海洋工程材料5

1、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 Harbin Engineering University Shipbuilding Engineering College 苗玉剛苗玉剛2015年年12月月船舶工程學(xué)院船舶工程學(xué)院二、海洋工程常用鋼鐵材料三、海洋工程常用有色金屬材料第第5章章 海洋工程中常用金屬材料海洋工程中常用金屬材料一、海洋工程對(duì)金屬材料的要求海洋油氣鉆采平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)物工況特海洋油氣鉆采平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)物工況特點(diǎn)和對(duì)金屬材料的要求點(diǎn)和對(duì)金屬材料的要求 海洋油氣鉆采平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)物，處在風(fēng)、浪、流、海水腐蝕、甚至嚴(yán)寒的惡劣環(huán)境下工作，特別在深海域，還受到海洋

2、密度分層產(chǎn)生的內(nèi)波影響及水波流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)物相互作用的勢(shì)流動(dòng)力學(xué)影響，因此往往具有特殊的結(jié)構(gòu)形式，并且在材料上提出了比船舶用鋼更高的要求。硫含量和硫含量和Z向性能的要求向性能的要求（我國(guó)船舶檢驗(yàn)局規(guī)定）（我國(guó)船舶檢驗(yàn)局規(guī)定） Z向性能（板厚方向的斷面收縮率向性能（板厚方向的斷面收縮率z） 強(qiáng)度和韌性要求Y要求屈服強(qiáng)度高，特別是移動(dòng)式平臺(tái)，要求采用400690 MPa級(jí)高屈服強(qiáng)度的鋼材。Y對(duì)韌性的要求高。 Y在寒冷地區(qū)，需要有足夠的低溫韌性。 耐腐蝕性能要求 海洋結(jié)構(gòu)物在海洋環(huán)境下將受到潮流、鹽分、水溫、微生物等腐蝕影響，并且在海水中的不同部位（海洋大氣帶、飛濺帶、潮差帶、全浸帶和海土帶）受到的腐蝕

3、情況不同。海洋大氣帶的腐蝕為海洋大氣腐蝕海洋大氣帶的腐蝕為海洋大氣腐蝕 海洋大氣中有大量含鹽微粒的水氣，加上雨、霧、風(fēng)速、相對(duì)濕度等氣象因素，海洋大氣腐蝕要比其它類別的大氣腐蝕嚴(yán)重。耐海洋大氣腐蝕的有效合金元素Cu、P、Si、Al、Mo、Cr等，其中效果最顯著的元素為Cu、P，不與海水直接接觸的海洋結(jié)構(gòu)物部分可采用耐海洋大氣腐蝕鋼。飛濺帶一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分飛濺帶一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分 Y受到海水交替的干濕變化，溶解的氧量也比較多。 Y由于日光的照射使溫度升高，再加上海面的污損生物、浮油等的附著以及臺(tái)風(fēng)、流水等促進(jìn)腐蝕因素，所以腐蝕極為劇烈，是海水腐蝕環(huán)境中腐

4、蝕最嚴(yán)重的部位，其腐蝕速度可達(dá)到全浸帶的好幾倍。Y提高鋼在飛濺帶的耐腐蝕能力的有效合金元素P、Cu、Mo、 Ni、Cr、Si、W、Ti等，效果最顯著的元素為P、Cu、Mo。潮差帶和飛濺帶同樣也是腐蝕嚴(yán)重的部位潮差帶和飛濺帶同樣也是腐蝕嚴(yán)重的部位 但由于潮差帶的供氧情況比下部的全浸帶好，在潮差帶和全浸帶之間形成的氧的濃差電池，使潮差帶作為該電池的陰極而受到保護(hù)，使腐蝕的速度和程度降低，提高鋼在潮差帶的耐腐蝕能力，可選用與飛濺帶相同的有效合金元素。全浸帶指潮差帶與海底之間海水浸沒(méi)的部分全浸帶指潮差帶與海底之間海水浸沒(méi)的部分 Y 全浸帶由于上述氧濃差電池作用和海水流動(dòng)造成金屬上氧的不均勻分布形成的氧

5、濃差電池及海洋生物的作用，加上不同的金屬接觸所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，所以除了金屬的均勻腐蝕，還會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕或點(diǎn)蝕。Y 減輕材料在全浸帶腐蝕的有效元素Cr、P、Al、Mo、Si等，特別是Cr。 Y 在深海，由于含氧量少，海水溫度隨水深而降低，海洋生物附著減少，同時(shí)海水流速也減慢，所以腐蝕速度反較慢，合金元素效果也變得不明顯。 海土帶中氧極少，所以腐蝕也最輕。海土帶中氧極少，所以腐蝕也最輕。 Y對(duì)部分埋在海底，部分裸露在海水中的鋼結(jié)構(gòu)，由于氧的氧濃差電池作用，加快了埋在海土中的部分鋼的腐蝕。Y在海土中，特別是在淺海海土中，由于從陸地上流入的污染土中存在大量促進(jìn)腐蝕的微生物，腐蝕較為劇烈。冷加工性要求

6、 一般船體結(jié)構(gòu)用鋼，即使是大型船舶用鋼，僅用3050mm厚的鋼板，但海底石油采掘設(shè)備等大型海洋結(jié)構(gòu)物則需要用6070mm，甚至更厚的鋼板，而且主要是進(jìn)行冷加工，因此需要鋼板有更好的冷加工性能。焊接性能要求 大型海洋結(jié)構(gòu)物大多是管件，圓形構(gòu)架狀的組合，形狀變化大，往往需要將數(shù)據(jù)組合的管子在應(yīng)力集中處進(jìn)行焊接，并且大多在露天或海上作業(yè)條件很差的情況下焊接，所以要求材料有比艦船用鋼更好的焊接性能和更便于焊接操作的條件。海洋油氣鉆采平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)物用金屬材料。 海洋油氣鉆采平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)物主要采用鋼質(zhì)材料建造，大量使用的鋼材是焊接高焊接高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼和焊接低合金高強(qiáng)度耐海水腐焊接低

