第八章 其他专用结构材料

第八章其他专用结构材料8.1铁道用结构材料8.1.1概述车轮主要功能：支撑车辆重量、引导车辆通过各种形状的轨道、车轮本身起制动盘的作用。轮轨的相互作用：车辆的重量通过车轮要传递到钢轨上，车轮在钢轨上运行时，轮轨之间存在着很大的交变接触应力，同时还有滚动摩擦和少量的滑动摩擦。在轮轨服役过程中，轮/轨构成一对摩擦副。主要失效形式：磨损和接触疲劳，接触疲劳破坏的表现形式主要是剥离。轮/轨用钢的性能要求（1）高的屈服强度和抗拉强度，以能承受车辆的重量，在高的接触应力作用下，不会变形和断裂；（2）较高的硬度，以能抵抗轮轨间的摩擦磨损，因更换钢轨较更换车轮困难，钢轨的硬度要高于车轮的硬度；（3）高的接触疲劳强度，以抵抗接触疲劳破坏；（4）足够的塑、韧性，以保证车辆的安全。（5）车轮本身起制动盘的作用，因制动时有摩擦热产生，车轮表面还承受着热疲劳的作用，因此车轮要有较高的热疲劳强度。（6）好的经济性，车轮和钢轨的用量极大，要求尽可能使用价格较廉、资源较丰富的元素。8.1.2车轮用钢牌号化学成分%应用CSiMnPSVCL60A级0.55～0.650.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.040-客、货车车轮CL60B级0.55～0.650.17～0.370.50～0.80≤0.040≤0.040-CL45MnSiV0.44～0.520.50～0.800.80～1.20≤0.035≤0.0400.08～0.15LG650.60～0.700.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.040-机车轮箍或车轮LG600.55～0.650.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.040-车轮用钢的牌号及化学成分（摘自GB8601-88、GB8602-88）成分特点•中高碳的碳素钢，冶金质量要求高（如非金属夹杂物和酸浸低倍组织的合格级别）。•CL45MnSiV降低碳含量，增加硅、锰含量，添加少量钒主要是为了提高车轮的抗热疲劳性能。热处理车轮：防白点：热轧成型后冷至640℃等温处理4～6小时。轮辋调质：喷水淬火+高温回火。钢轨：普通轨：轨端淬火。热处理轨：全长欠速淬火。组织：细片状珠光体。车轮用钢的力学性能（摘自GB8601-88、GB8602-88）标准号牌号力学性能σb(MPa)δ(%)ψ(%)HBSAku(J)GB8601-88CL60A级910～1155≥8≥14≥255≥16B级客车轮880～1105≥10≥14≥251≥16B级货车轮860～1090≥10≥14≥248≥16TB2708-96CL60-910≥10≥14265～320≥16GB8601-88CL45MnSiV-880～1125≥12≥21≥251≥23GB8602-88LG60-860～1110≥12≥18≥248-GB8602-88LG65-930～1155≥10≥14≥269-8.1.3钢轨用钢牌号化学成分%CSiMnPSCuU710.64～0.770.13～0.280.60～0.90≤0.040≤0.050-U740.67～0.800.13～0.280.70～1.00≤0.040≤0.050-U71Cu0.65～0.770.15～0.300.70～1.00≤0.040≤0.0500.10～0.40U71Mn0.65～0.770.15～0.351.10～1.50≤0.040≤0.040-U71MnSi0.65～0.750.85～1.150.85～1.15≤0.040≤0.040-U71MnSiCu0.65～0.770.70～1.100.80～1.20≤0.040≤0.0400.10～0.40钢轨用钢的牌号及化学成分（摘自GB2585-81）成分特点•中高碳碳素钢，含碳量较车轮用钢高，接近共析成分。•主加Mn、Si：降A1点，获得全珠光体。•添加少量铜：提高钢轨耐大气腐蚀能力。