常用管道材料的选用技巧

石油化工装置覆盖的范围大,操作条件和流体工况千变万化。设计者应根据具体使用条件(包括制造、制作安装、介质、操作情况、工作环境和试验等)及标准规定的材料使用要求和限制,选用合适的管道组成材料。

1.金属材料在高温下的性能变化

在高温作用下,金属原子间的自由电子获得了外界的能量,其活动范围扩大,使原子间的“黏结力”减小,晶格错位容易进行,从而使金属材料的强度下降,而塑性和韧性升高。高温下材料许用应力降低的原因就源于此。

2.材料的蠕变及应力松弛

当材料的使用温度超过其熔点的0.25～0.35倍时,金属的性能已处于不稳定状态,此时若在外力的作用下,会出现这样一种现象:虽然材料的应力不再增加,但其变形却随着时间的增加而继续增大,而且出现了不可恢复的塑性变形。通常把这种现象称作材料的蠕变。一般情况下,对碳素钢来说,考虑蠕变发生的起始温度为400℃,对铬钼合金钢则为450℃。与蠕变现象相反,当材料受高温和外力的持续作用时,可能会出现这样一种现象:材料的总应变量不变,但由于发生蠕变,使其中部分弹性变形转化成了塑性变形,从而导致弹性应力降低,即意味着金属材料被“放松”了。材料的这种现象称作应力松弛。应力松弛实际上是蠕变发生的另一种表现形式。高温下工作的螺栓常因应力松弛而导致法兰泄漏,所以此时应选用抗蠕变能力强的铬钼钢材料作为高温螺栓材料。对于加工残余应力和焊接残余应力,由于应力松弛而使其减弱或释放,从而可减缓或消除它们带来的不利影响。

3.材料的球化和石墨化

在高温作用下,碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集,形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内,尤其是对于珠光体碳钢,其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。这种现象称为材料的球化。球化的结果使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降,而塑性增加。一般情况下,碳钢长期处于450℃以上温度环境时,就有明显的球化现象。

对于碳钢和一些低合金钢,在高温作用下,其组织中会出现这样一种现象:过饱和的碳原子发生迁移和聚集,并转化为石墨(石墨为游离的碳原子)。由于石墨强度极低,并以片状存在于珠光体内,将使材料的强度大大降低,而脆性增加,这种现象称为材料的石墨化。一般情况下,碳钢长期处于425℃以上温度环境时,就有石墨化发生,而在475℃以上时则明显出现。为安全起见,SH3059标准规定,碳钢的最高使用温度为425℃,而GB150标准则规定其最高使用温度为450℃。

通常珠光体钢的球化先于石墨化发生,当发现材料中有石墨析出时,球化过程已经过去。一般认为,石墨化是某些钢球化的继续和发展。

4.材料的高温氧化

金属材料处于高温和氧化性介质(如空气)的环境中时,将会被氧化。氧化产物为疏松的非金属物质,容易脱落,故有时也称其金属的氧化为脱皮。以碳钢为例,当它处于570℃的空气中时,会产生FeO+Fe3O4+Fe2O3氧化皮,该氧化皮很容易脱落而使金属减薄,故不受力的碳钢也一般应限制在560℃以下工作。

5.金属材料在低温下的性能变化

在低温情况下,材料因其原子周围的自由电子活动能力和“黏结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下,对于每种材料,都有这样一个临界温度,当环境温度低于该临界温度时,材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性,常用低温冲击韧性(冲击功)来衡量,许多工程设计标准都给出了材料低温冲击韧性(冲击功)的限制。塑性材料在常温下均呈塑性断裂,断裂前有较大的塑性变形及缩颈,断裂过程较慢。在低温下,塑性材料将呈现脆性断裂,它在断裂前没有明显的塑性变形及缩颈,断裂常常是突然发生。应该说,在影响材料性能的诸多因素中,化学成分是起主要作用的。不同的元素及其在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此,了解元素在钢中起的作用,可以帮助材料工程师了解材料的性质。

1)常用碳素钢中各元素对其性能的影响

管道中除螺栓材料外,常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢,而螺栓材料则常用含碳量为0.25%～0.45%的亚共析钢。

