第九章采购与制造
压力管道及其元件的制造涉及到制造工艺的制定、制造设备的配置、产品设计、热处理、检查试验、质量保证体系、工人培训、销售宣传等一系列专业化问题，这些内容都是各个制造商致力研究的内容。本文不准备就上述问题系统地展开论述，仅从编制设计采购文件和参加采购技术谈判出发，谈一些有关制造的一般知识和要求。
第一节金属材料的基本知识（二）
在第三章第一节中已经介绍了金属材料的微观结构、基本性能、常用材料的特点等基本知识，在这里将接续第三章的内容介绍另一部分金属材料的基本知识，它包括材料的冶炼方法、热处理方法及加工方法等。这些知识是工程设计中经常应用的基础知识，它们都无不与材料的性能有着密切的关系。由于这方面的内容与金属构件制造的关系比较密切，故作为金属材料的基本知识之二特放在本节进行介绍。
对材料性能的评定技术即检查试验技术也是工程设计中必不可少的基本知识，只有在材料工程师对各种检查试验知识了解的基础上，才能结合使用工况而提出合理的检查试验要求。由于检测技术也与金属构件制造的关系比较密切，故也将它放在本章里进行介绍。但考虑到各节内容的均衡和它的相对独立性，而将它放在下一节中介绍。
一、冶炼方法及其对材料性能的影响
有色金属与黑色金属的冶炼方法差异较大，而且前者的冶炼过程要复杂的多，故在此不再作介绍，仅就黑色金属的冶炼方法进行介绍。常用的黑色金属冶炼方法有转炉、纯氧顶吹转炉、平炉、电弧炉等方法。不同的冶炼方法采用的热源、氧化剂等不同，生产效率和生产成本也不同，而得到的材料质量也不同。应该说，冶炼对材料质量的影响是先天性的，而后续的加工方法和热处理等只能在此质量的基础上去进行有限度地改善或取舍。因此，材料工程师在了解各种冶炼方法的基础上，针对不同的使用条件，提出合理的冶炼方法要求，对管道设计的可靠性和经济性是很有意义的。
炼钢的主要任务是根据所炼钢种和对质量的要求，把铁或废钢中多余的碳和杂质元素脱掉，并加入适当的合金元素使其成为所需要的金属材料。当原料为生铁时，由于它的含碳量和杂质元素较多，故其主要任务是脱碳和脱杂。
现代的炼钢原理主要是利用氧在高温下使生铁中的碳和杂质得到氧化，进而作为炼渣或废气排掉。其反应式为：
2Fe+O2(FeO
Si+2FeO(SiO2+2Fe+热量
Mn+FeO(MnO+Fe+热量
C+FeO(CO+Fe－热量
C+O2(CO2－热量
2P+2FeO(P2O5+5Fe+热量
Fe+S(FeS－热量
Mn+S(MnS－热量
Mn+FeS(MnS+Fe+热量
最后剩余的FeO通过加入脱氧剂如铝、硅而将铁还原。对于由生铁直接炼钢的情况，炼钢过程将有大量的炼渣（SiO2、MnS等）和废气（CO、CO2等）排除，故由生铁直接炼成的钢材其化学成分偏差较大，非金属物夹杂及气孔都较严重，而且脱硫效果不好。对于由废钢作为原材料炼钢的情况，其脱碳、脱杂任务较轻，造渣量少，非金属物夹杂和气孔较少，而且化学成分较容易控制，故得到的钢材质量较好。因此，对于工程上应用的不同种类钢材和有不同质量要求的钢材，常采用不同的原材料和冶炼方法。常用炼钢方法的特点见表9-1所示。
表9-1常用炼钢方法的特点比较
转炉 纯氧顶吹转炉 平炉 电弧炉 主要原料 液体生铁 液体生铁、废钢 生铁和废钢 全部或大部分是废钢 热源 由空气中的氧氧化杂质（如碳、锰、硅、磷等）而产生的反应热 由纯氧氧化杂质而产生的反应热 重油、人造燃气燃烧产生的热 交流电弧产生的热 主要特点 冶炼速度快，生产效率最高，生产成本低 （同转炉） 容量大，但冶炼时间较长，工艺过程易控制。如果采用吹氧技术，可提高生产效率。生产成本较高 容量小，工艺过程易控制，便于添加合金元素，能冶炼易被氧化的元素和难熔金属的钢种，生产效率较低，生产成本高 脱硫、磷效果 能脱磷，但脱硫能力低 能脱磷，脱硫效果一般不高 脱磷尚可，能脱一部分硫 脱硫、脱磷效果都较好 脱气效果 氢：≤5PPm
氮：0.014% 氢：2PPm~5PPm
氮：0.004% 氢：6PPm~8PPm
氮：0.005% 氢：4PPm~7PPm
氮：0.006% 综合质量 一般 较好 更好 最好 用途 炼普通碳素钢 炼碳素钢和某些低合金钢 炼普通碳素钢、优质碳素钢和低合金钢 炼高合金钢和特殊性能钢
不同冶炼方法对材料性能的影响可以从以下几个方面来看：
1、对脱气的影响
金属在冶炼过程中，当与空气接触时，空气中的氮、湿气分解出的氢等气体会溶入钢液中。除此之外，冶炼过程中还将产生一氧化碳和二氧化碳气体等。这些气体在钢液浇注时如果不脱掉，会对金属材料带来一系列不良影响。氮在钢中能提高钢的强度和硬度（但少量时作用不明显），但却使材料的塑性和韧性显著降低，尤其使材料低温脆性转变温度显著升高，故一般要控制其含量不大于0.008%；少量的氢存在于钢中就会对钢的质量产生不良影响。氢是导致钢材压力加工中产生白点的主要根源，也是导致铸造和焊接裂纹的主要原因，故一般材料中对氢含量都有严格的要求。大量的一氧化碳和二氧化碳存在会导致钢液浇注过程中产生气孔，故它们的多少是影响材料气孔多少的主要原因。显而易见，对转炉冶炼的钢来说，它是靠空气作为氧化剂进行氧化杂质的，其溶氢、溶氮的几率要大的多，故其脱气性不好。纯氧顶吹转炉是利用纯氧做氧化剂，其溶氮的几率就较小，且便于CO和CO2的逸出。而平炉是靠炼渣提供的氧化铁作为氧化剂，其溶氮几率更小，但如果炼渣除渣不好的话，氢溶量会增加。电炉是靠铁矿石或废钢屑作为氧化剂，故其溶氢、溶氮量均较少，而且产生的CO和CO2量也较少，故其脱气性最好。
2、对脱除硫、磷杂质元素的影响
从第三章中已经知道，硫和磷在钢中都是有害元素，因此希望它们的含量越少越好。除此之外，硫和磷在钢中的分布甚至存在形态不同，对材料性能的影响也不同。一般情况下，硫是以FeS作为非金属化合物存在的，它以片状或条状存在于材料中时，对钢材的基体会起到“割裂”作用，使材料的强度和塑性均降低，当它以偏析形式存在时影响更甚，当它以小颗粒分布存在时则影响较小。试验表明，以小球状存在于钢中的FeS，与以片状或条状存在时相比，将使材料的应力腐蚀敏感性降低（10~20）倍。磷的偏析将导致材料韧性急剧下降。不同的冶炼工艺其脱硫、脱磷等有害杂质元素的能力是不相同的，转炉、纯氧顶吹转炉和平炉对脱磷较有效，脱硫效果则不佳。电炉冶炼时脱硫、脱磷效果均较好。
3、对脱氧的影响
在钢铁冶炼过程中，都是通过氧化进行脱碳、脱杂的，因此最终的钢液中会含有多余的氧化物，如果多余的氧化物不进行充分还原，会在浇注时产生“沸腾”现象，从而得到的是沸腾钢。此时，因为有氧化物等非金属化合物的存在，会造成大量的成分偏析和内部杂质，从而导致材料的机械性能和耐蚀性较差。相反，脱氧较好的材料其气体含量低，钢锭中的气泡和疏松较少，机械性能和耐蚀性均较好。较高级的材料都是脱氧良好的材料。不同的冶炼原料和冶炼方法，其冶炼过程中的氧化物含量是不同的，最终得到的钢中的氧化物含量也不同，因此材料的品质也不同。
4、对化学成分偏差的影响
对于金属材料，尤其是对合金材料，其化学成分偏差越大，导致材料的性能越不稳定。反之，材料的化学成分越接近理想成分，越容易达到理想的性能。因此，实际工程中希望得到的材料其化学成分等于或者接近理论上的化学成分，而且偏差越小越好。不同的冶炼工艺其化学成分的偏差保证性是不同的，它们由好到差的顺序依次是电炉→平炉→纯氧顶吹转炉→转炉。
值得一提的是，随着技术的进步，一些先进的冶炼技术在不断地应用到金属材料的冶炼中，如AOD（氩气保护电弧精炼技术）、VOD（真空保护电弧精炼技术）和电渣重熔精炼技术已在国内外许多钢厂投入应用。其中，AOD和VOD炉外精炼技术可以获得脱气好、化学成分偏差小、杂质元素脱除好的优质材料。过去，超低碳奥氏体不锈钢因脱碳较难而一度成为较难获得、价格昂贵的材料，自采用炉外精炼技术以来，这类材料变得容易获得而且价格也降了下来。在抗晶间腐蚀方面，用超低碳奥氏体不锈钢代替稳定化奥氏体不锈钢已成为趋势。电渣重熔精炼技术(以其脱硫、去磷效果好而倍受青睐，如果控制较好的话，它可使硫、磷含量达到双零以下（即0.001%以下），从而能显著提高材料的品质。由第三章介绍的理论可知，材料的应力腐蚀开裂、脆性断裂、氢腐蚀等无不与钢中的杂质元素的多少、分布、形态、偏析等有关，而采用精炼技术可有效地改善这些因素的影响，从而可大大提高材料的可靠性。工程设计中，材料工程师可根据使用条件来选择合适的冶炼方法。需要说明的是，炉外精炼技术的应用常伴随着材料生产成本的提高，故选用时应对其经济性和高质量进行综合考虑。
注(：电渣重熔精炼技术是通过渣洗的作用，其脱氧、脱硫效果显著，钢的纯洁度较高，钢绽致密，偏析少，且自
下而上顺序凝固，铸造组织较好。
二、加工变形及其对材料性能的影响
压力加工变形是管道元件制造中常用的一种方法。例如管子和大口径管件基本上都是通过轧制、挤压或推制而成形的，而法兰、小口径管件多是采用锻造而成型的。管道元件的加工制造，以热加工变形为主，而少量的小尺寸、塑性较好的材料是通过冷加工变形而获得的。所谓的冷加工和热加工是以再结晶温度进行区分的，凡是在再结晶温度以上进行的加工变形称为热加工，在再结晶温度以下进行的加工变形称为冷加工。冷加工和热加工各有优缺点：冷加工是在材料的常温组织中进行塑性变形的，对于大部分材料来说，其组织变形抗力大，而且容易出现加工硬化现象，故对于大尺寸管件，尤其是当变形量较大时，加工便十分困难，需要的加工设备动力也较大。对于塑性较差的金属材料，甚至不能进行冷加工，此时容易发生脆断。但冷加工获得的产品尺寸精度较高，表面光洁，无氧化皮、过烧等热加工缺陷；热加工一般是将金属加热到AC3以上20℃~30℃的温度下进行的金属变形，此时材料的组织为易变形的高温奥氏体组织，变形抗力小，无加工硬化现象，故它是常用的加工变形方法。除此之外，通过热加工，还可以使铸态金属中的气孔、疏松焊合，从而使材料的致密度提高。热加工还可以使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂物的分布发生改变，使它们沿变形方向破碎拉长，形成所谓的“纤维组织”。但是热加工过程常伴随着金属的氧化，从而造成金属材料的利用率下降。氧化皮的存在也会影响到产品的表面质量。如果热加工的加热温度和加热时间控制不当，容易导致晶粒长大，从而降低材料的机械性能。热加工的产品外形及尺寸精度也较差。
下面就从金属的微观理论上来分析金属的热加工变形和冷加工变形对金属组织和性能的影响。
（一）加工变形对金属材料组织和性能的影响
在第三章中已经讲到，金属材料的塑性变形实质上是金属的晶格发生了滑移，同时伴随着晶格的压扁和拉长，由此也将带来金属材料组织和性能的一系列变化。归结起来，这些变化可以分为以下三个方面：
1、晶格滑移和晶粒破碎
当晶格受到的外力大于其原子结合力时，会产生晶格滑移，即晶体的一部分相对于另一部分沿滑移的方向（受剪应力最大的方向）移动一段距离，该距离一般为原子间距的整数倍。滑移的结果会在晶体的几何形状上造成台阶，即错位（常称位错）。随着金属塑性变形量的增加，位错的数量会增加，并导致晶粒破碎，使之形成新的晶粒（俗称亚晶粒）。在冷加工过程中，由于晶粒破碎和位错密度的增加，增加了晶格进一步滑移的抗力，使其塑性变形变得较困难，此时表现在金属的强度和硬度显著上升，而塑性和韧性下降。这种现象称为加工硬化现象。这就是冷加工变形不能进行大尺寸、大变形量加工的原因。在热加工变形过程中，由于原子获得了足够的活动能量，使晶格滑移和晶粒破碎很容易进行，而且呈现较小的变形抗力，故热加工过程中一般不存在加工硬化现象。
2、晶粒拉长和织构现象
在外力的作用下，晶格不仅会产生滑移，而且会发生形状和方向的变化。一般情况下，晶格会沿金属塑性变形的方向被拉长或压扁，或者晶格的取向向塑性变形方向发生偏转。当晶格被拉长或压扁时，其晶格常数发生变化，沿变形方向变大，垂直于变形方向变小。当变形量较大时，在微观上晶粒呈细条状或纤维状，而且此时的晶界会变得模糊不清。金属的这种组织称为纤维组织。当晶格取向发生偏转时，将使得金属材料中的每个晶粒方向都趋于一致，这种现象叫作织构现象，金属的这种组织叫织构组织。无论是金属的纤维组织或者是织构组织都将导致金属材料的性能呈方向性，此时金属沿塑性变形方向的强度和塑性都大于垂直于塑性变形方向的强度和塑性。这种现象在工程上一般是不利的，因为工程上应用的管道及其元件，受力都是比较复杂的，一般情况下，并不能确定那个方向的受力更大些。但管子及管件的制造工艺，是容易产生纤维组织和织构组织的，因为其变形大多是线性变形。为了防止单一的纤维组织或织构组织，在安排轧管和推制弯头的制造工艺时，应考虑同时发生轴向和径向的变形，以减少单一纤维组织和织构组织的影响。
3、加工残余应力
金属材料在外力的作用下发生塑性变形时，各部分的变形并不都是均匀一致的。例如当它受弯曲时，腹面与背面的变形就不相同。不均匀的塑性变形就意味着各处的晶格滑移和变形的量不同，为平衡这种不均匀变形而产生的内应力即为加工残余应力。同样道理，由于金属中各晶粒的晶格取向各不相同，滑移方向也各不相同，为平衡这种不均匀变形其各晶粒之间也将产生内应力。由于大量的位错等晶格缺陷而引起的晶格畸变使晶格处于极不稳定的状态，在原子力的作用下，它们都保持着恢复正常位置的趋势，为平衡畸变晶格的复原也将产生内应力。这几种内应力都属于加工残余应力。实验证明，由晶格畸变产生的内应力最大，是主要的加工残余应力。加工残余应力的存在会给材料的性能带来一系列不利的影响：它会使材料的强度略有升高，但塑性和韧性却大大降低；在高温条件下使用时会因应力松驰而引起产品的变形；在腐蚀环境中使用时使材料更易遭受腐蚀。有资料报道，管道中的应力腐蚀开裂大多数是由焊接残余应力和加工残余力造成的，这是因为不仅这样的残余应力值比较大，而且这个残余应力的存在标志着金属原子位于不稳定的组织状态，势能较高，更容易与其它化学物质发生化学反应而遭受腐蚀。故工程上一般是不希望有加工残应力存在的，尤其是在有应力腐蚀倾向的环境中工作的材料，均应进行适当的热处理以消除加工残余应力。
应该说，加工残余应力均是在再结晶温度以下进行塑性变形时才可能产生的，因为在高温（再结晶温度以上）下完成的加工变形，在随后的冷却过程中会因为金属的再结晶而使加工残余应力得以消除或减弱。故对一些材料，当其加工变形是在再结晶温度以上完成时，可不进行热处理。
（二）加工变形后材料性能的恢复及改善
如上所述，材料在经过加工变形后，会出现晶格畸变、晶格破碎、加工残余应力等不良现象。如果金属的加工变形是在再结晶温度以上完成的，上述现象对材料性能的影响会在随后的冷却过程中得以消失和缓解。对不同的材料，不同的变形量，其消失或缓解的程度是不同的。金属材料的淬硬性越强，制造缺陷消失或缓解的程度越低，因为此时它可能来不及恢复和改善，材料的正常相变就已经完成。故对有些材料在加工变形之后需要热处理，有些则不需要热处理，其原因就在于此。金属的加工变量越大，制造缺陷恢复和改善所需要的时间越长，自然冷却时有时可能会达不到所需要的足够时间和温度要求，此时也应考虑进行热处理。对冷加工成型的产品来说，其制造缺陷没有得到恢复和改善的温度条件，故一般在加工后均要进行适当的热处理。
金属在加工变形后，无论是其晶格畸变、晶格破碎，还是残余应力的存在，都使得金属原子的势能升高，从而使金属材料处于不稳定状态。一旦对材料进行加热，提高了金属原子的活动能力，并给予充分的“调整”时间，便会使材料的组织和性能得到恢复和改善。加工变形后进行热处理就是经常采用的方法。
不同的热处理，或者说不同的加热温度，对材料性能的恢复和改善是不同的，下面就来看一下不同的加热温度对加工变形后金属材料性能和组织的影响。
当加热温度较低时，原子具有一定的活动能力，但活动能力不够大，此时可造成位错的迁移，使晶格畸变产生的晶格弹性弯曲现象得以消失，从而消除或缓解了因晶格畸变而产生的加工残余应力。但由于此时原子的活动能力较低，使得破碎的晶粒没有形成新的稳定的晶粒，晶格的拉长状态也没有改变，故金属的组织仍处于不稳定状态。此时金属材料的强度和硬度略有下降，但塑性和韧性没有太大的提高。材料的组织和性能在该温度下的变化过程称为回复。
升高加热温度，原子有了足够的活动能力，使原来不规则的位错重新排列，形成新的晶粒，或者使被拉长的晶粒重新组合而形成新的晶粒。经过一定时间后，这些新晶粒会与相邻的晶格取向相近的其它新晶粒合并，形成稳定的正常晶粒。这一过程实际上是一个结晶过程，但由于该结晶过程只是原破碎晶粒的重新组合，并没有发生晶格形式的变化，新晶粒的晶格形式与旧晶粒相同，故称这种结晶形式叫再结晶。通过再结晶，加工变形后的金属组织发生了彻底改变，加工变形的不良影响得到消除，材料的机械性能得到完全恢复。