7、合金高強(qiáng)度耐海水腐蝕用鋼蝕用鋼，它們除了按各種船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行要求外，常常還要求耐層狀撕裂性能和焊接接頭的COD性能，比規(guī)范要求更為嚴(yán)格。海洋油氣鉆采平臺(tái)用焊接高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 對(duì)平臺(tái)的本體結(jié)構(gòu)物必須充分考慮結(jié)構(gòu)是否會(huì)因水壓產(chǎn)生彎曲變形，并且在施工時(shí)使用冷熱加工及焊接接頭必須滿足疲勞強(qiáng)度，通常采用抗拉強(qiáng)度為500MPa級(jí)的正火型高強(qiáng)鋼，鋼板厚度通常不大于130mm，不建議用調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)鋼。 海洋油氣鉆采平臺(tái)經(jīng)常采用的焊接高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼 屈服點(diǎn)為320MPa的AH32-EH32鋼、屈服點(diǎn)為360MPa的AH36-EH36鋼、屈服點(diǎn)為390690MPa級(jí)鋼，如美國(guó)的ASTM A537C1.2, A543,

8、A633 Gr.E, A678 Gr.D, A710 Gr.C, A737 Gr.C，英國(guó)的BS436055E和55F，挪威的NVF420和460，日本的KA43、47、51、56、63、63N、70、70N、KD43、47、51、56、63、63N、70、70N，KE43、47、51、56、63、63N、70、70N，KF43、47、51、56、63、63N、70、70N等。海洋油氣鉆采平臺(tái)用焊接低合金高強(qiáng)度耐海水腐蝕用鋼 海洋環(huán)境對(duì)鋼的腐蝕情況非常復(fù)雜，目前還沒(méi)有一個(gè)低合金鋼號(hào)能全面達(dá)到海洋環(huán)境的要求。目前國(guó)外工業(yè)生產(chǎn)的低合金耐海水腐蝕用鋼按成份系列可分為:Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、

9、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、Cr-Cu-P系、Cr-Al-Mo系等，以下介紹典型的鋼號(hào)。 美國(guó)的美國(guó)的Mariner鋼鋼 Ni-Cu-P系的半鎮(zhèn)靜鋼，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為：355 MPa和490MPa以上，特點(diǎn)是在飛濺帶的耐海水腐蝕性能好，為普通碳素鋼的23倍，即使在沒(méi)有混凝土包履等防護(hù)措施的情況下，也能長(zhǎng)期的使用，而且很少發(fā)生點(diǎn)蝕。但此鋼中含P量較高（0.080.15%P），不適宜厚度大于20 mm鋼板的焊接，不能用于焊接的海洋結(jié)構(gòu)物，主要用作護(hù)堤、筑堤等用的鋼樁。日本的Mariloy鋼 該鋼針對(duì)美國(guó)“Mariner” 鋼P(yáng)含

10、量高、焊接性能差及全浸帶耐腐蝕性能差的問(wèn)題而研制的耐海水腐蝕鋼，包括2個(gè)強(qiáng)度級(jí)別（s400 MPa和b490 MPa），三種不同海水部位（飛濺帶、全浸帶、飛濺帶和全浸帶）的6個(gè)鋼號(hào)，它們是鋼中含P量0.03%的Cr-Cu系低合金耐海水腐蝕鋼，其中Mariloy鋼P(yáng)50的s 325 MPa， s 490 MPa，在飛濺帶的耐腐蝕性能是普通碳素鋼的2倍左右，用于系船浮標(biāo)、鋼樁等，適用厚度625mm。法國(guó)的APS Cr-Al鋼 該鋼包括APS20A、APS20M、APS25三個(gè)鋼號(hào),它們均含有4% Cr，APS20A含有0.90%Al，APS20M含有0.90%Al和0.15%Mo，APS25含有0

11、.60%Al和0.15%Mo及0.80% Ni。正火后20 mm以下鋼材的強(qiáng)度為：APS20A、APS20M的s310 MPa， s 490 MPa；APS25的s 590 MPa， s 835 MPa；它們的耐海水腐蝕性能大大優(yōu)于碳鋼，在海水中全浸46個(gè)月的對(duì)比腐蝕試驗(yàn)表明，為碳鋼的2.183.23倍，它們?cè)诤附訒r(shí)不需要預(yù)熱或焊后熱處理，但以650消除應(yīng)力為宜；缺點(diǎn)是該鋼有晶粒長(zhǎng)大傾向，因此要防止過(guò)熱，并且除氬弧焊外，不能做到含Al均勻的焊縫；APS Cr-Al鋼用于制造船舶管道、海水制水設(shè)備、防波堤的護(hù)板、閘門(mén)、渡船、救生艇、鹽器設(shè)備等. 我國(guó)從1965年起開(kāi)始研制耐海水腐蝕鋼 試驗(yàn)鋼號(hào)近