钢轨用钢的力学性能（摘自GB2585-88）牌号抗拉强度σb(MPa)伸长率δ5(%)不小于U7178510U747859U71Cu7859U71Mn8838U71MnSi8838U71MnSiCu88388.2汽车用结构材料缸体、缸盖、飞轮、正时齿轮、变速器及离合器壳：灰口铸铁缸套、排气门阀座：合金铸铁曲轴、后桥壳：球墨铸铁活塞销、变速箱齿轮、后桥齿轮：渗碳钢连杆、连杆螺栓、前桥转向节臂、半轴：调质钢汽门弹簧、钢板弹簧：弹簧钢各种轴承：轴承钢发动机活塞、分泵活塞、油管：有色金属铝合金、铜车身专用结构材料牌号：“SC”——“深冲”；“1、2、3”——冲压级别的顺序号。SC1——深冲压用钢板及钢带；SC2、SC3——超深冲用钢板及钢带。牌号化学成分（质量分数）%CSiMnPSAls(酸溶铝)TiSC1≤0.08≤0.03≤0.40≤0.020≤0.0250.02～0.07－SC2≤0.01≤0.03≤0.30≤0.020≤0.020－≤0.20SC3≤0.008≤0.03≤0.30≤0.020≤0.020－≤0.20深冲压用钢的牌号及化学成分（摘自GB/T5213－2001）成分特点超低碳、低硅：以保证钢板的深冷冲压能力；Al、Ti、Nb等微合金化，以细化晶粒，保证钢板的强度、塑性和韧性；硫、磷含量要求很严，均属于特级优质钢。热处理：退火力学性能要求指标：强度、塑性、拉伸应变硬化指数（n值）、塑性应变比（r值）。组织要求：铁素体晶粒度级别不小于6级，游离渗碳体不大于2级。牌号公称厚度/mm屈服点σs/MPa抗拉强度σb/MPa断后伸长率δ/%(b0=20mm,l0=80mm)nr(b0=20mm,l0=80mm)SC1≤0.50≤240270～350≥34n90≥0.18r90≥1.6＞0.50～≤0.70≤230≥36＞0.70≤210≥38SC20.70～1.50≤180270～330≥40n90≥0.20r90≥1.9SC30.70～1.50≤180270～350≥38n≥0.22r≥1.8深冲压用钢的力学性能（摘自GB/T5213－2001）n90=(n0+2n45+n90)/4，r90=(r0+r45+r90)/4。8.3船体用结构材料服役条件：环境复杂多变。恶劣天气，大风大浪，一年四季，环境温度变化。制造要求：焊接。成分、性能要求：低碳钢，对碳当量有严格要求。对冲击韧性，特别是对低温冲击韧性要求高。多采用铝脱氧，以获得细晶粒钢，或加入微量Nb、V、Ti等。交货状态：控制轧制，温度-形变控制轧制、正火。8.3.1分类及代号按屈服强度、质量分级分类。质量等级强度级别ABDEF一般强度钢235MpaABDE－高强度钢320MpaA32－D32E32F32360MpaA36－D36E36F36400MpaA40－D40E40F40船体用结构钢的等级及代号（摘自GB712－2000）8.3.2化学成分钢的等级ABDE化学成分%C≤0.21≤0.21≤0.21≤0.18Si≤0.50≤0.35≤0.35≤0.35Mn≥2.5C0.80～1.200.60～1.200.70～1.20P≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035S≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035Als－－≥0.015≥0.015一般强度钢的化学成分（摘自GB712－2000）特点：低碳，含碳量≤0.21%，主加Mn，以提高材料的强度和韧性。钢的等级化学成分%CSiMnSPAlsNbVTiCuCrNiMoNA32A36A40D32D36D40E32E36E40≤0.18≤0.500.90～1.60≤0.035≤0.025≥0.0150.02～0.050.05～0.10≤0.02≤0.35≤0.20≤0.40≤0.08－F32F36F40≤0.16≤0.500.90～1.60≤0.035≤0.025≥0.0150.02～0.050.05～0.10≤0.02≤0.35≤0.20≤0.8≤0.08≤0.009高强度钢的化学成分（摘自GB712－2000）高强度钢：低碳，含碳量≤0.18%，主加Mn，微量Nb、V、Ti、Mo等细化晶粒；F级：加Ni，提高钢的低温冲击韧性。