材料的代用
巧婦難為無米之炊,所有的制造生產都是以材料的購買為開始。與人們想象的不同,拿著錢到市場上購買材料,并不是看起來那么簡單容易。實際的采購活動障礙不少。
采購常碰到的第一種困難是,雖然工程師選擇的材料牌號并非罕見,但是市場上偏偏就沒有所需要的規(guī)格。只好找相近的規(guī)格。有時候相近規(guī)格也找不到。
另外一種情形是商家要價太高。如果商家覺得這個材料市場稀缺,或者你訂貨量太少,他不愿意承擔庫存資金壓力,那么他的報價就會超出你的預期。這種事情也常常發(fā)生。
材料是否合適,材料是否容易采購,材料是否經濟,在這三者之間,工程師們常常要進行權衡。大多數時候材料本身的特性是否滿足使用要求會被擺到第一位。
這種思維并沒有錯。但是當采購困難或者出于經濟上的考慮,材料的變更或代用仍然會被提出,變成一個很合理的選擇。
材料如何代用?
材料的代用通常會遵循兩個簡單的原則:以厚代薄和以優(yōu)代劣。
如果沒有恰當的規(guī)格,那就在牌號保持不變的情況下,選擇稍大一點的尺寸;這一點無法做到,那就選擇性能更優(yōu)的鋼材。
對采購人員和材料商來說,這兩個原則簡單粗暴,不需要專業(yè)知識也能很直觀地理解。不管是更厚還是更優(yōu),毫無疑問都表示材料性能更好,選擇是對的。
在大多數情況下,這樣理解和操作沒有太大問題。但是在一些要求嚴格的場合,比如容器制造等,綜合考慮使用要求后就會發(fā)現(xiàn),不能簡單地套用這兩個原則。
以厚代薄
以厚代薄最大的害處是導致應力的變化。
①許用應力。與我們的直觀感覺相悖,鋼材的許用應力是隨著板厚的增加而減小的。以厚代薄很可能導致強度不夠。很多時候以厚代薄沒發(fā)生問題是因為許用應力的減小幅度沒有超出設計的允許范圍。
②局部應力。整體厚度一致的情況下,局部以厚代薄會改變整體的應力一致性,內部應力平衡被打破,容易發(fā)生疲勞裂紋,嚴重的會導致斷裂。
此外,以厚代薄增加了焊接和探傷的難度,還對鋼板的熱傳導有不利影響。
以優(yōu)代劣
材料的優(yōu)劣其實是相對而言的,并沒有絕對的優(yōu)或劣。在力學性能、耐蝕性能、高溫性能和加工性能等方面,每種材料都有自己的個性。說某種材料較優(yōu),一定是指在某種特定的工況下,它的某種特性優(yōu)于比較的材料。簡單的以優(yōu)代劣是錯誤的。
舉個不銹鋼的例子。從成分上看,304L和304相比,前者的含碳量更低,耐腐蝕性和焊接性能也更優(yōu),那么從以優(yōu)代劣來看,304L可以代替304材料使用嗎?來看下面的數據。
牌號
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304
|
304L
|
C
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≤0.08
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≤0.03
|
Si
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≤0.75
|
≤0.75
|
Mn
|
≤2.00
|
≤2.00
|
P
|
≤0.045
|
≤0.045
|
S
|
≤0.030
|
≤0.030
|
Cr
|
18.00~20.00
|
18.00~20.00
|
Ni
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8.00~10.50
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8.00~12.00
|
N
|
≤0.10
|
≤0.10
|
抗拉強度(MPa)
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≥515
|
≥485
|
0.2%屈服強度(MPa)
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≥205
|
≥170
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50mm伸長率(%)
|
≥40
|
≥40
|
硬度
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布氏
|
≥201
|
≥201
|
洛氏
|
≥92
|
≥92
|
(以上數據引用自ASME Sec.II,Div.A,A99)
上表可以很直觀地看出,的確304L的元素成分都滿足304的要求,甚至比304更好,似乎可以自動替代304使用;但從力學性能上看,304的強度明顯高于304L,如果用304L來替代304,就會造成強度不夠。
另外,如果是容器制造用途,國標里另有規(guī)定:奧氏體不銹鋼的使用溫度高于525℃時,鋼中含碳量應不小于0.04%。
因此,認為304L可以代替304使用的觀點是錯誤的,能不能使用與使用場合有關。
結論
材料的代用雖然可以簡單地理解為“以厚代薄、以優(yōu)代劣”,但是如果根據實際的工況,考慮到加工、焊接、腐蝕、壓力及熱處理等因素,在代用的時候不能簡單套用,必須周全考慮,以設計部門的意見為準。
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