继续升高加热温度或延长加热时间，金属的晶粒会继续长大，因为通过晶粒长大，晶界的面积可以减少，表面能便会降低，所以晶粒长大也是一个降低能量的自发过程。可见，管子及其元件无论是在热处理的加热过程，还是在热加工的加热过程，如果加热温度过高，或加热时间过长，都产生成晶粒粗大的金属组织，而这种组织是我们所不希望得到的组织。故控制加热温度和加热时间是保证获得内在质量较好产品的一个很重要因素。
回复、再结晶和晶粒长大对材料机械
性能的影响如图9-1所示。由图中可知，
变形金属被加热到再结晶温度区间时，可
获得较好的综合性能。那么再结晶温度如
何确定呢？
首先需要指出的是，没有经过冷加工
变形的金属材料是不会发生再结晶的。只
有经过冷加工变形，才有晶粒破碎和晶粒
再生过程，也就是说才有再结晶过程。而
对于热加工变形过程，虽然它也伴随有晶
粒破碎和再生过程，但它发生在加工变形
过程中和之后的冷却过程中，若重新对它
加热已不再有再结晶发生。此时对它进行
的热处理主要是消除淬硬组织而不是使其
再结晶。这部分的论述将在随后的热处理图9－1变形金属在不同加热温度下的性能曲线
中介绍。
前文已经讲到，金属的加工变量越大，其缺陷的恢复和改善所需要的时间越长，也就是说，再结晶过程与冷加工变形的塑性变形程度有关。塑性变形程度越大，意味着晶粒破碎的程度越大，产生的位错等晶格缺陷也越多，因而会使再结晶较早开始进行，即再结晶温度较低。但再结晶温度并不是随着变形度的增加而一直减小，它存在一个极限值，在低于这个极限温度后，既使金属的变形度再大，再结晶也不会发生，这是因为此时的金属没有获得再结晶所需要的足够能量。再结晶温度的极限值称为最低再结晶温度。实验告诉我们，各种金属的最低再结晶温度（Tr）与其熔点（Tm）大致存在如下关系：
Tr≈0.4Tm
除金属的塑性变形度对再结晶温度有影响外，加热的速度和时间对再结晶温度也有影响，因为再结晶过程需要有一定的时间才能完成。增加加热速度，会使再结晶推迟到在较高的温度下发生。加热保温时间越长，原子的扩散移动进行的越充分，可使再结晶在较低的温度下进行。对碳钢来说，其消除加工残余应力的高温回火温度一般为500℃~650℃，其再结晶退火温度一般为680℃~720℃。
值得一提的是，金属的塑性变形程度（即变形度）对金属的晶粒度是有影响的。一般情况下，金属的变形度越大，变形越均匀，再结晶后的晶粒便越细。当变形度较小时，由于金属晶粒破碎较少，发生再结晶的晶粒量较少，此时金属的晶粒度基本上仍保持原来的大小不变。如果塑性变形不均匀，再结晶发生的位置和形核数量也是不均匀的，此时晶粒容易相互合并而长大，从而形成粗大晶粒和不均匀晶粒组织而影响材料的机械性能。一般情况下，金属的变形度为2%~10%时，容易造成金属中的变形不均匀。在锻制管件中经常提到的锻造比问题，实际上就是这里所说的变形度。如果锻造比不够，则容易产生不良组织（粗大晶粒和不均匀晶粒组织），故工程上对锻件的锻造比都有一个最小要求，例如JB4726《压力容器用碳素钢和低合金锻件》标准规定：采用钢绽锻造时，锻件的主截面部分的锻造比不得小于3，采用坯料或轧制材料锻造时，锻件的主截面部分的锻造比不得小于1.6。
三、热处理及其对材料性能的影响
热处理是指通过一定的加热、保温及冷却的操作过程，使金属的组织和性能发生一系列变化，以获得所需要的性能的一种工艺。
热处理在工程中的应用是十分普遍的，无论是在管子及其元件的制造过程，还是在施工现场的焊接过程，都经常用到热处理。综合起来说，热处理有以下作用：
a、改变材料的机械性能；
b、改变材料的金相组织；
c、改变材料的耐腐蚀性能；
d、改变材料的加工性能；
e、消除材料中的加工或焊接残余应力等。
例如，通过退火热处理，可以获得较好的塑性和韧性；通过淬火可以获得较高的强度；通过调质处理可以获得良好的综合机械性能；通过表面淬火或表面渗碳、渗氮处理，可以获得较高的表面硬度和较好的耐磨性等。
例如，通过退火或正火可以改善铸件的不均匀组织；通过调质处理可以获得晶粒较细、性能较好的索氏体组织；通过回火可以消除不良的马氏体组织等。
例如，通过固溶处理和稳定化热处理可以改善奥氏体不锈钢的抗晶腐蚀能力；通过回火可提高金属及焊缝抗应力腐蚀的能力等。
例如，通过退火可以消除冷加工变形的加工硬化现象，以便于进一步的加工；通过退火或淬火，可以改善金属的硬度，从而改善切削加工性能等。
例如，通过高回温火或退火，可以消除加工变形残余应力、焊接残余应及铸造应力，以改善材料的机械性能、抗腐蚀性能和尺寸稳定性能等。
因此可以说，无论如何强调处理的重要性都是不过分的。作为材料工程师很有必要了解各种常用热处理工艺的特点及作用，以便结合应用工况，提出合适的热处理要求，以期获得所需要的材料性能，使之满足工程应用要求。
根据加热、冷却方法及热处理的目的不同，可将热处理大致分为图9－2所示的几种：
退火
普通热处理 正火
淬火
热处理 回火
火焰淬火
表面淬火
表面热处理 感应淬火
渗碳
化学热处理 渗氮
渗合金
图9－2热处理分类
下面逐次介绍常用热处理方法的工艺特点及作用。
（一）退火
将金属材料加热到临界温度（相图中的A3、A1、Acm温度线）以上，并保温一段时间，然后缓慢冷却的热处理过程叫做退火。
由于退火热处理冷却速度缓慢（一般在炉内冷却），故最终得到的组织（退火组织）接近平衡状态组织。但一般退火热处理用的时间比淬火、正火及回火长，故费用较高。它不宜用作施工现场的焊后热处理。
通过退火热处理，可以达到下列目的：
a、细化铸件中的粗大晶粒，改善其机械性能；
b、消除偏析，改善铸造、轧制、锻造和焊接过程中的组织缺陷；
c、消除加工、焊接、铸造产生的残余应力，改善材料的耐蚀性能，并起到稳定产品尺寸和外形的作用；
d、降低材料硬度，提高材料的塑性和韧性，以利于切削加工和冷变形加工。
根据热处理的目的不同，常用的退火热处理可分为完全退火、等温退火、扩散退火、再结晶退火和低温退火等五种。
1、完全退火
完全退火是将材料加热到AC3以上30℃~50℃的温度，保温一定时间后，随炉（或埋在石灰中）冷却至500℃以下，然后在空气中冷却。这种退火工艺得到的组织基本上接近平衡组织（对亚共折钢，其组织为铁素体+珠光体组织），故它反映出来的材料机械性能为正常性能（基本性能）。通过完全退火，可以达到消除残余应力的目的，同时在一定程度上可细化晶粒，消除偏析。但用它来消除残余应力成本偏高，而细化晶粒、消除偏析、均匀化学成分的作用又不及扩散退火，故完全退火在工程上很少用，而是常用于淬火等其它热处理前的预热处理。
2、等温退火
等温退火是将材料加热到AC3或AC1以上30℃~50℃的温度，保温一定时间后，以较快的速度冷却到Ar1以下的珠光体转变温度，并在该温度下作长时间的恒温，使金属的高温奥氏体组织充分转变为珠光体组织，然后在空气中冷却。这种退火工艺的实质就是实现材料的珠光体组织转变，使材料最终得到的组织为珠光体组织。我们知道，珠光体组织的材料具有良好的综合机械性能，故它在工程上的应用比较多。
3、扩散退火
扩散退火是将材料加热到AC3以上150℃~250℃温度，保温足够长的时间（一般为10~20小时），然后随炉冷却。由于扩散退火的加热温度较高，加热时间较长，使材料的原子有了充分扩散迁移的能量和时间，从而可以消除材料中的化学成分不均匀性和偏析。扩散退火后得到的组织接近平衡组织，但容易造成晶粒粗大。它适用于铸件的热处理，但由于其费用较高，故只有在必要时才考虑使用。
4、再结晶退火
再结晶退火是针对冷加工变形材料进行的一种热处理。它是在材料变形完成后将其加热至再结晶温度，保温一定时间后缓冷至常温的一种热处理方法。前面已经讲到，经过冷变形后的材料，通过再结晶退火可以使材料的组织和性能得到恢复及改善。
5、低温退火
低温退火是将材料加热到A1以下某一个温度（对于常用碳钢来说一般为500℃~650℃），保温一段时间后随炉冷却至300℃，然后空冷至常温。低温退火的作用主要是改善材料中的加工变形，消除焊接和铸造残余应力等。由于加热温度在A1以下，故该过程基本上没有组织变化。只有当材料中有过冷奥氏体存在时，它才会有过冷奥氏体的组织转变。低温退火的作用与高温回火相同，但二者有稍许差别，前者的保温时间较长，冷却速度也较慢，故各种残余应力的消比较彻底，但其成本比高温回火高。当产品对各种残余应力的要求不是太苛刻时，一般都是用高温回火代替低温退火。工程上实际应用较多的是高温回火。
由此可见，退火热处理一般都表现出加热温度高、加热时间长、冷却速度慢的特点。因此，如果处理不当，可能会给材料的性能带来一些不利的影响。例如，金属材料长时间处于高温下时有晶粒长大的倾向，故在进行退火热处理时，要防止产生晶粒粗大的组织。金属材料长时间处于高温下时，还容易产生过烧或脱碳现象，它也将影响到材料的性能。
（二）正火
将金属材料加热到AC3或Accm以上30℃~50℃的温度，保温一段时间（一般比退火保温时间短）从炉中取出在空气中冷却的过程叫正火。
与退火热处理相比，正火的最大特点是冷却速度较快，晶体结晶时的过冷度较大，故得到的晶粒比退火细，材料的综合机械性能较退火好（强度较高，而塑性和韧性也比较好）。正火得到的最终组织比较复杂。对于淬硬性较低的材料，其组织以铁素体和珠光体为主，并有少量的马氏体和贝氏体组织。但此时的贝氏体和马氏体组织的量较少，对材料性能的影响不显著。对淬硬性较强的材料，组织中的马氏体量会增加，甚至完全出现淬火马氏体组织淬硬组织，故对这样的材料，一般不能以正火作为最终热处理，而往往在正火之后再进行一次高温回火，以消除淬硬组织。
通过正火热处理，可以达到以下目的：
a、对于淬硬性不高的材料，作为最终热处理，可获得较好的综合机械性能；
b、对于中、低碳结构钢，可作为中间热处理，以改善其切削加工性能；
c、可在一定程度上细化铸件中的粗大组织，改善其偏析情况，但效果不如退火；
d、对淬硬性较强的材料，淬火前进行正火，可减少产品开裂和变形的倾向。
正火比退火的成本低，生产效率高，且晶粒长大的倾向小，金属的脱碳和烧损少，故它在工程上得到了普遍应用。
值得一提的是，奥氏体不锈钢的稳定化热处理与正火热处理的工艺过程相似，它是将材料加热到大约850℃~950℃的温度，保温约2小时左右，然后利用空气冷却的工艺过程。但它与一般的正火热处理是不同的，它的目的在于给材料中的碳和稳定化元素（钛和铌）以足够的能量和时间，让它们充分结合形成稳定的碳化物，以消除奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。目前，关于稳定型奥氏体不锈钢要不要做稳定化热处理的问题存在争议，反对者认为，既然将固溶热处理作为其最终热处理条件，那么它就获得了较好的强度、硬度，同时组织中的晶粒比较细，如果此时再进行稳定化热处理，将会降低其已有的硬度和强度，同时由于稳定化热处理过程的保温时间较长，有晶粒长大的倾向。同意者认为，作为管道材料，是避免不了现场焊接操作的，而焊接将破坏焊缝及其热影响区的固溶效果，使焊接接头处丧失抗晶间腐蚀的能力，但现场的焊接接头处又不宜做固溶处理，故为了保证焊接接头处的抗晶间腐蚀能力，应做稳定化热处理。笔者是持肯定意见的。此时应注意，稳定化热处理只对稳定型奥氏体不锈钢有意义，且焊后的稳定化热处理只有当原材料在制造中已进行了稳定化热处理时才有效。
（三）淬火
将材料加热到AC1或AC3以上30℃~50℃温度，保温后快冷的工艺过程叫淬火。
与正火相比，淬火的冷却速度更快，结晶时的过冷度更大，因此导致大量的过冷奥氏体转移到较低的温度下进行转变。从第三章的第一节中已经知道，此时得到的组织主要是马氏体组织，它的存在导致材料的强度和硬度大幅度上升，而塑性和韧性则大幅度下降。马氏体组织是一个不稳定组织，它会通过常温时效而使材料尺寸和形状发生变化，也会导致材料的耐蚀性下降，故对于流体输送用的管子及其元件来说，不希望其最终组织为马氏体组织。这种情况下，淬火往往是作为预处理，随后进行高温回火处理，可以获得优良的综合机械性能，因为淬火过程过冷度较大，结晶形核数量较多但又没有充裕的时间长大，因此得到的晶粒较细，再加上回火后马氏体转变成了性能较好的索氏体或屈氏体，故使得材料的综合性能优于退火和正火。人们习惯上把淬火+回火的热处理方法叫调质热处理。但对于要求耐磨的材料，马氏体组织可以作为最终组织。
工程上，淬火的目的主要有以下几方面：
a、提高材料的硬度和耐磨性。例如阀杆和阀板的热处理；
b、淬火+低温回火，可提高材料的弹性。如弹簧的热处理即如此；
c、淬火+高温回火，可获得优良的综合机械性能。
淬火热处理在工程上是一个比较难以控制的热处理过程，如果控制不好，反而会导致材料的性能变坏，这也是它在石化管道上应用不多的主要原因。ASTM材料规范规定，当制造商同意时，才采用淬火+高温回火热处理，而对于用户无特殊要求时，一般都是采用正火或正火+回火以代替淬火+回火热处理。
影响淬火热处理效果的因素主要有以下几方面：
1、加热参数的影响
加热参数包括加热温度、加热速度和加热保温时间。
加热温度太高时，将得到粗片状马氏体组织，同时引起产品较严重的变形，甚至引起产品的淬火开裂。加热温度太低时，可得到非马氏体组织，从而降低材料的硬度、耐磨性和调质效果。
加热速度太快时，会造成较大的温度梯度，从而产生较大的热应力和组织应力，对于形状复杂的产品，这些应力会导致产品的变形和开裂。当然，对于正火和退火，过大的加热速度也会导致这样的结果。如果加热速度太慢，虽然对淬火组织影响不大，但却增加了热处理时间，也增加了热处理成本。
加热保温时间太长时，产生的影响同加热温度较高时相同。如果加热保温时间较短，奥氏体转化不完全，将导致淬火后的组织中出现非马氏体组织。
2、冷却速度及冷却介质的影响
前文提到的淬火控制难度大主要是指其冷却速度控制难度大，这是因为，淬火后要想得到马氏体组织，必须要有足够快的冷却速度，使其转变温度迅速跨过珠光体类和贝氏体类转变温度区，而使大量的过冷奥氏体在马氏体转变温度下进行转变。然而，冷却速度过快，会造成较大的热应力和组织应力，从而导致产品的变形和开裂，而此时的热应力和组织应力远大于加热时的应力值（因加热升温速度远小于冷却降温速度），故冷却时开裂和变形的可能性更大。如何处理这个矛盾是十分棘手的事情。事实上，要想得到淬火马氏体组织，并不需要整个冷却过程的冷却速度都很快，而只要在珠光体和贝氏体转变温度区间快速冷却即可。在马氏体转变温度区间，冷却速度应控制在较小值，以利于过冷奥氏体的充分转变，否则会残留部分过冷奥氏体在组织中，从而降低材料的硬度。冷却速度放慢，还有利于减小热应力和组织应力。所以理想的淬火冷却速度是一个变化的冷却速度，但能达到这一要求的冷却介质却很难找到。
目前，常用的淬火冷却介质有水、盐水和油。
采用盐水作冷却介质时，由于盐水中的氯化钠晶体在产品表面的析出和爆裂，有效地破坏了产品表面的蒸汽膜，故其冷却速度比清水快，因此它常用于淬硬性不强、形状简单的产品。
油的导热率与水相比比较低，故材料在油品中的冷却速度也比较低，大约是在水中冷却速度的四分之一，因此油品作为淬火冷却介质时，常用于淬硬性较强的材料。
3、材料淬透性的影响
所谓金属材料的淬透性，是指它淬火后获得马氏体层深度的能力。它与淬硬性不同，后者是指淬火后获得马氏体最高硬度的能力。
可想而知，对于一个厚度较大的金属产品，当冷却时，由于表面与芯部存在温度梯度的原因，可能会使芯部得不到足够的冷却速度而形不成马氏体组织。在随后的回火过程中，其表面和芯部的组织也就不一样，从而导致材料机械性能的下降。
除了冷却速度对材料的淬透性有影响外，化学成分则是影响淬透性的主要因素。材料的含碳量越高，产生马氏体的倾向越大，故材料的淬透性越大。试验证明，大多数合金元素如Mn、Mo、Cr、Al、Si、Ni等都能显著提高材料的淬透性和淬硬性，这些合金元素含量较高的高合金钢，有强烈地马氏体转变能力，有的甚至在正火过程中就可产生马氏体组织。
值得一提的是，奥氏体不锈钢的固溶热处理从方式上说基本上属于淬火热处理，但它又不同于一般的淬火热处理。因为奥氏体不锈钢常温组织就是奥氏体组织（它是通过加入大量的铬和镍元素使其奥氏体相区（γ相区）扩大到常温范围内），故它不存在淬硬的问题。此时的固溶处理实质上是将材料加热到一定的温度（一般为1050℃~1150℃），并保温一定的时间，使过剩的碳原子充分固溶到高温奥氏体中，然后进行急冷，使碳原子来不及在冷却时再次从奥氏体中析出（高温奥氏体与常温奥氏体的溶碳能力不同），从而得到过饱和的奥氏体固溶组织。固溶热处理的目的主要是防止过剩的碳在晶界上析出，从而导致奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏化。