12、200種，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通過(guò)鑒定，但除了少數(shù)用戶因個(gè)別工程需要訂貨外，尚未推廣開(kāi)來(lái)，應(yīng)用少，產(chǎn)量也少，多用在鋼板樁、海水冷凝器、輸海水管線、管樁、船塢閘門(mén)等方面，尚未涉及大型的固定式和移動(dòng)式海洋結(jié)構(gòu)物。5.2 海洋工程常用鋼鐵材料海洋工程常用鋼鐵材料鑄鐵鑄鐵碳鋼碳鋼船體與海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼需要經(jīng)過(guò)冷、熱加工，船航行中和海洋工程船體與海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼需要經(jīng)過(guò)冷、熱加工，船航行中和海洋工程結(jié)構(gòu)工作中又受到海浪的沖擊和海水、海泥、海洋大氣的腐蝕。因此，結(jié)構(gòu)工作中又受到海浪的沖擊和海水、海泥、海洋大

13、氣的腐蝕。因此，要求船舶與海洋工程用鋼應(yīng)具有高綜合性能（良好的塑性和沖擊韌要求船舶與海洋工程用鋼應(yīng)具有高綜合性能（良好的塑性和沖擊韌性），滿意的可焊性和較好的耐海水、海泥、海洋大氣腐蝕性能。性），滿意的可焊性和較好的耐海水、海泥、海洋大氣腐蝕性能。碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼按化學(xué)成分按化學(xué)成分低碳鋼（低碳鋼（ C 0.25% C 0.25% ）中碳鋼（中碳鋼（ C C 0.25-0.60% 0.25-0.60% ）高碳鋼（高碳鋼（ C C 0.60% 0.60% ）按含碳量按含碳量5.2.1 海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼一般強(qiáng)度海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼一般強(qiáng)度海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼分為分為

14、A A、B B、D D、E E四個(gè)質(zhì)量等級(jí)四個(gè)質(zhì)量等級(jí)海上移動(dòng)式鉆井船入級(jí)與建造規(guī)范規(guī)定，船式、駁船式和坐底式鉆井船用一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材，應(yīng)選用按船規(guī)規(guī)定的一般強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼，規(guī)范將一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼分為A、B、D、E共4個(gè)等級(jí)。鋼材的質(zhì)量等級(jí)主要是以對(duì)沖擊韌性（夏比V型缺口試驗(yàn)）的要求區(qū)分的。 A級(jí)為在常溫(20)做沖擊試驗(yàn)，沖擊功不低于27J 。 B級(jí)為在0做沖擊試驗(yàn)，沖擊功不低于27J 。 D級(jí)為在-20做沖擊試驗(yàn)，沖擊功不低于27J。 E級(jí)為在-40做沖擊試驗(yàn)，沖擊功不低于27J。 1、海洋工程用一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、海洋工程用一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼等級(jí)與厚度供貨狀態(tài)A(所有厚度)B(

15、所有厚度)D(厚度35mm) (厚度35mm)E(所有厚度)熱軋,正火或控制軋制熱軋,正火或控制軋制熱軋,正火或控制軋制正火正火一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼供應(yīng)狀態(tài) 一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能 等級(jí)ABDE脫氧方法半鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)靜、沸騰鋼半鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)靜鋼全鎮(zhèn)靜細(xì)晶粒（鋁處理）全鎮(zhèn)靜細(xì)晶粒（鋁處理）化學(xué)成分/%C0.210.210.210.18Mn0.800.600.70Si0.350.350.100.350.100.35S0.0400.0400.0400.040P0.0400.0400.0400.040Al(酸溶)-0.0150.015一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分自升式、半潛式鉆井船用結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)構(gòu)件類別、板厚和工作溫度

16、選用。自升式、半潛式鉆井船用結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)構(gòu)件類別、板厚和工作溫度選用。為了防止層狀撕裂，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)考慮采用為了防止層狀撕裂，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)考慮采用Z Z向鋼板，對(duì)于表面焊接板向鋼板，對(duì)于表面焊接板材的重要構(gòu)件建議采用材的重要構(gòu)件建議采用Z Z向鋼板，如重要構(gòu)件未能采用向鋼板，如重要構(gòu)件未能采用Z Z向鋼板而選用船向鋼板而選用船體結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，對(duì)鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲波檢查。體結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，對(duì)鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲波檢查。Z Z向鋼板是以某一等級(jí)船體結(jié)構(gòu)鋼為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)特殊冶煉和處理的鋼材，向鋼板是以某一等級(jí)船體結(jié)構(gòu)鋼為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)特殊冶煉和處理的鋼材，Z Z向鋼板除應(yīng)滿足母級(jí)鋼的要求外，其含硫量和板厚方向的斷面收縮

17、率向鋼板除應(yīng)滿足母級(jí)鋼的要求外，其含硫量和板厚方向的斷面收縮率也應(yīng)滿足表也應(yīng)滿足表4-424-42要求。要求。固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)用鋼材的級(jí)別可根據(jù)構(gòu)件類別、構(gòu)件厚度和最小設(shè)計(jì)固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)用鋼材的級(jí)別可根據(jù)構(gòu)件類別、構(gòu)件厚度和最小設(shè)計(jì)溫度按下表選用船用結(jié)構(gòu)鋼材。溫度按下表選用船用結(jié)構(gòu)鋼材。高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分2、海洋工程用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：我國(guó)海上移動(dòng)式鉆井船入級(jí)和建造規(guī)范將船用低合金高強(qiáng)度鋼稱為高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼。高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼有四個(gè)質(zhì)量等級(jí)(A、D、E、F)和三個(gè)強(qiáng)度級(jí)別組合5.2.1 海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼船用結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能(GB712-2000)5.2.1 海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼海

