1、哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨工程大学船舶工程学院 Harbin Engineering University Shipbuilding Engineering College 苗玉刚苗玉刚2015年年12月月船舶工程学院船舶工程学院二、海洋工程常用钢铁材料三、海洋工程常用有色金属材料第第5章章 海洋工程中常用金属材料海洋工程中常用金属材料一、海洋工程对金属材料的要求 海洋油气钻采平台等大型海洋结构物，处在风、浪、流、海水腐蚀、甚至严寒的恶劣环境下工作，特别在深海域，还受到海洋密度分层产生的内波影响及水波流场和结构物相互作用的势流动力学影响，因此往往具有特殊的结构形式，并且在材料上提出了比船
2、舶用钢更高的要求。Z向性能（板厚方向的断面收缩率向性能（板厚方向的断面收缩率z）Y要求屈服强度高，特别是移动式平台，要求采用400690 MPa级高屈服强度的钢材。Y对韧性的要求高。Y在寒冷地区，需要有足够的低温韧性。海洋结构物在海洋环境下将受到潮流、盐分、水温、微生物等腐蚀影响，并且在海水中的不同部位（海洋大气带、飞溅带、潮差带、全浸带和海土带）受到的腐蚀情况不同。海洋大气中有大量含盐微粒的水气，加上雨、雾、风速、相对湿度等气象因素，海洋大气腐蚀要比其它类别的大气腐蚀严重。耐海洋大气腐蚀的有效合金元素Cu、P、Si、Al、Mo、Cr等，其中效果最显著的元素为Cu、P，不与海水直接接触的海洋结
3、构物部分可采用耐海洋大气腐蚀钢。Y受到海水交替的干湿变化，溶解的氧量也比较多。Y由于日光的照射使温度升高，再加上海面的污损生物、浮油等的附着以及台风、流水等促进腐蚀因素，所以腐蚀极为剧烈，是海水腐蚀环境中腐蚀最严重的部位，其腐蚀速度可达到全浸带的好几倍。Y提高钢在飞溅带的耐腐蚀能力的有效合金元素P、Cu、Mo、Ni、Cr、Si、W、Ti等，效果最显著的元素为P、Cu、Mo。但由于潮差带的供氧情况比下部的全浸带好，在潮差带和全浸带之间形成的氧的浓差电池，使潮差带作为该电池的阴极而受到保护，使腐蚀的速度和程度降低，提高钢在潮差带的耐腐蚀能力，可选用与飞溅带相同的有效合金元素。Y 全浸带由于上述氧浓
4、差电池作用和海水流动造成金属上氧的不均匀分布形成的氧浓差电池及海洋生物的作用，加上不同的金属接触所产生的电化学腐蚀，所以除了金属的均匀腐蚀，还会产生局部腐蚀或点蚀。Y 减轻材料在全浸带腐蚀的有效元素Cr、P、Al、Mo、Si等，特别是Cr。Y 在深海，由于含氧量少，海水温度随水深而降低，海洋生物附着减少，同时海水流速也减慢，所以腐蚀速度反较慢，合金元素效果也变得不明显。Y对部分埋在海底，部分裸露在海水中的钢结构，由于氧的氧浓差电池作用，加快了埋在海土中的部分钢的腐蚀。Y在海土中，特别是在浅海海土中，由于从陆地上流入的污染土中存在大量促进腐蚀的微生物，腐蚀较为剧烈。一般船体结构用钢，即使是大型船
5、舶用钢，仅用3050mm厚的钢板，但海底石油采掘设备等大型海洋结构物则需要用6070mm，甚至更厚的钢板，而且主要是进行冷加工，因此需要钢板有更好的冷加工性能。大型海洋结构物大多是管件，圆形构架状的组合，形状变化大，往往需要将数据组合的管子在应力集中处进行焊接，并且大多在露天或海上作业条件很差的情况下焊接，所以要求材料有比舰船用钢更好的焊接性能和更便于焊接操作的条件。海洋油气钻采平台等大型海洋结构物主要采用钢质材料建造，大量使用的钢材是焊接高焊接高强度结构用钢强度结构用钢和焊接低合金高强度耐海水腐焊接低合金高强度耐海水腐蚀用钢蚀用钢，它们除了按各种船级社规范进行要求外，常常还要求耐层状撕裂性能
6、和焊接接头的COD性能，比规范要求更为严格。对平台的本体结构物必须充分考虑结构是否会因水压产生弯曲变形，并且在施工时使用冷热加工及焊接接头必须满足疲劳强度，通常采用抗拉强度为500MPa级的正火型高强钢，钢板厚度通常不大于130mm，不建议用调质型高强钢。屈服点为320MPa的AH32-EH32钢、屈服点为360MPa的AH36-EH36钢、屈服点为390690MPa级钢，如美国的ASTM A537C1.2,A543,A633 Gr.E,A678 Gr.D,A710 Gr.C,A737 Gr.C，英国的BS436055E和55F，挪威的NVF420和460，日本的KA43、47、51、56、6