（四）回火
将材料加热到AC1以下某个温度，保温后自然冷却下来的热处理工艺过程叫回火。
应该说，在材料中如果没有不稳定的晶格畸变，或者没有不稳定的低温组织，那么金属的回火热处理是没有什么意义的。但很多产品在变形加工完成或焊接之后，可能会存在不稳定的晶格畸变问题，而晶格畸变的存在在金属内将产生较大的内应力，这个内应力会导致材料机械性能（主要是塑性和韧性）和耐腐蚀性能的下降，严重时会直接导致金属材料的开裂或延迟开裂。此时对金属材料进行回火热处理，可消除其内应力，从而使材料的性能得到改善和恢复。
另一方面，金属材料经过正火或淬火后，会得到不稳定的马氏体和少量的过冷奥氏体组织。马氏体的存在使材料的硬度和强度升高，但却使其塑性和韧性大幅度下降。过冷奥氏体的存在会使产品的形状和尺寸不稳定，甚至长时间常温静置都会使它发生转变。过冷奥氏体的转变过程又常伴随着体积的变化，从而引起产品的尺寸和形状变化。此时对材料进行回火热处理，可以使不稳定的马氏体组织和过冷奥氏体组织发生转变，从而成为稳定的其它组织。
一般情况下，正火后得到的组织中主要是铁素体和珠光体，而马氏体和过冷奥氏体的量很少，有时可以忽略不计，此时对正火后的材料进行回火热处理是没有意义的，故工程上应用的某些低碳钢，经正火后不再进行热处理的道理正在于此。而对淬硬性或淬透性较强的材料，正火后组织中得到马氏体和过冷奥氏体的量比较多，以致不能再忽略不计，有些材料甚至正火后得到的组织就是淬火组织，故此时就需要象淬火一样，正火后再进行回火。为了论述方便，这里仅以淬火组织进行回火处理的转变过程进行介绍，而正火后的回火则视材料不同而比照处理。
淬火组织在回火过程中将发生下列四个阶段的转变：
1、第一阶段转变：它是发生在80℃~200℃温度区间的转变。当加热到该温度区间时，淬火组织中的马氏体将部分分解，并生成与它共格的ε碳化物（Fe2.4C），使马氏体的过饱和碳含量降低，得到的组织为回火马氏体组织。而在温度低于80℃时，由于碳原子没有得到迁移所需的足够能量，故没有转变发生。
由于此时的ε碳化物极为细小，又与马氏体共格，故其基本组织仍为过饱和的固溶体组织。此时材料的机械性能没有发生太多的变化，仅仅是降低了淬火组织应力和材料的脆性。第一阶段转变过程又称低温回火。低温回火常用在刀具和量具的调质处理中。
2、第二阶段转变：它是发生在200℃~300℃温度区间内的转变。当温度加热到该温度区间时，材料中的残余过冷奥氏体开始转变，生成回火贝氏体。因为该阶段的马氏体转变仍不明显，因此残余过冷奥氏体的转变成了影响材料性能变化的突出因素，最终得到的回火马氏体+回贝氏体组织导致了材料脆性的明显增加，行业中又常称材料的这类脆性为第一类回火脆性。这类回火脆性在工程上是毫无意义的，而且也不能通过其它处理方式将它消除，故工程上常避免在该温度区间内进行回火。
3、第三阶段转变：它是发生在350℃~500℃温度区间的转变。当加热到该温度区间时，过饱和的碳原子相继从α－Fe固溶体内析出生成渗碳体，而且第一次转变产生的ε碳化物也逐渐变为渗碳体（Fe3C），从而得到回火屈氏体组织。此时材料的内应力大大减少，其硬度和脆性也显著降低。但由于此时的渗碳体尚未长大，而是以细小的颗粒存在于铁素体之间，故材料仍保持较高的强度和较好的韧性。这一转变过程称为中温回火。中温回火常用在弹簧的调质处理中。
4、第四阶段转变：它是发生在500℃~650℃温度区间的转变。当加热到该温度区间时，第三次转变过程中的粒状渗碳体开始发生聚合，使得原来的α－Fe固溶体和渗碳体发生回复和再结晶，从而形成回火索氏体组织。此时淬火马氏体产生的固溶强化作用和晶格畸变强化作用已完全消失，材料得到了优良的综合机械性能。这一过程称为高温回火。高温回火是工程中最常用的一种回火。
需要指出的是：对于含Cr、Mo、Si等元素的合金钢，当长时间在500℃~650℃温度区间停留时，会出现回火脆化现象，行业内常称之为第二类回火脆性。第二类回火脆性产生的主要原因是材料中低熔点的杂质元素锑、磷、锡、砷在晶界偏聚所致。这类回火脆性可以通过加热到高温回火温度，然后急冷而加以消除。
（五）表面热处理
顾名思义，金属材料的表面热处理是指仅对金属材料的表面进行热处理，而材料内部的组织和性能不发生变化，从而仅使材料表面获得特殊性能的工艺过程。一般情况下，表面热处理分为两大类：即表面淬火和表面化学热处理。表面淬火时，仅材料表面的组织有变化，即表面出现淬硬马氏体组织。表面化学热处理时，材料表面的组织不仅有变化，而且化学成分也发生了变化。
表面热处理主要是用来改变金属材料表面的耐磨性和耐蚀性，而内部则保持着正常的综合机械性能。有这种性能要求的情况有时仅靠选用材料来实现是比较困难的。这种热处理方法在管道工程上的应用并不多，仅一些阀门的运动部件（如阀杆）会用到这些热处理方法。
1、表面淬火热处理
将金属表面加热到淬火温度以上，然后快速冷却使金属表面得到淬硬组织的过程叫表面淬火。通常采用的表面淬火方法有感应加热表面淬火方法和火焰加热表面淬火方法两种。
感应加热表面淬火方法通常是以交变电磁场作为加热手段，因此它具有加热速度快、加热均匀、加热温度易控制等优点，故得到的表面淬火质量较好。但它需要复杂的专用设备，投资较高，对于具有复杂外形的产品，加热线圈调整较难，故它通常适用于大批量、外形简单的产品表面热处理。
火焰加热表面淬火方法是利用氧－乙炔气等燃料燃烧而对材料进行加热，因此它的加热速度较慢且不均匀，得到的表面淬火质量不如感应加热法。但它无需较贵的专用设备，操作比较灵活，故可用于小批量、具有复杂外形产品的表面淬火。
表面淬火仅能提高材料表面的硬度和耐磨性，而其耐蚀性和抗疲劳性比较差，故阀门运动部件如阀杆现在已很少采用这种热处理方法了。
2、表面化学热处理
将金属产品放入特定的介质中，对它们加热、保温，使欲渗入的元素以活性原子状态进入材料的表层中，以达到改善材料表面性能的过程叫表面化学热处理。工程中用的较多的是渗碳、渗氮、渗铬和渗铝。
渗碳方法通常是将被渗产品放置在一氧化碳的气体介质中，然后加热到产品的奥氏体转化温度并进行保温，从而使从一氧化碳中分解出的碳原子渗入材料表层中的过程。此时碳原子既可能以固溶方式存在，又可能以渗碳体的形式存在。渗碳后进一步进行表面淬火可获得比表面淬火具有更好耐磨性的材料表面，此时材料表面的抗疲劳性也有少量的提高，但其耐蚀性尚差。
渗氮方法通常是将被渗产品放置在无水氨气中，然后加热到500℃~560℃并进行保温，从而使氨气中分解出的氮原子渗入到材料表层的过程。渗氮后的金属表面既具有较高的硬度和耐磨性，又具有较好的耐蚀性和抗疲劳性。但是，由于渗氮温度较低，生产周期较长，而且表层的氮化物较脆，故常常用氰化（即碳、氮共渗，但以渗氮为主）来代替。许多阀门制造商的阀杆都采用了渗氮或碳、氮共渗的热处理方法。
在近几年与国外的阀门制造商接触过程中，阀杆渗铬的热处理用的比较多，尤其是高压阀门中，除对阀杆的硬度和耐磨性有较高的要求外，阀杆的韧性、抗疲劳性、耐蚀性都有较高的要求，在这方面渗铬则比渗氮或氰化更具有优越性。
产品的渗铝主要是用来抗腐蚀的。钢材渗铝后，会在表面形成一层Al2O3薄膜，这个薄膜的化学稳定性、抗氧化性都比较好，附着力也很强，用在抗高温硫、高或低温硫化氢、环烷酸、高温氧化等腐蚀介质中都表现了良好的耐腐蚀性能。表面渗铝的材料是一种良好的石油化工生产中的耐腐蚀材料，故该工艺一经推出，很快得到了推广应用。但对于工艺管道来说，存在着现场大量焊接的问题，而渗铝钢在焊接后，焊缝处的渗铝层会被破坏，从而在焊缝处形成了耐腐蚀的薄弱区，目前渗铝钢的焊接问题尚在研究中。
思考题：
1、冶炼方法对金属材料的性能主要有哪些影响？
2、常见的冶炼方法有哪些？各有何特点？
3、压力加工变形对金属材料有哪些主要影响？
4、冷加工变形和热加工变形相比，有何特点？
5、加工残余应力产生的原因有哪些？
6、什么叫加工硬化？
7、什么叫再结晶？
8、影响材料回复与再结晶的因素有哪些？
9、金属材料的热处理对其性能有哪些影响？
10、退火的作用有哪些？
11、什么叫等温退火、完全退火和扩散退火？各有何特点？
12、什么叫正火？正火的作用是什么？
13、什么叫淬火？淬火的作用是什么？
14、影响材料淬火效果的因素有哪些？
15、什么叫回火？试述金属材料在回火过程中的组织转变？
16、常用的金属材料表面化学处理有哪些？各有何特点？
第二节检测技术
检查与试验伴随着金属材料的整个加工过程。每个加工环节，每个加工工序，都要进行相应的检查试验，以验证材料的性能、质量等是否满足相应的要求。因此说检查与试验是产品质量控制必不可少的手段，它在产品加工过程中占据着很重要的位置。材料工程师有必要了解各种检测技术的特点和用途，作用主要有两个：其一是根据不同的应用条件，提出相宜的检查试验要求，以验证产品的质量是否与使用要求相适宜。很多产品制造标准中都列出了供使用者选择的附加检验项目，如果材料工程师对检测技术不了解，就无从选择相应的附加检验项目，或者选择的附加检验项目或高或低，要求偏高时会造成不必要的经济损失，要求偏低时会对使用的可靠性产生影响；其二是在对制造商的质量控制考核中，通过了解它拥有的检测设备情况，以及产品型式试验中的检查试验项目和控制指标，可以判断该制造商的质量控制手段是否齐全，产品质量的定位是否与希望的相适应。从这样的一个目的出发，本书给出了常用检测技术的基本知识。
材料的检测技术种类甚多，内容也十分庞大，有些是工程中或产品制造过程中经常用到的，而有些则是在试验研究中用到的。本书仅介绍与工程设计有关的常用检测技术。总起来说，这些检测技术包括：化学成分分析、机械性能试验、耐腐蚀性能试验、宏观组织检验、显微组织检验及无损探伤等六大类。
为了便于材料工程师设计过程中的查阅，本章在附录F9-1中列出了常用的制造检测标准。
一、化学成分分析
从前面讲到的金属材料基本知识中已经知道，材料的化学成分是影响其性能的最基本因素，因此对材料化学成分的及时测定分析就显得尤为重要了。化学成分分析一般发生在原材料进厂的抽检、铸造过程中的炉前分析、施工前的抽检及事故的分析判断中。常用的分析方法有化学分析法及光谱分析法两种。
（一）化学分析法
化学分析法主要是通过在材料中取样，然后选择适当的化学品与金属材料样品进行化学反应，最后分析反应产物并通过一定的计算，求出相应元素的含量。因为各种材料涉及到的元素种类较多，在此不便对它们的具体分析方法逐一介绍。GB223.1~GB223.50系列标准给出了各种元素的分析方法，而GB222标准则给出了化学成分分析的取样方法及允许的成分偏差要求，欲作详细了解的技术人员可查阅这些标准。
化学分析法是比较原始、比较通用的方法，也是比较可靠的方法。与光谱分析相比，化学分析法所需要的设施投资较少，故一般的企业都可以做到。但该方法分析时间较长，而且只能在专门的试验室中进行。
（二）光谱分析法
金属原子在高能量光源（如X射线、激光等）的照射下，可发生电离，即最外层的价电子可能因获得外来的能量而脱离原子成为自由电子。此时的原子处于激发状态，是很不稳定的，大约在经历10-8秒后将恢复到常态，此时的价电子也将回到原来的运动轨道，同时原子以光的型式释放出多余的能量。因为价电子的跳跃轨道是多层的，每跳跃一层将产生不同波长的光，而这些不同波长的光即组成了原子光谱。
不同元素的原子被激发后，得到的光谱特征是不一样的，光谱分析法就是根据这些不同特征的光谱来判断金属某种元素是否存在的，同时根据谱线的强弱可判断元素的含量。
要使光谱分析法能定性地分析各元素是否存在，就必须先建立各元素的标准光谱板，以便于对比判断。事实上，光谱分析仪可将它自动做对比处理，使分析人员能直接从分析仪中得出直观的结论。这种分析法与化学分析法相比，分析工作量小，快捷简便，但一般情况下不能定量分析，故它多用于判断合金钢中的合金元素是否存在。
要使光谱分析法能定量地分析各元素的含量，就必须做大量的基础工作，不但要建立各元素的特征光谱标准板，还要建立谱线强度与元素含量的关联标准谱板。由于影响谱线强度与元素含量关系的因素较多，故要准确建立二者的关联标准谱板是很复杂的事情，所以目前国内拥有真正能用光谱分析法来分析元素含量的制造商还不多，而国外的制造商应用的很普遍，他们已将这类分析仪计算机化，所有的对比、分析、判断、计算都由计算机中的神经网络来完成，最后给出直观的结果。但目前这种分析仪价格昂贵，是国内很多企业所不能承受的。
二、机械性能试验
由前面的介绍中已经知道，除了材料的化学成分直接影响到其机械性能外，冷加工过程、热加工过程、热处理过程等都可能改变材料的机械性能。因此材料的机械性能试验可能用在原材料、半成品、成品等各个生产工序中。常进行的机械性能试验包括拉伸试验、冲击试验和硬度试验等，而材料的蠕变强度、高温持久强度、疲劳强度及断裂韧性试验一般在管道元件制造过程中不进行，故在此不予介绍。
（一）拉伸试验
拉伸试验能测定的材料机械性能指标有：强度极限(b、屈服极限(s或(0.2、延伸率δ5或δ10、截面收缩率ψ等。试验方法及要求在GB228标准中给出了详细规定。
试验用的试样一般为一个两端带夹持柄的园柱。根据直径与长度的比值不同则有长试样和短试样之分，长试样的标距长度（用于测量尺寸的标定长度）为直径的10倍，短试验的标距长度为直径的5倍。
试验一般在专用的拉力试验机上进行，试验机上有自动记录设施。开动试验机给试样施加载荷，直至试样断裂。此时自动记录设施绘出应力—应变曲线图。典型的应力－应变曲线图见图9－3所示。分析应力－应变曲线图即可求得材料的强度极
限(b、屈服极限(s或(0.2。
通过对试样尺寸的测量和简单计算可求出
延伸率δ和截面收缩率ψ。见下式:
式中：δ……延伸率。试样为长试样时标记为
δ10，短试样时标记为δ5；
ψ……截面收缩率；
lo……试样拉伸前的标距，mm；
l1……试样拉断后的标距，mm；
Fo……试样拉伸前的横截面积，mm2；图9－3应力－应变曲线图
F1……试验拉断后的最小横截面积，mm2。
另外，通过对断口形状的分析，可以判断材料的塑性和韧性。如果断口的断面比较整齐，且有金属光泽，无缩颈现象，表明该断口为脆性断口，这种材料的塑性差。如果断口的断面呈纤维状，无金属光泽，且有缩颈现象，表明该断口为韧性断口，那么这种材料的塑性就比较好。
（二）冲击试验
冲击试验是这样一个试验：把要进行试验的材料制成具有规定尺寸和形状的试样，然后在专用冲击试验机上将它一次冲断，记录试样冲断时所消耗的功，并以此来判断材料韧性。冲击试验测到的性能指标有冲击功Ak和冲击韧性αk。
GB/T229标准对冲击试验的方法进行了规定。一般情况下，试验用的试样为一个10mmx10mmx55mm的长方形金属块，金属块中间刻有一个“V”形或“U”形缺口。因此冲击试验也就有V形缺口和U形缺口试验之分。工程上常用的为夏比V形缺口冲击试验。
试验一般在专用的试验机上进行。将试样置于支座上，缺口背向摆锤落下方向。释放摆锤，靠重力作用摆锤快速落下并将位于下部的试样冲断。在惯性的作用下，摆锤在试件的另一侧向上摆一定的高度。通过摆锤冲断试样前后的高度差可计算出冲断试样所需要的能量，即为所求的冲击功Ak。冲击功除以试样缺口底部的横截面积所得的商就是冲击韧性αk。一般的试验机都可自动记录并直接显示出冲击功Ak的值。
由上面的介绍可以看出，冲击试验是在特定的试验条件下所做的试验，试样的缺口并不代表材料中各种缺陷对材料冲击韧性的影响，因此它不能象(b和(s那样可以直接用作强度计算的指标，而只是定性地反映材料的脆性程度。事实上，冲击试验所得到的冲击功也并不能完全反映不同材料的脆性，因为冲击功的大小取决于材料强度和塑性两方面的影响。材料的强度越高其冲击功值越大，材料塑性越好其冲出功值也越大。表9-2给出了低温情况下常用材料的最低冲击功要求。即使如此，由于冲击
表9-2低温复比V形缺口最低冲击功
钢材标准抗拉强度（(b）的下限值，MPa 三个试样冲击功（Ak）的平均值，J 10mmx10mmx55mm ≤450 18 >450~515 20 >515~650 27 奥氏体不锈钢焊缝金属 31 注：(当冲击功的平均值不低于上述值时，若其中一个试样低于上述值，但不低于70%时是可以认可的；