碳素钢中,其主要影响元素是碳(C)。除此之外,尚有硅(Si)、硫(S)、氧(O)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素。

(1)碳(C)在碳素钢中的作用

从铁碳合金相图中可以看出,碳素钢随含碳量的增加,其组织中的铁素体量在减少,而渗碳体的量则在增加,从而使得碳素钢的强度和硬度增加,而塑性、韧性和焊接性能下降。一般情况下,当含碳量大于0.25%时,碳钢的可焊性开始变差,故管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。

含碳量的增加,其球化和石墨化的倾向增加。

(2)硅(Si)在碳素钢中的作用

硅是碳素钢中的常见元素之一,但它一般不是主加元素,而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲和力仅次于铝和钛,而强于锰、铬和钒,所以在炼钢过程为常用的还原剂和脱氧剂。为了保证碳素钢的质量,除沸腾钢和半镇静钢外,硅在钢中的含量应不少于0.1%,因此,有时也根据碳素钢中是否含硅或含硅的多少来判断其脱氧程度。

硅在碳素钢中不形成碳化物,而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用。但硅含量若超过3%时,将显著地降低钢的塑性、韧性、延展性和可焊性,并易导致冷脆,对中、高碳钢回火时易产生石墨化。

(3)硫(S)、氧(O)在碳素钢中的作用

硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物(如FeS、FeO)形式存在于碳素钢中,形成非金属夹杂,从而导致材料性能的劣化,尤其是硫的存在常引起材料的热脆(由于FeS可与铁形成共晶,并沿晶界分布。Fe-FeS共晶物的熔点为985℃,当在1000～1200℃温度下对材料进行压力加工时,由于它已经熔化而导致晶粒开裂,使材料呈现脆性。材料的这种脆性现象常称为热脆)。硫和磷常是钢中要控制的元素,并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。

(4)磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用

磷、砷和锑是属于元素周期表中的同一族元素,因此这三种元素在钢中有一些类似的作用。作为杂质元素,它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用,但同时又都增加钢的脆性,尤其是低温脆性。磷和砷又都是造成碳素钢严重偏析的有害元素。磷对钢的焊接性不利,它能增加焊裂的敏感性(由于磷以固溶形式存在于铁素体中,影响铁素体的晶格变形,使碳素钢在常温下呈现脆性,这种现象常称为冷脆)。

(5)碳素钢的应用应遵循下列原则。

普通碳素钢

①沸腾钢应限用在设计压力≤0.6 MPa、设计温度为0～250℃的条件下,并不得用于易燃或有毒流体的管道,也不得用于石油液化气介质和有应力腐蚀的环境中。

②镇静钢应限用在设计温度为0～400℃内。当它用于有应力腐蚀开裂敏感的环境时,本体硬度应不大于HB160,焊缝硬度应不大于HB200,并对本体和焊缝进行100%无损探伤。

③用于管道的沸腾钢和镇静钢,其含碳量不得大于0.24%。

现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700—2006标准给出了四种常用的普通碳素结构钢牌号,即Q235A(F、b)、Q235B(F、b)、Q235C、Q235D。这四种牌号的质量要求是依次提高的。它们的适用范围如下。

Q235A钢板:设计压力p≤0.6 MPa;使用温度为0～250℃;钢板厚度不大于12mm;不得用于易燃,毒性程度为中度、高度或极度危害介质的管道。

Q235B钢板:设计压力p≤1.0MPa;使用温度为0～350℃;钢板厚度不大于16 mm;不得用于液化石油气、毒性程度为高度或极度危害介质的管道。

Q235C钢板:设计压力p≤1.6 MPa;使用温度为0～350℃;钢板厚度不大于20mm;不能用于高度和极度危害介质的管道。

Q235D钢板:设计压力p≤2.5MPa;使用温度为0～400℃;钢板厚度不大于40mm。

优质碳素钢

优质碳素钢是管道中应用最广的碳钢,对应的材料标准有《优质碳素结构钢》GB/T699—1999、《输送流体用无缝钢管》GB/T8163—2008、《低中压锅炉用无缝钢管》GB3087—2008、《高压锅炉用无缝钢管》GB5310—2008、《石油裂化用无缝钢管》GB9948—2006、《高压化肥设备用无缝钢管》GB6479—2000等。这些标准是根据不同的使用工况而提出了不同的质量要求。它们共性的使用限制条件有以下几个方面。