18、洋工程用結(jié)構(gòu)鋼自升式、半潛式鉆井船用結(jié)構(gòu)鋼鋼材應(yīng)按下表規(guī)定選用高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼。5.2.1 海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼H H表示表示32kgf/mm32kgf/mm2 2和和36kgf/mm36kgf/mm2 2的高強(qiáng)鋼的高強(qiáng)鋼表示比表示比E32E32、E36E36更高一級(jí)的鋼材更高一級(jí)的鋼材5.2.2 海洋工程用鑄鐵海洋工程用鑄鐵鑄鐵由于具有具有優(yōu)良的成形性能、加工性能、鑄鐵由于具有具有優(yōu)良的成形性能、加工性能、力學(xué)性能及低廉的價(jià)格，在各工業(yè)部門(mén)得到廣泛力學(xué)性能及低廉的價(jià)格，在各工業(yè)部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。隨著我國(guó)沿海工業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)海洋資源的隨著我國(guó)沿海工業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)海洋資

19、源的開(kāi)發(fā)利用，鑄鐵材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用日益得開(kāi)發(fā)利用，鑄鐵材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用日益得到重視，應(yīng)用量、應(yīng)用范圍不斷增大。到重視，應(yīng)用量、應(yīng)用范圍不斷增大。鑄鐵的組織中存在大量的高碳相：石墨和滲碳鑄鐵的組織中存在大量的高碳相：石墨和滲碳體。不同的石墨形態(tài)及其分布，導(dǎo)致鑄鐵的機(jī)械體。不同的石墨形態(tài)及其分布，導(dǎo)致鑄鐵的機(jī)械性能在成分基本相近或相同的條件下表現(xiàn)出很大性能在成分基本相近或相同的條件下表現(xiàn)出很大的差異以及海水腐蝕性能上的差異。的差異以及海水腐蝕性能上的差異。成分與組織的特點(diǎn)成分與組織的特點(diǎn) 成分特點(diǎn)：與碳鋼相比，鑄鐵的化學(xué)成分中除了含有較高的成分特點(diǎn)：與碳鋼相比，鑄鐵的化學(xué)成分中除了含有

20、較高的C C、SiSi等元等元素外，還含有較多的素外，還含有較多的S S、P P等雜質(zhì)，在特殊性能鑄鐵中，還含有一些合金等雜質(zhì)，在特殊性能鑄鐵中，還含有一些合金元素。這些成分均會(huì)影響鑄鐵的組織和性能元素。這些成分均會(huì)影響鑄鐵的組織和性能p溶于鐵晶格的間隙中，形成溶于鐵晶格的間隙中，形成間隙固溶體間隙固溶體，如鐵素體、奧氏體，如鐵素體、奧氏體p以游離的以游離的石墨（石墨（G G）形式）形式析出。機(jī)械制造工業(yè)用的鑄鐵析出。機(jī)械制造工業(yè)用的鑄鐵中，碳主要以石墨（中，碳主要以石墨（G G）形式存在。）形式存在。p與與FeFe生成生成化合物化合物，如，如Fe3CFe3C碳化物存在碳化物存在鑄鐵中碳的主要

21、分布形式鑄鐵中碳的主要分布形式 組織特點(diǎn)：鑄鐵中的碳主要以組織特點(diǎn)：鑄鐵中的碳主要以石墨石墨（G G）形式存在，所以鑄鐵的組織是）形式存在，所以鑄鐵的組織是由鋼的基體和石墨組成的。由鋼的基體和石墨組成的。 珠光體珠光體 鐵素體鐵素體 珠光體珠光體+ +鐵素體鐵素體石墨的晶體結(jié)構(gòu)石墨的晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單六方晶格簡(jiǎn)單六方晶格根據(jù)鑄鐵中石墨的形態(tài)根據(jù)鑄鐵中石墨的形態(tài)：1 1、灰鑄鐵：石墨呈、灰鑄鐵：石墨呈片狀片狀2 2、球墨鑄鐵：石墨呈、球墨鑄鐵：石墨呈球狀球狀3 3、蠕墨鑄鐵：石墨介于、蠕墨鑄鐵：石墨介于片狀與球狀之間片狀與球狀之間4 4、可鍛鑄鐵：石墨呈、可鍛鑄鐵：石墨呈團(tuán)絮狀團(tuán)絮狀鑄鐵的分類鑄鐵的分

22、類強(qiáng)度和塑性按強(qiáng)度和塑性按片狀片狀蠕狀蠕狀團(tuán)狀團(tuán)狀球狀球狀依次遞增。依次遞增。電極電位按電極電位按FeFeFeFe3 3CGCG依次遞增，形成微電池腐蝕。依次遞增，形成微電池腐蝕。由表由表2 2可見(jiàn)可見(jiàn), ,所有試樣年平均腐蝕率無(wú)本所有試樣年平均腐蝕率無(wú)本質(zhì)區(qū)別質(zhì)區(qū)別, ,主要差別表現(xiàn)在局部坑蝕上主要差別表現(xiàn)在局部坑蝕上,A2,A2的平均和最大坑蝕深度是的平均和最大坑蝕深度是A1A1的的2.852.85倍。倍。由于局部坑蝕的不可預(yù)測(cè)性、自摧化由于局部坑蝕的不可預(yù)測(cè)性、自摧化性、隱蔽性性、隱蔽性, ,使其成為腐蝕失效中最具使其成為腐蝕失效中最具有破壞性的一種失效形式。有破壞性的一種失效形式。鑄鐵