7、3、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。海洋环境对钢的腐蚀情况非常复杂，目前还没有一个低合金钢号能全面达到海洋环境的要求。目前国外工业生产的低合金耐海水腐蚀用钢按成份系列可分为:Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、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，以下介绍典型的钢号。Ni-Cu-P系的半镇静钢，其屈服强度和抗拉强度分别为：355 MPa和490MPa以
8、上，特点是在飞溅带的耐海水腐蚀性能好，为普通碳素钢的23倍，即使在没有混凝土包履等防护措施的情况下，也能长期的使用，而且很少发生点蚀。但此钢中含P量较高（0.080.15%P），不适宜厚度大于20 mm钢板的焊接，不能用于焊接的海洋结构物，主要用作护堤、筑堤等用的钢桩。该钢针对美国“Mariner”钢P含量高、焊接性能差及全浸带耐腐蚀性能差的问题而研制的耐海水腐蚀钢，包括2个强度级别（s400 MPa和b490 MPa），三种不同海水部位（飞溅带、全浸带、飞溅带和全浸带）的6个钢号，它们是钢中含P量0.03%的Cr-Cu系低合金耐海水腐蚀钢，其中Mariloy钢P50的s 325 MPa，s
9、490 MPa，在飞溅带的耐腐蚀性能是普通碳素钢的2倍左右，用于系船浮标、钢桩等，适用厚度625mm。该钢包括APS20A、APS20M、APS25三个钢号,它们均含有4%Cr，APS20A含有0.90%Al，APS20M含有0.90%Al和0.15%Mo，APS25含有0.60%Al和0.15%Mo及0.80%Ni。正火后20 mm以下钢材的强度为：APS20A、APS20M的s310 MPa，s 490 MPa；APS25的s 590 MPa，s 835 MPa；它们的耐海水腐蚀性能大大优于碳钢，在海水中全浸46个月的对比腐蚀试验表明，为碳钢的2.183.23倍，它们在焊接时不需要预热或焊
10、后热处理，但以650消除应力为宜；缺点是该钢有晶粒长大倾向，因此要防止过热，并且除氩弧焊外，不能做到含Al均匀的焊缝；APS Cr-Al钢用于制造船舶管道、海水制水设备、防波堤的护板、闸门、渡船、救生艇、盐器设备等.试验钢号近200种，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通过鉴定，但除了少数用户因个别工程需要订货外，尚未推广开来，应用少，产量也少，多用在钢板桩、海水冷凝器、输海水管线、管桩、船坞闸门等方面，尚未涉及大型的固定式和移动式海洋结构物。5.2 海洋工程常用钢铁材料海洋工程常用钢铁材料铸铁铸铁碳钢碳钢船
11、体与海洋工程结构用钢需要经过冷、热加工，船航行中和海洋工程船体与海洋工程结构用钢需要经过冷、热加工，船航行中和海洋工程结构工作中又受到海浪的冲击和海水、海泥、海洋大气的腐蚀。因此，结构工作中又受到海浪的冲击和海水、海泥、海洋大气的腐蚀。因此，要求船舶与海洋工程用钢应具有高综合性能（良好的塑性和冲击韧要求船舶与海洋工程用钢应具有高综合性能（良好的塑性和冲击韧性），满意的可焊性和较好的耐海水、海泥、海洋大气腐蚀性能。性），满意的可焊性和较好的耐海水、海泥、海洋大气腐蚀性能。碳素结构钢碳素结构钢合金结构合金结构钢钢按按化学成分化学成分低碳钢（低碳钢（C 0.25%C 0.25%）中碳钢（中碳钢（C
12、C 0.25-0.60%0.25-0.60%）高碳钢（高碳钢（C C 0.60%0.60%）按含碳量按含碳量5.2.1 海洋工程用结构钢海洋工程用结构钢一般强度海洋工程用结构钢一般强度海洋工程用结构钢分为分为A A、B B、D D、E E四个质量等级四个质量等级海上移动式钻井船入级与建造规范规定，船式、驳船式和坐底式钻井船用一般强度结构钢材，应选用按船规规定的一般强度船体结构钢，规范将一般强度结构钢分为A、B、D、E共4个等级。钢材的质量等级主要是以对冲击韧性（夏比V型缺口试验）的要求区分的。A级为在常温(20)做冲击试验，冲击功不低于27J。B级为在0做冲击试验，冲击功不低于27J。D级为在