但合金元素的总量要受碳当量的限制。碳当量一般强度钢：均不大于0.40%。Ceq（%）=C＋Mn/6高强度钢：一般不大于0.40%，采用温度-形变控制轧制状态交货，应符合规定。Ceq(%)=C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15钢的等级碳当量Ceq，%不大于厚度，mm≤50＞50～100A32D32E32F320.360.38A36D36E36F360.380.40A40D40E40F400.40－温度－形变控制轧制状态交货高强度钢的碳当量船体用结构钢的力学性能（摘自GB712－2000）钢材等级屈服点σsMPa不小于抗拉强度σbMPa断后伸长率δ/%不小于试验温度℃冲击功，Akv，J不小于厚度，mm≤50＞50～70＞70～100纵向横向纵向横向纵向横向A235400～5202220——34244127B02720D－20E－40A32315440～570220312238264631D32－20E32－40F32－60—A36355490～630210342441275034D36－20E36－40F36－60—A40390510～6602004127D40－20E40－40F40－608.4石油工业用结构材料石油工业用量较大的结构材料是油井管和输油管。油井管中，固井用套管的使用是一次性的，不能重复利用，其消耗量占整个油井管用量的70%以上。钻探油气井用的钻探管，可重复利用，其消耗量占整个油井管用量的3%左右。采油用的油管的消耗量占整个油井管用量的20%左右。8.4.1石油套管的服役条件服役条件：径向和周向承受着很大的挤压应力，而轴向则承受着较大的拉伸应力。油井深度越深，套管承受的挤压应力及拉伸应力越大；油井开采力度加大，频繁使用酸化、压裂、注水等提高石油产量的技术，使得油井套管承受的服役条件更为复杂；井下地质条件的变化，如地层的错动、岩石的崩塌等，可挤毁套管，使套管缩径、破裂，造成油井损坏、报废。性能要求：足够高的强度，以抗挤压、抗拉伸；良好的抗腐蚀能力，以抗水气及硫化氢等的腐蚀；套管接箍还要求有良好的横向抗冲击能力。8.4.2石油套管的分类API（美国石油协会）Spec5CT/ISO11960：按使用条件，分为4组。第一组：普通强度套管；第二组：限制屈服强度套管，适用于酸性环境；第三组：高强度套管；第四组：限制硬度波动的高强度套管。第一、第二组，再按屈服强度分为不同的钢级。第一组：H40、J55、K55、N80。轧态、调质态或正火态使用；第二组：M65、L80、C90、C95、T95。M65使用态：正火、正火＋回火态；其余钢级使用态：调质态；第三组：P110。调质态使用。第四组：Q125。调质态使用。有些钢级还按化学成分中合金元素的含量及杂质元素磷、硫的含量分为不同的类型。8.4.3石油套管的化学成分第一组各钢级、第二组M65钢级和第三组套管：P、S最大值（0.030%）。第二组L80钢级的9Cr和13Cr两个类型为低碳、高Cr钢外，其余均为中碳、低合金结构钢，主加Mn。C90、T95、Q125钢级：中碳、主加Mn，辅加Cr、Ni，以进一步提高钢的强度和淬透性；加入Mo来提高钢的回火稳定性。同一钢级中，1类钢对P、S含量的要求最高。组别钢级类型CMnMoCrNimaxCumaxPmaxSmaxSimaxminmaxminmaxminmaxminmax2L801－0.43－1.90－－－－0.250.350.0300.0300.45L809Cr－0.150.300.600.901.108.0010.00.500.250.0200.0101.00L8013Cr0.150.220.251.00－－12.014.00.500.250.0200.0101.00C901－0.35－1.200.250.85－1.500.99－0.0200.010－C902－0.50－1.90－NL－NL0.99－0.