《化工设备材料》PPT课件.ppt

第七章 化工设备材料 化工设备材料种类主要有两大类： 金属材料和非金属材料 从不同设备的要求来划分： 有耐高低温、有耐腐蚀性、有良 好的机械强度等。 7.1 概 述 合理选用材料规格、性能、特点 是化工设备设计的重要环节 不同要求需要不同的材质的材料 7.2 碳钢和铸铁 碳钢合金是以铁为基础的合金，也是 钢和铁的统称 含碳 0.02%2% 钢 含碳大于 2% 铸铁 （含碳 0.02%1.5% 钢 含碳 1.5%2.5% 半钢 含碳大于 2.5% 铸铁） 7.2.1 碳 钢 A碳及常存杂质对钢材性能的影响 C、S、P、Mn、Si、对钢材的性能影响 a碳（C） b强度极限 Ak 韧性 HB 硬度 ， 塑性 HB b Ak 0.9 C(%) b硫（S）（有害的） S是以FeS的形式存在于碳钢中。因熔点 低(985)，热加工时易使钢材开裂（热 脆）。 高级优质钢 S 0.02% 0.03% 优质钢 S 0.03% 0.04% 普通钢 S 0.055% c磷（P）（有害的） 磷在钢中能增加钢的强度、硬度，但引起塑性、 韧性的显著降低，在低温时使钢材显著变脆（冷 脆）。高级优质钢P 0.60% ） b优质碳素结构钢 因许多特殊的用途：在钢号末尾分别标 上g 或R分别表示锅炉用钢和压力容器用 钢。如 20g，22R。 由铸造而得的碳钢件：有ZG标注，如 ZG200400。200表示屈服极限，400 表示强度极限（MPa）。 7.2.2 铸铁 含碳量较高（2.5%4.0%）其优点是耐磨，切 削加工好以及成本低。灰铸铁、可锻铸铁、球 墨铸铁。 A 灰铸铁 这种铸铁中的C以自由状态的片状石墨形式存 在，断口灰色。适用于支架、阀体、泵体等。 以HT加数字表示，如HT100，HT150。 HT 灰铁, 数字 表示最低抗拉强度（MPa ）,数字愈大，强度愈高。 B 可煅铸铁（展性铸铁） 这种铸铁中C以团絮状存在，适用于低压 阀门、管道配件等。 以KT表示。有黑心（H），白心（B）， 珠光体（Z）的不同种类标记和数字。 如 KTH30006 300最低抗拉强度（MPa） 06 最低延伸率 C球墨铸铁 加入球化剂（Mg、Ca、稀土等元素） 和石墨化剂（硅铁或硅钙合金）、使碳 以球状石墨结晶存在. 是目前新型材料之 一，兼有普通铸钢及钢的优点。 以QT表示 7.3 钢的热处理 热处理是指将钢材通过适当的加热与 冷却过程，使钢材的内部组织按照一定 的规律变化，以获得预期的机械性能的 一种工艺。 目的是改善钢的加工性能和实用性能。 7.3.1 金属结晶组织 固体金属内部的原子是按一定规律排列称 晶体（晶格、晶胞） 金属的晶格型式最常见的有两种： (1)体心立方晶胞：立方体顶角上各有一个 原子，立方体中心又有一个原子，如- Fe、Cr、W、Mo (2)面心立方晶胞：立方体八个顶角上也有 一个原子，六个面中心也有一个原子， 如-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni等。 7.3.2 金属的结晶过程 结晶温度TC 与熔点温度Tm之差称为过冷度 T=Tm-TC 温度 时间 Tm TC T AB 金属结晶过程就是从液态转变为金属晶体 的过程，即原子重新排列过程。包括晶核 形成和晶体成长二个相互联系的过程。通 过加快冷却速度，晶粒细化，提高金属质 量。 （图7-4） 液态 晶核 成长中的晶粒新的晶核生成 晶界 7.3.3 铁的同素异构转变 在固态下的金属由于加热或冷却而引 起晶格结构的转变同素异构转变 （1）面心立方晶格(Fe ） （2）体心立方晶格(Fe ） 910 C Fe 910C Fe Fe （ 面心立方晶格） （体心立方晶格） Fe 7.3.4 加热、冷却过程中铁碳 合金组织的转变 碳在铁中存在状态有2种 （1）固溶体 碳溶解在铁中，碳原子 在铁的晶格空隙处 铁原子 碳原子 Fe的固溶体称 铁 素 体（溶碳量小 ，在723 时最大 0.025%） Fe的固溶体称 奥 氏 体（溶碳量大 ，在1146时最大 2.06%。 ( 2）渗碳体 碳与铁形成化合物 Fe3C FeFe 温度 时间 下临界温度 上临界温度 序号 含碳量（%） 上临界温度（） 下临界温度（） 1 2 3 4 5 6 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.06 910 780 - 870 1000 1147 - 723 723 723 723 723 910 C 时间 温度 图7-8 (a) (b)(c) 温度 时间 温度 时间 Fe0.40.81.21.62.06 723P S K E 400 600 800 1000 1200 温度 时间 温度 时间 G 铁素体+ 奥氏体 珠光体=铁素体+渗碳体 渗碳体+ 奥氏体 奥氏体 7.3.5 冷却速度对钢材组织及机 械性能的影响 慢速冷却：在平衡组织中生成的往往是 粗片状的球光体。 快速冷却：生成球光体也就比较细密（ 机械性能好）。 过冷度（大）：碳来不及析出而转变为 铁素体，形成过饱和固溶体马氏体（ 呈针状组织）。C原子充塞在Fe晶格 间隙中，硬度极大而且脆。 7.3.6 常用的热处理方法 经多次加热和冷却过程所组成的一 个复杂热处理 A退火 把钢件放在炉中缓慢加热，保温一定时间 后，随炉缓慢冷却过程。包括完全退火 ，再结晶退火，低温退火等方面。 （a）完全退火将工件加热到GS线上 3050C（为什么？）保温后缓冷，从 而获得接近平衡组织。 Fe0.40.81.21.62.06 723P S K E 400 600 800 1000 1200 温度 G （b）再结晶退火将钢件加热至再结晶温度 600700C，保温后空冷。 （c）低温退火 目的是消除锻造、焊接等造成铸件内存 在的残余应力 Fe0.41.2 1.6 2.06 0.8 723P S K E 400 600 800 1000 1200 温度 G B正火 热处 理工艺强度极限b/MPa延伸率s/% 完全退火35023 正火38028 Fe0.41.2 1.6 2.06 0.8 723P S K E 400 600 800 1000 1200 温度 G C淬火 Fe0.41.2 1.6 2.06 0.8 723P S K E 400 600 800 1000 1200 温度 G D回火 回火是淬火之后的一道工序，是零件最 后的热处理 回火是把已淬火的钢件重新加热到PSK 线以下某一温度，使较长时间保温后， 在油中或空气中冷却。 低温回火（150250C） 中温回火（350500C） 高温回火（500650C） 下面列出45#钢的正火处理后与调质处理后 的机械性能比较 热处理 工艺 机械性能 组织 b/MPa /% Ak/JHB 正火70080015204064163220 珠光体+ 铁素体 调质75085020256496210250 铁素体+粒 状渗碳体 E化学热处理 目的是改变表层化学成分和组织 渗碳用渗碳剂，加热到高温 900950C. 目的是使零件表面具有高硬度和耐磨性 氮化使氮原子渗入表面 目的是提高硬度、抗腐蚀性等 氰化碳、氮同时渗入零件表面 渗金属有渗铬、铝、硅等原子 7.4 合金钢 为了改善钢的性能，在炼钢过程中， 特意地向钢中加入一种或几种金属 元素，这种钢称合金钢。合金元素 常有：铬、锰、镍、硅、铝、硼、 钨、钼、钒、钛及稀土元素等。 7.4.1合金元素 固溶强化铁素体（固溶强化铁素体） 如：16Mn（由屈服极限235MPa提高到350MPa）, Si 、Mn、Ni 对铁素体效果明显。 弥散强化铁素体（合金元素与碳形成 碳化物，并以极小的质点析出呈弥散状 分布于铁素体上，提高强度），稳定性 次序：钛、钒、钨、钼、铬、锰。如： 15MnV。在15MnTi中用0.4%0.12%V代 替0.12%0.2%Ti, V与C化合成V4C3,细 化颗粒。 