13、-20做冲击试验，冲击功不低于27J。E级为在-40做冲击试验，冲击功不低于27J。1、海洋工程用一般强度结构钢、海洋工程用一般强度结构钢碳素结构钢碳素结构钢等级与厚度供货状态A(所有厚度)B(所有厚度)D(厚度35mm)(厚度35mm)E(所有厚度)热轧,正火或控制轧制热轧,正火或控制轧制热轧,正火或控制轧制正火正火一般强度结构钢供应状态 一般强度结构钢的力学性能 等级ABDE脱氧方法半镇静、镇静、沸腾钢半镇静、镇静钢全镇静细晶粒（铝处理）全镇静细晶粒（铝处理）化学成分/%C0.210.210.210.18Mn0.800.600.70Si0.350.350.100.350.100.35S0.
14、0400.0400.0400.040P0.0400.0400.0400.040Al(酸溶)-0.0150.015一般强度结构钢的化学成分自升式、半潜式钻井船用结构钢根据构件类别、板厚和工作温度选用。自升式、半潜式钻井船用结构钢根据构件类别、板厚和工作温度选用。为了防止层状撕裂，对关键构件应考虑采用为了防止层状撕裂，对关键构件应考虑采用Z Z向钢板，对于表面焊接板向钢板，对于表面焊接板材的重要构件建议采用材的重要构件建议采用Z Z向钢板，如重要构件未能采用向钢板，如重要构件未能采用Z Z向钢板而选用船向钢板而选用船体结构钢时，对钢板应逐张进行超声波检查。体结构钢时，对钢板应逐张进行超声波检查。Z
15、 Z向钢板是以某一等级船体结构钢为基础，经过特殊冶炼和处理的钢材，向钢板是以某一等级船体结构钢为基础，经过特殊冶炼和处理的钢材，Z Z向钢板除应满足母级钢的要求外，其含硫量和板厚方向的断面收缩率向钢板除应满足母级钢的要求外，其含硫量和板厚方向的断面收缩率也应满足表也应满足表4-424-42要求。要求。固定平台结构用钢材的级别可根据构件类别、构件厚度和最小设计固定平台结构用钢材的级别可根据构件类别、构件厚度和最小设计温度按下表选用船用结构钢材。温度按下表选用船用结构钢材。高强度船体结构钢的化学成分2、海洋工程用高强度结构钢：我国海上移动式钻井船入级和建造规范将船用低合金高强度钢称为高强度船体结构
16、用钢。高强度船体用结构钢有四个质量等级(A、D、E、F)和三个强度级别组合5.2.1 海洋工程用结构钢海洋工程用结构钢船用结构钢的力学性能(GB712-2000)5.2.1 海洋工程用结构钢海洋工程用结构钢自升式、半潜式钻井船用结构钢钢材应按下表规定选用高强度船体结构钢。5.2.1 海洋工程用结构钢海洋工程用结构钢H H表示表示32kgf/mm32kgf/mm2 2和和36kgf/mm36kgf/mm2 2的高强钢的高强钢表示比表示比E32E32、E36E36更高一级的钢材更高一级的钢材5.2.2 海洋工程用铸铁海洋工程用铸铁铸铁由于具有具有优良的成形性能、加工性能、铸铁由于具有具有优良的成形
17、性能、加工性能、力学性能及低廉的价格，在各工业部门得到广泛力学性能及低廉的价格，在各工业部门得到广泛的应用。的应用。随着我国沿海工业的快速发展和对海洋资源的随着我国沿海工业的快速发展和对海洋资源的开发利用，铸铁材料在海洋环境中的应用日益得开发利用，铸铁材料在海洋环境中的应用日益得到重视，应用量、应用范围不断增大。到重视，应用量、应用范围不断增大。铸铁的组织中存在大量的高碳相：石墨和渗碳铸铁的组织中存在大量的高碳相：石墨和渗碳体。不同的石墨形态及其分布，导致铸铁的机械体。不同的石墨形态及其分布，导致铸铁的机械性能在成分基本相近或相同的条件下表现出很大性能在成分基本相近或相同的条件下表现出很大的差
18、异以及海水腐蚀性能上的差异。的差异以及海水腐蚀性能上的差异。成分与组织的特点成分与组织的特点 成分特点：与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高的成分特点：与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高的C C、SiSi等元等元素外，还含有较多的素外，还含有较多的S S、P P等杂质，在特殊性能铸铁中，还含有一些合金等杂质，在特殊性能铸铁中，还含有一些合金元素。这些成分均会影响铸铁的组织和性能元素。这些成分均会影响铸铁的组织和性能p溶于铁晶格的间隙中，形成溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体间隙固溶体，如铁素体、奥氏体，如铁素体、奥氏体p以游离的以游离的石墨（石墨（G G）形式）形式析出。机械制造工业
