生產材料的目的就是為了應用。材料的消費,帶動了整個材料的循環和流動,也是整個材料循環和流動的推動力。不銹鋼是一種非常優秀的金屬材料,材料的選用原則和方法都適用于不銹鋼,當然不銹鋼的選用也有自己的獨特性。
為了某一個特定的用途,選擇最經濟又適用的不銹鋼可以說是既簡單、又復雜和謹慎的事情;這是由于不銹鋼一方面具有比其他金屬材料更優越的使用性能,可以適應大多數用途;另一方面,所使用的環境和場合對其要求都是極為嚴格的,嚴格到極為苛刻的程度。所以了解掌握不銹鋼的性能(使用性能和工藝性能)就顯得十分重要和非常必要。
從根本上來說,為某一用途選用的不銹鋼必須是,從性能上考慮,能滿足預定用途要求;從經濟和工藝上考慮,能較為經濟地加工制成所需的制品;從來源上考慮,市場上有所需要的現成的不銹鋼。這就是不銹鋼選用的“三原則”。
不銹鋼選用要運用本書前幾章所介紹的相關內容,有一個較為良好的理論基礎和選擇依據。在此基礎上,再談正確、合理選擇不銹鋼。本章將就如何正確選用不銹鋼的相關事宜作一介紹。
對不銹鋼部件或設備所用材料的合理選擇,必須掌握不銹鋼使用條件和相關知識,否則談不銹鋼選擇就沒有條件和依據了,也就無意義了。
一、詳盡地了解和掌握不銹鋼的使用條件
1. 對不銹鋼零部件或設備的使用條件必須是非常熟悉和了解
不銹鋼零部件或設備的使用條件,包括腐蝕介質成分、溫度、壓力、受力狀態、對磁性的限制、預期壽命、是否遭受中子輻照等,這些都直接影響著不銹鋼零部件或設備的使用安全和使用壽命。這樣一來,充分了解不銹鋼零部件或設備的使用環境和條件,就成為合理選擇不銹鋼的首要條件。
2. 深入了解并掌握各種不銹鋼的性能和相關數據
應根據不銹鋼零部件或設備的工作條件選擇不銹鋼材料,選材者應對各類不銹鋼性能、限制其使用的環境因素,是否易于購得到所需鋼種及其加工成零部件、設備的難易程度等,要有較全面的了解。只有如此,方能有針對性地進行選擇。另外,不銹鋼品種繁多,每種不銹鋼都有自己獨特的性能和使用條件。熟悉、了解不銹鋼的性能和使用條件,是正確選用不銹鋼的基礎。
3. 了解一些工程實例中不銹鋼的實際使用經驗
了解并掌握同行、同類型使用條件下的不銹鋼材料實際使用經驗和使用效果,是合理選材不走彎路的重要依據,應予以特別重視,也是正確合理選用不銹鋼的一種捷徑。
4. 模擬試驗數據
不銹鋼在大多數使用環境下,一般都沒有實際使用的相關技術資料、數據和經驗,實驗室內的模擬試驗數據或使用現場掛片試驗數據,往往就成為合理選用不銹鋼材料的最為關鍵數據和依據,對此選材者也應給予關注和重視。
二、正確合理選擇不銹鋼的相關知識
不銹鋼的主要特性,也就是其主要功能,在GB/T 20878-2007不銹鋼的定義中有明確的表述,那就是“不銹、耐腐蝕”;當然還應包括力學性能(強度)、耐熱性能、低溫性能和加工性能等。
前面的章節已介紹過了不銹鋼的物理性能、力學性能、耐腐蝕性、耐熱性能、低溫性能和工藝性能等。不銹鋼材料的使用條件包括溫度、腐蝕介質成分、受力狀態、預期使用壽命等。材料因素和使用條件是不銹鋼選用時必須認真考慮的兩大決定因素,但要使所選用不銹鋼的性能與使用條件兩大因素完全相符合,那只有專用、專供了,那是不現實的,也是沒有必要的。
在表6-1中列出了材料的性能和功能要求。
1. 不銹鋼性能
前面章節已介紹過,不銹鋼的性能包括有物理性能、力學性能、耐蝕性和工藝性能,這些性能是由材料的本身所決定的,是不銹鋼的內在性能。內在性能決定了一種材料的應用范圍;內在性能不外乎化學成分、結構和組織。超出內在性能允許使用范圍就會造成材料的失效,造成經濟損失和安全事故。
a. 物理性能
鋼的彈性模量、熱膨脹系數、磁性、熱導率等物理性能,在某些應用場合成為不可忽視的選擇依據,如要求無磁性,僅限于奧氏體不銹鋼。對于制造容器、塔、槽等設備襯里的不銹鋼,鋼的熱膨脹系數就十分重要;對于制造熱交換器的不銹鋼,熱膨脹系數和熱導率就成為選擇的重要條件,尤其是在與異種鋼焊接時其熱膨脹系數就更加重要。
b. 力學性能
力學性能包括強度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞性能和斷裂力學性能。這些性能是作為結構材料選擇時必須考慮的因素,也可以認為是合理選擇不銹鋼的基礎。
