金属材料的常规选用

为了避免因类似材料问题的再次出现，现将我对金属材料的一些常规知识以及材料的一般选用原则的心得体会写出来，与各位同仁一起交流和分享。一、金属材料的性能材料的性能主要包括力学性能、化学性能和加工工艺性能。材料的主要力学性能——抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、硬度、冲击韧性；材料的化学性能——耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性；材料的加工工艺性能——铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理工艺性能、冷加工工艺性能。材料的工艺性在判断加工可能性方面起着重要的作用。铸造工艺性——指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等。锻造工艺性——指材料的延展性、热脆性及冷态和热态下塑性变形的能力等。焊接工艺性——指材料的焊接性能及焊缝产生裂纹的倾向性等。热处理工艺性——指材料的可淬性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力等。冷加工工艺性——指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度等。二、材料的一般选用原则1、材料的化学性能和耐腐蚀性能能满足工况介质的要求；2、材料的加工工艺性能能满足设计的要求；3、材料有好的性价比，经济效果明显。三、材料的耐腐蚀性及耐蚀材料选择1、金属的腐蚀类型及特征：在腐蚀介质中选材时往往涉及的是材料的耐腐蚀性。金属材料的腐蚀类型及特征如下表所示：金属材料的腐蚀类型及特征腐蚀类型特征均匀腐蚀在金属材料的整个暴露表面或大面积上均匀地发生化学和电化学反应，金属宏观变薄。是常见的腐蚀现象。晶间腐蚀沿金属晶粒边界发生腐蚀现象，主要特点是金属外部尺寸不变，大多数仍保持金属光泽，但金属的强度和延性下降，冷弯后表面出现裂缝。选择性腐蚀合金中某元素或某组织在腐蚀过程中选择性地受到腐蚀例如：铬锰钼氮双相钢在工业醋酸中发生的奥氏体选择性腐蚀。应力腐蚀开裂金属在持久à-应力和特定的腐蚀介质联合作用下出现的脆性开裂特点是出现腐蚀裂缝甚至断裂，裂缝的起源点往往在点腐蚀小空或腐蚀小坑的底部，裂纹扩散有沿晶、穿晶和混合型三种，断口具有脆性断裂的特征。腐蚀疲劳金属受腐蚀介质和交变应力联合作用而引起的破损现象，其特点是产生腐蚀坑和大量裂纹以致金属丧失疲劳强度裂缝多半穿晶粒，一般不分叉。导致疲劳腐蚀的介质有：酸性介质、氯化物、以及含H2S、SO2、O2等。点腐蚀金属的大部分表面不发生腐蚀和腐蚀轻微，局部地方出现腐蚀小空，并向深处延伸发展的腐蚀现象。缝隙腐蚀在电解质溶液中，金属与金属、或金属与非金属之间形成缝隙，由于足以使介质进入，又使介质处于停滞状态而发生的腐蚀。电偶腐蚀在电解质溶液中，两种或两种以上不同电位的金属相接触而使电位较负的金属发生的腐蚀。腐蚀部位常出现沟槽、凹坑等宏观现象。磨损腐蚀腐蚀性流体和固体颗粒与金属表面发生相对运动，尤其是涡流对金属表面的冲刷作用，同时又与裸露金属部分发生化学或电化学作用，从而引起的腐蚀，金属以腐蚀产物的形式从金属表面脱落后，其表面常出现带有方向性的凹槽、沟道、波纹、圆孔等腐蚀外形。氢腐蚀在高温高压下，H与钢中的碳发生化学反应，导致钢材脆化的现象，特点是外部没有明显变化，但力学性能显著下降，断口呈脆性断裂，金相观察可见脱碳现象和晶间裂缝，有时可形成宏观鼓泡。