19、用的铸铁析出。机械制造工业用的铸铁中，碳主要以石墨（中，碳主要以石墨（G G）形式存在。）形式存在。p与与FeFe生成生成化合物化合物，如，如Fe3CFe3C碳化物存在碳化物存在铸铁中铸铁中碳碳的主要分布形式的主要分布形式 组织特点：铸铁中的碳主要以组织特点：铸铁中的碳主要以石墨石墨（G G）形式存在，所以铸铁的组织是）形式存在，所以铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成的。由钢的基体和石墨组成的。珠光体珠光体 铁素体铁素体 珠光体珠光体+铁素体铁素体石墨的晶体结构石墨的晶体结构简单六方晶格简单六方晶格根据铸铁中石墨的形态根据铸铁中石墨的形态：1 1、灰铸铁：石墨呈、灰铸铁：石墨呈片状片状2 2、球
20、墨铸铁：石墨呈、球墨铸铁：石墨呈球状球状3 3、蠕墨铸铁：石墨介于、蠕墨铸铁：石墨介于片状与球状之间片状与球状之间4 4、可锻铸铁：石墨呈、可锻铸铁：石墨呈团絮状团絮状铸铁的分类铸铁的分类强度和塑性按强度和塑性按片状片状蠕状蠕状团状团状球状球状依次递增。依次递增。电极电位按电极电位按FeFeFeFe3 3CGCG依次递增，形成微电池腐蚀。依次递增，形成微电池腐蚀。由表由表2 2可见可见,所有试样年平均腐蚀率无本所有试样年平均腐蚀率无本质区别质区别,主要差别表现在局部坑蚀上主要差别表现在局部坑蚀上,A2,A2的平均和最大坑蚀深度是的平均和最大坑蚀深度是A1A1的的2.852.85倍。倍。由于局部
21、坑蚀的不可预测性、自摧化由于局部坑蚀的不可预测性、自摧化性、隐蔽性性、隐蔽性,使其成为腐蚀失效中最具使其成为腐蚀失效中最具有破坏性的一种失效形式。有破坏性的一种失效形式。铸铁点蚀蚀坑成长的电化学机构示意图铸铁点蚀蚀坑成长的电化学机构示意图有色有色金属金属：除钢铁之外的其它金属：除钢铁之外的其它金属有色有色金属具有许多黑色金属所不及的优良特性，是现代工业中不金属具有许多黑色金属所不及的优良特性，是现代工业中不可缺少的材料可缺少的材料，本部分仅介绍在船舶与海洋工程中常用的铝及其，本部分仅介绍在船舶与海洋工程中常用的铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金等合金、铜及其合金、钛及其合金等5.3 海洋工程用
22、有色金属海洋工程用有色金属2、对船舶与海洋工程用铝合金性能的基本要求：1、机械方面p 屈强比:要保持一定差距，一般不应大于0.8；p 高温强度:在加热至100以前，应保持机械性能不变；p 疲劳强度:平板式样疲劳强度应不小于50Mpa，带焊缝不小于40Mpa；p 延伸率：10%2、抗腐蚀性能方面p 具有良好的抗腐蚀性能，特别是抗海水腐蚀3、其他方面（热处理不强化合金）良好的可焊性、加工性：5.3.1 海洋工程用铝合金海洋工程用铝合金3、铝合金的牌号铝合金的牌号、分类与应用分类与应用形变铝合金形变铝合金：不能热处理强化的形变铝合金不能热处理强化的形变铝合金：相图中相图中F点以左的部分，组织为单点以
23、左的部分，组织为单相固溶体，且其溶解度不随温度而相固溶体，且其溶解度不随温度而变化，无法进行热处理强化；变化，无法进行热处理强化；可热处理强化的形变铝合金可热处理强化的形变铝合金：相图中相图中F和和D之间的形变铝合金，固之间的形变铝合金，固溶体的溶解度随着温度而显著变化，溶体的溶解度随着温度而显著变化，可进行热处理强化。可进行热处理强化。铸造铝合金铸造铝合金：相图中相图中D点以右的部分，有共晶铝点以右的部分，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。金之分。按铝合金所处相图的位置分类按铝合金所处相图的位置分类：铝合金铝合金:形变铝合金、铸造铝合金形变铝合金、铸
24、造铝合金5.3.1 海洋工程用铝合金海洋工程用铝合金3、铝合金的牌号铝合金的牌号、分类与应用分类与应用旧标准旧标准新新标标准准按按铝铝合合金金加加入入合合金金元元素素种种类类分分类类按加入合金元素后铝合金按加入合金元素后铝合金的性能特点分类的性能特点分类：由于铝合金的机械性能、工艺性能与铁碳合金不同，因此在由于铝合金的机械性能、工艺性能与铁碳合金不同，因此在设计选用铝合金和铁碳合金时，应按一定关系进行代换和选设计选用铝合金和铁碳合金时，应按一定关系进行代换和选用，见下表。用，见下表。船用铝合金的设计选用船用铝合金的设计选用5.3.1 海洋工程用铝合金海洋工程用铝合金5.3.1 海洋工程用铝合金
