第八章其他專用結(jié)構(gòu)材料課件

第八章其他專用結(jié)構(gòu)材料8.1鐵道用結(jié)構(gòu)材料8.1.1概述車輪主要功能：重量、引導車輛通過各種形狀的軌道、車輪本身起制動盤的作用。輪軌的相互作用：車輛的重量通過車輪要傳遞到鋼軌上，車輪在鋼軌上運行時，輪軌之間存在著很大的交變接觸應力，同時還有滾動摩擦和少量的滑動摩擦。在輪軌服役過程中，輪/軌構(gòu)成一對摩擦副。主要失效形式：磨損和接觸疲勞，接觸疲勞破壞的表現(xiàn)形式主要是剝離。輪/軌用鋼的性能要求（1）高的屈服強度和抗拉強度，以能承受車輛的重量，在高的接觸應力作用下，不會變形和斷裂；（2）較高的硬度，以能抵抗輪軌間的摩擦磨損，因更換鋼軌較更換車輪困難，鋼軌的硬度要高于車輪的硬度；（3）高的接觸疲勞強度，以抵抗接觸疲勞破壞；（4）足夠的塑、韌性，以保證車輛的安全。（5）車輪本身起制動盤的作用，因制動時有摩擦熱產(chǎn)生，車輪表面還承受著熱疲勞的作用，因此車輪要有較高的熱疲勞強度。（6）好的經(jīng)濟性，車輪和鋼軌的用量極大，要求盡可能使用價格較廉、資源較豐富的元素。8.1.2車輪用鋼牌號化學成分%應用CSiMnPSVCL60A級0.55～0.650.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.040-客、貨車車輪CL60B級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-機車輪箍或車輪LG600.55～0.650.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.040-車輪用鋼的牌號及化學成分（摘自GB8601-88、GB8602-88）

成分特點中高碳的碳素鋼，冶金質(zhì)量要求高（如非金屬夾雜物和酸浸低倍組織的合格級別）。CL45MnSiV降低碳含量，增加硅、錳含量，添加少量釩主要是為了提高車輪的抗熱疲勞性能。熱處理車輪：防白點：熱軋成型后冷至640℃等溫處理4～6小時。輪輞調(diào)質(zhì)：噴水淬火+高溫回火。鋼軌：普通軌：軌端淬火。熱處理軌：全長欠速淬火。組織：細片狀珠光體。車輪用鋼的力學性能（摘自GB8601-88、GB8602-88）

標準號牌號力學性能σb(MPa)δ(%)ψ(%)HBSAku(J)GB8601-88CL60A級910～1155≥8≥14≥255≥16B級客車輪880～1105≥10≥14≥251≥16B級貨車輪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鋼軌用鋼

牌號化學成分%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鋼軌用鋼的牌號及化學成分（摘自GB2585-81）

成分特點中高碳碳素鋼，含碳量較車輪用鋼高，接近共析成分。主加Mn、Si：降A1點，獲得全珠光體。添加少量銅：提高鋼軌耐大氣腐蝕能力。鋼軌用鋼的力學性能（摘自GB2585-88）

牌號抗拉強度σb(MPa)伸長率δ5(%)不小于U7178510U747859U71Cu7859U71Mn8838U71MnSi8838U71MnSiCu88388.2汽車用結(jié)構(gòu)材料

缸體、缸蓋、飛輪、正時齒輪、變速器及離合器殼：灰口鑄鐵缸套、排氣門閥座：合金鑄鐵曲軸、后橋殼：球墨鑄鐵活塞銷、變速箱齒輪、后橋齒輪：滲碳鋼連桿、連桿螺栓、前橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂、半軸：調(diào)質(zhì)鋼汽門彈簧、鋼板彈簧：彈簧鋼各種軸承：軸承鋼發(fā)動機活塞、分泵活塞、油管：有色金屬鋁合金、銅車身專用結(jié)構(gòu)材料

牌號：“SC”——“深沖”；“1、2、3”——沖壓級別的順序號。SC1——深沖壓用鋼板及鋼帶；SC2、SC3——超深沖用鋼板及鋼帶。牌號化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%CSiMnPSAls(酸溶鋁)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深沖壓用鋼的牌號及化學成分（摘自GB/T5213－2001）