2、耐蚀材料选择1、不锈钢材料耐点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀能力的顺序：1）奥氏体不锈钢：1Cr18Ni9Ti→0Cr18Ni9（304）→0Cr18Ni11Ti（321）→00Cr19Ni10（304L）0Cr17Ni12Mo2Ti（316）→00Cr17Ni14Mo2（316L）→00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）2）铁素体不锈钢：0Cr13（410S）→0Cr13Al（405）→00Cr12Ti（409L）→00Cr17（430LX）→00Cr18Mo2→00Cr26Mo1→00Cr30Mo23）双相不锈钢：00Cr18Ni5Mo3Si2（3RE60）→00Cr22Ni5Mo3N（SAF2205）→NH55→CD-4MCu→00Cr25Ni6Mo3Cu3N（1.4517）2、耐高温腐蚀用材的顺序20＃→12Cr1MoV→12Cr2Mo1（2Cr-1Mo）→1Cr5Mo→1Cr9Mo3、耐应力腐蚀用材料：16MnR→20R→12Cr1MoV00Cr17Ni14Mo2（316L）→00Cr19Ni13Mo3（317L）→00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）00Cr18Ni5Mo3Si2（3RE60）→00Cr22Ni5Mo3N（SAF2205）→00Cr25Ni7Mo4N（SAF2507）0Cr13（410S）→00Cr12Ti（409L）→00Cr17（430LX）→00Cr18Mo2→00Cr26Mo1注：铁素体不锈钢和双相不锈钢不得在大于350℃的环境中使用。四、材料的耐磨性和耐磨材料的选择耐磨材料的选用，除了考虑材料本身的硬度和成分外，还应考虑材料的经济性和铸造生产的条件，避免铸件内部的缩孔、缩松、气孔、夹杂、裂纹等缺陷的存在而影响铸件的使用寿命。此外，由于磨损系统中的外界条件十分复杂，影响材料磨损性能的因素也很多，比如：磨料的硬度和形状、磨料冲击零件的速度和方向、工作温度的高低、磨损环境的干湿、湿环境中的酸碱性等等，因此选材时必须针对具体情况进行具体的分析，才能做出合理的选择。1、磨损分类磨损主要有磨料磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损等三大类。1）磨料磨损AbrasiveWear一般指磨粒或硬的微凸体在与材料表面相互作用过程中，造成材料表面损耗的现象或过程。按磨料相对于被磨损材料的软硬程度，可将磨料磨损分为软磨料磨损和硬磨料磨损。通常以被磨材料的硬度Hm和磨料的硬度Ha的相对比值（相对磨损性ε）来划分。影响磨料磨损的主要因素有：内部因素——材料的成分、组织结构及由组织结构决定的性能；外部因素——磨料特性、磨料与材料相互作用的接触应力、相对运动速度、环境介质及温度等。2）冲蚀磨损ErosiveWear通常指流体或固体粒子（通常粒径不超过1mm）以一定速度（通常不超过500m/s）和角度对材料表面进行冲击所造成的材料表面流失的现象。冲蚀磨损分为：气固冲蚀磨损、液固（浆体）冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损和汽蚀磨损等几大类，水泵运行过程中发生最多的磨损大致为液固（浆体）冲蚀磨损和汽蚀磨损两大类。影响冲蚀磨损的主要因素有：环境因素——冲击速度、冲角、冲蚀时间、环境温度；磨料性质——磨料硬度、形状、粒度、破碎性；材料性质——材料硬度、组织、力学性能、物理性能3）腐蚀磨损CorrosiveWear在腐蚀环境中，摩擦表面因磨损和腐蚀共同作用而出现的材料流失的现象。其特点是腐蚀和磨损对材料共同起作用。根据腐蚀介质的性质，可分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损两大类，腐蚀磨损的过程很复杂，随环境、温度、湿度、介质、载荷、速度、材料等的不同而变化很大，大多数的情况是腐蚀和磨损的交互作用使得材料严重流失亦即磨蚀。