①输送碱性或苛性碱介质时应考虑有发生碱脆的可能。锰钢(如16Mn)不得用于该环境中。

②在有应力腐蚀开裂倾向的环境中工作时,应进行焊后应力消除热处理,热处理后的焊缝硬度不得大于HB200。焊缝应进行100%无损探伤(对接焊缝应是射线探伤)。锰钢(如16Mn)不宜用于有应力腐蚀开裂倾向的环境中。

③在均匀腐蚀介质环境下工作时,应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算,如果核算结果证明选用碳素钢是合适的,应给出足够的腐蚀余量,并采取相应的其他防腐蚀措施。

④碳素钢、碳锰钢和锰钒钢在427℃及以上温度下长期工作时,其碳化物有转化为石墨的可能性,因此限制其最高工作温度不得超过425℃(有的规范如锅炉规范则规定该温度为450℃)。

⑤临氢操作时,应考虑发生氢损伤的可能性。

⑥含碳量大于0.24%的碳钢不宜用于焊连接的管子及其元件。

⑦用于-20℃及以下温度时,应做低温冲击韧性试验。

⑧用于高压临氢、交变载荷情况下的碳素钢材料应是经过炉外精炼的材料。

值得一提的是,优质碳素钢的材料标准中也有沸腾钢牌号,但对于应用优质碳素钢的场合而采用沸腾钢牌号甚不合理,实际工程中也很少这样用,故上述的规定仅是对镇静钢提出的,如果确实用到了优质沸腾钢,其应用限制条件可参照普通碳素钢部分。

2)常用低合金钢中各元素对其性能的影响

管道材料中除螺栓材料外,常用的低合金钢为含碳量小于0.20%的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢,而螺栓材料则常用含碳量为0.25%～0.45%的铬钢和铬钼钢。

低合金钢中,其主要影响元素有碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)、硅(Si)、铝(Al)等。除此之外,尚有硫(S)、氧(O)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素。

(1)碳(C)在低合金钢中的作用

同碳素钢部分。

(2)锰(Mn)在低合金钢中的作用

锰与铁形成固溶体,可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。锰又是碳化物形成元素,它进入渗碳体中将取代一部分铁原子。锰还可起到细化珠光体的作用,因此,在碳锰钢中常利用锰来提高钢的强度,但它使材料的延展性有所降低,而且增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中,其含量应在1%～2%。

锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS,可防止因硫而导致的热脆现象,从而改善钢的热加工性能。因此,在工业用钢中一般都含有一定数量的锰。

锰在钢中由于能降低临界转变温度,故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢要好。

锰能强烈增加碳锰钢的淬透性。锰含量较高时,有使钢晶粒粗化并增加钢的回火脆性的不利倾向。

锰对钢的焊接性有不利的影响。为改善钢的焊接性,应在许可的范围内,适当降低钢的碳含量。焊接时也需采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。

(3)铬(Cr)在低合金钢中的作用

铬是缩小γ相区和形成γ相圈的元素,在α-Fe中无限固溶,在γ-Fe中的最大溶解度为12.5%。

铬属于中等碳化物形成元素。随铬含量的增加,可形成(Fe,Cr)3C、(Cr,Fe)7C3、(Cr,Fe)23C6等碳化物,使铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用,并增加钢的热强性。

铬增加钢的淬透性并有二次硬化作用。

铬是显著提高钢的脆性转变温度的元素,随着铬含量的增加,钢的脆性转变温度也逐步提高,冲击值随铬含量增加而下降。

在含钼的锅炉钢中,加入少量的铬,能防止钢在长期使用过程中的石墨化。

(4)钼(Mo)在低合金钢中的作用

钼属于强碳化物形成元素,当其含量较低时,与铁及碳形成复杂的渗碳体;当含量较高时,则形成特殊碳化物。在较高回火温度下,由于钼的弥散分布,可使材料出现二次硬化。

钼对铁素体有固溶强化作用,同时也提高碳化物的稳定性,因此对钢的强度产生有利作用。钼是提高钢热强性最有效的合金元素,主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。此外,钼还可有效地抑制渗碳体在450～650℃工作温度下的聚集,促进弥散的特殊碳化物的析出,从而进一步起到了强化作用。自含钼0.5%的低合金钢用于锅炉管后,一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中,如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。