23、點(diǎn)蝕蝕坑成長(zhǎng)的電化學(xué)機(jī)構(gòu)示意圖鑄鐵點(diǎn)蝕蝕坑成長(zhǎng)的電化學(xué)機(jī)構(gòu)示意圖有色金屬有色金屬：除鋼鐵之外的其它金屬：除鋼鐵之外的其它金屬有色金屬具有許多黑色金屬所不及的優(yōu)良特性，是現(xiàn)代工業(yè)中不有色金屬具有許多黑色金屬所不及的優(yōu)良特性，是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料，本部分僅介紹在船舶與海洋工程中常用的鋁及其可缺少的材料，本部分僅介紹在船舶與海洋工程中常用的鋁及其合金、銅及其合金、鈦及其合金等合金、銅及其合金、鈦及其合金等5.3 海洋工程用有色金屬海洋工程用有色金屬2、對(duì)船舶與海洋工程用鋁合金性能的基本要求：1、機(jī)械方面p 屈強(qiáng)比: 要保持一定差距，一般不應(yīng)大于0.8；p 高溫強(qiáng)度: 在加熱至100以前，應(yīng)保持

24、機(jī)械性能不變；p 疲勞強(qiáng)度:平板式樣疲勞強(qiáng)度應(yīng)不小于50Mpa，帶焊縫不小于40Mpa；p 延伸率：10%2、抗腐蝕性能方面p 具有良好的抗腐蝕性能，特別是抗海水腐蝕3、其他方面（熱處理不強(qiáng)化合金）良好的可焊性、加工性：5.3.1 海洋工程用鋁合金海洋工程用鋁合金3、鋁合金的牌號(hào)鋁合金的牌號(hào)、分類與應(yīng)用分類與應(yīng)用形變鋁合金形變鋁合金：不能熱處理強(qiáng)化的形變鋁合金不能熱處理強(qiáng)化的形變鋁合金：相圖中相圖中F點(diǎn)以左的部分，組織為單點(diǎn)以左的部分，組織為單相固溶體，且其溶解度不隨溫度而相固溶體，且其溶解度不隨溫度而變化，無(wú)法進(jìn)行熱處理強(qiáng)化；變化，無(wú)法進(jìn)行熱處理強(qiáng)化；可熱處理強(qiáng)化的形變鋁合金可熱處理強(qiáng)化的形

25、變鋁合金：相圖中相圖中F和和D之間的形變鋁合金，固之間的形變鋁合金，固溶體的溶解度隨著溫度而顯著變化，溶體的溶解度隨著溫度而顯著變化，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。鑄造鋁合金鑄造鋁合金：相圖中相圖中D點(diǎn)以右的部分，有共晶鋁點(diǎn)以右的部分，有共晶鋁合金、亞共晶鋁合金和過(guò)共晶鋁合合金、亞共晶鋁合金和過(guò)共晶鋁合金之分。金之分。按鋁合金所處相圖的位置分類按鋁合金所處相圖的位置分類：鋁合金鋁合金: : 形變鋁合金、鑄造鋁合金形變鋁合金、鑄造鋁合金5.3.1 海洋工程用鋁合金海洋工程用鋁合金3、鋁合金的牌號(hào)鋁合金的牌號(hào)、分類與應(yīng)用分類與應(yīng)用舊標(biāo)準(zhǔn)舊標(biāo)準(zhǔn)新新標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)按按鋁鋁合合金金加加入入合合金金元元素

26、素種種類類分分類類按加入合金元素后鋁合金按加入合金元素后鋁合金的性能特點(diǎn)分類的性能特點(diǎn)分類：由于鋁合金的機(jī)械性能、工藝性能與鐵碳合金不同，因此在由于鋁合金的機(jī)械性能、工藝性能與鐵碳合金不同，因此在設(shè)計(jì)選用鋁合金和鐵碳合金時(shí)，應(yīng)按一定關(guān)系進(jìn)行代換和選設(shè)計(jì)選用鋁合金和鐵碳合金時(shí)，應(yīng)按一定關(guān)系進(jìn)行代換和選用，見(jiàn)下表。用，見(jiàn)下表。船用鋁合金的設(shè)計(jì)選用船用鋁合金的設(shè)計(jì)選用5.3.1 海洋工程用鋁合金海洋工程用鋁合金5.3.1 海洋工程用鋁合金海洋工程用鋁合金1、概述、概述p銅是人類最早使用的金屬銅是人類最早使用的金屬p早在史前時(shí)代早在史前時(shí)代, ,人們就開(kāi)始采掘露天銅礦人們就開(kāi)始采掘露天銅礦, ,并用獲

27、取的并用獲取的銅制造武器、工具和其他器皿，銅的使用對(duì)早期人類銅制造武器、工具和其他器皿，銅的使用對(duì)早期人類文明的進(jìn)步影響深遠(yuǎn)文明的進(jìn)步影響深遠(yuǎn)p銅存在于銅存在于地殼和海洋地殼和海洋中。銅在地殼中的含量約為中。銅在地殼中的含量約為0.010.01，在個(gè)別銅礦床中，銅的含量可以達(dá)到，在個(gè)別銅礦床中，銅的含量可以達(dá)到3 35 5p自然界中的銅，多數(shù)以自然界中的銅，多數(shù)以化合物即銅礦物化合物即銅礦物存在。銅礦物存在。銅礦物與其他礦物聚合成銅礦石，開(kāi)采出來(lái)的銅礦石，經(jīng)過(guò)與其他礦物聚合成銅礦石，開(kāi)采出來(lái)的銅礦石，經(jīng)過(guò)選礦而成為含銅品位較高的銅精礦選礦而成為含銅品位較高的銅精礦5.3.2 海洋工程用銅合金海