25、海洋工程用铝合金1、概述、概述p铜是人类最早使用的金属铜是人类最早使用的金属p早在史前时代早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿，铜的使用对早期人类铜制造武器、工具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远文明的进步影响深远p铜存在于铜存在于地壳和海洋地壳和海洋中。铜在地壳中的含量约为中。铜在地壳中的含量约为0.010.01，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到3 35 5p自然界中的铜，多数以自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物化合物即铜矿物存在。铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开
26、采出来的铜矿石，经过与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿选矿而成为含铜品位较高的铜精矿5.3.2 海洋工程用铜合金海洋工程用铜合金铜合金分类及编号铜合金分类及编号p黄铜：黄铜：简单黄铜和复杂黄铜简单黄铜和复杂黄铜p简单黄铜简单黄铜：为：为CuZnCuZn二元合金，以二元合金，以“H”H”表示，表示，H H后面的数字表示后面的数字表示合金的平均含铜量如合金的平均含铜量如H70H70表示含铜量为表示含铜量为7070，其余为锌，其余为锌p复杂黄铜复杂黄铜：在：在Cu-ZnCu-Zn合合金中加入少量铅、锡、铝、锰金中加入少量铅、锡、铝、锰等，组成多元等，组成多元
27、合金。第三组元为铅的称铅黄铜，为铝的称铝黄铜，如合金。第三组元为铅的称铅黄铜，为铝的称铝黄铜，如HSn70-1HSn70-1表表示含示含7070CuCu、1 1SnSn、余为锌的锡黄铜、余为锌的锡黄铜p多元合金则以第三种含量最多的元素相称，如：多元合金则以第三种含量最多的元素相称，如：HMn57-3HMn57-31 1：5757CuCu、3 3MnMn、1 1AlAl、余为锌的锰黄铜、余为锌的锰黄铜 HAl66-6HAl66-63 32 2：6666CuCu、6 6AlAl、3 3FeFe、2 2MnMn、余、余ZnZn的铝黄铜的铝黄铜2 2、铜合金：黄铜、白铜，青铜铜合金：黄铜、白铜，青铜p
28、白铜白铜：铜为基、：铜为基、镍镍为主要合金元素的铜合金。以为主要合金元素的铜合金。以B B表示表示，如：如：BlOBlO为为1010NiNi、余、余CuCu；B30B30为为30%Ni30%Ni、余、余CuCu的铜镍合金的铜镍合金p青铜青铜：除黄铜、白铜之外的铜合金。：除黄铜、白铜之外的铜合金。p按按主加元素主加元素(如如SnSn、AlAl，BeBe等等)命名命名为锡青铜、铝青铜、为锡青铜、铝青铜、铍青铜，并以铍青铜，并以Q Q主添元素化学符号及百分含量表示主添元素化学符号及百分含量表示 QSn6.5-0.16.5QSn6.5-0.16.5SnSn、0.10.1P P、余为铜的锡磷青铜、余为铜
29、的锡磷青铜 QA15 5QA15 5A1A1、余为铜的铝青铜、余为铜的铝青铜 QBe2 2%BeQBe2 2%Be、余下为铜的铍青铜、余下为铜的铍青铜黄铜的应用：加工黄铜和铸造黄铜黄铜的应用：加工黄铜和铸造黄铜 黄铜铸件黄铜铸件黄铜棒黄铜棒铜管铜管铜与铜与黄铜带黄铜带白铜件白铜件康铜热偶康铜热偶白铜型材白铜型材白铜主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、白铜主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。轴承、衬套及阀体等。康铜热偶康铜热偶白铜型材白铜型材Y 青铜主要用于青铜主要用于耐蚀承载件耐蚀承载件,如如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等
30、。垫圈等。锡青铜管锡青铜管船用青铜软管船用青铜软管快速接头阀快速接头阀(锡青铜阀体、锡青铜阀体、阀盖阀盖)青铜制品青铜制品铍青铜制品铍青铜制品用于重要的弹性件、耐磨件，如精用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件防爆工具、航海罗盘等重要机件铍青铜具有高的强度、弹性极限、铍青铜具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵价格较贵1、概述、概述p17911791年英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现了钛年英国
