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压力容 器用不锈钢简介

压力容 器用不锈钢性能简介

    不锈钢是石油、化工、化肥、合成纤 维和石油提炼等工业部门中广泛使用的金属材和许多容器、管道、阀门、泵等一 般都因与各种腐蚀性介质接触遭受腐蚀而报废。据统计,全世界 每年因腐蚀而报废的钢材约占钢材年产量的1/4。而不锈 钢的产量占钢铁总产量的1%。因此,材料受 到腐蚀而失效是当今材料研究与发展中的三大主要问题之一(另两个 问题是疲劳与磨损)。
    不锈钢 是指具有抗腐蚀性能的一类钢种。通常所 说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称。不锈钢不一定耐酸,但耐酸 钢同时又是不锈钢。所谓不 锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀介质腐蚀的钢种。腐蚀速度<0.01 mm/年者分 完全耐蚀腐蚀速度<0.1 mm/年者为耐蚀。所谓的 耐酸钠是指在各种强腐蚀介质中能耐他的钢.腐蚀速度<0.1mm/年者为完全耐蚀,腐蚀速度<1mm/年者为耐蚀。因此.不锈钢并不是不腐蚀、只不过腐 蚀速度较慢而已、绝对不 被腐蚀的钢是不存在的。
    值得注 意的是在同一介质中.不同种 类的不锈钢腐蚀速度大不相同而同一种不锈钢在不同的介质中腐蚀行为也大不一样。例如.Ni-Cr不锈钢 在氧化性介质中的耐蚀性很好.但在非氧化介质中(如盐酸)的耐蚀性就不好了。因此掌 握各类不锈钢的特点、对于正 确选择和使用不锈钢是很重要的。
    不锈钢不仅要耐蚀,还要承受或传递载荷,因此还 需要具有较好的力学性能。不锈钢一般以板、管等型 材加工成构件或零件,因此.要有良 好的切削加工性能和良好的焊接性能。
    不锈钢 按典型正火组织分为:铁素体(F)型不锈钢,马氏体〔M)型不锈钢、奥氏体(A)型不锈钢及奥氏体-铁素体(A-F)双相型 不锈钢及沉淀硬化或过渡型)不锈钢。

金属腐蚀
一、金属的腐蚀过程
    在外界 介质的作用下使金属逐渐受到破坏的现象称为腐蚀。腐蚀基 本上有两种形式.化学腐 蚀和电化学腐蚀。在生产 实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀,化学腐 蚀中不产生电流,巨在腐 蚀过程中形成某种腐蚀产物。这种腐 蚀产物一般都覆盖在金属表面上晒成一层膜 ,使金属 与介质隔离开来。如果这 层化学生成物是稳定、致密、完整并 同金属表层牢固结合的,则将大 大减轻甚至可以防止腐蚀的进一步发展,对金属起保护作用。形成保 护膜的过程称为钝化。例如,生成SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜 ,这些氧化膜结构致密、完整、无疏松、无裂纹且不易剥落,可起到保护基体金属、避免继续氧化的作用。例如铁 在高温氧化时生成的Fe2O3。反之,有些氧 化膜是不连续的 ,或者是多孔状的.对基体 金属没有保护作用。例如.有些金属的氧化物,如Mo2O3、WO3在高温下具有挥发性 ,完全没 有覆盖基体的保护作用。 