(该表摘自GB150《钢制压力容器》附录C。
试验简单方便，且已经积累了大量的数据和评价这些数据的经验，故它仍是目前常用的评判材料韧性的试验方法。
影响材料冲击韧性的因素很多，材料本身的各种缺陷（如裂纹、白点、夹杂、偏析、气孔、疏松、过烧等）和工作温度导致的各种脆性（如冷脆、热脆、蓝脆、红脆等）都会导致材料冲韧性的下降。因此，通过冲击试验可以评判这些缺陷对材料性能的影响。
（三）硬度检验
硬度试验指标与冲击韧性指标一样，并不能直接用于材料的强度计算，而是用来反映材料在加工过程中的组织变化、热处理效果、加工或焊接残余应力的存在程度等特性的定性判断指标。一般来说，金相组织中的马氏体硬度高于珠光体，珠光体的硬度高于铁素体，铁素体的硬度高于奥氏体。材料进行不同的热处理，得到的组织也不一样，故热处理对材料硬度的影响实际上是反映材料的金相组织和金相结构对硬度的影响。对于奥氏体不锈中的奥氏体，因为它有大量的合金元素存在，故其硬度要高于铁素体；化学成分中，碳对材料硬度的影响最直接。材料中的碳含量越大，其硬度越高。除碳含量以外，大多数合金元素都会使材料的硬度升高；加工残余应力与焊接残应力的存在对材料的硬度也将产生影响，加工残余应力与焊接残余应力值越大，硬度越高。
实验表明，材料的硬度与其强度存在着一定的比例关系。对黑色金属材料来说，其抗拉强度近似等于三分之一的布氏硬度值。
正因为影响材料硬度的因素较多，故工程上在很多场合下常通过检验硬度来定性了解材料的化学成分、组织状态、热处理效果及加工或焊接残余应力存在的程度等。又因为它操作简便，成本较低，又属于非破坏性试验（即可直接在成品上进行试验），因此在材料加工过程和现场施工检验中得到了广泛的应用。
目前，已出现的硬度试验方法有很多，但工程上常用的试验方法有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。GB230、GB231和GB4340标准分别给出了洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度的试验方法及要求。
1、布氏硬度试验法
该方法因最早由Brinell提出而得名。它主要是利用钢球压头，通过定量加载使其压入试样表面，然后计算压痕表面积，并通计算单位压痕表面积上所受载荷大小来确定其硬度值。其硬度值用“HB”后面加硬度数值来表示。
不同的压头材料和直径，不同的加载力，不同的加载时间，测得的硬度值是不同的。为了便于比较，对黑色材料（主要指碳钢和合金钢）来说，一般规定采用直径为10mm的钢球作为压头，加载力取30000N，加载时间取10秒作为试验条件。
布氏硬度试验一般是在硬度试验机上进行的。测得压痕直径后查相应的数据表即可得到布氏硬度值。工程上有时也用锤击式简易布氏硬度计来测量硬度值，这种方法得到的数据有一定的误差。
布氏硬度试验法的优点是：测出的硬度值准确可靠，且因为压痕面积大，能消除因组织不均匀而带来的测量误差。但它不能用于较硬（HB>450）材料的硬度测量，因为此时会因钢球压头的自身变形而造成较大的测量误差。由于压痕大，它也不宜用来测量成品和较薄件，以免损坏产品。该法不能从测试仪器上直接读出硬度值，尚须在试验完成后查表才能得到，故检验速度较慢。
布氏硬度试验法是目前应用最多的一种方法。
2、洛氏硬度试验法
该方法因最早由Rockwell提出而得名。它主要是利用较硬的锥形材料或小直径的淬火钢球作为压头，通过定量加载使其压入试样表面，然后计量压痕深度，并经过适当的数据处理来确定其硬度值的大小。根据采用的压头材料和加载力的大小不同，其硬度值的表示方法分为三种：HRA、HRB和HRC，“”为对应的硬度数值。
常用的洛氏硬度试验条件和应用范围见表9-3所示。
表9-3常用洛氏硬度试验条件和应用范围
标R
符号 压头材料 予载荷
（N） 总载荷
（N） 加载时间（S） 测量范围 应用范围 HRA 顶角为120°的金刚园锥 100 600 10 >70 硬质合金，表面淬火钢 HRB 1/16”钢球 100 1000 10 25~100 退火钢，铜合金，铝合金 HRC 顶角为120°的金刚园锥 100 1500 10 20~67 淬火钢、调质钢、可锻铸铁、钛合金
洛氏硬度试验一般是在试验机上进行，并从试验机的表盘上能直接读取硬度值的大小。
洛氏硬度试验法与布氏硬度试验法相比，有以下优缺点：它的硬度值可以从试验机表盘上直接读出，故试验方便快捷。其压头有软、硬多种材料，故测量范围宽。由于压头尺寸小，产生的压痕也较小，一般情况下对工件不造成损伤，可直接用于成品件的检测。缺点是不同压头材料测得的硬度无法比较，而且当材料的组织不均匀时，由于它的压痕小会导致测得的数值起伏变化大，缺乏代表性。
洛氏硬度试验法也是工程上常用的一种方法。
3、维氏硬度试验法
该方法因最早由Vickers提出而得名。它是利用角度为136°的金刚石四方锥体作为压头，通过加载使其压入试样表面，然后计量压痕对角线长度，并通过计算单位压痕面积上所受载荷大小来确定其硬度值。其硬度值用“HV”后面跟硬度数值来表示。
由于维氏硬度试验中采用了固定角度的压头，其压力角是恒定的。当施加载荷变化时，其压痕的几何形状相似且符合比例关系，故无论采用什么载荷值，其测得的硬度相同，但相关的标准中还是给出了系列荷载以简化换算关系。试验时间对黑色金属来说一般为10秒~15秒，对有色金属一般为25秒左右。
不难看出，维氏硬度试验法吸取了布氏硬度和洛氏硬度试验法的优点，即它采用了较硬的压头，既可测量较硬材料的硬度，又可测量较软材料的硬度。对于不同硬度的材料，它克服了洛氏硬度试验中须更换压头材料从而造成测到的结果无法比较的缺点。但是维氏硬度试验法也不能直接从试验机上读出硬度值，需要查表计算，故测量效率较低。
由于维氏硬度试验法所具有的优点，它常用在相应的研究试验室中。
为了便于设计人员查对，本章附录F9-2中给出了部分布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度的对照表。
三、耐腐蚀性试验
石油化工生产过程中涉及到的腐蚀介质是很多的。我们已经知道，不同的材料对相同的介质，或者不同的介质对同一种材料，其腐蚀机理和腐蚀形态是不相同的。即使同一种材料在同一介质中，因介质的温度、压力、浓度、流态等不同，其腐蚀机理和腐蚀形态也是不同的。这些因素耦合的结果导致了许多浩繁的材料－腐蚀环境，而这样的每个耦合环境都需要通过试验来判定材料的耐蚀问题，因此可以说，这一类的试验方法是十分浩繁的。但是，工程上要做的腐蚀试验并不多，而大多数的腐蚀试验是在试验研究中进行的，或者是在实际生产中实测并进行数据分析和经验积累的。工程设计中往往是借助于这些试验研究数据或实测数据进行材料选择的，只有当由于制造或施工过程中可能会引起材料耐蚀性的变化时，设计人员才可能提出做一些腐蚀试验。这类腐蚀试验主要包括晶间腐蚀试验和应力腐蚀试验两种。
（一）晶间腐蚀试验
可发生晶间腐蚀的材料－环境组合在石油化工生产中有很多，除不锈钢外，铝及其合金、镍合金、镁合金等材料在特定的腐蚀环境下都可以发生晶间腐蚀，但是工程上遇到最多的是奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题，故在此仅介绍奥氏体不锈钢的晶间腐蚀试验。
GB4334.1~GB4334.9标准中给出了九种不同的不锈钢晶间腐蚀试验方法。常用的有GB4334.1《10%草酸浸蚀试验方法》（俗称C法）、GB4334.2《硫酸－硫酸铁腐蚀试验方法》、GB4334.3《65%硝酸腐蚀试验方法》（俗称X法）、GB4334.4《硝酸－氢氟酸腐蚀试验方法》和GB4334.5《硫酸－硫酸铜腐蚀试验方法》（俗称L法）等五种。
具体选用何种方法一般根据需要和经验确定。美国常用X法，此法能显著地呈现高腐蚀速率，但其试验周期较长，一般为3个周期（每个周期为48小时）。我国则常在合成尿素或60℃到沸点的稀硝酸介质中才用此法。一般情况下，国内常用L法，而C法则供其它方法筛选之用。
L法的评定方法：将腐蚀后的试样弯曲90°，用10倍的放大镜检查试样表面，若出现晶间腐蚀裂纹时，则再加倍取样重试，如果其中仍有一个出现晶间腐蚀裂纹，则认为该材料具有晶间腐蚀倾向。
X法的评定方法：三个周期中，最大的腐蚀速率小于等于0.6mm/a时为一级，大于0.6而小于等于1mm/a时为二级，大于1mm/a而小于等于2mm/a时为三级，大于2mm/a时为四级。
C法的评定方法：在150~500倍的金相显微镜下观查试样的浸蚀部位，晶界没有腐蚀沟槽，晶粒呈台阶状为一级。晶界有蚀沟，但没有一个晶界被蚀沟包围为二级。晶界有蚀沟，个别晶粒被蚀沟包围为三级。晶界有蚀沟，大部分晶粒被蚀沟包围为四级。级别为二、三、四级者要判断是否需要采取其它方法进一步检验。
（二）应力腐蚀试验方法
应力腐蚀试验方法在工程上用的并不多，只有在很特殊的场合才要求做，我国尚无相应的标准可执行。
应力腐蚀试验的方法有很多，各国也不统一，但主要可归为以下四种：
1、恒变形法
它是用玻璃棒夹持着试样，使其产生一定的弯曲变形，然后置于实际的腐蚀环境或模拟的腐蚀环境中，记录试样的断裂时间或一定时间后的裂纹深度，通过静力学公式推导出其最大应力，并根据最大应力与裂纹的深度或断裂的时间进行关联分析，由此判其耐应力腐蚀的性能。该方法定量化比较困难，且试验数据不宜作为设计数据。该方法已被列入ASTM标准。
2、恒载荷法
它是对试件加一个已知的恒定外力，记录它在腐蚀介质中的断裂时间，根据静力学公式算出试件中的应力值，从而建立起应力－应力腐蚀断裂－时间的关系。该方法测量时间较长，设备价格较贵，但试验数据可直接用于设计。该方法已为ASTM、DIN、JIS等标准所采用。
3、恒应变速率法
该方法是在专用的试验机上进行的。给试件加载并使其应变速率以10-5/S~10-7/S的速度递增。观查它在腐蚀介质中的断裂时间，同时可得到相应的应力－应变曲线。记录断裂的时间和断裂时的最大应力及最大应变量，并使其最大应力和最大应变量与无腐蚀情况下的最大应力和最大应变量相比，以此来判断它对应力腐蚀的敏感性。该方法能在短期内作出评定，同时能得到裂纹扩展的情况，对高载荷下的材料比较适合，但实验设备贵，且不能同时进行多个试样的试验。此法于1997年在加拿大多伦多召开的应力腐蚀讨论会上被认定。
4、断裂力学法
它是通过给试件加一个较大的恒定载荷，并通过特殊的专用设施测定并记录试样在腐蚀介质中裂纹的扩展速率及应力腐蚀临界强度因子，利用断裂力学理论进行判断和设计。该方法能够得到有关裂纹扩展的情况，测得的应力腐蚀强度因子可直接用于设计，但测量设备更麻烦，且不能获得裂纹初期生成的有关信息。
四、宏观组织检测
用肉眼或10倍以下放大镜来观察金属材料在冶炼及各种加工过程中产生的缺陷、组织和化学成分的不均匀性的方法叫宏观组织检验。它和后面将讲的微观组织检验都是属于破坏性试验，因此正常的生产中是不可多用的，而多是用于制造工艺的评定和试验研究中。宏观组织检验和微观组织检验虽然都是检验金属材料的组织和缺陷的，但前者放大倍数较低，后者放大倍数较高，故应用的范围有区别。宏观组织检验的范围或者说它的作用有以下几方面：
a、检验铸锭的结晶状态，包括柱状晶粒、等轴晶粒、树枝状晶粒等晶粒的形状及大小；
b、检验铸锭及焊缝在凝固时所产生的各种缺陷，例如缩孔、疏松、裂纹等；
c、检验压力加工所形成的流线、发纹等。
通过对上述缺陷进行显示、分析和评定，可以直观地观察到金属材料的内在质量，从而判断加工工艺的合理性，因此它在加工工艺评定中得到了广泛的应用。对某些方面的缺陷，用无损探伤有时是做不到的。
GB226标准规定了宏观组织检验的方法。常用的宏观组织检验方法有酸浸检验、断口检验、发纹检验和印痕检验。
（一）酸浸检验
酸浸检验是利用了金属材料中不同的成分和缺陷在酸腐蚀介质中发生电化学反应后所呈现出的不同腐蚀程度的腐蚀痕迹进行检验的。根据所采用腐蚀介质的腐蚀速度程度不同，可分为热酸腐蚀、冷酸腐蚀和电解酸腐蚀三种方法。
热酸腐蚀法是利用温度较高的腐蚀介质（约60℃~80℃）对试样进行腐蚀的。由于温度的作用，它比冷酸腐蚀速度较快些。对于尺寸较大或者经处理硬化后的零件，若采用热酸腐蚀易产生开裂，此时应采用冷酸腐蚀法。热酸腐蚀常用于微观组织检验。
电解酸腐蚀法的速度更快些，但操作起来较麻烦。
无论是热酸腐蚀法、冷酸腐蚀法还是电解酸腐蚀法，基本上都可以同样清晰地显示出钢的宏观组织和缺陷。
钢的宏观组织可以根据GB1979标准进行评级和判定。常见的宏观组织（也称低倍组织）和缺陷的特征评定如下：
1、偏析
偏析常出现在铸件中，它是浇铸凝固过程中，由于选择结晶和扩散作用而引起的某些元素的偏聚。根据偏析存在的区域和形态不同又可分为锭型偏析、中心偏析和点状偏析三种，酸浸后表现为形状不规则的黑色小斑点。
GB1979标准共给出了三套偏析的评级标准图谱和判定标准。第一套图谱适合于直径或边长为40mm~150mm园钢和方钢的低倍组织缺陷分级，第二套图谱适合于直径或边长为150mm~250mm园钢和方钢的低倍组织缺陷分级，第三套图谱适合于直径或边长为40mm~250mm园钢和方钢的低倍组织缺陷分级。其中，第一、第二套图谱将有关缺陷共分成四级，级别号越大，缺陷越大（多）。当比照图谱，实际缺陷处于两个标准级之间时，可以加半级。第三套图谱对异金属夹杂物仅给出了一张图，对皮下气泡、非金属夹杂物、夹渣则仅给出了三个级别。只有当供需双方认可时可采用第三套图谱。
2、疏松
疏松也常出现在铸钢件和铸锭中，它是浇铸凝固过程中，由于枝晶间的部分低熔点物质最后凝固收缩或放出气体而产生的孔隙。根据疏松存在的区域不同分为中心疏松和一般疏松两种。除此之外，在浇冒口附近，由于最后冷却时液体的体积收缩得不到补充将形成密集疏松。密集疏松可以通过改善工艺而避免出现，或者将此部分进行切除。
疏松在酸浸后呈现分散的小空隙和暗黑小园点。
GB1979标准分别给了它的评级和判定标准。
3、夹杂
夹杂也常出现在铸件和铸锭中，即在浇注凝固过程中，由于某些合金元素未熔化，或者溶渣未及时浮出而造成它们在酸浸后以不同的几何形状存在。GB1979给出了它的评级和判定标准。实际上，金属中杂质元素形成的化合物以及某些没有及时排出的非金属化合物等都可形成非金属夹杂物，这些夹杂物在尺寸上比较小，故常通过微观组织检验对它进行评级及判定。
4、气泡
气泡也常出现在铸件和铸锭中，即在浇注凝固过程中，由于钢液中的气体没能及时逸出而形成。它在酸浸后呈小孔隙。
GB1979标准给出了它的评级和判定标准。
5、白点、裂纹和发纹
白点是由原始氢在压力加工中的组织应力作用下而产生的裂纹，酸浸后它在断面上呈白色的斑点，故白点因此而得名。裂纹常因高合金钢中的较大热应力引起，酸浸后断面呈不规则的线状，严重时呈蜘蛛网状。发纹是由于钢锭中的夹杂或气孔在变形加工过程中沿变型方向而呈现出的微缝隙，酸浸后呈规则的线状。
白点、裂纹和发纹是压力管道配件中不允许存在的缺陷。一般情况下，工程上并不采用宏观组织检验法检验它们的存在，而是采用无损探伤检验法检验，因为宏观组织检验法属于破坏性的和区域性的检验，对成品件不合适。
（二）断口检验
它是一种主要用于分析金属材料断裂原因的一种试验方法。通过断口形状分析，可以了解金属材料断裂的性质，从而了解材料在冶炼、压力加工、热处理以及对工作介质适应性等方面的情况，为设计和事故分析提供依据。应该说，断口检验在工程中应用的并不多，上述缺陷多数是通过其它途径来进行检验和判定的。在工程上它较多的是用来进行事故判定。
由于影响断裂的因素很多，故断口的形状也是多种多样的。这里仅介绍几种典型的断口分析。
1、韧性断口
韧性断口多呈纤维状，它主要发生在塑性较好的材料中。这样的断口无金属光泽，无明显的结晶颗粒组织，断裂前发生过大量的塑性变形。
2、脆性断口
脆性断口的形貌较平整，呈放射状或人字条纹状，颜色呈银灰色，断裂前没有明显的塑性变形发生。通常将塑性变形量不超过2%~5%的断裂叫脆性断裂。
3、疲劳断口
疲劳断口呈现以下几个明显特征：
a、断口表面因受介质的腐蚀而呈黑色或褐黑，疲劳裂纹扩展区则无明显颜色；
b、对于由多个裂纹源存在的疲劳断裂中，裂纹扩展连接时，会因裂纹源不在同一平面中而产生台阶；
c、断面上出现向内或向外凸起的同心园条纹，通常称之为“年轮”，它是疲劳断口典型的宏观特征。载荷波动幅度较大时，此“年轮”很明显，波动较小时，“年轮”纹较弱。