31、化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现了钛p17951795年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的金红石时也年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的金红石时也发现了这种元素发现了这种元素p格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化钛，格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛而不是金属钛p19101910年美国化学家亨特第一次制得纯度达年美国化学家亨特第一次制得纯度达99.9%99.9%的金属钛的金属钛5.3.3 海洋工程用钛合金海洋工程用钛合金p钛在地壳中的钛在地壳中的含量占第七位，含量占第七位，0.42%0.42%，金属占第四位（铝、铁、，金属占第四位（铝
32、、铁、镁、钛）镁、钛）p以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛，再用镁作为以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛，再用镁作为还原剂将四氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似海还原剂将四氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似海绵状所以称为海绵钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉绵状所以称为海绵钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉 19471947年才开始冶炼，当年产量只有年才开始冶炼，当年产量只有2 2吨。吨。19551955年产量年产量2 2万吨。万吨。19751975年产量年产量7 7万吨。万吨。20062006年产量年产量1414万吨万吨 5.3.1 海洋工程用钛合金海
33、洋工程用钛合金1、概述、概述密度小，比强度高：钛密度为密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm4.51g/cm3 3，约为钢或镍合金的一半。比，约为钢或镍合金的一半。比强度高于铝合金及高合金钢。强度高于铝合金及高合金钢。热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的1/51/5，铜的，铜的1/251/25。无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且与人体组织及血液有很好的相容性。与人体组织及血液有很好的相容性。热性佳：熔点高，被列为耐高温金属。热性佳：熔点高，被列为耐高温金属。低温：可在低
34、温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧发生反应。发生反应。耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附著耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附著力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。2、纯钛、纯钛p钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半，钛虽然比铝重，它的硬度却
35、比铝大的一半，钛虽然比铝重，它的硬度却比铝大2 2倍。倍。p在宇宙火箭和导弹中，已大量用钛代替钢铁。极细的钛粉在宇宙火箭和导弹中，已大量用钛代替钢铁。极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属美国的美国的YF12AYF12A战斗机是当前世界上战斗机是当前世界上应用钛合金数量最多的机种，全机应用钛合金数量最多的机种，全机结构有结构有9393是用是用钛钛合金制造的，因合金制造的，因而有而有”全钛飞机全钛飞机”之称之称2、纯钛、纯钛p钛的弹性模量低，只有铁的一半。钛的弹性模量低，只有铁的一半。p熔点熔点16681668，导电性较差（