   可见,氧化膜 的产生及氧化膜的结构和性质是化学腐蚀的重要特征。因此,提高金 属耐化学腐蚀的能力 ,主要是 通过合金化或其它方法,在金属 表面形成一层稳定的、完整阶 致密的并与基体结合牢固的氧化膜(也称为 钝化膜入电化学腐蚀是金属腐蚀的更重要、更普遍 的形式它是由不同的金属或金属的不同朝之间的电极电位不同而构成原电池所产生的。这种原 电池腐蚀是在显微组织之间产生的故又称之为微电池腐蚀。电化学 腐蚀的特点是有电介质存在 ,不同金属之间、金属微 区之间或相之间有电位差异连通或接触,同时有腐蚀电流产生。
二、腐蚀类型
    金属材 料在工业生产中的腐蚀失效形式是多种多样的。不同材 料在不同负荷及不同介质环境的作用下,其腐蚀 形式主要有以下几类 :
    一般腐蚀:金属裸 露表面发生大面积的较为均匀的腐蚀,虽降低 构件受力有效面积及其使用寿命,但比局 部腐蚀的危害性小。
    晶间腐蚀:指沿品界进行的腐蚀,使晶粒 的连接遭到破坏。这种腐 蚀的危害性最大,它可以 便会金变脆或丧失强度,敲击时失去金属声响,易造成突然事故。品同腐 蚀为奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式,这是由 于品界区域与晶内成分或应力有差别 ,引起品 界区域电极电位显著降低而造成的电极电位助差别所致。
    应力腐蚀:金属在 腐蚀介质及拉应力(外加应力或内应力)的共同 作用下产生破裂现象。断裂方 式主要是沿晶的、也有 穿晶的,这是一 种危险的低应力脆性断裂、在氯化 和碱性氛氧化物或其它水溶性介质中常发生应力腐蚀,在许多 设备的事故中占相当大的比例。
    点腐蚀:点腐蚀 是发生在金属表面局部区域的一种腐蚀破坏形式、点腐蚀 形成后能迅速地向深处发展,最后穿透金属。点腐蚀危害性很大庸 ,尤其是 对各种容器是极为不利的。出现点 腐蚀后应及时磨光或涂漆,以避免腐蚀加深。
    点腐蚀 产生的原因是在介质的作用下,金属表 面钝化膜受到局部损坏而造成的。或者在 含有氯离子的介质中,材料表 面缺陷疏松及非金属夹杂物等都可引起点腐蚀。
    腐蚀疲劳:金属在 腐蚀介质及交变应力作用下发生的破坏、其特点 是产生腐蚀坑和大量裂纹。显著降 低钢的疲劳强度,导致过早断裂。腐蚀疲 劳不同于机械疲劳,它没有 一定的疲劳极限 ,随着循环次数的增加,疲劳强 度一直是下降的。
    除了上 述各种腐蚀形式以外,还有由 于宏观电池作用而产生的腐蚀。例如,金属构 件中铆钉与铆接材料不同、异种金属的焊接、船体与 螺旋桨材料不同等因电极电位差别而造成的腐蚀。
    从上述腐蚀机理可见,防止腐 蚀的着眼点应放在:尽可能 减少原电池数量,使钢的 表面形成一层稳定的、完整的、与钢的 基体结合牢固的钝化膜;在形成 原电池的情况下 ,尽可能 减少两极间的电极电位差。

不锈钢的合金化原理
    提高钢 耐蚀性的方法很多,如表面 镇一层耐蚀金属、涂敷非金属层、电化学 保护和改变腐蚀环境介质等。但是利用合金化方法 ,提高材 料本身的耐蚀性是最有效的防止腐蚀破坏的措施之一,其方法如下;
   (1)加入合金元素,提高钢 基体的电极电位,从而提 高钢的抗电化学腐蚀能力。一般住钢中加入Cr、Ni、Si多元素 均能提高其电极电位。由于Ni较缺,Si的大量 加入会使钢变脆,因此 ,只有Cr才是显 著提高钢基体电极电位常用的元素。
    Cr 能提高钢的电极电位,但不是呈线性关系、如图5.1所示。实验证 呼钢的电极电位随合金元素的增加,存在着 一个量变到质变的

压力容
器用不锈钢简介 技术信息 第1张

关系,遵循1/8规律。当Cr含量达到一定值时即1/8原子(l/8、2/8、3/8……)时 ,电极电 位将有一个突变。因此,几乎所有的不锈钢中,Cr含量均在12.%5(原子)以上,即
11.7%(质量)以上。
    (2)加入合金元素使钢的 表面形成一层稳定的、完整的 与钢的基体结合牢固的纯化膜。从而提 高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中加入 Cr,Si.Al等合金元素 ,使钢的 表层形成致密的Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜 ,就可提高钢的耐蚀性。
    (3)加入合 金元素使钢在常温时能以单相状态存在,减少微 电池数目从而提高钢的耐蚀性。如加入足够数量的Cr或Cr-Ni,使钢在 室温下获得单相铁 素体或单相奥氏体。
    (4)加入Mo、Cu等元素,提高钢 抗非氧化性酸腐蚀的能力。
    (5)加入Ti,Nb等元素,消除Cr的晶间偏析,从而减 轻了晶问腐蚀倾向。
    (6)加入Mn、N等元素,代替部分Ni获得单相奥氏体组织,同时能 大大提高铭不锈钢在有机酸中的耐蚀性。