4、应力腐蚀断裂断口
它的断口形貌与脆性断口相似，所不同的是在断口边缘有小蚀坑或蚀点，也就是说，局部腐蚀造成了裂纹源的产生。
5、氢脆断裂断口
氢脆断裂也是一种脆性断裂，但其断口更平齐，显微形貌多呈现为“发纹”状，有时也有平行条纹出现。
应该说，断口的形貌特征以及其断裂发生的机理是比较多的，有兴趣的材料工程师可查阅有关专著或文献。
（三）发纹检验
发纹检验是通过沿塑性变形方向剖切压力加工管配件，然后进行酸浸，使发纹缺陷呈现出来的一种检验方法。由于许多管配件是由推制、挤压等方法制造的，所以了解发纹的检验方法是有现实意义的。但是发纹检验属于破坏性试验，不宜用于成品的检验，多用于工艺评定过程中。
在检验中，发纹与金属的偏析带、流线等往往很难区分，此时应请专业技术人员或采用微观分析检验进行检验分析。关于发纹的评定可参照有关标准进行。
（四）印痕检验
印痕检验可以直接检验钢坯或成品整个断面上硫和磷的含量（定性）及偏析分布情况。与微观分析相比，它常用于较严重或者说存在面积较大的偏析情况。
我们已经知道，硫和磷都是有害元素，它们的存在严重影响着材料的强度、脆性和耐腐蚀性等，故对它的检验及评定也是判定材料质量的一个重要手段。
印痕检验也是通过利用一定的腐蚀介质与材料的不同成分发生不同的反应原理而进行的一种试验。与酸浸试验所不同的是，印痕检验是用浸过腐蚀介质的相纸贴在被检验表面上，然后根据相纸上留下的斑点痕迹来判断。硫和磷所用的腐蚀介质不同，前者一般是用2%~5%的硫酸溶液作为腐蚀介质，后者一般是用硫代硫酸钠作为腐蚀介质，故有时往往把检查硫的印痕法叫做硫印法，把检查磷的印痕法叫做磷印法。
目前，我国尚无有关印痕检验的评定标准。
五、微观组织检验
利用金相显微镜将特制试样放大到50~200倍来观查金属组织及其缺陷的方法称为微观组织检验。它与宏观组织检验是一个承上启下的关系，对于尺寸较大的缺陷和组织可用宏观组织检验方法进行检验，反之则用微观组织方法进行检验。工程上常用微观组织检验方法检验金属材料的晶粒度和细微的非金属夹杂物。
GB6394和GB10561标准分别给出了金属平均晶粒度测定方法和钢中非金属夹杂物的显微评定方法。下面分别对它们进行介绍。
（一）晶粒度的测定及评定
在第三章中已经讲过，金属材料的晶粒度大小对其性能影响较大，晶粒度越小，材料的综合机械性能越好，因此测量材料的晶粒大小对钢材的内在质量评判具有重要的意义。
GB6394标准中给出的晶粒度测定方法有三种：即比较法、面积法和截点法。
比较法是采用100倍的金相显微镜对试样进行观查或拍片，然后与标准评级图相比较来评定晶粒度的大小。标准评级图是按单位面积内的平均晶粒数来分档的，当采用不同放大倍数的显微镜观查时，应进行倍数换算，换算关系在标准中已给出。
比较法共给出了四个系列标准图谱。
系列Ⅰ：无孪晶晶粒，100倍；
系列Ⅱ：有孪晶晶粒，100倍；
系列Ⅲ：有孪晶晶粒，75倍；
系列Ⅳ：奥氏体晶粒度，100倍。
其中，奥氏体钢用系列Ⅱ或系列Ⅳ图谱，铁素体钢用系列I图谱，不锈钢用系列Ⅱ图谱。
各图谱共将晶粒级别指数分为10个标准级，超出这10级范围的级别为倍数换算时派生出来的。晶粒度评级也允许评半级。一般情况下，1~3级为粗晶粒，4~6级为中等晶粒，7~10级为细晶粒。
晶粒度级别指数G是这样定义的：在100倍放大镜下，在645.16mm2面积内包含的晶粒数N与G有如下关系：N=2G-1。
比较法是常用的一种方法，它适用于等轴晶粒等大晶粒，而且误差较大。对于加工变形的金属小晶粒度不能用比较法而只能用面积法或截点法。
面积法是直接计点单位面积内的晶粒数，并根据晶粒数与晶粒级别指数的关系计算出晶粒度级别指数。
截点法是直接计算单位线段长度上的晶粒界面数，并根据相应关系式求出其晶粒级别指数。
不同放大倍数下的晶粒度换算表见表9-4所示：
表9-4不同放大倍数下晶粒度的关系
图象放 与标准评级图编号相同图象的晶粒度级别 大倍数 NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 NO.7 NO.8 NO.9 NO.10 25 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 50 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 200 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 400 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 800 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 注：该表摘自GB6394标准。
在测量金属材料晶粒度时应注意以下几个问题：
a、如果被测试样中的晶粒大小不均匀时，应同时给出其中主要的几个晶粒度。例如，如果某试样中的主要晶粒有6、7、8三级，则标记为该材料的晶粒度为6~8级。当某试样中的一种级别的晶粒数目能占总数的90%以上时，例如前面提到的试样中6级晶粒度的晶粒数能占90%以上时，则标记该材料为6级晶粒度。
b、金属的实际晶粒度测定时，试样应从实际的加工状态或热处理状态中制取，并按规定进行抛光和浸蚀，然后拿到金相显微镜下观查。
c、金属的奥氏体晶粒度测定时，要采用渗碳法或氧化法等进行特殊处理，以便在室温下能显示出奥氏体晶粒的大小。特殊处理后的试样再进行抛光和浸蚀，拿到金相显微镜下去观查。检查奥氏体晶粒度的目的主要是考评其奥氏体长大的倾向。
（二）非金属夹杂物的测定及评定
金属材料中的非金属夹杂物是指材料中不具有金属性质的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物等，它们与未熔化或浇注过程中落入的非金属物相比，其尺寸较小（冶炼过程中未及时排出的熔渣除外），但对材料的性能如疲劳极限、冲击韧性、塑性、耐蚀性（尤其是应力腐蚀）等影响较大。因此评审金属材料中非金属化合物的含量、存在形态和分布情况是评定金属材料内在质量的又一重要指标。
前面已经讲到，对于外来的大量夹杂物和由硫、磷偏析或化合形成的大尺寸夹杂物，可采用宏观组织分析的方法（如酸浸和印痕法）进行评定，但对于小尺寸、分散分布的非金属夹杂物就须要借助于微观显微分析法了。有的材料可以先进行宏观组织分析，如果显示太小，可进一步进行微观分析。而有些材料，如电弧炉冶炼的材料只须进行微观分析就可以。
非金属夹杂物的检验一般是采用金相法并辅以一定的化学浸蚀进行的。金相法是利用不同非金属夹杂物所具有的不同机械性能、形态、光学特征和化学特征，借助于金相显微镜的明、暗场及偏振光来观查甄别的。一些专著和标准中给出了不同非金属夹杂物的存在形态及呈现的光学特征，有兴趣的材料工程师可查阅相应的专著或标准。
GB10561标准对非金属夹杂物的评级也是采用标准图谱比较法进行的。它按四类不同的非金属夹杂物共给出了四套标准图谱，每类又按材料的厚度和直径不同分为粗、细两个系列。这四类非金属夹杂物分别是：A类——硫化物类型；B类——氧化铝类型；C类——硅酸盐类型；D类——球状氧化物类型。标准共给出1、2、3、4、5共五个评定级别，当实物缺陷介于两标准图谱之间时允许评半级。非金属夹杂物的级别表示方法由三部分组成，即“类型字母（A、B、C或D）+评定级别号（例如2，3，5等）+粗系列代号e(细系列省略)”。
六、无损检测
无损检测（也称无损探伤）是利用射线、超声波、电磁、渗透等物理方法，在不损伤、不破坏被测物体的情况下，探测出材料内部或表面缺陷的一种检测方法。它与前面所讲到检查方法相比，具有下列显著的优点：
a、无须破坏被检物体，故可大量应用于成品件的检测；
b、检查区域广，检测迅速。例如，宏观组织检验一次只能检验一个区域，而无损探伤可以快速地检查所有要检查的区域。
但是，在一定的场合它是不能代替前面所讲的其它检验方法的，故掌握它们各自的特点，以便在工程设计中，根据不同的应用条件进行适当取舍，相互配合应用，以最经济和最有效的手段验证材料的质量是否符合使用要求。
基于无损探伤所具有的以上特点，它在工程中得到了广泛应用。在设计文件中，出现频率最高的就是无损检测要求。
根据检测方法和应用目的不同，常用的无损检测方法有以下几种：
a、射线探伤（RT）。用于检验材料的内部缺陷；
b、超声波探伤（UT）。用于检验材料的内部缺陷；
c、磁粉探伤（MT）。用于检验铁磁性材料的表面或近表面缺陷；
d、渗透探伤（PT）。用于检验材料的表面缺陷。
e、涡流探伤。用于检验导电性材料的表面或近表面缺陷。
（一）射线探伤
射线探伤是利用射线能穿透物质并在物质中发生能量衰减的特性来检验物质内部缺陷的一种检测方法。射线探伤的方法有射线照相法、荧光屏观察法和工业X射线电视法等类型，但工程设计中最常用的是射线照相法。它的工作原理是：当射线透过材料内部的缺陷时，由于缺陷（如气孔、裂纹、非金属夹杂等）处吸收射线的能力较差，故投射到材料底部照相底片上相应部位的感光度较大，根据底片上的不同感光度可以鉴别出缺陷的存在与否及缺陷的外型和大小。
常见缺陷在底片上的形状特征和判别：
a、裂纹
它在底片上显示为一条黑色的曲折线条，轮廓清晰，两头尖而谈。值得说明的是，当裂纹方向与照射方向一致时，在底片上显示最清楚，否则显示则不清楚甚至辩认不出来，此时有必要借助于其它方法（如超声波）进行核查。
b、气孔
它在底片上显示为黑色的小斑点，形状近似园状。
c、夹渣
它在底片上显示为外形不规则的点状或条状黑斑，呈点状时其外形没有气孔规则，呈条状时其外形比裂纹宽。
d、未焊透
它在底片上显示为形状规则、连续或断续的黑色线条。一般情况下，它显示出的线条比裂纹宽，比夹渣规则。
根据所采用的光源不同，射线探伤可分为X射线探伤和γ射线探伤等，γ射线穿透材料的能力大于X射线，但常用的是X射线探伤。目前，一些较大的阀门厂采用了大型的钴—60（γ射线）探伤机，能快速透照大厚度铸件，显著地提高了检查效率。
我国现行的射线探伤标准很多，常用的有GB3323《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》、GB5677《铸钢件射线照相及底片等级分类方法》和JB4730《压力容器无损检测》等标准，而GB50236管道施工标准中也给出了钢管焊接对接焊缝的射线探伤分级标准。这些标准之间有少许差异，现分别就GB5677和JB4730标准规定的缺陷评级标准介绍如下：
GB5677标准将铸钢的内部缺陷共分成了五大类：气孔、夹砂和夹渣、缩孔和缩松、内冷铁未熔合和泥芯撑未熔合、热裂纹和冷裂纹，并针对这些缺陷给出了1、2、3、4、5、6六个质量评定等级，每级都规定了详细的缺陷允许尺寸和数量。设计人员可根据使用条件确定所要求的质量等级。
JB4730标准为一综合性的无损检测标准，其中的第二篇为射线探伤标准。标准中它将对接焊缝的缺陷共分成了基本缺陷（包括裂纹、未熔合、未焊透）、园形缺陷、条状夹渣等四类，并针对这些缺陷给出了Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级共四个质量评定等级，每级都规定了详细的缺陷允许尺寸和数量。
值得一提的是，目前工程上API标准阀门的应用越来越多，我国的大多数阀门厂也都生产API阀门。在API阀门应用规范中，其应用的射线探伤标准为MSSSP-54，该标准将铸钢缺陷共分为六类：A类为气孔，B类为夹砂和夹渣，C类为缩孔（又分为C1、C2、C3三种类型）、D类为冷裂纹，E类为热裂纹，F类为镶嵌物。该标准借助于ASTME446和ASTME186对上述的缺陷进行了分级，并对各类铸件质量提出了具体要求。
（二）超声波探伤
超声波探伤是利用高频率的声波在不同的材料界面上能反射回来的特性来进行探伤的。其作用原理是：利用晶片的压电效应，通入交流电使晶片产生振动而发出频率为0.5~5兆赫的超声波。超声波在同一均匀介质中按直线传播，且传播速度不变，当它传播到不同材料分界面上时会发生反射和折射现象，所以当超声波通过金属材料时，如果遇到气孔、非金属夹杂物等缺陷，超声波就会发生返射。利用仪器接受这个反射信号就可以知道缺陷的存在。
超声波探伤是借助于超声波探伤仪进行的。它通过探头与被检件的接触，向被检件发生超声波并接受返回的波，经过整理后在显示器上显示，并通过显示器上波的变化来判断有无缺陷存在和缺陷的大致类型。为了使探头接触良好，要求被检件应有一定的接触面（能容纳探头大小），接触面应光滑无污物，一般要求其粗糙度不大于Ra3.2。除此之外，在探伤时还应在被检件表面上涂一层耦合剂，以增加探头与被检件接触面间的透射率。
我国现行的超声波探伤应用标准较多，如GB4163、GB5777、GB7734、GB11345、GB/T15830、JB3144、JB4126和JB4730等标准。现以JB4730《压力容器无损检测》标准为例介绍超声波探伤的缺陷评定标准。
JB4730标准基本上是将缺陷分成单个缺陷指示长度、单个缺陷指示面积、一定区域内的缺陷面积占被检面积的百分比共三个指标分别进行评级的。根据被检物的不同，其评级的级别划分和每级的控制指标也不相同。
1、压力容器用钢板超声波检测
它适用的钢板厚度范围为6mm~250mm。
它将缺陷分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别，每个级别的控制指标见表9-5。
表9-5压力容器钢板超探评级指标
等
级 单个缺陷指示长度（mm） 单个缺陷指示面积（cm2） 在任一1mx1m检测面积内存在的缺陷面积百分比（%） 以下单个缺陷指示面积不计（cm2） Ⅰ <60 <25 ≤3 <9 Ⅱ <80 <50 ≤4 <15 Ⅲ <120 <100 ≤5 <25 Ⅳ <150 <100 ≤10 <25
2、压力容器锻件超声波检测
它将缺陷分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V五个级别，每个级别的控制指标见表9-6。
表9-6压力容器锻件超探评级指标
等级
缺陷种类 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 单个缺陷当量直径（mm） ≤Φ4 Φ4+(0~8dB) Φ4+(>8~12dB) Φ4+(>12~16dB) >Φ4+16dB 密集缺陷与检测总面积的百分比（%） 0 >0~5 >5~10 >10~20 >20 注：该表仅适用于碳钢和低合金钢锻件。
3、高压螺栓超声波检测
它将缺陷分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个级别，每个级别的控制指标见表9-7。
表9-7高压螺栓超探评级指标
等级
缺陷种类 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 单个缺陷当量直径（mm） ≤Φ2 ≤Φ3 ≤Φ4 ≤Φ4 >Φ5 由缺陷引起的底波降低量（dB） ≤8 8~14 >14~20 >20~26 >26
4、压力容器焊缝超声波检测
该标准适用于母材厚度为8mm~300mm的全焊透熔化对接焊缝的检测，它不适用于铸钢及奥氏体不锈钢的焊缝。
它规定被检测的焊缝中不允许存在下列缺陷：
a、反射波幅位于判废线之外的缺陷；
b、检测人员判定为裂纹等危害性的缺陷。
除此之外，它将缺陷分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个级别，每个级别的控制指标见表9-8。
表9-8压力容器焊缝超探评级指标（Ⅱ区内的缺陷）
等级 板厚T，mm 单个缺陷指示长度L，mm 多个缺陷的累积指示长度L’，mm Ⅰ 8~120 L=1/3T，最小为10，最大不超过30 在任意9T焊缝长度范围内L’不超过T >120~300 L=1/3T，最大不超过50 在任意9T焊缝长度范围内L’不超过T Ⅱ 8~120 L=2/3T，最小为12，最大不超过40 在任意4.5T焊缝长度范围内L’不超过T >120~300 最大不超过75 在任意4.5T焊缝长度范围内L’不超过T Ⅲ 8~300 超过Ⅱ级者 超过Ⅱ级者
超声波探伤和射线探伤都是用于检查材料内部缺陷的探伤方法，但二者相比，超声波探伤具有以下优缺点：