28、洋工程用銅合金銅合金分類及編號(hào)銅合金分類及編號(hào)p黃銅：黃銅：簡(jiǎn)單黃銅和復(fù)雜黃銅簡(jiǎn)單黃銅和復(fù)雜黃銅p簡(jiǎn)單黃銅簡(jiǎn)單黃銅：為：為CuZnCuZn二元合金，以二元合金，以“H”H”表示，表示，H H后面的數(shù)字表示后面的數(shù)字表示合金的平均含銅量如合金的平均含銅量如H70H70表示含銅量為表示含銅量為7070，其余為鋅，其余為鋅p復(fù)雜黃銅復(fù)雜黃銅：在：在Cu-ZnCu-Zn合金中加入少量鉛、錫、鋁、錳合金中加入少量鉛、錫、鋁、錳等，組成多元等，組成多元合金。第三組元為鉛的稱鉛黃銅，為鋁的稱鋁黃銅，如合金。第三組元為鉛的稱鉛黃銅，為鋁的稱鋁黃銅，如HSn70-1HSn70-1表表示含示含7070CuCu、1

29、 1SnSn、余為鋅的錫黃銅、余為鋅的錫黃銅p多元合金則以第三種含量最多的元素相稱，如：多元合金則以第三種含量最多的元素相稱，如： HMn57-3HMn57-31 1：5757CuCu、3 3MnMn、1 1AlAl、余為鋅的錳黃銅、余為鋅的錳黃銅 HAl66-6HAl66-63 32 2：6666CuCu、6 6AlAl、3 3FeFe、2 2MnMn、余、余ZnZn的鋁黃銅的鋁黃銅2 2、銅合金：黃銅、白銅，青銅、銅合金：黃銅、白銅，青銅p白銅白銅：銅為基、：銅為基、鎳鎳為主要合金元素的銅合金。以為主要合金元素的銅合金。以B B表示，表示，如：如：BlOBlO為為1010NiNi、余、余C

30、uCu；B30B30為為30%Ni30%Ni、余、余CuCu的銅鎳合金的銅鎳合金p青銅青銅：除黃銅、白銅之外的銅合金。：除黃銅、白銅之外的銅合金。p按按主加元素主加元素( (如如SnSn、AlAl，BeBe等等) )命名命名為錫青銅、鋁青銅、為錫青銅、鋁青銅、鈹青銅，并以鈹青銅，并以Q Q主添元素化學(xué)符號(hào)及百分含量表示主添元素化學(xué)符號(hào)及百分含量表示 QSn6.5-0.16.5QSn6.5-0.16.5SnSn、0.10.1P P、余為銅的錫磷青銅、余為銅的錫磷青銅 QA15 5QA15 5A1A1、余為銅的鋁青銅、余為銅的鋁青銅 QBe2 2%BeQBe2 2%Be、余下為銅的鈹青銅、余下為銅

31、的鈹青銅黃銅的應(yīng)用：加工黃銅和鑄造黃銅黃銅的應(yīng)用：加工黃銅和鑄造黃銅 黃銅鑄件黃銅鑄件黃銅棒黃銅棒銅管銅管銅與黃銅帶銅與黃銅帶白銅件白銅件康銅熱偶康銅熱偶白銅型材白銅型材白銅主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、白銅主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、軸承、襯套及閥體等。軸承、襯套及閥體等。 康銅熱偶康銅熱偶白銅型材白銅型材Y 青銅主要用于青銅主要用于耐蝕承載件耐蝕承載件,如如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等。墊圈等。 錫青銅管錫青銅管船用青銅軟管船用青銅軟管快速接頭閥快速接頭閥( (錫青銅閥體、錫青銅閥體、閥蓋閥蓋) )青銅制品青銅制品鈹青銅制

32、品鈹青銅制品用于重要的彈性件、耐磨件，如精用于重要的彈性件、耐磨件，如精密彈簧、膜片，高速、高壓軸承及密彈簧、膜片，高速、高壓軸承及防爆工具、航海羅盤(pán)等重要機(jī)件防爆工具、航海羅盤(pán)等重要機(jī)件鈹青銅具有高的強(qiáng)度、彈性極限、鈹青銅具有高的強(qiáng)度、彈性極限、耐磨性、耐蝕性，良好的導(dǎo)電性、耐磨性、耐蝕性，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、冷熱加工及鑄造性能，但導(dǎo)熱性、冷熱加工及鑄造性能，但價(jià)格較貴價(jià)格較貴1、概述、概述p17911791年英國(guó)化學(xué)家格雷戈?duì)栄芯库佽F礦和金紅石時(shí)發(fā)現(xiàn)了鈦年英國(guó)化學(xué)家格雷戈?duì)栄芯库佽F礦和金紅石時(shí)發(fā)現(xiàn)了鈦p17951795年，德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特在分析匈牙利產(chǎn)的金紅石時(shí)也年，德國(guó)化學(xué)家克拉普

33、羅特在分析匈牙利產(chǎn)的金紅石時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這種元素發(fā)現(xiàn)了這種元素p格雷戈?duì)柡涂死樟_特當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的鈦是粉末狀的二氧化鈦，格雷戈?duì)柡涂死樟_特當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的鈦是粉末狀的二氧化鈦，而不是金屬鈦而不是金屬鈦p19101910年美國(guó)化學(xué)家亨特第一次制得純度達(dá)年美國(guó)化學(xué)家亨特第一次制得純度達(dá)99.9%99.9%的金屬鈦的金屬鈦5.3.3 海洋工程用鈦合金海洋工程用鈦合金p鈦在地殼中的含量占第七位，鈦在地殼中的含量占第七位，0.42%0.42%，金屬占第四位（鋁、鐵、，金屬占第四位（鋁、鐵、鎂、鈦）鎂、鈦）p以鈦鐵礦或金紅石為原料生產(chǎn)出高純度四氯化鈦，再用鎂作為以鈦鐵礦或金紅石為原料生產(chǎn)出高純度四氯化鈦，再用鎂作

