率等韧性指标却逐次降 低。主要原因是A级含碳量最低,而C级最高。 各级钢管的化学成分和拉伸性能指标见表6。该标 准还规定,不管钢坯的冶炼采用何种方法平炉 法、氧气顶吹转炉还是电炉 , 采用的脱氧方式应 为镇静钢。 表6 ASTM A106高温用无缝钢管化学成分和拉伸性能 材料 等级 化 学 成 分 / CMnPSSi 残留元素 CrCuMoNiV 拉 伸 性 能 σb / MPa δs / MPa δ/ 带材及小尺寸 全截面 标准圆柱试样 纵向横向纵向横向 A01250127～0193 01035 0103501100140014001150140010833020535252820 B01300129～1106 01035 010350110014001400115014001084152403016152212 C01350129～1106 01035 010350110014001400115014001084852753016152012 注① 化学成分中5种残留元素含量总和不得大于1 。 ② 当壁厚小于719mm采用带材试样,δ值的调整见ASTM A106规定。 912004年第3期 阀 门 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 我国的GB 8163输送流体用无缝钢管、GB 5310高压锅炉用无缝钢管及GB 9948石油裂化用 无缝钢管等标准中的钢管,当阀门主体需要管焊时 都可以选用。在GB 8163中,其规定了4种碳钢和 低合金钢材料,其中的10、20为优质碳素钢钢管, 标准对其化学成分、冶炼方面的要求等引用GB 699 ,但力学性能指标该标准则按钢管的特殊情况 做出了本标准的规定,这点是与GB 699不相符 的。而GB 5310中有10种钢牌号的钢管。其中只 有20G属于碳素钢,其余为合金钢或不锈钢, 20G 的主要化学成分C、Mn、P、S、Si与20是相同 的。只是对其他的杂质含量没做具体规定,其力学 性能指标要高于20钢。在GB 9948标准中的8种 牌号钢管中,其中的10和20为优质碳素钢,其余 为合金钢、耐热钢和不锈钢。本标准给出的各种钢 牌号的化学成分与力学性能与GB 699及GB 8163 又略有不同表 7 。 在各种变形合金中,钢管的检验项目较多,要 表7 国内阀门材料常用碳钢管材的化学成分和力学性能 材料 牌号 标准号 化 学 成 分 / CMnSiSPCrNiCu 力 学 性 能 σb/ MPaσs/ MPaδ5/ αK/J cm 2- 1 纵向横向纵向横向纵向横向纵向横向 20GGB 5310 0117 ～0124 0135 ～0165 0117 ～0137 01035 01035--- 412 ～549 40224521624224939 10GB 9948 0107 ～0114 0135 ～0165 0117 ～0137 01035 0103501150125-330～49020524- 20GB 9948 0117 ～0124 0135 ～0165 0117 ～0137 01035 0103501250125-410～55024521AKV≥39J 10GB 8163 0107 ～0113 0135 ～0165 0117 ～0137 ①①011501300125335～47520519524- 20GB 8163 0117 ～0123 0135 ～0165 0117 ～0137 ①①012501300125390～53024523520- 注①GB 8163的化学成分引用GB 699 P、S的含量因钢的级别不同而不同。见表3中注 ①。 ② σ s栏括号内数据为壁厚大于15mm时值。 求较繁杂。除其他型材要求的化学成分、力学性 能、无损检测、弯曲试验、尺寸、重量和外观等要 求外,各标准中一般都提出钢管还应进行水压试 验、压扁试验和扩口试验等工艺性能试验要求。由 于涉及的范围较广,且各标准规定的又不尽相同。 5 普通低温钢 511 钢材的低温脆性断裂 在低温状态下,钢的力学性能与常温不同,一 般来说强度指标都有所增加,而塑性减小,韧性显 著降低。低温钢的质量在很大程度上取决于使用温 度下冲击韧性的大小。当温度降至某一临界值即 冷脆性能转变温度以下,钢材完全失去韧性发生 脆性断裂,这种低温脆断将使处于低温状态下的钢 结构件、容器和管路装置等发生突然断裂的重大事 故。钢材的冷脆性能转变温度与钢材的断裂应力和 屈服应力有直接关系。随着温度的降低,钢材的断 裂应力降低,屈服应力提高。如图1所示,屈服应 力σ s曲线与断裂应力曲线σf有一交点,对应于该 交点的温度Tc称为“冷脆性转变温度” 。当温度 高于Tc时,屈服应力σs小于断裂应力σf,材料在 应力作用下先发生屈服产生塑性变形,发生塑性断 裂。当温度低于Tc时情况正好相反,断裂应力σf 小于屈服应力σs,钢材在应力作用下首先达到断裂 应力发生脆性断裂,因此温度Tc是材料由塑性断 裂到脆性断裂的临界温度。降低材料的“冷脆性转 变温度”就可以有效地改善其低温韧性,这样也可 以认为低温钢就是冷脆性转变温度比较低的一种 钢。用于- 29℃ 以下工况条件下的阀门主体材料均 应选择不同类型的低温钢。 