钼在钢中,由于形成特殊碳化物,可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。

钼常与其他元素如锰、铬等配合使用,可显著提高钢的淬透性;钼含量约0.5%时,能抑制或降低其他合金元素导致的回火脆性。

(5)钒(V)在低合金钢中的作用

钒是缩小γ相区、形成γ相圈的元素,在α-Fe中无限固溶,在γ-Fe中的最大溶解度约1.35%。

钒与碳、氧、氮都有较强的亲和力,为强碳化物及氮化物形成元素。在低合金钢中,钒能有效地固定钢中的碳和氮,并形成高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒,即使在高温下,聚合长大也极缓慢,因而可以增加钢的热强性和对蠕变的抗力。一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种,如12CrMoV及12Cr1MoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。

含钒钢在热处理中,能提高晶粒粗化的温度,从而降低钢的过热敏感性,并提高钢的强度和韧性等,尤其是它能提高钢正火后的强度屈服比及低温韧性,因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。(www.xing528.com)

由于钒对碳的固定作用,在高温下,对抗氢腐蚀(脱碳和脆化)是有益的。在抗氢钢中钒和碳含量之比应在5.7左右,过低时不足以有效地起到抗氢腐蚀作用,过高时将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。

(6)硅(Si)在低合金钢中的作用

硅作为杂质元素时,它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同,作为合金元素时,一般应不低于0.4%。

硅在钢中不形成碳化物,而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用,在常见元素中仅次于磷,而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等要强。但硅含量若超过3%时,将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。

低硅含量对钢的抗腐蚀性能影响不大,只有当硅含量达到一定值时,它对钢的抗腐蚀性能才有显著的增强作用。硅含量为15%～20%的硅铸铁是很好的耐酸材料,对不同温度和浓度的硫酸、硝酸都很稳定,但在盐酸和王水的作用下稳定性很小,在氢氟酸中则不稳定。高硅铸铁之所以抗腐蚀,是由于当开始腐蚀时,在其表面形成致密的SiO2薄层阻碍着酸的进一步向内侵蚀。

含硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成SiO2薄层,从而提高钢在高温时的抗氧化性。

(7)铝(Al)在低合金钢中的作用

铝与氮及氧的亲和力很强,因此它也用作炼钢时的脱氧定氮剂,并起到细化晶粒、阻抑碳钢的时效、提高钢在低温下韧性的作用。

铝作为合金元素加入钢中时能提高钢的抗氧化性,改善钢的电磁性能,提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。因此,铝在不起皮钢、电热合金、磁钢和渗氮钢中得到了广泛的应用。

铝在铁素体及珠光体钢中,当它的含量较高时,材料的高温强度和韧性较低。

铝和碳虽然可以化合生成碳化物Al4C3和Al3C,但它和碳的亲和力小于铁和碳的亲和力,因此在钢中一般不存在铝的碳化物。

当铝含量达到一定量时,可使钢产生钝化现象,使钢在氧化性酸中具有抗蚀性,但使钢的焊接性变坏。

铝还能提高钢对硫化氢的抗蚀作用。铝含量在4%左右的钢,在温度不超过600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。