成分特點超低碳、低硅：以保證鋼板的深冷沖壓能力；Al、Ti、Nb等微合金化，以細化晶粒，保證鋼板的強度、塑性和韌性；硫、磷含量要求很嚴，均屬于特級優(yōu)質(zhì)鋼。熱處理：退火力學性能要求指標：強度、塑性、拉伸應變硬化指數(shù)（n值）、塑性應變比（r值）。組織要求：鐵素體晶粒度級別不小于6級，游離滲碳體不大于2級。牌號公稱厚度/mm屈服點σs/MPa抗拉強度σb/MPa斷后伸長率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深沖壓用鋼的力學性能（摘自GB/T5213－2001）

n90=(n0+2n45+n90)/4，r90=(r0+r45+r90)/4。8.3船體用結(jié)構(gòu)材料

服役條件：環(huán)境復雜多變。惡劣天氣，大風大浪，一年四季，環(huán)境溫度變化。制造要求：焊接。成分、性能要求：低碳鋼，對碳當量有嚴格要求。對沖擊韌性，特別是對低溫沖擊韌性要求高。多采用鋁脫氧，以獲得細晶粒鋼，或加入微量Nb、V、Ti等。交貨狀態(tài)：控制軋制，溫度-形變控制軋制、正火。8.3.1分類及代號按屈服強度、質(zhì)量分級分類。質(zhì)量等級強度級別ABDEF一般強度鋼235MpaABDE－高強度鋼320MpaA32－D32E32F32360MpaA36－D36E36F36400MpaA40－D40E40F40船體用結(jié)構(gòu)鋼的等級及代號（摘自GB712－2000）

8.3.2化學成分

鋼的等級ABDE化學成分%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≥0.015一般強度鋼的化學成分（摘自GB712－2000）

特點：低碳，含碳量≤0.21%，主加Mn，以提高材料的強度和韌性。

鋼的等級化學成分%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高強度鋼的化學成分（摘自GB712－2000）

高強度鋼：低碳，含碳量≤0.18%，主加Mn，微量Nb、V、Ti、Mo等細化晶粒；F級：加Ni，提高鋼的低溫沖擊韌性。但合金元素的總量要受碳當量的限制。碳當量一般強度鋼：均不大于0.40%。Ceq（%）=C＋Mn/6高強度鋼：一般不大于0.40%，采用溫度-形變控制軋制狀態(tài)交貨，應符合規(guī)定。Ceq(%)=C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15鋼的等級碳當量Ceq，%不大于厚度，mm≤50＞50～100A32D32E32F320.360.38A36D36E36F360.380.40A40D40E40F400.40－溫度－形變控制軋制狀態(tài)交貨高強度鋼的碳當量船體用結(jié)構(gòu)鋼的力學性能（摘自GB712－2000）

鋼材等級屈服點σsMPa不小于抗拉強度σbMPa斷后伸長率δ/%不小于試驗溫度℃沖擊功，Akv，J不小于厚度，mm≤50＞50～70＞70～100縱向橫向縱向橫向縱向橫向A235400～5202220——34244127B02720D－20E－40A32315440～570220312238264631D32－20E32－40F32－60—A36355490～630210342441275034D36－20E36－40F36－60—A40390510～6602004127D40－20E40－40F40－608.4石油工業(yè)用結(jié)構(gòu)材料

石油工業(yè)用量較大的結(jié)構(gòu)材料是油井管和輸油管。油井管中，固井用套管的使用是一次性的，不能重復利用，其消耗量占整個油井管用量的70%以上。鉆探油氣井用的鉆探管，可重復利用，其消耗量占整個油井管用量的3%左右。采油用的油管的消耗量占整個油井管用量的20%左右。8.4.1石油套管的服役條件服役條件：徑向和周向承受著很大的擠壓應力，而軸向則承受著較大的拉伸應力。油井深度越深，套管承受的擠壓應力及拉伸應力越大；油井開采力度加大，頻繁使用酸化、壓裂、注水等提高石油產(chǎn)量的技術，使得油井套管承受的服役條件更為復雜；井下地質(zhì)條件的變化，如地層的錯動、巖石的崩塌等，可擠毀套管，使套管縮徑、破裂，造成油井損壞、報廢。

性能要求：足夠高的強度，以抗擠壓、抗拉伸；良好的抗腐蝕能力，以抗水氣及硫化氫等的腐蝕；套管接箍還要求有良好的橫向抗沖擊能力。8.4.2石油套管的分類API（美國石油協(xié)會）Spec5CT/ISO11960：按使用條件，分為4組。第一組：普通強度套管；第二組：限制屈服強度套管，適用于酸性環(huán)境；第三組：高強度套管；第四組：限制硬度波動的高強度套管。