36、仅为铜的，导电性较差（仅为铜的3.1%3.1%），导热系数（铁的），导热系数（铁的六分之一）和线胀系数（与玻璃的相近）均较低。六分之一）和线胀系数（与玻璃的相近）均较低。p钛无磁性，在强磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入钛无磁性，在强磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体内不会受雷雨天气的影响。人体内不会受雷雨天气的影响。p钛阻尼性低，适宜做共振材料。钛阻尼性低，适宜做共振材料。p当温度低于当温度低于0.49K0.49K时，钛呈现超导特性，经过适当合金化，超导时，钛呈现超导特性，经过适当合金化，超导温度可提高到温度可提高到9 910K10K。3 3、物理性能物理性能p原子序数为原子
37、序数为2222，原子量为，原子量为47.947.9。p有两种同素异晶体，其转变温度为有两种同素异晶体，其转变温度为882.5882.5。低于低于882.5882.5，为密排六方为密排六方-Ti-Ti，882.5882.5熔点，为体心立方熔点，为体心立方-Ti-Tip室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔化态能与绝大多数坩埚或造室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔化态能与绝大多数坩埚或造型材料发生作用型材料发生作用p高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应p钛必须在真空或惰性气氛下熔炼钛必须在真空或惰性气氛下熔炼p钛在氮气中加热即能发生燃烧，钛尘在空气中有爆
38、炸危险，所以钛钛在氮气中加热即能发生燃烧，钛尘在空气中有爆炸危险，所以钛材加热和焊接宜用氩气作保护气体材加热和焊接宜用氩气作保护气体p钛在室温可吸收氢气，在钛在室温可吸收氢气，在500500以上吸气能力尤为强烈，故可作为以上吸气能力尤为强烈，故可作为高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以作储氢高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以作储氢材料材料4 4、化学性质化学性质p钛容易钝化，常温下钛表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钛容易钝化，常温下钛表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜，在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，具有很好的抗钝化膜，在大气及许多浸蚀性介质中非常稳
39、定，具有很好的抗蚀性蚀性 p在大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸在大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、铬酸等硝酸、铬酸等)和大和大多数有机酸中，其抗蚀性相当于或超过不锈钢多数有机酸中，其抗蚀性相当于或超过不锈钢p在海水中耐蚀性极强，可与白金相比，是海洋开发工程理想的在海水中耐蚀性极强，可与白金相比，是海洋开发工程理想的材料材料p钛与生物体有很好相容性，而且无毒，适做生物工程材料钛与生物体有很好相容性，而且无毒，适做生物工程材料 5 5、耐蚀性能：耐蚀性能：p纯钛性能和纯铁相似，塑性好，延伸率可达纯钛性能和纯铁相似，塑性好，延伸率可达505060%60%，断面收，断面收缩率可达缩率可达70
40、7080%80%，强度不太高（，强度不太高（300MPa300MPa）p纯钛力学性能与纯度有关：间隙杂质（氧、氮、碳）含量增纯钛力学性能与纯度有关：间隙杂质（氧、氮、碳）含量增加，其强度升高，塑性陡降加，其强度升高，塑性陡降p常温下钛为密排六方结构，与其他六方结构的金属常温下钛为密排六方结构，与其他六方结构的金属(镉、锌、镉、锌、镁镁)相比，钛的塑性要高得多相比，钛的塑性要高得多6 6、力学性能：力学性能：p工业纯钛退火得到单相工业纯钛退火得到单相组织，属组织，属型钛合金型钛合金p工业纯钛根据杂质含量不同分为工业纯钛根据杂质含量不同分为TAlTAl、TA2TA2、TA3TA3、TA4TA4，其