a、对经过压力加工的材料缺陷（如裂纹、未熔合、气孔等），其检测灵敏度高，尤其是当缺陷延伸平面与检测面垂直时，用射线探伤将无法检验出来；
b、检测的材料厚度大，有时可达数米。而(射线一般仅能探测40mm~60mm厚，(射线也只能探测300mm厚；
c、可以从被检件的任意一侧进行探测，因此能定出缺陷的位置和深度，射线检测则不能；
d、探伤速度快，能即时知道缺陷的存在与否；
e、设备简单，检测费用低。它的检测费用一般不超过射线探伤的四分之一；
f、对人体无害，而射线探测对人身有害；
g、因为它不能显现缺陷形态和形状，故探伤不直观，缺陷定性较困难；
h、探伤结果不象射线探伤那样可保存原始记录；
I、探伤结果受人为因素影响较大，因此有时造成探伤误差较大。
由于上面的原因，射线探伤常用于质量状况较差的铸件和焊缝的内部探伤，而超过声波探伤则常用于锻件、板材、型材、管材等压力加工的材料内部探伤。有时为了降低探伤费用，对于焊缝和铸件也可以先用超声波进行探伤，然后再以少量的射线探伤进行复检。
（三）磁粉探伤
它是利用铁磁性材料在磁场中被磁化后，在表面或近表面的缺陷处产生漏磁的现象进行探伤的。当铁磁性材料置于磁铁的N、S极之间时，便有磁力线通过。对于均匀一致的材料，磁力线是平行均匀分布的，如果材料表面或近表面有裂纹、气孔、夹渣等缺陷时，由于这些缺陷本身是非磁性的，其磁阻很大，磁力线不易穿过它而是绕过它，从而在缺陷处产生弯曲而将缺陷显示出来，根据这样的显示特征可以判断缺陷是否存在。
磁粉探伤时对被检测件表面有一定的粗糙度要求，一般不低于Ra12.5μm。被检件磁化时可以用交流电，也可以用直流电，前者由于电流的集肤效应，而表现为检测表面缺陷时灵敏度较高，后者则由于磁化场较均匀而能发现浅表面下较深的缺陷。另外，磁化被检件时既要进行周向磁化，又要进行纵向磁化，以免不同方向的缺陷被漏检。检测过程中还应注意由于材料晶粒大小和组织不均匀等带来的假缺陷现象。
目前，国内外应用的磁粉探伤标准较多，现以JB4730标准为例介绍其缺陷等级的评定。
JB4730标准规定，下列缺陷不允许存在：
a、任何裂纹和白点；
b、任何横向缺陷；
c、焊缝及紧固件上任何长度大于1.5mm的线性缺陷显示（线性缺陷是指长宽比大于3的缺陷）；
d、锻件上任何长度大于2mm的线性缺陷显示；
e、单个尺寸大于或等于4mm的园形缺陷显示（园形缺陷是指长宽比小于等于3的缺陷）。
除上述限制外，对于缺陷显示累积长度的评级给出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共五级标准，见表9-9。
表9-9磁粉探伤时缺陷显示累积长度的评级标准
等级
评定区尺寸 Ⅰ
（mm） Ⅱ
（mm） Ⅲ
（mm） Ⅳ
（mm） Ⅴ 35mmx100mm，用于焊缝及高压紧固件 ≤0.5 ≤2 ≤4 ≤8 大于Ⅳ级者 100mmx100mm，用于各类锻件 ≤0.5 ≤3 ≤9 ≤18 大于Ⅳ级者
（四）渗透探伤
它是利用某些渗透液体通过毛细作用而渗入被检测件的表面开口缺陷内，从而显示出缺陷的位置和形状的一种探伤方法。当被检测件表面存在缺陷时，渗透能力较强的渗透液会通过毛细作用进入缺陷内，之后，擦去表面多余的渗透液，再将显象剂（粉）涂覆在被检件表面上，此时渗入到缺陷内的渗透液会被吸出来，显示出带鲜明颜色的缺陷形状，从而达到探伤的目的。
工程上应用的渗透液种类很多，常用的有着色型和萤光型两种。着色型渗透探伤又叫着色检验，它是应用比较广泛的一种，但它的灵敏度不如萤光型。萤光型检验需要借助于紫外线在暗光下检验，不如着色检验方便。
探伤前，应注意将被检件表面影响探伤效果的杂质、污物清除干净。工程上常采用碱液、酸液或蒸汽等介质进行被检表面的清洗，而尽量不采用机械法，以免杂物堵塞缺陷的开口而影响探伤效果。
JB4730标准中也给出了渗透探伤的缺陷评定等级，内容同磁粉探伤。
渗透探伤与磁粉探伤都是用于材料表面缺陷检查的探伤方法。但二者比较之下，渗透探伤有以下优缺点：
a、它既能检验铁磁性材料，又能检验非磁性材料，例如有色金属、陶瓷及塑料等的表面缺陷。而磁粉探伤只能检验铁磁性材料；
b、检验用设备和材料比较简单，操作方便；
c、显示缺陷比较直观；
d、只能检验表面开口型缺陷，而磁粉探伤同时可检测闭口型的浅表面缺陷。
（五）涡流探伤
涡流探伤的探伤原理是这样的：当被检件置于检测线圈产生的交变磁场中时，会感应出涡流，而涡流又在被检件附近产生交变磁场。当被检件有缺陷时，其附近的涡流磁场将产生畸变，从而引起检测线圈输出电压和位相的变化，根据这个输出变化可以判定缺陷的存在，从而达到探伤的目的。
涡流探伤仅能用于导电性材料的表面或近表面探伤。由于它能实现连续检测，故生产效率高，多用于无缝钢管生产过程中的检测。但它属于间接测量，有时会产生误差，而且不适合批量小、形状复杂的材料检测。
（六）其它检测方法
随着科学技术的发展，新的无损检测技术在不断地涌现，例如声发射探伤、红外线探伤、全息照相探伤、中子探伤等。这里仅介绍两种普遍被看好的两种探伤，即声发射探伤和红外线探伤。
1、声地射探伤
材料受外力作用时，由于其内部缺陷的存在或微观结构的不均匀等将导致应力集中，造成不稳定的应力分布。材料在这种不稳定的高能状态向稳定的低能状态过渡时，一部分能量将以应力波的形式快速向外释放，从而产生声发射。利用探头接收这个声音，并由此判断缺陷的存在和发展。
声发射探伤可用于在役设备或管道的过程监测。
2、红外线探伤
任何物体在绝对零度以上时都有红外线辐射。当材料中有缺陷存在时，缺陷处的表面温度和热导率将出现异常。通过对被检测件在空间和时间上辐射功率变化的测定，可达到探伤的目的。
红外线探伤可用于疲劳损伤过程中的无损监测。
思考题：
1、常用的化学成分分析方法有哪些？各有何特点？
2、拉伸试验方法能够测试材料的哪些机械性能？
3、GB150规范对材料的低温夏比V形缺口冲击试验的冲击功是如何规定的？
4、常用的金属材料硬度检验方法有哪些？各有何特点？
5、常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀检验方法有哪些？如何选用？
6、常用的应力腐蚀试验方法有哪些？各有何特点？
7、宏观组织检验的作用有哪些？检验方法有哪些？
8、酸侵试验检验的内容有哪些？
9、试述常见断口的形貌特征？
10、什么叫微观组织检验？它在工程上常用于哪些方面的检验？
11、材料晶粒度的评定方法有哪些？各自是如何进行评级的？
12、常用的无损探伤方法有哪些？
13、射线探伤和超声波探伤方法相比，各有何优缺点？
14、磁粉探伤和液体渗透探伤方法相比，各有何优缺点？
第三节管道及其元件的常用制造方法
管道及其元件的种类很多，制造方法也千差万别，本节无意将各种管道及元件的制造过程和制造方法都罗列出来，也无意将加工过程的工艺参数、设备配置等内容都给出来。在这里用较大的篇幅作这样的介绍是不现实的，对管道设计者来说也是没有必要的，这些内容应是各制造商致力研究和解决的问题。但是，就某些对产品内在质量影响较大的制造过程进行了解，有助于材料工程师更好地选用产品，并提出适宜的制造要求。
工程上应用的大多数金属管道元件的制造方法主要有以下三种：铸造、压力变形加工和焊接。这三种方法运用的好坏都直接影响到了管道元件的内在质量。本节就铸造和压力变形加工的制造工艺过程及其内在质量的影响因素进行介绍，而焊接加工方法则将在第十章中进行介绍。
一、铸造
铸造是将熔化的液体金属注入到具有与零件形状相适应的型腔中，经过凝固以得到铸件毛坯的制造方法。
铸造方法与压力变形加工方法相比，具有以下明显的优点：
a、可以得到形状复杂的零件毛坯。例如阀门的阀体，如果采用锻造是锻不出来的，或者将留有较大的机加工余量；
b、机加工余量较少。铸件毛坯的形状尺寸接近设计要求，除少量的配合面要进行机加工外，其它一般不需要机加工；
c、原材料质量要求低，价格便宜。铸件生产过程伴随着冶炼过程，故其原材料可以用废钢，而压力变形加工用材料一般是成品型钢（如园钢、钢管、钢板等）；
d、适用范围广。它既可以做几十克重的零件，又可做数吨乃至上百吨的零件，而压力变形加工方法往往受机器功率及锻透性的限制而不宜做太大的零件。
但是，正如第三章中所讲的那样，铸造方法得到的材料具有铸造组织，它除了晶粒粗大且有柱状晶粒外，还容易出现许多诸如偏析、疏松、气孔、夹杂、裂纹等铸造缺陷，因此铸造材料的强度较低，可靠性较差。
鉴于以上原因，铸件在压力管道上常用于大直径阀门的阀体、阀板、阀盖和手轮等具有复杂外形零件的制造。
铸件生产的工艺原则流程如图9-4所示。
图
9-4铸件生产工艺原则流程
下面分步介绍各过程对质量的影响。
1、原材料
原材料入炉前应重点进行化学成分分析，并根据产品的要求，计算好应添加和去除的元素及其用量，以保证下一步的熔化冶炼阶段在最短时间内就能获得满足化学成分要求的钢液。
2、熔化及冶炼
熔炼是获得高质量铸件的基础。它主要表现在两个方面，其一是化学成分控制，其二是熔炼温度或烧注温度控制。
在本章的第一节中已经讲到，不同的冶炼方法获得的材料质量是不一样的。一般情况下，采用电弧炉熔炼可得到较好的材料，我国大多数大型阀门厂都是采用电弧炉进行熔炼的，而国外阀门厂已开始普遍用AOD或VOD进行熔炼，因此获得的产品具有化学成分偏差小，硫、磷有害杂质元素少，脱气性好等优良品质。值得一得的是，ASTM标准中没有相应的0Cr18Ni10Ti（俗称321）材料的铸件牌号，这是因为该材料中的钛（Ti）元素极易被氧化，如果铸件厂没有真空浇注系统，就不可避免地造成钛被氧化，从而使材料丧失抗晶间腐蚀的能力。事实上，到目前为上，尚没有听到过有哪家阀门厂拥有真空熔炼和浇注系统，因此我国材料牌号中出现ZG0Cr18Ni9Ti是不合适的。
确定一个较合适的熔炼温度，既可以避免因温度过高而带来的不利影响（如冲模、高能耗、凝固溶差大、晶粒粗大等），又可避免因温度过低而造成的钢液流动性不好，从而发生浇不足、冷隔、气孔、缩松、夹渣等缺陷。因此说，熔炼温度是一个主要的工艺控制指标。
熔炼过程中要进行炉前分析（也叫热分析）。热分析的目的主要是及时进行化学成分分析，以便当钢液的化学成分不能满足要求时，可及时调整。一旦浇注完成，化学成分就无法改变了。热分析的方法有很多，国内一些大的阀门厂都装备了炉前快速分析设备，它能很快地得到炉内钢液的化学成分，以便能够及时确定是否需要进一步添加元素。
3、浇注
浇注方式的不同，对铸造缺陷的影响也不一样。常规的浇注方法有顶注式、底注式、中注式和多层注式四种，它们各有优缺点，但均不能对铸造缺陷有较大的改善。新型的浇注方式如振动浇注、压力浇注可以有效地改善铸件缺陷的影响。
浇注前，应准备好模型。有关模型的种类很多，常见的有砂模、蜡膜、金属膜等，不同的模型各有优缺点，但目前应用最多的仍然是砂模。一些国内大的阀门厂安装了树脂砂连铸生产线，不仅有效地改善了普通砂模铸造的缺陷，同时也提高了生产效率。
4、结晶与凝固
大多数铸造缺陷都是在结晶凝固过程中产生的，因此结晶凝固过程的控制是影响铸造缺陷的关键控制点之一，也是众多制造商致力研究的课题之一。除了上述的振动浇注和压力浇注能有效地改善铸造缺陷外，采用等温凝固、多设浇冒口、控制砂型温度等方法都可改善铸造缺陷。
在第三章中已经讲到，铸件组织中易出现的缺陷有缩孔、疏松、气泡、偏析、夹杂、柱状组织和粗大晶粒组织等。除此之外，它还容易产生铸造应力，并导致铸件变形和裂纹的产生。
铸造应力主要由以下三部分组成：
a、由于收缩变形受到阻碍而产的约束应力；
b、由于各部位的温度差造成的收缩不均匀而产生的热应力；
c、由于各部位的组织转化不同步或者组织不均匀产生的组织应力。
当铸造应力较大时，会导致铸件的变形，严重时会导致铸件的破裂。铸件的变形是铸造应力释放的一个自然过程，释放的结果使铸造应力与变形应力相平衡。因此变形可降低铸造应力，但不能消除铸造应力。
铸件的开裂有热裂和冷裂之分。热裂主要是发生在凝固末期或凝固之后，它主要由变形约束应力造成。冷裂主要发生在淬硬性较强的的材料中，此时其组织应力较大，如果铸件存在应力集中较强的结构，就可能会造成这个组织应力超过材料强度而产生开裂。
无论是变形、热裂还是冷裂，无不与铸件的结构设计、砂型设计有关。铸件的结构应采用有一定曲率半径的园弧过渡，避免尖角过渡。铸件和砂型的结构和形状要便于金属凝固时的收缩，并合理设置浇冒口的位置，以避免产生较大的凝固温差。
5、检验（1）
在检验前应先进行清砂、去氧化皮、除浇冒口等予处理。
此时的检验内容主要有：化学成分、外观肉眼检查、无损检验等。
其中化学成分和无损探伤按本章第二节的方法进行，并应符合相应材料规范。应该指出的是，无损探伤在一些材料标准中并没有被列为必检项目，而往往是列为由用户选择的附加检验项目。也就是说，当用户有要求时，制造商才做，但要收附加检验费。故用户尤其是作为第一用户的设计人员应根据使用条件来决定是否要做附加检验项目的检查，检查比例是多少，合格判定标准等级为多少级。如果这些要求选择不当，会无谓地增加产品费用。
外观肉眼检查应逐件进行。对于API阀门用铸件，MSSSP-55标准共给出了12类铸造外观缺陷，而每类缺陷中又给出了A、B、C、D、E五张不同级别的标准照片，这样整个标准共有标准照片（12x5=）60幅，并规定了A、B两级为合格品。这12类缺陷分别是：I——热裂纹和冷裂纹，Ⅱ——缩孔，Ⅲ——夹砂，Ⅳ——气孔，Ⅴ——纹理缺陷，Ⅵ——鼠尾，Ⅶ——皱皮、重叠、折叠和冷隔，Ⅷ——机加工痕迹，Ⅸ——结疤，Ⅹ——浇冒口，Ⅺ——焊接修理区，Ⅻ——表面粗糙度。
6、修补
一般情况下，修补的方法都是采用焊补。关于允许焊补的数量和面积，有关标准（例如ASTM标准）要求较低，而许多制造商的厂标订的标准较高，这就给执行标准的操作带来了困难。对于要求较高的铸件，此时应与制造厂协商确定，例如作者参加的某高压加氢裂化用阀门的技术谈判中，与国外某制造商协商的焊补标准为：
3″以下的阀门：最大焊补面积不超过30cm2，最多点数不超过2点；
4″~6″阀门：最大焊补面积不超过30cm2，最多点数不超过3点；
6″以上的阀门：最大焊补面积不超过30cm2，最多点数不超过4点。
焊补后尚应重新检查。
7、热处理
对铸件进行热处理，可以消除或缓解许多铸造缺陷对铸件性能的影响，例如，可以改变铸件的柱状组织和粗大组织，可消除偏析和铸造应力等。由本章第一节中可知，对铸件来说采用扩散退火或完全退火是比较理想的。但由于它们的生产周期太长，费用较高，故工程上实际很少采用。
目前，各材料标准对铸件的热处理要求并不完全一致，但差异不大。总起来说，下面的热处理制度能为较大多数人员所接受：
a、碳钢：正火热处理；
b、低合金钢及铬钼钢：正火+高温回火热处理，或淬火+高温回火热处理；
c、奥氏体不锈钢：固溶热处理。对于稳定型奥氏体不锈钢，当有要求时可采用稳定化热处理。
8、检验（2）及试验
此时的检验项目主要有：机械性能试验（主要是拉伸和硬度试验，必要时可做冲击韧性试验）、宏观组织检验、微观组织检验、耐蚀试验和几何尺寸检验等。
机械性能试验按本章第三节中讲到的方法进行，按相应的材料标准进行验收。
几何尺寸检验根据图纸要求逐件进行。
一般的材料标准中，都没有把宏观组织检验和微观组织检验列入必检项目，因为它属于破坏性试验，太多的这类试验会增加产品成本。但作者认为它应是工艺评定时必做的项目，以考核其制造工艺的正确性。一个良好的制造工艺是保证产品质量的必要条件，如果没有良好的制造工艺，是很难保证所有产品质量的，既是其中一件或数件质量合格，也很难说其它产品的质量都合格。因此，宏观组织检验和微观组织检验用于考核制造工艺比考核实际的产品更合适。当然，如果制造商在编制生产工艺时，没有做此类的检验，那么设计技术人员可在认为有必要时要求制造商补做此类试验。
铸件的试验主要是指强度试验。强度试验可按有关标准（如API598）的要求进行。
检查试验查出的不允许缺陷要进行修补或判废。修补后的铸件应对焊补处重新检查，必要时尚应重新进行热处理。
二、压力变形加工
压力变形加工泛指利用外力使金属发生塑性变形而形成产品或产品毛坯的一种加工方法，它包括的方式主要有轧制、挤压、拉拔、锻造和板料冲压等。压力变形加工是压力管道及其元件制造的主要加工方式，例如无缝钢管的轧制生产、三通和大小头的挤压成形、螺栓和螺柱的拉拔、小口径管件和法兰的锻制、封头和钢板焊制管件的冲压等，采用都是的压力变形加工方法。
压力变形加工与铸造相比，具有下列显著的优点：