第一、第二組，再按屈服強度分為不同的鋼級。第一組：H40、J55、K55、N80。軋態(tài)、調(diào)質(zhì)態(tài)或正火態(tài)使用；第二組：M65、L80、C90、C95、T95。M65使用態(tài)：正火、正火＋回火態(tài)；其余鋼級使用態(tài)：調(diào)質(zhì)態(tài)；第三組：P110。調(diào)質(zhì)態(tài)使用。第四組：Q125。調(diào)質(zhì)態(tài)使用。有些鋼級還按化學成分中合金元素的含量及雜質(zhì)元素磷、硫的含量分為不同的類型。8.4.3石油套管的化學成分第一組各鋼級、第二組M65鋼級和第三組套管：P、S最大值（0.030%）。第二組L80鋼級的9Cr和13Cr兩個類型為低碳、高Cr鋼外，其余均為中碳、低合金結(jié)構(gòu)鋼，主加Mn。C90、T95、Q125鋼級：中碳、主加Mn，輔加Cr、Ni，以進一步提高鋼的強度和淬透性；加入Mo來提高鋼的回火穩(wěn)定性。同一鋼級中，1類鋼對P、S含量的要求最高。

組別鋼級類型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－NL0.99－0.0300.010－C95－－0.45－1.90－－－－－－0.0300.0300.45T951－0.35－1.200.250.850.401.500.99－0.0200.010－T952－0.50－1.90－－－－0.99－0.0300.010－4Q1251－0.35－1.35－0.85－1.500.99－0.0200.010－Q1252－0.35－1.00－NL－NL0.99－0.0200.020－Q1253－0.50－1.90－NL－NL0.99－0.0300.010－Q1254－0.50－1.90－NL－NL0.99－0.0300.020－石油套管鋼的化學成分要求（重量百分比）（摘自APISpec5CT/ISO11960）

8.4.3石油套管的力學性能第一鋼組、第三鋼組、第二鋼組的C95鋼級：只要求屈服強度和抗拉強度。其余各鋼級：要求屈服強度、抗拉強度、硬度。C90、T95、Q125鋼級：要求屈服強度、抗拉強度、硬度，還限制了硬度的變化值。APISpec5CT/ISO11960標準還規(guī)定了鋼管要作靜水壓試驗、壓扁試驗、硫化物應力腐蝕開裂試驗，并要測定晶粒度。

組別鋼級類型加載下的總伸長率%屈服強度MPa抗拉強度minMPa硬度max規(guī)定壁厚mm允許硬度變化HRCminmaxHRCHBW1H40－0.5276552414－－－－J55－0.5379552517－－－－K55－0.5375552655－－－－N8010.5552758689－－－－N80Q0.5552758689－－－－2M650.544858658622235－－L8010.555265565523241－－L809Cr0.555265565523241－－L8013Cr0.555265565523241－－C901、20.562172468925.4255≤12.703.0C901、20.562172468925.425512.71～9.044.0C901、20.562172468925.425519.05～25.395.0C901、20.562172468925.4255≥25.406.0C95－0.5655758724－－－－T951、20.565575872425.4255≤12.703.0T951、20.565575872425.425512.71～9.044.0T951、20.565575872425.425519.05～25.395.0T951、20.565575872425.4255≥25.406.03P1100.6758965862－－－－4Q125全部0.658621034931－－≤12.703.0Q125全部0.658621034931－－12.71～9.044.0Q125全部0.658621034931－－≥19.055.0石油套管用結(jié)構(gòu)鋼的力學性能（摘自APISpec5CT/ISO11960）

8.5核反應堆用結(jié)構(gòu)材料

核反應堆結(jié)構(gòu)材料：一般分為堆芯結(jié)構(gòu)材料和堆芯外結(jié)構(gòu)材料。堆芯結(jié)構(gòu)材料：受到中子、裂變產(chǎn)物的輻照作用和高溫的作用。堆芯外結(jié)構(gòu)材料：不受輻照作用。堆芯外結(jié)構(gòu)材料的性能要求：高強度、抗腐蝕，比一般的結(jié)構(gòu)材料更嚴格。

