生產(chǎn)材料的目的就是為了應(yīng)用。材料的消費,帶動了整個材料的循環(huán)和流動,也是整個材料循環(huán)和流動的推動力。不銹鋼是一種非常優(yōu)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(jīng)濟又適用的不銹鋼可以說是既簡單、又復(fù)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(yōu)越的使用性能,可以適應(yīng)大多數(shù)用途;另一方面,所使用的環(huán)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(yù)定用途要求;從經(jīng)濟和工藝上考慮,能較為經(jīng)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(xiàn)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(guān)內(nèi)容,有一個較為良好的理論基礎(chǔ)和選擇依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,再談?wù)_、合理選擇不銹鋼。本章將就如何正確選用不銹鋼的相關(guān)事宜作一介紹。


對不銹鋼部件或設(shè)備所用材料的合理選擇,必須掌握不銹鋼使用條件和相關(guān)知識,否則談不銹鋼選擇就沒有條件和依據(jù)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(shè)備的使用條件必須是非常熟悉和了解


   不銹鋼零部件或設(shè)備的使用條件,包括腐蝕介質(zhì)成分、溫度、壓力、受力狀態(tài)、對磁性的限制、預(yù)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(shè)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(shè)備的使用環(huán)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(guān)數(shù)據(jù)


   應(yīng)根據(jù)不銹鋼零部件或設(shè)備的工作條件選擇不銹鋼材料,選材者應(yīng)對各類不銹鋼性能、限制其使用的環(huán)境因素,是否易于購得到所需鋼種及其加工成零部件、設(shè)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(chǔ)。


 3. 了解一些工程實例中不銹鋼的實際使用經(jīng)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(jīng)驗和使用效果,是合理選材不走彎路的重要依據(jù),應(yīng)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(shù)據(jù)


   不銹鋼在大多數(shù)使用環(huán)境下,一般都沒有實際使用的相關(guān)技術(shù)資料、數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,實驗室內(nèi)的模擬試驗數(shù)據(jù)或使用現(xiàn)場掛片試驗數(shù)據(jù),往往就成為合理選用不銹鋼材料的最為關(guān)鍵數(shù)據(jù)和依據(jù),對此選材者也應(yīng)給予關(guān)注和重視。



二、正確合理選擇不銹鋼的相關(guān)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(yīng)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(jié)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(zhì)成分、受力狀態(tài)、預(yù)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(xiàn)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。


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 1. 不銹鋼性能


   前面章節(jié)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(nèi)在性能。內(nèi)在性能決定了一種材料的應(yīng)用范圍;內(nèi)在性能不外乎化學成分、結(jié)構(gòu)和組織。超出內(nèi)在性能允許使用范圍就會造成材料的失效,造成經(jīng)濟損失和安全事故。


  a. 物理性能


   鋼的彈性模量、熱膨脹系數(shù)、磁性、熱導(dǎo)率等物理性能,在某些應(yīng)用場合成為不可忽視的選擇依據(jù),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(shè)備襯里的不銹鋼,鋼的熱膨脹系數(shù)就十分重要;對于制造熱交換器的不銹鋼,熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)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(shù)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(jié)構(gòu)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(chǔ)。


   不銹鋼的力學性能受測定條件的強烈影響,如溫度、介質(zhì)的腐蝕程度、中子輻照等都將使在常規(guī)條件下所得到的數(shù)值顯著下降,因此在使用常規(guī)數(shù)據(jù)時應(yīng)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(dǎo)作用,如量具、刀具、醫(yī)療器械等,需優(yōu)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(jù),在承受沖擊載荷或在低溫下使用,鋼的韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度是合理選擇材料的最關(guān)鍵指標。


   ①. 強度:這一術(shù)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(guī)定非比例延伸強度。可以利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線來理解它們。其他相關(guān)的強度包括壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)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?qū)挾龋┻M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(xiàn);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(yīng)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(yīng)于應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能,它們的臨界條件是斷裂時,則分別是斷裂應(yīng)力、斷裂應(yīng)變和斷裂吸收的能量。因此,韌性是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。


      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(chǎn)的需要,材料工作者對材料(特別是鋼材)因各種組織結(jié)構(gòu)或環(huán)境引起的脆性進行了大量的研究,對于這些脆性的表現(xiàn)規(guī)律、形成機理和抑制措施積累了不少有用的知識。善于應(yīng)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(yīng)力腐蝕裂紋等;耐蝕性包括不銹性和在酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(shè)備制造的難易程度、維修是否方便、預(yù)期使用壽命、由此設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量要求(雜質(zhì)、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(huán)境介質(zhì)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(chǎn)物污染有嚴格限制的設(shè)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(shè)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(yīng)不予以選用。必須強調(diào)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(yīng)力腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和腐蝕疲勞等腐蝕形式出現(xiàn),在腐蝕介質(zhì)條件不能改變或無法加以控制的條件下,在選擇材料時應(yīng)一并考慮。


   在僅僅是均勻腐蝕的環(huán)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(jié)構(gòu)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(shè)備的工作條件,即使用條件,它包括腐蝕介質(zhì)成分、受力狀態(tài)、環(huán)境溫度、對磁性的限制、是否承受中子輻照等,工作條件構(gòu)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(yīng),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(yīng)該是對應(yīng)的關(guān)系,但是要做到真正地一一對應(yīng)是十分困難的,如要做到不銹鋼性能與外界相適應(yīng)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(yīng)有兩種可能,不銹鋼適應(yīng)環(huán)境,或是環(huán)境適應(yīng)不銹鋼,這需要具體問題具體分析。如不銹鋼適應(yīng)高腐蝕環(huán)境,可選用高一級的耐腐蝕不銹鋼來適應(yīng)高腐蝕環(huán)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(huán)境中的正常使用。