铝对钢在水蒸气、氯气,特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。

在钢铁材料表面镀铝和渗铝,可以提高其抗氧化性和在工业和海洋性气氛中的抗蚀性。

含铝的钢渗氮后,在钢的表面形成一层牢固的薄而硬的弥散分布的氮化铝层,从而提高其硬度和疲劳强度,并改善其耐磨性。

铝是高锰低温钢的主要合金元素。一定量的铝,有提高铁锰奥氏体的稳定度、抑制Fe Mn相变的作用,从而使铝在低温钢中得到了应用。

(8)硫(S)、氧(O)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素在低合金钢中的作用

同在碳素钢中的作用。但由于低合金钢熔点较高,磷、砷、锑等杂质元素容易在高温下迁移聚集,从而导致低合金钢的高温回火脆性(合金钢在进行高温回火热处理或长期在高温下工作时,其中的杂质元素磷、砷、锑等容易在高温下迁移聚集)。一般情况下,低合金钢均采用较高级的冶炼方法(如电炉冶炼),故其硫、磷等杂质元素含量较低。

由于这些元素的熔点一般比合金元素低,它将“割裂”材料基体而导致合金钢在高温下呈现脆性。因为合金钢的这种脆性发生在红热的温度下,故常称为红脆。

(9)常用的铬钼合金钢材料共性的使用限制条件

①碳钼钢(C-0.5Mo)在468℃下长期工作时,其碳化物有转化为石墨的倾向,因此限制其最高长期工作温度不超过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临氢操作时,应考虑发生氢损伤的可能性。

④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。

⑤应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用。

⑥在400～550℃内长期工作时,应考虑防止回火脆性问题。

⑦铬钼合金钢一般应是电炉冶炼或经过炉外精炼的材料。

3)常用高合金钢中各元素对其性能的影响

管道材料中常用的高合金钢为含碳量小于0.10%的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。

高合金钢中,其主要影响元素有碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钛(Ti)、硅(Si)等。除此之外,尚有硫(S)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素。

(1)碳(C)在高合金钢中的作用

碳也是高合金钢中的强化元素,但不是主要强化元素,此时的强化元素主要是合金元素。为了满足高合金钢的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能的要求,它的含碳量一般不大于0.1%。

对于铬镍或铬镍钼奥氏体型不锈钢,它的含碳量一般不大于0.08%。当其含碳量小于或等于0.03%时,由于含碳量较低,高温强度也较低,故不宜用于525℃及以上的温度环境中。作为高温下耐热用的高合金钢,其含碳量应大于或等于0.04%,但此时奥氏体型不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。

(2)铬(Cr)在高合金钢中的作用

铬在铬钼高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。

铬在不锈耐热钢中,当其含量超过12%时,使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化介质腐蚀作用,并增加钢的热强性。但铬含量太高时或者处理不当,易发生σ相和475℃回火脆化。

在单一的铬钢中,材料的焊接性能随铬含量的增加而恶化。

(3)钼(Mo)在高合金钢中的作用

钼在铬钼高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。

钼在不锈耐热钢中,也能使钢表面钝化,但作用不如铬显著。钼与铬相反,它既能在还原性酸(HCl、H2SO4、H2SO3)又能在强氧化性盐溶液(特别是含有氯离子时)中,使钢材表面钝化。因此,钼可以普遍提高钢的抗蚀性能。

钼加入奥氏体耐酸钢中,能显著地提高材料对醋酸、环烷酸的抗蚀性。

在含有氯化物的溶液中,常会引起奥氏体耐酸钢的点腐蚀和晶间腐蚀。材料中加入钼后,这种倾向在很大程度上会被减缓或抑制。

(4)镍(Ni)在高合金钢中的作用

镍是扩大γ相区,形成无限固溶体的元素,它是奥氏体型不锈钢中的主加元素。

镍和碳不形成碳化物,它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的γ相和σ相中,使之强化。

镍能细化铁素体晶粒,改善钢的低温性能。含镍量超过一定值的碳钢,其低温脆化转变温度显著降低,而低温冲击韧性显著提高,因此镍钢常用作低温度材料。一般情况下,含镍达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用,含镍达到9%的镍钢可在-196℃超低温下使用。含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳的性能。镍钢不宜在含硫或CO的气氛中加热,因为镍易与硫化合,在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产生热脆。在高温时镍将与CO化合形成Ni(CO)4气体而从合金中逸出,从而在材料中留下孔洞。