分類部件名稱使用場合典型材料堆芯結(jié)構(gòu)材料燃料元件包殼金屬Al，Zr合金，304不銹鋼，Mg合金陶瓷熱解炭，SiC反射層反射層Be，不銹鋼，石墨壓力容器壓力容器和一回路高強度鋼、不銹鋼聚變堆第一壁材料不銹鋼、鎳基合金、陶瓷堆芯外結(jié)構(gòu)材料冷卻系統(tǒng)不銹鋼，耐熱合金，碳鋼熱交換器鎳合金，鐵合金等耐熱合金安全殼碳鋼，高強度混凝土反應堆主要的結(jié)構(gòu)材料

壓水堆示意圖

8.5.1包殼材料燃料組件是由多個燃料棒組成的，而每個燃料棒是由燃料芯塊和包殼構(gòu)成。包殼的作用：阻擋裂變產(chǎn)物釋放。第二道屏障（第一道是燃料芯塊本身），也是最主要的屏障。因此要求在反應堆運行過程，包殼要保持結(jié)構(gòu)上的完整。服役條件：在堆芯結(jié)構(gòu)材料中，包殼材料的工作條件最為苛刻。很大的內(nèi)壓力、輻照、腐蝕。燃料進行裂變反應，產(chǎn)生氣體和固體裂變產(chǎn)物碎片，氣體產(chǎn)物增大了包殼的內(nèi)壓；固體產(chǎn)物碎片具有較大的動能，在快中子和裂變碎片輻照下，包殼材料內(nèi)部晶格產(chǎn)生缺陷，造成強度增加和塑性的降低。有些固體裂變產(chǎn)物與包殼能夠發(fā)生化學反應從而對包殼產(chǎn)生腐蝕，氣體裂變產(chǎn)物氧，對包殼產(chǎn)生氧化；外部冷卻劑對包殼也有腐蝕作用。包殼材料的性能要求：抗輻照、抗腐蝕。

燃料組件示意圖

燃料元件在使用過程中，包殼所受的力包括：外部冷卻劑的壓力和內(nèi)部氣體裂變產(chǎn)物的壓力的壓差，使得包殼內(nèi)部產(chǎn)生應力；由于包殼內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱應力。因此要求包殼應具有一定的強度。除了機械性能外，包殼材料的核性能更加重要，甚至是材料選擇的首要條件。包殼材料要具有小的中子吸收截面，輻照時不發(fā)生核反應。金屬中熱中子吸收截面小的有Be、Mg、Al、Zr。包殼材料的主要性能要求（1）中子吸收截面??；（2）與燃料的相容性好；（3）抗冷卻劑的腐蝕性能好；（4）強度高、塑性大；（5）導熱性能好；（6）輻照損傷??；（7）加工性能好。鋯（Zr）的熱中子吸收截面小，在水堆的工作溫度下，具有優(yōu)良的機械性能和抗腐蝕性能，所以廣泛地用作壓水堆、沸水堆、重水堆的包殼材料。目前反應堆的包殼材料主要是Zr-4合金。其組成為：Zr-1.5%Sn-0.15%Fe-0.1%Cr。8.5.2壓力容器和一回路管道材料

壓力容器和一回路壓力邊界：阻擋裂變產(chǎn)物釋放的第三道屏障。對于壓水堆，冷卻劑是高壓，壓力容器要滿足高壓容器的要求，器壁較厚；對于鈉冷快堆，由于冷卻劑是常壓，容器只要能承受內(nèi)容物的重量就可以。壓力容器和一回路受到高溫中子的輻射，輻射的程度與容器壁到堆芯之間的距離有關。壓力容器在使用過程是不允許破損的，因此材料要有足夠的斷裂韌性，使用過程不斷地監(jiān)視輻照劑量。目前壓水堆主要使用的壓力容器材料是A543B高強鋼，組成是Fe-0.23%C-0.2%Si-0.4%Mn-1.5%Cr-0.5%Mo-0.03%V，組織結(jié)構(gòu)是淬火回火型細晶粒組織。8.6兵器用結(jié)構(gòu)材料