图1 脆性转变温度的确定 512 钢的冷脆性转变温度分析 51211 化学元素的影响 1 C C是低温钢中主要的强化元素 ,但C 会急剧降低钢的低温韧性,使钢的冷脆性转变温度 提高。普通碳钢每增加0101 的C ,约使冷脆性 02 阀 门 2004年第3期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 转变温度提高2℃。因此在保证低温钢具有一定强 度的前提下,含碳量要控制在较低的范围。 2 Ni Ni是降低钢的冷脆转变温度作用最 大的元素。因为Ni是扩大奥氏体区域的元素,可 以强化基体,改善钢的综合性能,提高韧性。因此 含Ni及其他元素的合金钢和Cr2Ni2Cu钢、Cr2Ni2 Mo钢等的冷脆性转变温度都很低。 3 Mn Mn对提高低碳和中碳珠光体钢的 强度和细化珠光体有显著的作用。因此, Mn广泛 的应用在低合金的低温钢中,其含量一般控制在 019 ～116 。在高合金的低温钢中, Mn是Ni 的代用元素,作用与Ni相似。因此,一般非Ni和 Cr低温钢中都含有Mn。 4 Cu Cu在低温钢中, 固溶状态的Cu对 铁素体钢低温韧性起着有利的影响。因此, Cu可 以取代部份Ni。改善钢的塑性,提高钢的冲击韧 性,降低钢的冷脆性转变温度。但Cu的含量过高 则有沉淀硬化作用,从而不利于低温性能,在低温 钢中Cu量一般控制在0165 以下。 5Ti和Nb Ti是强烈的碳化物形成元素, 因此加入少量的Ti后与C形成TiC间隙相,它高 度分散于铁素体基体中,又由于TiC具有十分稳 定的化学性质,在加热时可以防止奥氏体晶粒长 大,而奥氏体向铁素体相变时又可以做为结晶核 心,因而可强烈地细化晶粒,提高钢的强度并降低 冷脆性转变温度。Nb在低温钢中的作用类似于 Ti ,但Nb对钢的低温作用性能要优于Ti。 51212 组织的影响 1晶粒尺寸 在常温下,晶粒的细化能提高钢的强度,同时 也可以提高钢的塑性和韧性。在低温下晶粒细化的 这种作用依然存在,因此在低温钢中加入V、Ti 和Nb等强烈细化的元素以获得细晶粒组织,可提 高钢的低温韧性。 2晶格结构 一般认为具有面心立方晶格的金属是不具有冷 脆性的。而体心立方晶格的金属冷脆性倾向最大。 Cr2Ni奥氏体钢为面心立方晶格材料,它们在低温 下的αK值较之常温并不降低, 所以从性能方面来 讲奥氏体不锈钢可作为- 196℃ 的低温用钢。 513 铸件 ASTM A352/ 352M标准中规定了适用于低温 工况条件下阀门主体材料的马氏体和铁素体钢的铸 件。该标准中共有LCA、LCB、LCC、LC1、LC2、 LC2 - 1、LC3、LC4、LC9和CA6NM等9种低温 钢铸件牌号,其适用的低温等级从- 32 LCA～ - 196℃LC9。钢号中的L表示低温用钢, C表 示材料的类型为铸件,后面的A、B、C表示属于 碳钢类系列,是按钢适用温度的高低排列,越排后 的其力学性能越好、低温性能越好及冲击试验的温 度越低,分别是LCA - 32℃ LCB和LCC - 46℃。虽然LCB与LCC的冲击试验温度都是 - 46℃,但3个试样的平均值和3个试样中的最小 值LCC都大于LCB。第3位用阿拉伯数字表示的 表明其是属于合金钢类,数字越大表明其低温性能 越好,低温冲击试验的温度越低。分别是LC1 - 59℃ LC2和LC2 - 1 - 73℃ LC3 - 101℃LC4 - 115℃ LC9 - 196℃。其 中常用的LCB、LC1、LC2和LC3已被转化为我 国的阀门用低温钢铸件标准JB/ T 7248 ,按其主要 化学元素依次被称为低温碳钢、015Mo钢、215Ni 钢、315Ni钢。化学成分和力学性能等指标与 ASTM A352/ 352M中的LCB、LC1、LC2、LC3 相同表 8 。 表8 ASTM A352/ A352M及JB/ T 7248中常用低温钢铸件化学成分和力学性能 钢种 牌号 化 学 成 分 / CMnSiPSNiCuCrMoV 力 学 性 能 σb / MPa σs / MPa δ / ψ / 夏比冲击试验/AKV 温度 /℃ 最小值 /J 平均值 /J 碳钢LCB 013011000160 0104 010450105 0130 015001200103450～6202402435- 461418 015 钼钢 LC1 01250150～01800160 0104 01045--- 0145 ～0165 -450～6202402435- 591418 215 镍钢 LC2 01250150～01800160 0104 01045 210 ～310 ----485～6552752435- 731620 315 铸钢 LC3 01150150～01800160 0104 01045 310 ～410 ----485～6552752435- 1011620 注①LCB钢在规定的碳含量最大值内,每降低0101 ,允许锰含量的最大值增加0104 ,直至锰的最大含量为1128 。 ②LCB钢中的残留元素Ni、Cu、Cr、Mo、V的含量总和不大于110 。 122004年第3期 阀 门 1995-2006 Tsingh