在这种磨损条件下，应针对相应的实际介质环境而做出合理的选择。影响腐蚀磨损的主要因素有：PH值——一般随PH值增大而降低；环境——在各种酸、碱、盐及混酸中有很大的差异；浓度——随具体介质中各组成物的浓度不同而差异很大；交互作用——腐蚀和磨损并存，在交互作用下早期失效。2、耐磨材料的选择：耐磨材料的选择应考虑以下两点：1）高耐磨性材料的耐磨性与材料本身的机械性能(如硬度、韧性、金相组织)和工况条件密切相关。一般地讲，在较低冲击较低应力的工况条件下，材料的硬度是关键。选用高硬度(磨损后)的材料，如高铬和中铬钢，耐磨性相当好。如：选择KmTBCr27做渣浆泵过流部件材料；在高应力、高冲击、硬物料的工况条件下，韧性是主要因素，首先应保证其安全性，然后才是耐磨性。在满足韧性的前提下，应采用较高硬度的材料，如双相钢、变质处理的高锰钢、超高锰钢、贝氏体钢等。2）低成本任何耐磨材料的最终定位是性价比。提高性价比的措施如：对高锰钢和低合金钢进行变质处理；二是考虑应用高韧性材料，如：贝氏体钢和双相钢等；三是制造工艺的改进，如：表面强化技术、高锰钢的爆炸硬化；四是开发含有高硬度碳化物的钢种，如：中、高铬钢。五、材料使用温度的一般限制条件在腐蚀环境中，选用材料应避免灾难性的腐蚀形式(如应力腐蚀开裂)出现，而对均匀腐蚀，一般至少应限定在耐腐蚀级，即最高年腐蚀速率不超过0.5mm；介质温度也是选用材料的一个重要参数。因为温度的变化会引起材料的一系列性能变化，如低温下材料的脆性，高温下材料的石墨化、蠕变等问题。很多腐蚀形态都与介质温度有密切的关系，甚至是腐蚀发生的基本条件。有压力要求的产品在选材时应满足温度的限制条件：1）碳钼钢(C-0.5Mo)最高工作温度不应超过468℃；2）在均匀腐蚀环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，同时给出足够的腐蚀余量；3）在高温H2+H2S介质环境下工作时，应根据Nelson曲线和Couper曲线确定其使用条件；4）应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用；4、不锈耐热钢常用的不锈耐热钢材料标准主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。其共性的使用限制条件如下：1）含铬12%以上的铁素体和马氏体不锈钢不应在400℃以上温度使用；2）在还原性较强的腐蚀介质中选用奥氏体不锈钢时，应选用稳定型(含稳定化元素Ti和Nb)或超低碳型(C0.0.03%)奥氏体不锈钢；3）在有氯离子存在情况下，一般不锈钢只能在物料和环境中的氯离子浓度不超过25×10-6应用。4）奥氏体不锈钢使用温度超过525℃时，其含碳量应大于0.04％，否则钢的强度会显著下降。目前，伴随着新产品的持续开发和旧产品的更新换代，凯泉泵已广泛应用于冶金、电力、石油、化工、煤炭、锅炉给水、污水处理、生物化学、化工制药、制糖、造纸、排盐、制碱、输酸、热水循环、高压增水、空调、采暖、原油精炼、火力发电、海水抽送、核电事业等领域中，产品适宜输送的介质也由过去单一的“清水或物理化学性质类似于清水的其它液体”拓宽到适宜抽送各种腐蚀性、磨蚀性介质，这样摆在我们面前的主要任务即是对变化的环境介质迅捷作出合理的材料选择，而要做到这一步，就必须对材料的成分、组织、性能、合金元素含量以及合金元素赋予材料的特殊作用做进一步的学习和了解，来适应差异性环境带来的多米骨效应。当然，选材时并不是说材料越贵重越好，寿命越长越好，而是要充分发掘材料的潜力，以最经济的手段获取最大的经济效益。在未来的泵业发展中，为了提高泵在特殊介质中的使用寿命，降低成本，开拓泵在特殊介质中的广泛应用，合金铸铁和特殊性能耐腐蚀拉磨损材料的开发和应用有着不可忽视的作用，这无疑是今后发展的一个亮点。