34、為還原劑將四氯化鈦中的鈦還原出來(lái)，由于還原后得到鈦類似海還原劑將四氯化鈦中的鈦還原出來(lái)，由于還原后得到鈦類似海綿狀所以稱為海綿鈦，最后以海綿鈦為原料生產(chǎn)出鈦材和鈦粉綿狀所以稱為海綿鈦，最后以海綿鈦為原料生產(chǎn)出鈦材和鈦粉 19471947年才開(kāi)始冶煉，當(dāng)年產(chǎn)量只有年才開(kāi)始冶煉，當(dāng)年產(chǎn)量只有2 2噸。噸。 19551955年產(chǎn)量年產(chǎn)量2 2萬(wàn)噸。萬(wàn)噸。 19751975年產(chǎn)量年產(chǎn)量7 7萬(wàn)噸。萬(wàn)噸。 20062006年產(chǎn)量年產(chǎn)量1414萬(wàn)噸萬(wàn)噸 5.3.1 海洋工程用鈦合金海洋工程用鈦合金1、概述、概述密度小，比強(qiáng)度高：鈦密度為密度小，比強(qiáng)度高：鈦密度為4.51g/cm4.51g/cm3 3，約為

35、鋼或鎳合金的一半。比，約為鋼或鎳合金的一半。比強(qiáng)度高于鋁合金及高合金鋼。強(qiáng)度高于鋁合金及高合金鋼。熱系數(shù)?。衡伒膶?dǎo)熱系數(shù)小，是低碳鋼的熱系數(shù)?。衡伒膶?dǎo)熱系數(shù)小，是低碳鋼的1/51/5，銅的，銅的1/251/25。無(wú)磁性，無(wú)毒：鈦是無(wú)磁性金屬，在很大的磁場(chǎng)中不被磁化，無(wú)毒且無(wú)磁性，無(wú)毒：鈦是無(wú)磁性金屬，在很大的磁場(chǎng)中不被磁化，無(wú)毒且與人體組織及血液有很好的相容性。與人體組織及血液有很好的相容性。熱性佳：熔點(diǎn)高，被列為耐高溫金屬。熱性佳：熔點(diǎn)高，被列為耐高溫金屬。低溫：可在低溫下保持良好的韌性及塑性，是低溫容器的理想材料。低溫：可在低溫下保持良好的韌性及塑性，是低溫容器的理想材料。氣性能高：鈦的化

36、學(xué)性質(zhì)非常活潑，在高溫下容易與碳、氫、氮及氧氣性能高：鈦的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，在高溫下容易與碳、氫、氮及氧發(fā)生反應(yīng)。發(fā)生反應(yīng)。耐蝕性佳：在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密的、附著耐蝕性佳：在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密的、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，保護(hù)鈦基體不被腐蝕。力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，保護(hù)鈦基體不被腐蝕。2、純鈦、純鈦p鈦的硬度與鋼鐵差不多，而它的重量幾乎只有同體積鋼鐵鈦的硬度與鋼鐵差不多，而它的重量幾乎只有同體積鋼鐵的一半，鈦雖然比鋁重，它的硬度卻比鋁大的一半，鈦雖然比鋁重，它的硬度卻比鋁大2 2倍。倍。p在宇宙火箭和導(dǎo)彈中，已大量用鈦代替鋼鐵。極細(xì)的鈦粉在宇宙火箭和導(dǎo)

37、彈中，已大量用鈦代替鋼鐵。極細(xì)的鈦粉，還是火箭的好燃料，所以鈦被譽(yù)為宇宙金屬，空間金屬，還是火箭的好燃料，所以鈦被譽(yù)為宇宙金屬，空間金屬美國(guó)的美國(guó)的YF12AYF12A戰(zhàn)斗機(jī)是當(dāng)前世界上戰(zhàn)斗機(jī)是當(dāng)前世界上應(yīng)用鈦合金數(shù)量最多的機(jī)種，全機(jī)應(yīng)用鈦合金數(shù)量最多的機(jī)種，全機(jī)結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)有9393是用鈦合金制造的，因是用鈦合金制造的，因而有而有”全鈦飛機(jī)全鈦飛機(jī)”之稱之稱2、純鈦、純鈦p鈦的彈性模量低，只有鐵的一半。鈦的彈性模量低，只有鐵的一半。p熔點(diǎn)熔點(diǎn)16681668，導(dǎo)電性較差（僅為銅的，導(dǎo)電性較差（僅為銅的3.1%3.1%），導(dǎo)熱系數(shù)（鐵的），導(dǎo)熱系數(shù)（鐵的六分之一）和線脹系數(shù)（與玻璃的相近）均較低

38、。六分之一）和線脹系數(shù)（與玻璃的相近）均較低。p鈦無(wú)磁性，在強(qiáng)磁場(chǎng)下也不會(huì)磁化，用鈦制人造骨和關(guān)節(jié)植入鈦無(wú)磁性，在強(qiáng)磁場(chǎng)下也不會(huì)磁化，用鈦制人造骨和關(guān)節(jié)植入人體內(nèi)不會(huì)受雷雨天氣的影響。人體內(nèi)不會(huì)受雷雨天氣的影響。p鈦?zhàn)枘嵝缘?，適宜做共振材料。鈦?zhàn)枘嵝缘?，適宜做共振材料。p當(dāng)溫度低于當(dāng)溫度低于0.49K0.49K時(shí)，鈦呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)合金化，超導(dǎo)時(shí)，鈦呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)合金化，超導(dǎo)溫度可提高到溫度可提高到9 910K10K。 3 3、物理性能、物理性能p原子序數(shù)為原子序數(shù)為2222，原子量為，原子量為47.947.9。p有兩種同素異晶體，其轉(zhuǎn)變溫度為有兩種同素異晶體，其轉(zhuǎn)變溫度為882