不锈钢的种类和特点
    不锈钢有两种分类法:一种是 按合金元素的特点,划分为 铬不锈钢和铬镍不锈钢;另一种 是按在正火状态下钢的组织状态 ,划分为M不锈钢、F不锈钢、A不锈钢和A一F双相不锈钢。

一、马氏体不锈钢
    典型的 马氏体不锈钢钢号有1Cr13~4Cr13和9Cr18等

    1Cr13钢加工工艺性能良好。可不经预热进行深冲、弯曲、卷边及焊接。2Crl3冷变形前不要求预热,但焊接前需预热 ,ICrl3、2Cr13主要用 来制作耐蚀结构件如汽轮机叶片等,而3Cr13、4Cr13主要用 来制作医疗器械外科手术刀及耐磨零件;9Cll8可做耐蚀轴承及刀具。
二、铁素体不锈钢
    铁素作不锈钢的含Cr量一般为13%~30%合碳量低于0.25%。有时还 加入其它合金元素。金相组织主要是台铁 素体,加热及 冷却过程中没有α<=>γ转变,不能用 热处理进行强化。抗氧化性强,加入合 金元素比可在有机酸及 含Cl-的介质 中有较强的抗蚀。同时,它还具 有良好的热加工性及一定的冷加工性。铁体不 锈钢主要用来制作要求有较高的耐蚀性而强度要求较低的构件,广泛用 于制造生产硝酸、氮肥等 设备和化工使用的管道等。
    典型的 铁案体不锈钢有Crl7型、Cr25型和Cr28型,其成分 性能及热处理工艺如。经过大量变形后,钢的强度大力提高 ,尤其是 在零下温区轧制时效果更为显著。抗拉强度可达 2 000 MPa以上。这是因 为除了冷作硬化效果外,还叠加了形变诱发M转变。
    奥氏作 不锈钢经形变强化后可用来制造不锈弹簧、钟表发条、航空结 构中的钢丝绳等。形变后若需焊接,则只能采用点焊工艺、形变使 应力腐蚀倾向性增加 。并因部分γ->M转变而产生铁磁性,在使用时(如仪表零件中)应予以考虑。
再结晶 温度随形变量而改变,当形变量为60%时,其再结晶温度降为650℃冷变形 奥氏体不锈钢再结晶退火温度为850~1050℃,850℃则需保温3h,1050℃时 透烧即可,然后水冷。
4.奥氏作 不锈钢的热处理
     奥氏体 不锈钢常用的热处理工艺有:固溶处理、稳定化 处理和去应力处理等。
    (1)固溶处理。将钢加热到1050~1150℃后水淬,主要目 的是使碳化物溶于奥氏体中,并将此 状态保留到室温 ,这样钢 的耐蚀性会有很大改善。如上所述,为了防止晶问腐蚀,通常采用固溶化处理,使Cr23C6溶于奥氏体中,然后快速冷却。对于薄 壁件可采用空冷 ,一般情况采用水冷。
    (2)稳定化处理。一般是 在固溶处理后进行,常用于含Ti、Nb的18-8钢,固处理后,将钢加热到850~880℃保温后空冷 ,此时Cr的碳化物完全溶解,脱而钛 的碳化物不完全溶解,且在冷 却过程中充分析出,使碳不 可能再形成格的碳化物,因而有 效地消除了晶间腐蚀。
    (3)去应力处理。去应力 处理是消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺一般加热到300~350℃回火。对于不 含稳定化元素Ti、Nb的钢,加热温度不超过450t,以免析 出铬的碳化物而引起晶间腐蚀。对于超低碳和合Ti、Nb不锈钢 的冷加工件和焊接件,需在500~950℃,加热 ,然后缓冷,消除应力(消除焊 接应力取上限温度),可以减 轻晶间腐蚀倾向并提高钢的应力腐蚀抗力。
四、奥氏体-铁素体双相不锈钢
    在奥氏 作不锈钢的基础上,适当增加Cr含量并减少Ni含量,并与回 溶化处理相配合,可获得 具有奥氏体和铁素体的双相组织( 含40~60%δ-铁素体)的不锈钢,典型钢号有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。双相不 锈钢与里氏体不锈钢相比有较好的焊接性,焊 后不需热处理,而且其晶间腐蚀、应力腐 蚀倾向性也较小。但由于含Cr量高,易形成σ相,使用时应加以注意。

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