41、中，其中TATA为为型钛合金的代号，数字表示合金的序号。随着序号增大，钛的纯度型钛合金的代号，数字表示合金的序号。随着序号增大，钛的纯度降低，抗拉强度提高，塑性下降降低，抗拉强度提高，塑性下降p纯钛只能冷变形强化。当变形度大于纯钛只能冷变形强化。当变形度大于3030以后，强度增加缓慢，塑以后，强度增加缓慢，塑性不再明显降低性不再明显降低p纯钛的热处理：再结晶退火（纯钛的热处理：再结晶退火（540540700 700）和去应力退火（）和去应力退火（450450600600），退火后均采用空冷），退火后均采用空冷p工业纯钛可制成板、管、棒、线、带材等半成品工业纯钛可制成板、管、棒、线、带材等半成品
42、p工业纯钛可作为重要的耐蚀结构材料，用于化工设备、滨海发电装工业纯钛可作为重要的耐蚀结构材料，用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件置、海水淡化装置和舰艇零部件 7 7、工业纯钛的牌号、性能及用途工业纯钛的牌号、性能及用途8、钛合金的分类、钛合金的分类按组织类型分：按组织类型分：p（用用TA表示表示）：）：全全、近、近和和+化合物合金化合物合金。p（用用TB表示表示）：）：热力学稳定型热力学稳定型合金、亚稳定合金、亚稳定型合金和近型合金和近型型合金合金 p（用用TC表示表示）：）：以以Ti-Al为基再加适量为基再加适量稳定元素稳定元素 TA4 Ti-3Al TA7 Ti-5Al-
43、2.5Sn TA8 Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr TC1 Ti-2Al-1.5Mn TC3 Ti-4Al-4V TC4 Ti-6Al-4V TC6 Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si TB2 Ti-5Mo-5V-3Cr-3Al 钛合金泵钛合金泵 钛合金的应用钛合金的应用我国研制的蛟龙号载人潜器耐压壳体为全钛合金焊接结构钛钢复合反应器钛钢复合反应器钛管换热器钛管换热器钛制蒸馏塔钛制蒸馏塔纯钛主要用于纯钛主要用于 350350以下工作、以下工作、强度要求不高的零件，如石油化强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净工用热交换器、反应器，海水净
44、化装置及舰船零部件。化装置及舰船零部件。生物医生物医用材料用材料飞机压气机叶片飞机压气机叶片钛合金的应用钛合金的应用 CO2腐蚀和硫化物腐蚀（H2S应力腐蚀）；酸处理腐蚀，为了提高油气生产率、回收率，采用注入强酸（如1.5%HF+13.5%HCl+缓蚀剂）技术，增加地层溶解带来的腐蚀；工作液腐蚀，随着开发井的高压化，往往采用在套管和油气流动管道之间流入高比重、高浓度金属卤化物工作液的技术，带来管道表面的应力腐蚀。深井带来的高温环境：由于油气的高深度带来钻采温度的升高；低温海水带来的石蜡析出问题：深海油气生产中由于受深海低温海水的影响，管内油气温度下降引起管内内壁折出石蜡，使流速下降而降低生产率
45、。Y油井管螺纹接头经常采用石墨、重金属、黄油构成的润滑剂和接头磨损后油气泄漏带来的海洋环境污染问题。Y对海洋油气钻采设备用金属材料有高耐蚀性、高强度、对输送流体有保温性、必要的螺纹接头性及限制使用对海洋环境造成污染的物质等要求。随着海洋油气的全面开发，含有腐蚀性气体的油气井逐步增多，为适应高深度化(高温高压)、深海化、寒冷化环境要求和水平挖掘等技术的进步，油井管也向高度化多样化发展，碳钢和低合金钢油井管已不能适应海洋油气开发的要求，对双相双相不锈钢不锈钢油井管和高强度高强度的不锈钢不锈钢无缝管(13%Cr15%Cr)的需求愈来愈多，但由于双相不锈钢管的价格高，使用量受到限制，在高强度马氏体不锈高强度马氏体不锈钢钢13Cr无缝管的基础上又发展了超级马氏体不锈超级马氏体不锈钢钢无缝管。超级马氏体不锈钢无缝管由于含碳量极低，Cr、Ni、Mo含量高，因此耐腐蚀性能和高温性能提高，更能适应大多数较恶劣海洋环境的油气井条件。超级马氏体不锈钢13Cr无缝管可分HP1-13CR、HP2-13CR、UHP-15CR三类，它们的化学成份范围如下表所示：