39、.5882.5。低于。低于882.5882.5，為密排六方為密排六方-Ti-Ti，882.5882.5熔點(diǎn)，為體心立方熔點(diǎn)，為體心立方-Ti-Tip室溫下鈦比較穩(wěn)定，高溫下很活潑，熔化態(tài)能與絕大多數(shù)坩堝或造室溫下鈦比較穩(wěn)定，高溫下很活潑，熔化態(tài)能與絕大多數(shù)坩堝或造型材料發(fā)生作用型材料發(fā)生作用p高溫下與鹵素、氧、硫、碳、氮等進(jìn)行強(qiáng)烈反應(yīng)高溫下與鹵素、氧、硫、碳、氮等進(jìn)行強(qiáng)烈反應(yīng)p鈦必須在真空或惰性氣氛下熔煉鈦必須在真空或惰性氣氛下熔煉p鈦在氮?dú)庵屑訜峒茨馨l(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中有爆炸危險(xiǎn)，所以鈦鈦在氮?dú)庵屑訜峒茨馨l(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中有爆炸危險(xiǎn)，所以鈦材加熱和焊接宜用氬氣作保護(hù)氣體材加熱和焊接宜用

40、氬氣作保護(hù)氣體p鈦在室溫可吸收氫氣，在鈦在室溫可吸收氫氣，在500500以上吸氣能力尤為強(qiáng)烈，故可作為以上吸氣能力尤為強(qiáng)烈，故可作為高真空電子儀器的脫氣劑；利用鈦吸氫和放氫的特性，可以作儲(chǔ)氫高真空電子儀器的脫氣劑；利用鈦吸氫和放氫的特性，可以作儲(chǔ)氫材料材料4 4、化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)p鈦容易鈍化，常溫下鈦表面極易形成由氧化物和氮化物組成的鈦容易鈍化，常溫下鈦表面極易形成由氧化物和氮化物組成的鈍化膜，在大氣及許多浸蝕性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，具有很好的抗鈍化膜，在大氣及許多浸蝕性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，具有很好的抗蝕性蝕性 p在大氣、海水、氯化物水溶液及氧化性酸在大氣、海水、氯化物水溶液及氧化性酸( (硝酸、鉻酸

41、等硝酸、鉻酸等) )和大和大多數(shù)有機(jī)酸中，其抗蝕性相當(dāng)于或超過(guò)不銹鋼多數(shù)有機(jī)酸中，其抗蝕性相當(dāng)于或超過(guò)不銹鋼p在海水中耐蝕性極強(qiáng)，可與白金相比，是海洋開(kāi)發(fā)工程理想的在海水中耐蝕性極強(qiáng)，可與白金相比，是海洋開(kāi)發(fā)工程理想的材料材料p鈦與生物體有很好相容性，而且無(wú)毒，適做生物工程材料鈦與生物體有很好相容性，而且無(wú)毒，適做生物工程材料 5 5、耐蝕性能：、耐蝕性能：p純鈦性能和純鐵相似，塑性好，延伸率可達(dá)純鈦性能和純鐵相似，塑性好，延伸率可達(dá)505060%60%，斷面收，斷面收縮率可達(dá)縮率可達(dá)707080%80%，強(qiáng)度不太高（，強(qiáng)度不太高（300MPa300MPa）p純鈦力學(xué)性能與純度有關(guān)：間隙雜質(zhì)（

42、氧、氮、碳）含量增純鈦力學(xué)性能與純度有關(guān)：間隙雜質(zhì)（氧、氮、碳）含量增加，其強(qiáng)度升高，塑性陡降加，其強(qiáng)度升高，塑性陡降p常溫下鈦為密排六方結(jié)構(gòu)，與其他六方結(jié)構(gòu)的金屬常溫下鈦為密排六方結(jié)構(gòu)，與其他六方結(jié)構(gòu)的金屬( (鎘、鋅、鎘、鋅、鎂鎂) )相比，鈦的塑性要高得多相比，鈦的塑性要高得多6 6、力學(xué)性能：、力學(xué)性能：p工業(yè)純鈦退火得到單相工業(yè)純鈦退火得到單相組織，屬組織，屬型鈦合金型鈦合金p工業(yè)純鈦根據(jù)雜質(zhì)含量不同分為工業(yè)純鈦根據(jù)雜質(zhì)含量不同分為T(mén)AlTAl、TA2TA2、TA3TA3、 TA4TA4，其中，其中TATA為為型鈦合金的代號(hào)，數(shù)字表示合金的序號(hào)。隨著序號(hào)增大，鈦的純度型鈦合金的代號(hào)，數(shù)字表示合金的序號(hào)。隨著序號(hào)增大，鈦的純度降低，抗拉強(qiáng)度提高，塑性下降降低，抗拉強(qiáng)度提高，塑性下降p純鈦只能冷變形強(qiáng)化。當(dāng)變形度大于純鈦只能冷變形強(qiáng)化。當(dāng)變形度大于3030以后，強(qiáng)度增加緩慢，塑以后，強(qiáng)度增加緩慢，塑性不再明顯降低性不再明顯降低p純鈦的熱處理：再結(jié)晶退火（純鈦的熱處理：再結(jié)晶退火（ 540540700 700 ）和去應(yīng)力退火（）和去應(yīng)力退火（ 450 450600600），退火后均采用空冷），退火后均采用空冷p工業(yè)