8.6.1概述在各個歷史時期及任何一個國家中，新興材料都是首先應用于軍事裝備上的，而戰(zhàn)爭對先進軍事裝備的需要，又推進了材料科學上的突破和材料工程上的革命。兵器結(jié)構(gòu)件的服役條件：極端惡劣和苛刻，它們需在高溫、高壓、高速、高應變速率、高腐蝕、高燒蝕、疲勞、低溫等工作環(huán)境下工作，對材料的性能要求也就較民用結(jié)構(gòu)材料高的多。8.6.2火炮身管材料服役條件：在高溫、高壓和受高速火藥氣體的沖擊下工作。在極短的時間（千分之幾秒）內(nèi)，火藥氣體的溫度可達到3000℃以上，壓力可達294MPa左右?；鹚帤怏w的生成物，對身管內(nèi)表面還有化學作用?；鹋谏砉懿牧系男阅芤螅海?）足夠的彈性，保證在火藥氣體壓力有某些變化時不會產(chǎn)生殘余變形；（2）比例極限與強度極限間差值要大；（3）足夠的硬度，防止裝填時和彈丸在膛內(nèi)運動時產(chǎn)生磨損；（4）足夠的韌性，保證火藥氣體壓力升高時不會破裂；（5）良好的耐蝕性，不易受火藥氣體生成物的化學作用；（6）良好的工藝性和經(jīng)濟性。極好的綜合力學性能身管材料的制造：優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼制作。且對鋼的冶金質(zhì)量要求很高，應采用電弧爐；電弧爐+爐外精煉；電弧爐+電渣重熔。8.6.2.1分類代號、牌號及化學成分強度等級P-540P-590P-635P-685P-735P-785P-835P-885P-930規(guī)定比例極限σp

MPa540590635685735785835885930身管用鋼的強度等級（摘自GJB3783－99）

成分特點：中碳的Cr－Ni－Mo－V鋼。含碳量0.27～0.42%，保證鋼有好的綜合力學性能；主加Cr、Ni：提高鋼的淬透性，保證毛坯經(jīng)過熱處理后在全長和整個壁厚中具有均勻的組織和力學性能，Ni還是顯著提高沖擊韌性的元素；Mo、V：提高鋼的回火穩(wěn)定性及高溫強度。鉻鎳鉬釩鋼：具有最為優(yōu)良的綜合力學性能。

序號牌號化學成分，%CSiMnCrNiMoV1PCrMo0.32～0.420.17～0.370.25～0.500.90～1.30≤0.500.20～0.30－2PCrMoV0.32～0.420.17～0.370.25～0.501.00～1.30≤0.500.20～0.300.10～0.253PCrNiMoV0.32～0.420.17～0.370.25～0.501.30～1.700.60～0.900.20～0.300.10～0.254PCrNi1Mo0.32～0.420.17～0.370.25～0.501.30～1.701.30～1.700.20～0.30－5PCrNi2Mo0.32～0.420.17～0.370.25～0.500.80～1.201.75～2.250.20～0.30－6PCrNi3Mo0.32～0.420.17～0.370.25～0.500.80～1.202.75～3.250.20～0.30－7PCrNi3MoVA0.34～0.410.17～0.370.25～0.501.20～1.503.00～3.500.35～0.450.10～0.25832Cr2Mo1VE0.28～0.350.17～0.370.25～0.502.00～2.40－1.25～1.450.20～0.30930CrNi2MoVE0.27～0.340.17～0.370.30～0.600.60～0.902.00～2.400.20～0.300.15～0.30身管用鋼牌號的化學成分

8.6.2.2力學性能主要力學性能指標：比例極限、斷面收縮率及沖擊吸收功。且在熱處理后，鋼棒或鍛件的橫向力學性能應滿足規(guī)定。其比例極限和沖擊吸收功的測定方法與一般結(jié)構(gòu)材料的要求不同。規(guī)定比例極限的測定要求：在拉伸曲線上，通過負荷點的切線與負荷軸夾角的正切值，較在彈性直線部分之值增加50%時對應的應力為規(guī)定比例極限。與一般σp0.01及σp0.2的測定要求不同。測定沖擊吸收功用的沖擊試樣的缺口：鑰匙孔型缺口。與一般要求的V型缺口也不同。身管用鋼的力學性能

規(guī)定比例極限，σpMPa斷面收縮率ψ，%沖擊吸收功，AK，J優(yōu)質(zhì)鋼高級優(yōu)質(zhì)鋼特級優(yōu)質(zhì)鋼540351720－590351720－635301720－685301720－735301717－785301517－8352515172088525151517930251515178.6.2.3熱處理

身管材料要經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后，再后續(xù)加工。序號牌號試樣毛坯尺寸mm推薦熱處理制度正火淬火回火溫度/℃冷卻介質(zhì)溫度/℃冷卻介質(zhì)溫度/℃冷卻介質(zhì)1PCrMo25860空氣850油560～650空氣2PCrMoV2588