不銹鋼的力學性能受測定條件的強烈影響,如溫度、介質的腐蝕程度、中子輻照等都將使在常規條件下所得到的數值顯著下降,因此在使用常規數據時應考慮性能指標的變化。
在特定的使用條件下,常常是某一力學性能指標起主導作用,如量具、刀具、醫療器械等,需優先考慮鋼的硬度。在交變載荷作用下,鋼的疲勞性能就成為主要選材依據,在承受沖擊載荷或在低溫下使用,鋼的韌性和脆性轉變溫度是合理選擇材料的最關鍵指標。
①. 強度:這一術語包括有多個力學性能,是指在外力作用下,抵抗塑性變形和斷裂的能力。
常用的強度指標有抗拉強度、屈服強度和規定非比例延伸強度??梢岳脩?應變曲線來理解它們。其他相關的強度包括壓縮、彎曲、剪切和扭轉強度。選材時,最好使用高強度的材料以減少零部件的截面尺寸(厚度或寬度)進而減少材料重量,達到降低材料成本的目的。
②. 韌性:材料的韌性是材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。因此,韌性是強度和塑性的綜合表現;強度是材料抵抗變形和斷裂的能力,而塑性則表示斷裂時總的變形程度。一般用材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的多少,來表示韌性的高低;與此相對應地用材料在彈性變形過程中吸收能量的多少,來表示彈性的高低。
材料的強度、塑性和韌性分別對應于應力、應變和應變能,它們的臨界條件是斷裂時,則分別是斷裂應力、斷裂應變和斷裂吸收的能量。因此,韌性是強度和塑性的綜合表現。
脆性是韌性的反義詞,減少脆性,自然可以提高韌性。
由于生產的需要,材料工作者對材料(特別是鋼材)因各種組織結構或環境引起的脆性進行了大量的研究,對于這些脆性的表現規律、形成機理和抑制措施積累了不少有用的知識。善于應用這些知識,對材料韌化是有益的。
c. 耐腐蝕性能
耐腐蝕性能是指耐大氣腐蝕性能、耐酸腐蝕性能、耐孔蝕和耐應力腐蝕裂紋等;耐蝕性包括不銹性和在酸、堿、鹽等腐蝕介質中的耐均勻腐蝕和耐局部腐蝕性能以及在高溫下耐氧化、抗硫化、氯化和氟化的性能。
作為耐蝕結構材料,耐蝕性是判定是否選用的重要指標,如果鋼的耐蝕性不能滿足使用要求,無論其他性能如何優越,也不能予以考慮。
究竟選用哪種耐蝕等級的牌號,要考慮設備制造的難易程度、維修是否方便、預期使用壽命、由此設備所生產的產品質量要求(雜質、顏色、純度)以及價格等諸多因素。通常,對使用過程中要求與環境介質接觸的部分具有光潔鏡面或尺寸精密的儀表以及對腐蝕產物污染有嚴格限制的設備和部件,可選擇具有1~3級耐蝕標準的牌號;對要求密切配合,長期不漏和使用壽命長的使用條件,可選用2~5級耐蝕性的材料:對于檢修方便易于更換的設備和部件可選用具有4~7級的耐蝕材料。對于年腐蝕率超過1mm的材料,除特殊情況外,應不予以選用。必須強調的是在實際運行中,往往不是單一的均勻腐蝕,可能會存在應力腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和腐蝕疲勞等腐蝕形式出現,在腐蝕介質條件不能改變或無法加以控制的條件下,在選擇材料時應一并考慮。
在僅僅是均勻腐蝕的環境下,目前可以遵循的是耐蝕性的10級標準,見表1-1。
d. 耐熱性能
耐熱性能是指高溫強度、高溫氧化、硫化。
e. 低溫性能
低溫性能是指低溫強度和韌性。
f. 工藝性能
工藝性能是指熱加工性能(鑄造、鍛造等)、冷成形性能(冷軋、冷深沖、冷脹形、冷彎曲等)焊接性能和機加工性能等。其中不銹鋼的焊接性能、冷成形性能的是最為常用的工藝性能。如容器、結構件的焊接,用不銹鋼薄板深拉成形是極為常見的加工工藝。
2. 使用條件
不銹鋼零部件和設備的工作條件,即使用條件,它包括腐蝕介質成分、受力狀態、環境溫度、對磁性的限制、是否承受中子輻照等,工作條件構成了合理選擇不銹鋼的外在因素,所選用的不銹鋼必須與外界條件相適應,也就是所選擇的不銹鋼鋼種要滿足使用條件的要求。
選用不銹鋼的性能與其使用條件本應該是對應的關系,但是要做到真正地一一對應是十分困難的,如要做到不銹鋼性能與外界相適應則是可能的,所以才有不銹鋼選用這一問題的提出。不銹鋼性能與外界相適應有兩種可能,不銹鋼適應環境,或是環境適應不銹鋼,這需要具體問題具體分析。如不銹鋼適應高腐蝕環境,可選用高一級的耐腐蝕不銹鋼來適應高腐蝕環境,這會犧牲一些耐腐蝕性能。但只有如此,方可保證不銹鋼在高腐蝕環境中的正常使用。