在不锈耐热钢中,镍与铬、钼等元素适当配合使材料在常温下为奥氏体组织,即得到所谓的奥氏体型不锈钢或耐热钢。然而,目前镍在全世界范围内都是一种比较稀缺的元素,故作为一种合金元素,应该只有当用其他元素不能获得所需要的性能时,才考虑使用它。

由于镍可降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度,因而它可提高钢的淬透性。

镍不增加钢对蠕变的抗力,因此一般不作为热强钢中的强化元素。在奥氏体热强钢中,镍的作用只是使钢奥氏体化,钢的强度必须靠其他元素如钼、钨、钒、钛、铝来提高。

镍是有一定抗腐蚀能力的元素,对酸、碱、盐及大气均具有一定的抗蚀能力。

(5)钛(Ti)在高合金钢中的作用

钛是缩小γ相区、形成γ相圈的元素。

钛是最强的碳化物形成元素,与氮、氧的亲和力也极强,是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素,正因为这样,含钛的高合金钢不宜用作铸件。

在奥氏体型不锈钢中,由于钛能固定碳,有防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。如果奥氏体型不锈钢中的钛、碳含量之比超过4.5时,由于此时材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住,故使得材料对晶间腐蚀、应力腐蚀和碱脆有很好的抗力。

当钛以碳化钛微粒存在时,由于它能细化钢的晶粒并成为奥氏体分解时的有效晶核,可使钢的淬透性降低,但也使材料的高温固溶强化效果降低。

钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。在高镍含铝合金中能形成γ相[Ni3(Al,Ti)]并弥散析出,从而提高材料的热强性。目前,钛越来越多地被用作航空、宇航工业材料。

钛作为强碳化物形成元素,可以提高钢在高温、高压、氢气中的稳定性。当钢中的钛含量达到碳含量的4倍时,可使钢在高压下对氢的稳定性几乎高达600℃以上。

(6)硅(Si)在高合金钢中的作用

硅在高合金钢中常用于奥氏体或奥氏体-铁素体双相型不锈钢中,起固溶强化作用。

各种奥氏体型不锈钢中加入约2%的硅,可以增强它们的高温不起皮性。

在铬、铬铝、铬镍、铬钨等钢中加入硅,都将提高它们的高温抗氧化性能。但硅含量太高时,材料的表面脱碳倾向增加。

(7)硫(S)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素在高合金钢中的作用

同低合金钢部分。

(8)不锈耐热钢共性的使用限制条件

①含铬12%以上的铁素体和马氏体型不锈钢在400～550℃内长期工作时,应考虑防止475℃回火脆性破坏,这个脆性表现为室温下材料的脆化。因此,在应用上述不锈钢时,应将其弯曲应力、振动和冲击载荷降到敏感载荷以下,或者不在400℃以上使用。

②含铬16%以上的高铬不锈钢和含铬18%以上的高铬镍不锈钢在540～900℃内长期工作时,应考虑防止发生σ相析出,从而引起室温下材料的脆化和高温下材料蠕变强度的下降。这种现象可以通过将其加热至1000℃以上进行退火处理来消除。有资料指出,σ相析出一般发生在铁素体型不锈钢中,对于奥氏体型不锈钢,只要控制其铁素体含量(一般为3%～8%)即可避免。对于常用的奥氏体型不锈钢,除铸件外,其铁素体含量一般不会超过上述值。

③奥氏体型不锈钢在加热冷却的过程中,经过540～900℃时,应考虑防止产生晶间腐蚀倾向。当有还原性较强的腐蚀介质存在时,应选用稳定型(含稳定化元素Ti和Nb)或超低碳型(C＜0.03)奥氏体型不锈钢。

④不锈钢在接触湿的氯化物时,有应力腐蚀开裂和点蚀的可能。应避免接触湿的氯化物,或者控制物料和环境中的氯离子浓度不超过25μg/g。

⑤奥氏体型不锈钢与铅、锌或它们的化合物在其熔点以上接触时,有晶间腐蚀破坏的敏感性。

⑥奥氏体型不锈钢使用温度超过525℃时,其含碳量应大于0.04%。

⑦对有剧烈环烷酸腐蚀的环境,应选用含钼的奥氏体型不锈钢(如316、316L)或其复合材料(复合板或复合管)。