a、可以消除铸锭中的某些铸造缺陷。例如它可使原铸锭中的气孔和疏松焊合或变成发纹，可使原来的柱状晶粒和粗大等轴晶粒破碎而变成细晶粒，可使原来的大尺寸非金属夹杂物和偏析破碎而形成纤维状组织等。因此它的可靠性较高；
b、通过拉、压等压力加工，得到的材料组织严密，并由于发生再结晶而使得材料的晶粒细化，因此材料具有较好的综合机械性能；
c、生产工序短，生产效率高。例如连续轧制的钢管生产、采用模型锻造的生产都具有很高的生产效率。
但是压力变形加工方法也有其不利的一面：它只能用于塑性较好的材料加工；目前尚不宜用于形状复杂和大尺寸的零件加工；一般情况下它留下的机加工量较大；等等。
根据压力变形加工时材料温度的不同可分为热加工、温加工和冷加工三种。关于热加工和冷加工的优缺点在第三章和本章第一节中已作了介绍，而温加工的特点则介于二者之间。下面就以应用最多的加工方法——热模锻锻造加工方法为例来介绍其简单的制造工艺和主要影响因素。
热模锻锻造加工方法的工艺原则流程如图9-5所示。
图9-5热模锻加工工艺原则流程图
1、原材料检验
检验内容主要有：材料化学成分、内部裂纹、内部大面积或大尺寸非金属夹杂物、表面缺陷及氧化物等。
如果材料的化学成分不符合标准要求是不能进到下道工序的，因为后续的工序没有可改变材料化学成分的机会。在这里还应注意，一些材料标准（如GB699、GB3077等）分压力加工用钢和切削加工用钢两类，二者的质量控制指标不同，故此时应明确选用压力加工用钢。
无论是外部裂纹还是内部裂纹，锻造过程是不可能使其焊合的，相反会扩大裂纹的尺寸，故锻造坯料是不允许有内外裂纹存在的。裂纹的检查可用无损探伤（如UT、MT、PT）进行。
大面积和大尺寸非金属夹杂物或严重的偏析会导致锻造过程中的热脆发纹，也极容易诱导裂纹的产生，故对这类原始缺陷应加以控制，控制指标可按材料标准规定或通过锻制工艺评定确定。
原材料的表面缺陷是影响锻件毛坯表面质量的主要因素之一，也是导致表面裂纹产生的主要因素之一，因此这些表面缺陷（如裂纹、结疤、划痕、氧化物等）在锻造之前必须去除。
2、下料
下料毛坯的大小对产品质量也会带来影响。毛坯太大时，不仅浪费金属，也容易造成上、下模接合误差大，使得产品外形误差大（例如由圆形变成椭圆形），同时也给切边造成一定的困难。毛坯尺寸较小时，容易造成充模不足，而这种缺陷是不允许的。因此说，下料毛坯的大小应根据最终的产品要求进行详细计算，或经工艺评定进行确定。
3、下料毛的加热
加热温度和加热时间是锻造工艺中的一个重要控制指标。
加热的方式比较多，但目前普遍认为比较好、设备投资又不太高的加热方法是中频加热。中频加热具有以下优点：
a、加热速度快。加热速度快可以减少氧化物的生成量，减少金属材料的浪费。
b、温度容易控制。加热温度是影响产品内在质量的一个重要因素，如果加热温度较低，金属流动性差，容易锻裂；如果加热温度过高或时间过长，容易造成产品的过热(、过烧(等问题、尤其是一旦出现过烧，将无法弥补，从而导致产品的报废。
注：(金属的过热是指金属在高温长时间作用下而发生的奥氏体晶粒粗大现象；
(金属的过烧是指金属由于遭受的温度过高，使晶粒间低熔点的夹杂物熔化，从而造成环境中的氧化性气体侵
入晶界，使晶界氧化而破坏了晶粒间结合的一种现象。检查是否有魏氏组织是判断金属是否过烧的一个重要
标志。
4、除氧化皮及预锻
锻坯出炉后，其外表面将附有一层厚厚的疏松氧化皮，故首先应快速除去氧化皮。如果不将氧化皮除去，将会严重影响到模锻成型时的产品外观质量。如果仅仅是为了脱除氧化皮，可用的方法有很多，如高压蒸汽或高压水冲洗方法等是较为常用的方法。但一些制造厂则将除氧化皮与预锻结合在一起会起到一举双得的效果。模锻时各部分变形是不均匀的，如果采用预锻，既可除去氧化皮，又可使毛坯进行较大的预变形，从而使锻件的锻造比达到预期要求。
5、锻造
锻造过程要控制的主要参数是始锻温度和终锻温度。始锻温度较高时，金属流动性好，充模效果好，所用锻压机械的功率要求也较小。但它不能超过过热温度，而且温度太高时表面质量不好。始锻温度越低，获得的锻件外观质量越好，晶粒越细。但始锻温度低于再结晶温度时，容易出现加工硬化和锻裂现象，故始锻温度一般应控制在再结晶温度以上，最好是在A1以上。对于模锻方法，一般情况下为一次成形，故其终锻温度都较高。
锻造前必须准备好锻模。锻模的质量也是影响产品质量尤其是外观质量的一个重要因素，设计合理的锻模和保持良好的锻模是获得较好产品质量的前提。锻模在投入锻造前，一般要经过预热，以减少模、坯之间的温差，避免由此可能导致的锻件开裂。
6、切边
切边宜在再结晶温度以上进行，既可保证切边后切边部分的表面质量，又不致于损伤锻件。一般都是在锻造成形之后立即进行，否则须重新加热。
7、热处理
当终锻温度较低时，锻件内将会存在本章第一节所述的压力变形加工缺陷，如晶格畸变、残余应力等。即使在再结晶温度以上完成终锻，对于淬硬性较强的材料也会因再结晶时间不够而残余一些压力变形加工缺陷，故在一定条件下对锻件进行热处理是必要的。
目前，各材料标准中对锻后热处理的要求不完全一致，但普遍认为较合理的热处理制度是这样的：
a、对低碳钢来说，由于其淬硬性较低，当它的终锻温度不低于A1（723℃）时，可以不再进行热处理，此时它的最终组织基本上为正火组织；
b、对于低合金钢来说，由于其淬硬性比低碳钢高，而且这类钢在工程上常用于较重要场合，故常常在锻后进行正火处理，以彻底消除残余的加工变形缺陷；
c、对铬、钼合金钢来说，由于其淬硬性较强，容易出现较严重的压力变形加工缺陷和残留一些残余奥氏体，进而使最终的组织中出现马氏体。故对这类材料常常在锻后进行正火+高温回火热处理。当用户和制造商协商同意后，也可进行淬火+高温回火热处理；
d、对于奥氏体不锈钢，锻后常进行固溶热处理；对于稳定化奥氏体不锈钢，当用户有要求时，尚可进行稳定化热处理。
8、表面清理
表面清理既是为下一步的检验作准备，又是锻件最终“脸面”的体现。目前，表面清理方法用的最多的是抛丸或喷砂处理，虽然它比手工除锈费用高，但除锈彻底，外观漂亮。
9、检验
检验的内容主要包括外观肉眼观查、尺寸检验、结构性能试验、无损探伤、宏观组织检验、微观组织检验、晶间腐蚀试验、爆破试验等。
a、外观肉眼检查
主要检查氧化皮、过烧、结疤、折叠、重皮、划痕、凹坑、微裂纹等表面缺陷。根据这些缺陷对锻件影响性质的不同，可以将它们分为四类，并分别加以控制。第一类为氧化皮、结疤、折叠、重皮之类的缺陷。这类缺陷基本上属于制造过程中的偶然行为所致，而且对锻件的内在质量影响不大，故只要给于研磨清除即可，清除的深度不得侵入锻件的最小壁厚；第二类为凹坑、划痕或机械碰伤之类的缺陷。这类缺陷清晰、规则，且不影响锻件的内在质量，故处理方法同前一类；第三类为过烧。对于这类缺陷的出现要借助于其它检验手段来评定其影响，例如进行宏观侵蚀试验以检查其金相组织，借助于冲击试验来检验它对材料韧性的影响，而不能简单的清除了之。同时还要核对加热参数，以从工艺上避免此类缺陷的出现；第四类为微裂纹和白点之类的缺陷。出现这类缺陷也不能简单清除了之，要首先分析清楚产生的原因。例如，原材料表面不清浩或模具拐弯处不合理、或原材料表面有原始裂纹等都会造成表面裂纹，此时一般不会触及内伤，即内部不一定出现裂纹。如果终锻温度较低，或原材料中有大量的偏析和非金属夹杂物，或者加热速度过快，或者对淬硬性较强的材料冷却速度较快等，也会引起表面裂纹，但同时还将预示着其内部也可能存在裂纹。对于后一种情况，要查清原因，以便采取措施或改变加工工艺参数以避免此类缺陷的再次发生。此类缺陷出现在表面时便于查到，也容易清除，一旦出现在内部，将严重影响锻件的内在质量。目前，白点的出现已越来越少，这主要是得益于冶炼过程中的脱氢技术提高。
b、尺寸检查
尺寸检查也要逐件进行，看它是否符合图纸或标准的要求。
c、机械性能试验
它包括的主要项目有：拉伸试验、冲击试验和硬度检查，检查方法见本章第二节所述，检验结果应符合相应材料标准的要求。一般情况下，冲击试验在用户有要求时才做。硬度试验一般为抽检，抽查的规则在一些材料标准中都有具体规定。
d、无损探伤
常用的无损探伤方法有超声波检查、磁粉检查和液体渗透检查。其中，超声波检查一般为附加检验项目，当用户没有要求时，一般不进行超声波检查。跟铸件一样，最终无损探伤并不是目的，只是检验手段，如果不是逐件检查，锻件的质量就主要依靠制造工艺来保证。所以，完善的工艺评定，正确的制造工艺才是保证产品质量的根本所在。
e、宏观组织检验和微观组织检验
通常它们也都是用于工艺评定检验，正常生产过程则很少做，只有当用户提出要求时才做。
f、晶间腐蚀试验
对于奥氏体不锈钢材料，一般都要进行晶间腐蚀试验。
g、爆破试验
作为型式试验的一种，一般在产品设计时才做，并纳入工艺评定记录。
10、标记入库
当采用打钢印进行标记时，应考虑它可能给产品的应用带来的不利影响。美国腐蚀学会的NACE175标准规定，当产品用于有应力腐蚀的环境时，钢印标记应采用园角形的钢印，以防止产生应力集中而导致产品对应力腐蚀开裂的敏感。
思考题：
1、什么叫铸造？什么叫压力变形加工？
2、铸造和压力变形加工方法相比，各有何特点？
3、常见的铸造缺陷有哪些？
4、铸造应力是由哪些原因产生的？
5、常用铸件材料一般采用什么样的热处理？
6、什么叫金属的过热？什么叫金属的过烧？
7、常见金属锻件的外观缺陷是如何分类的？
8、常用锻件材料一般采用什么样的热处理？
第四节管道元件的采购和技术要求
管道器材元件的采购是由专门的采购人员完成的。一般情况下，材料工程师不参与这项工作，他们所做的事情是配合配管工程师编制出相应的设计技术文件并提交给采购工程师即可。但对于重要的或者是技术性较强的管道器材元件，材料工程师要介入采购活动并协助采购工程师完成采购任务，这就是目前国内的实际采购状态。事实上，目前国内的采购状态并不尽人意，而且屡出问题，这对压力管道的安全构成了威胁，同时也与压力管道安全监察规定的宗旨相违背。分析其原因的话，主要可归结为两个方面：其一是一些采购人员的技术素质较低，他们对工程应用的环境和管道器材元件的生产过程了解不够，也不清楚影响产品质量的因素有哪些，应该怎样去挑选生产厂，如何评定各生产厂的产品质量状况。也许本书会对他们建立这方面的知识有所作用；其二是设计人员编制的技术文件不完善、不科学。例如，一些设计单位的设计文件存在产品参数描述不完整等问题，要么缺少材料标准，要么缺少应用标准，要么特征描述不清楚，等等。这些问题的存在都将影响到采购产品的质量。从这一角度上讲，进行压力管道设计资格认证是必要和及时的。
管道器材元件的采购与其它工业品采购一样，涉及到询标、投标、评标和中标等常规程序，它不仅包含技术谈判，还涉及到商务谈判。本书不准备介绍整个采购过程的做法和要求，而仍从设计角度出发，简单介绍材料工程师在采购过程中应做的工作。
总起来说，材料工程师在采购中应做的事情主要包括四个方面，即编写询标技术文件，参加技术谈判，.104等多个标准。不同的检验标准其要求是不同的，反映在阀门的结构、配置也可能不相同，从而导致其价格也不相同。
除制造标准、检查试验标准、材料标准等这些基本标准以外，产品所涉及的其它标准也一定要填写全，否则可能会因此带来麻烦和失误。例如当阀门为对焊连接时，尚应给出其接管应用标准（第二章中已经讲到，不同的应用标准其接管尺寸不一样）、接头焊缝坡口应用标准等。
3、操作条件
操作条件包括操作温度、操作压力和介质情况等，它是阀门设计和制造的重要依据。例如，当阀门有气动或电动执行机构时，制造商将根据介质的最大值压力差确定其执行机构的功率，而执行机构的功率大小对其价格影响是很大的。又如，如果介质中有低温硫化氢腐蚀介质时，制造商将考虑产品材料或某些配件的材料是否要按NACE标准配置，而符合NACE标准的材料价格一般比较高。
4、管道器材元件规格书
对阀门来说，它应包括阀门代号、公称压力、公称直径、数量、应用标准、结构型式、驱动方式、连接型式（对焊时应同时给出接管壁厚）、阀体材料及材料标准、阀内件号、阀盖垫片、阀盖螺栓、阀杆填料、执行机构用的公用条件（如果有时）等内容；对管子、管件等，它应包括产品名称、结构要求、规格、公称壁厚、数量、材料、材料标准、应用标准、连接型式等内容。如果这里的内容与上面第2条、第3条的某些内容重复时，可在第2、3条中省略。该项的填写既繁琐又要细致，如果漏项，将会给采购工作带来重大失误，尤其是向国外采购时，会带来巨大的经济损失，并可能涉及到工程建设的进度。
5、其它由制造商回答的问题
询标技术文件不同于最终签定合同用的技术附件，因为此时制造商尚未确定，前来投标的制造商情况又不尽相同，一些技术要求不便具体提出。此时可以将一些对产品质量有影响的问题提出来，由制造商来回答。例如制造商拟采用的材料冶炼方法、工艺评定的项目、型式试验的项目、型式试验的合格率和内定指标、交货状态、原产地、同类条件的应用业绩、交货期、售后服务、质量保证期等。如果为了统一报价基础，也可以就影响价格的项目如无损探伤等先拟定一个比例，然后再根据谈判的结果进行调整。需要重申的是，不可将所有要求的条款在询标技术文件中全部提出，以避免一些制造商靠虚假应标，本来做不到时也可能为能拿到合同而违心地答应下来，结果在拿到合同后又提出变更，或隐满情况而造成既成事实。
二、参加技术谈判
技术谈判是整个采购过程中的一个重要环节，通过技术谈判才能真正了解到参于投标的制造商的真正实力和产品质量状况，并给他们排出一个从优到劣的座次来，以便在能满足技术要求的情况下，选择价格较好的制造商，或者选择价格和质量兼优的制造商。要做好这一步是比较难的，它要求作为技术主谈的材料工程师既熟悉工程应用环境，又要有扎实的相关基础理论，还应熟知相应的工程标准。本书有关管道材料部分的知识可能会对有关人员有一定的帮助。
技术谈判的内容总起来说主要有下列一些方面：
1、各制造商背景情况的了解
背景情况主要包括制造商的历史、职能部门设置、设备配置、产品结构、同类环境下的应用业迹、质量管理和各类资格认证情况等内容。
制造商的历史主要包括其成立年代、发展状况和经营状况等。一个迅速崛起并形成一定规模的专业制造商，用户就没有太多的理由去怀疑其产品的可靠性和先进性。相反，经营状况每况愈下的制造商，怎么会与产品的质量和价格脱离关系呢？此时不要忽略参与投标的制造商的主导产品是什么，其主导产品是否就是我们所需要的产品。如果制造商是靠别的产品发展壮大的，那么该制造商的产品质量与其生产规模之间的对应关系就值得推敲了。
对于职能部门的设置问题，我们比较关心的是其技术部门、质量部门、销售服务部门的设置情况。上述这些部门的良好配置和高效的运作无凝将增加我们对其产品的信心。长期、稳定、有一定规模的技术研究部门，是对产品的精细设计、改进设计和对用户提出特殊要求作出快速反应的保障。反之，如果一个制造厂没有一支训练有素的技术队伍，又怎么会轻易让我们认可其产品的先进性和可靠性呢？相对独立而又能有效运转的质量控制部门是保证产品质量的关键因素之一。从其质量控制部门的人员配置情况可以了解到其质量控制体系的组成和运作程序。如果人员配置不到位，或者在一些工序上缺少人员配置，那么其质量控制就可能存在漏洞。销售服务部门的配置和服务承诺比较好的制造商无凝会增加我们选用其产品的信心，反之我们则会三思而行了。
设备配置是否完善和配置的优劣，将直接影响到产品质量。本章第一节中已经谈到，不同的冶炼方法（设备）获得的材料质量是不一样的，良好的冶炼设备、规模宏大的机加工中心和先进的机加工设备（如数控机床和专用机床的大量应用）、完善的检查和试验设施等都从硬件上提供了获得良好产品质量的保障。一个制造商的产品靠大量的外协厂制造零配件，或者大量的检查试验项目靠委托其它厂商来完成，其产品质量的控制将大打折扣。没有先进的加工设备，零配件的加工精度和装配精度的保证也很难说是有力的。
从该制造厂的产品结构中要了解其主导产品是否正是我们所需要的产品，或者我们所需要的全部类型和全部规格的产品是否均来自于该制造厂。如果我们所需的产品并非是该制造商的主导产品，那么他所拥的优势很难与他提供给我们的产品画等号。如果我们所需要的产品中许多要从另外的厂商配套供应，那么就需要了解其它厂商的背景情况，这无疑将增加我们选用和判断的难度。此时我们也许会考虑分包或甚至另选其它制造商。
