金屬材料特質(zhì)

2.1疲勞

許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷裂的特點是：（1）載荷應(yīng)力是交變的；（2）載荷的作用時間較長；（3）斷裂是瞬時發(fā)生的；（4）無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的。所以，疲勞斷裂是工程上常見、危險的斷裂形式。

金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

（1）高周疲勞：指在低應(yīng)力（工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞。它是常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。

（2）低周疲勞：指在高應(yīng)力（工作應(yīng)力接近材料的屈服極限）或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在10000~100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(yīng)變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。

（3）熱疲勞：指由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用，所造成的疲勞破壞。

（4）腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、海水、活性氣體等）的共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞。

（5）接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，出現(xiàn)麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

2.2塑性

塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產(chǎn)生 變形（塑性變形）而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時，長度和橫截面積都要發(fā)生變化，因此，金屬的塑性可以用長度的伸長（延伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個指標(biāo)來衡量。

金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。一般把延伸率大于百分之五的金屬材料稱為塑性材料（如低碳鋼等），而把延伸率小于百分之五的金屬材料稱為脆性材料（如灰口鑄鐵等）。塑性好的材料，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并在塑性變形的同時使金屬材料因塑性變形而強化，從而提高材料的強度，保證了零件的使用。此外，塑性好的材料可以順利地進(jìn)行某些成型工藝加工，如沖壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材料作機械零件時，必須滿足一定的塑性指標(biāo)。

不銹鋼的晶間腐蝕是一種腐蝕破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為晶粒間喪失結(jié)合力，以致材料的強度變差。對于晶間腐蝕的產(chǎn)生原因有許多不同的理論，如貧鉻理論、晶界吸附理論、沉淀相亞穩(wěn)論、亞穩(wěn)相溶解理論、應(yīng)力論、沉淀相形貌論和腐蝕電化學(xué)理論等。

  其中，貧鉻理論是早提出且被廣泛接受的理論。對18-8型奧氏體不銹鋼，晶界處的晶格是不完整的，有利于金屬原子的擴散；在晶界及其鄰近區(qū)域的的Cr會由于碳化物Cr23C6在晶界的沉淀而發(fā)生貧乏現(xiàn)象，造成晶界周圍出現(xiàn)貧鉻區(qū)，當(dāng)Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至12%左右時，在某些腐蝕介質(zhì)中沿著材料晶界產(chǎn)生腐蝕，使晶粒間喪失結(jié)合力，即產(chǎn)生晶界腐蝕現(xiàn)象。

  TP321不銹鋼（UNSS32168）是在TP304不銹鋼基礎(chǔ)上加入Ti元素，以增強其抗晶間腐蝕能力和耐高溫性能，其原理是形成穩(wěn)定的MC型碳化物TiC，以碳化物形成自由焓變化來衡量，TiC遠(yuǎn)比碳化鉻穩(wěn)定，可減少碳化鉻的形成。

  在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)市場，TP321不銹鋼無縫鋼管已逐漸被TP304L、TP316L等低碳、超低碳不銹鋼無縫鋼管替代；但在我國，TP321不銹鋼無縫鋼管的需求量仍然很大，根據(jù)國際不銹鋼論壇（ISSF）公布的數(shù)據(jù)顯示，2012年，我國TP321不銹鋼無縫鋼管的表觀消費量在10萬t左右。由于生產(chǎn)工藝與檢驗條件的限制，目前國內(nèi)生產(chǎn)的TP321不銹鋼無縫鋼管耐晶間腐蝕性能合格率不高，一次檢驗合格率為80%左右。山西太鋼不銹鋼鋼管公司自2009年投產(chǎn)以來，TP321不銹鋼無縫鋼管產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的35%，晶間腐蝕檢驗一次合格率在70%左右，遠(yuǎn)低于其他不銹鋼產(chǎn)品的水平（≥95%）。為提高成材率，更好地滿足用戶需要，該公司技術(shù)人員針對TP321不銹鋼無縫鋼管耐晶間腐蝕性能進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，目標(biāo)為將一次檢驗合格率提高至95%以上，達(dá)到日本住友金屬公司等國外先進(jìn)制造商的水平。

  目前國內(nèi)TP321不銹鋼無縫鋼管的生產(chǎn)大都采用穿孔→冷軋（拔）→熱處理→矯直→酸洗→檢驗→包裝的生產(chǎn)方式。鋼管在冷變形后，采用固溶熱處理變形應(yīng)力和改善組織，即把鋼管加熱至奧氏體碳飽和曲線以上溫度保溫，使碳化物充分溶解到固溶體中再快速冷卻，將高溫組織在室溫下固定下來，獲得碳的過飽和固溶體。通過對標(biāo)活動，對生產(chǎn)流程進(jìn)行分析，從化學(xué)成分控制、熱處理制度調(diào)整、脫脂工藝優(yōu)化等方面入手，使得TP321不銹鋼無縫鋼管的晶間腐蝕一次檢驗合格率穩(wěn)定在95%以上，達(dá)到攻關(guān)目標(biāo)。具體表現(xiàn)在：

  （1）通過化學(xué)成分設(shè)計，調(diào)整C、Cr、Ni、Ti等元素比例，可優(yōu)化TP321不銹鋼無縫鋼管耐晶間腐蝕性能；

  （2）TP321不銹鋼無縫縫鋼管進(jìn)行固溶熱處理時，爐內(nèi)還原性氣氛易造成鋼管表面增碳；弱氧化性氣氛對鋼管表面質(zhì)量較好，了增碳因素，且節(jié)約能源；

  （3）TP321不銹鋼無縫鋼管冷軋后脫脂不凈，對熱處理后鋼管表面質(zhì)量影響較大，對耐蝕性能亦有不良影響；通過改進(jìn)脫脂方法，可有效改善鋼管耐晶間腐蝕性能；

  （4）固溶熱處理保溫溫度設(shè)定為1050℃，對TP321不銹鋼無縫鋼管的耐晶間腐蝕性能有利；

  （5）若TP321不銹鋼無縫鋼管在敏感溫度區(qū)間（450～900℃）內(nèi)使用且環(huán)境存在強腐蝕介質(zhì)，應(yīng)對鋼管進(jìn)行穩(wěn)定化處理。