同类装置的应用业绩将是我们进行取舍的一个重要依据。如果该制造商的产品有许多在同类装置中成功应用的业绩，无疑将会大大增加我们选用其产品的信心。但这里应注意两点，其一，它必须是同类装置、同样工况条件下的应用业绩。因为既是同一类装置，也有许多不同的操作条件和使用工况，在一般工况条件下应用的业绩并不能完全说明它在较苛刻条件下使用的效果；其二，应用的规格等级和材料与我们要求的产品应基本吻合，或者要有可比性。因为不同规格、不同等级、不同材料的产品无不与制造商的生产能力、生产经验等有关。例如，小直径锻制阀门做的比较好并不代表其大直径铸造阀门做的也好。
就质量管理方面来讲，目前国内外都比较流行第三方认证的质量管理模式，例如ISO9000质量体系认证的管理模式。如果一个制造商早期就获得了第三方的质量认证，并证明在生产中一直严格地按所认定的质量管理体系操作，也将增加我们对其产品质量的信心。
有许多制造商获得了许多行业或协会的某些特许认证，如ASME认证、海军部门认证、核工业部门认证等，这些认证标志着它的产品获得了有关特殊性能的考验，因此也给我们增加了对其产品可信性的法码。
2、对产品设计的了解
产品设计包括结构设计、强度设计、材料应用和型式试验等内容。
任何管道器材元件的应用标准都仅仅是对产品的基本要求进行了规定，只不过有些标准规定的较细些，有些标准规定的较粗些而已。任何标准都不是设计手册，它不能代替制造商的设计，否则，各制造商厂的产品结构和性能就没有优劣之分了。正是因为各制造厂在标准的框架要求下，充分发挥了各自己的优势，才设计出了各具特色的产品。
结构设计是产品设计中最具有代表性的部分，对阀门来讲更是如此。在我们与众多的国内外阀门制造商的接触中，无不感觉到他们都在处心积虑地如何改进可能改进的各处结构，使阀门具有更好的使用性能。例如他们在阀杆的支撑型式、填料压盖型式、填料装填型式、阀盖密封结构、闸板密封结构、闸板结构型式等所进行的无微不至的改进都体现了其先进性和科学性，令阀门的密封性能和使用寿命不断趋于完美。对这一方面的了解，能够使我们判断出那家制造商做的更好，从而使我们做出更有利的选择。
强度设计是影响阀门强度可靠性的关键所在，制造商是否采用了科学的计算方法或先进的计算方法都是我们应该关注的关注的问题。例如阀体的强度计算，众多的厂家都采用了先进的有限元计算法，并充分考虑了腐蚀环境下的影响、铸造质量的影响等诸因素之后，给出了较合适的计算边界条件。所做的这一切，无形之中使我们对其强度可靠性增加了信心。反之，如果某些制造商没有仔细进行过强度分析或强度计算，或对影响素考虑的不充分，都会使我们对其产品的可靠性持不信任态度。对管件来说，其强度设计更是容易被忽略的问题，尤其是许多国内制造商，目前尚不知道管件许用压力值的慨念，因此也就无从谈起强度设计的问题。能出示出一套完整的管件强度设计记录和验证试验记录的制造厂，其产品才是我们能放心使用的产品。
对阀门来说，主体材料虽说是由材料工程师确定的，但其许多辅助材料则是由阀门制造商确定的。辅助材料应用的好坏，会对阀门的使用性能带来影响。例如，一个具有良好性能的填料（不老化、不流失、对金属无腐蚀、使用寿命长等）不仅使阀门外漏减少，而且有较长的使用寿命，从而减少了使用中更换和维护的工作量。
型式试验是验证产品设计、制造质量及其使用性能的一系列评定试验。不同的产品有不同的试验内容，比较完整的型式试验应包括对产品的各个方面的评定试验。对管子管件来说，它的型式试验至少应包括材料的机械性能、化学成分、热处理、宏观组织、微观组织、无损探伤、耐腐蚀、强度试验等。对阀门来说，它的型式试验除了对主体材料要做上述试验外，还应包括密封性、阀门开启力矩等试验。没有完整型式试验记录的产品是不可靠的。
3、对制造工艺的了解
从第三章第一节和本章第一、二、三节中可以了解到，产品制造工艺的好坏直接决定了材料质量的好坏，而材料质量的好坏又在很大程度上决定了产品的使用可靠性。一旦管道器材元件出现了因材料质量而引起的事故，那么这个事故将是灾难性的。因此说，材料质量问题是评定产品质量问题的一个重要指标。那么该如何了解制造工艺对材料质量的影响呢？作者认为，除了前面提到的必要的设备配置和质量控制之外，主要应从制造商的工艺评定入手进行了解。稳定、良好的制造质量要靠良好的制造工艺来保证，如果没有良好的制造工艺，只要不是对产品进行100%的检验，就有可能在没有检验到的产品中出现问题。但工程中要求对产品进行100%的各种检验是不现实的，也会增加工程投资。所以只有在有良好的生产工艺前提下，才能生产出高质量的产品，而随后的抽检仅仅是对生产中可能出现的偶然因素或生产的稳定性进行考评而已。工艺评定是制定良好制造工艺的一个基本验证手段。工艺评定进行的项目是否齐全，制定的工艺评定指标是高还是低，则直接影响到制造商产品质量的定位。因此，了解制造商的工艺评定情况，就是了解其产品质量的优劣。
制造过程中的工艺评定是指这样一个过程：根据相关理论知识和经验设定一系列的制造工艺参数和工艺流程，然后对按这样的流程和参数生产出的样品进行各种必要的检查试验，并按一定的标准判定其是否满足预期的质量要求。如果不能满足质量要求，应修改有关的工艺参数甚至流程重新生产样品，然后对按新的工艺参数或流程生产出的样品再进行各种检验，并判断其质量是否达到预期的质量标准。如此反复，直到生产出的产品质量达到要求为止，那么，此时的工艺参数和工艺流程就是今后生产中采用的参数和流程。
本章第三节中已经介绍了两种主要加工方法的原则流程，并介绍了各种主要工序的控制参数和影响因素，也给出了必要的检查项目。参加技术谈判的材料工程师可以从中了解到相应制造方法中应做那些工艺评定，并比较制造商实际做的项目。除此以外，还要看到制造商内控的质量指标或者说质量定位是高还是低，并以此来判断制造商的产品质量优劣。
4、其它问题的了解
其它问题泛指前面几类没有包括但却与采购有关的问题，例如原产地、交货期、运输方式、机械性能保证期、易损件的种类及更换周期等。
有些制造商为跨地区或跨国公司，其各子分司虽然均采用一样的技术，但会因其设备配置、人员素质等因素的影响而使各子公司的产品质量有些差异。有些子公司就是专门为生产不同档次的产品而设置的。对于这种情况，就应明确供货的产品应由认可的那个子公司或母公司提供，并将原产地列到订货技术文件中。
交货期有时也是影响我们最终决定选那家产品的决定因素。对于建设周期较短的装置，为了建设周期的需要，有时不得不损失一些质量要求（但必须满足基本的使用要求，只不过其质量可能不是最好的）或经济（但价格不可偏离标底或平均水平太高）方面的要求。碰到这种情况，要综合考虑。
运输方式、机械性能保证期、易损件的种类及更换周期也都是技术谈判中需要了解的内容，其影响在此不再赘述。
三、编写订货技术文件
订货技术文件是订货合同的一个附件，故有时也称它为订货技术附件。它应是一个完善、清晰、严肃的技术文件。该文件一旦双方签字生效，将具有法律效应。所以材料工程师在编写该文件时要慎之又慎，不要因为漏项或要求不明确而造成纠纷，从而给采购工作带来失误，甚至造成重大损失。
订货技术文件的内容除包括询标技术文件的前四项（使用场所的气候条件、应用标准和法规、设计条件、管道器材元件规格书）外，还应包括在技术谈判过程中已澄清的或已确认的相关技术问题等。这样的内容应视不同的制造商而不同，因为不同制造商的产品结构、质量控制措施等不同（通过技术谈判已经了解），要求也应有区别。
1、产品结构方面的问题
在订货技术文件中，应把双方确认的产品结构写入技术文件。以阀门为例，结构方面可能涉及到的有阀板结构型式、阀盖型式、连接方式（当为对焊连接时还应包括坡口型式）等内容。当应用标准中已有明确规定，或管道器材元件规格书中已有明确要求时，在此则可省略。
2、材料方面的问题
对于双方在技术谈判中已确定的原材料冶炼方法、加工方法、交货状态等应写入订货技术文件中。对于超出规范要求，或者是作为规范中选择项的检查试验要求，材料工程师应根据应用条件和该制造商的实际生产状况来提出。这同样是一件要慎重对待的事情。追加检验项目就意味着要花更多的钱，而必要的检验项目不做，又不足以保证产品质量。不同的制造商，其制造工艺评定的内容不一样，内控标准也不一样，因此对其信任程度也不同，从而对他追加的检验项目也应不同。要想处理好这些问题，同样需要材料工程师有较高的技术水平和丰富的实践经验。
3、试验方面的问题
只有超出标准部分的试验内容才在订货技术文件中进行规定。对阀门来说，常规试验应包括强度试验、气密试验等，而气密试验又包括低压密封、高压密封、上密封试验等。除此之外，可能还会涉及到火灾安全试验、防静电试验等。
4、其它需要明确的问题
其它需要明确的问题包括标记、包装运输、机械性能保证期、原产地、现场检查验收等问题
关于标记问题，应要求将由用户提供的器材代号标注在产品的铭牌上；包装运输问题。进口时应要求标准出口包装，并明确运输过程中如果发生产品损坏应负的责任；机械性能保证期问题。应要求至少平稳运行12个月以上；原产地问题。应明确原产地；现场检查验收问题。应明确何时、何地、如何验收，发生的费用由谁来付；中间资料和最终资料交付问题。应明确中间资料和最终资料何时送达何人，何时返回资料，资料有问题时应如何处理；甲乙双方联系人及通信地址问题。应明确双方联系人、通信地址、电话、传真等。等等。
四、中间技术资料确认
当订货技术文件中有中间技术资料需要确认时，这个任务一般也应由材料工程师来完成。与前几个环节相比，这一过程相对要容易些，但却丝毫不能马虎，否则也可能产生问题。中间资料确认实际上就是审查制造商的图纸或制造方案是不是按订货技术文件中的要求去做的，如果出现与要求不符合项时，应慎重考虑是否能够同意其变动。如果不同意，应有明确的答复。
思考题：
1、管道材料工程师在采购中的主要工作内容有哪些？
2、询标技术文件一般应包括哪些内容？
3、在采购技术谈判中，应了解的内容主要有哪些？
4、什么是制造工艺评定？
5、订货技术文件主要应包括哪些内容？
附录F9-1常用的检查试验标准
GB222钢的化学成分分析用试样取样方法及成品化学成分允许偏差
GB223.1～50钢铁及合金化学分析方法
GB226钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法
GB228金属拉伸试验方法
GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法
GB230金属洛氏硬度试验方法
GB231金属布氏硬度试验方法
GB232金属弯曲试验方法
GB241金属管液压试验方法
GB242金属管扩口试验方法
GB246金属管压扁试验方法
GB244冷弯试验
GB245卷边试验
GB541石棉橡胶板抗张强度试验方法
GB542石棉橡胶板柔软性试验方法
GB544石棉橡胶板密度试验方法
GB543耐油石棉橡胶板吸油率试验方法
GB1818金属表面洛氏硬度试验方法
GB1919结构钢低倍组织缺陷评级图
GB2975钢材力学及工艺性能试验取样规定
GB3323钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级
GB3652金属管材高温拉伸试验方法
GB3912耐油石棉橡胶板浸油增厚率试验方法
GB3986石棉橡胶板烧失量试验方法
GB4163不锈钢管超声波探伤方法
GB4334.1～9不锈耐酸钢晶间腐蚀倾向试验方法
GB/T4338金属材料高温拉伸试验
GB5677钢铸件射线照相及底片等级分类方法
GB5777无缝钢管超声波探伤方法
GB6394金属平均晶粒度测定方法
GB6396复合钢板力学及工艺性能试验方法
GB6397金属拉伸试验试样
GB7734复合钢板超声探伤方法
GB7735钢管涡流探伤检验方法
GB7736钢的低倍组织及缺陷超声波检验方法
GB10561钢中非金属夹杂物显微评定方法
GB11345钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级
GB12385管法兰用垫片密封性能试验方法
GB12621管法兰用垫片应力松弛试验方法
GB12622管法兰用垫片压缩率及回弹率试验方法
GB/T14452金属弯曲力学性能试验方法
GB/T15822磁粉探伤方法
GB/T15830钢制管道对接环焊缝超声波探伤方法和检验结果的分级
GB/T16957复合钢板焊接接头及力学性能试验方法
JB4730压力容器无损检验方法
附录F9-2布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度对照表
布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度对照表见表F9－2－1
表F9－2－1布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度对照表
布氏硬度10/3000 洛氏硬度 维氏硬度 布氏硬度10/3000 洛氏硬度 维氏硬度 压痕直径d，mm HB HRC HRB HV 压痕直径d，mm HB HRC HRB HV 2.00 946 4.00 228 22 98 226 2.05 898 4.05 223 21 97 221 2.10 875 4.10 212 20 97 217 2.15 815 4.15 212 19 96 213 2.20 782 72 1229 4.20 207 18 95 209 2.25 744 69 1114 4.25 202 94 201 2.30 713 67 1021 4.30 196 93 197 2.35 683 65 949 4.35 192 92 190 2.40 652 63 867 4.40 187 91 188 2.45 627 61 803 4.45 183 89 183 2.50 600 59 746 4.50 179 88 177 2.55 578 58 694 4.55 174 87 174 2.60 555 56 649 4.60 170 86 170 2.65 532 54 606 4.65 166 85 166 2.70 512 52 587 4.70 165 84 163 2.75 495 51 551 4.75 159 83 159 2.80 477 49 534 4.80 156 82 156 2.85 460 48 502 4.85 153 81 153 2.90 444 47 474 4.90 149 80 149 2.95 430 45 460 4.95 146 78 146 3.00 415 44 435 5.00 143 78 145 3.05 402 43 423 5.05 140 77 140 3.10 387 41 401 5.10 137 75 137 3.15 375 40 390 5.15 134 74 134 3.20 364 39 380 5.20 131 73 131 3.25 351 38 361 5.25 128 72 128 3.30 340 37 344 5.30 126 71 126 3.35 332 36 335 5.35 124 70 124 3.40 321 35 320 5.40 121 68 121 3.45 311 34 312 5.45 118 67 118 3.50 302 33 305 5.50 116 65 116 3.55 293 31 291 5.55 114 64 114 3.60 286 30 285 5.60 112 63 112 3.65 277 29 278 5.65 109 61 109 3.70 269 28 272 5.70 107 60 107 3.75 262 27 261 5.75 105 58 105 3.80 255 26 255 5.80 103 57 103 3.85 248 25 250 5.85 101 56 101 3.90 241 24 100 240 5.90 99 55 99 3.95 235 23 99 235 5.95 97 53 97 6.00 95 51 95
压力管道技术采购与制造
1
209
炉前分析
原材料
熔化冶炼
模型制作
模型烘干
烧注
结晶凝固
检验（1）
清砂等予处理
修补后复检
修补
热处理
检验(2)与试验
如果有缺陷
毛坯入库
原材料检验
下料
下料坯加热
除氧化皮及予锻
热处理
表面清理
切边
锻造
模型准备
检验
入毛坯库
标记
切边模准备
修补
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