细化晶粒 除锰外，几乎所有的合金元素都不 同程度第阻碍奥氏体晶粒的长大，从而 细化，提高韧性 改善热处理性能 Mn、Cr、Al、Si、Ni、B、P等都能 使钢在较缓慢冷却速度下，就能得到淬 火组织马氏体 7.4.2合金钢的分类与编号 A 分类 按用途： 结构钢（零件）、 工具钢（刀具量具）、 特殊钢（不锈钢，耐热钢）三类 按合金元素含量： 低合金钢 10% B 编号 原则： （1）合金结构钢左边数字（两位数字） 表示钢的平均含碳量（万分之一的碳表示 ）。35CrMo，表示含碳0.35%，Cr、Mo 分别1%左右 合金工具钢以千分之一的碳作为一个 数字（一位数字）。9CrSi，表示含碳 0.9%，Cr、Si分别1%。 当超过1.0%的含 碳量，在钢号中不表示其含碳量。 CrWMn，表示含碳超过1.0% （2）表示含碳量数字后面，某一元素的上 限含量超过1.5%时，在该元素后面注出 近似百分比。如09Mn2V 碳0.09% Mn2% V 1.6% （3）不锈钢中当含碳量低于或等于0.03% 及0.08%时，在钢号前分别冠以“00”及“0” 。如00Cr18Ni10，0Cr18NiTi。 （4）高级优质钢（含S,P较低），钢号末 尾加上“A”字，如35CrMoA。 7.4.3 合金结构钢 A机械制造结构钢。 渗碳钢， 调质钢， 弹簧钢、滚动轴钢因含碳量不同热处理不同。 牌号 化学成分%厚 度 mm 机械性能 用途CSiMn其他B MPa s MPa s/% 16MnR0.12 0.20 0.200.601.201.60-6-1651065534521 15MnV0.180.200.601.201.600.040.12V6-1653067039018 15MnVNR0.12 0.20 0.200.601.301.700.100.20V 0.0100.020N 6-1659073544018 18MnMoNbR0.17 0.23 0.170.371.351.650.450.65Mo 0.0250.050Nb 6-3863578551017 表7-2 B压力容器用低合金结构钢。 含碳量在0.1%-0.25%，含少量的合金元素。表7-2 7.4.4 不锈钢 A金属腐蚀的基本知识 化学腐蚀 指金属表面直接与介质发生纯化学 作用，过程不产生电流，结果形成膜覆盖金 属表面。 电化学腐蚀 是金属与介质（酸、碱、盐电解 质）发生电化学作用而产生腐蚀。具有微电 池作用。如Zn,Cu在稀硫酸中产生腐蚀。Zn 被腐蚀，而Cu被保护（原因是Zn电位低于Cu ） Zn Zn + +2e 2H +2e H2 Zn+ 2H + Zn + + H2 ZnCu 稀硫酸 Zn + Zn + Zn + H + H + H + H2 B提高抗腐蚀措施 金属抗腐蚀性能与化学成分、金相组织、设备结 构有关。三相措施： （1）提高电极电位。 （2）金属呈单一相组织。避免形成腐蚀电池。 因此珠光体组织是不耐，而单一的奥氏体是耐 蚀。 （3）设计合理的设备结构。机械应力、热应力 等。如焊缝，死角 C不锈钢的品种及性能 1.铬不锈钢（含碳较低 Cr23C6） 2.铬镍不锈钢 （为了扩大耐蚀范围） 晶间腐蚀 在500-800 C时，在晶间上析出碳化物使晶界 附近的铬含量降低到抵于抗蚀需要的最低11.7%的含铬 量。因此沿着晶界附近产生的腐蚀现象称晶间腐蚀， 导致钢材发生脆性破坏。为了防止该现象加入Ti,Nb等 元素。如0Cr18Ni11Ti 3.无镍不锈钢(考虑到我国镍资源短缺）以铬为主，形成 稳定的奥氏体的元素有Mn,N 代替Ni. 7.4.5 耐热钢 适应高温设备的材料应具备良好的化学稳 定性和热强性。表7-3 抗氧化性 抗蠕变 7.4.6 低温钢 A 低温钢 B抗氢腐蚀 C抗氮腐蚀 晶界 7.5 有色金属及其合金属 A钢及其合金（高导电性、导热性、塑 性、冷韧性） a纯铜 T1,T2,T3,T4 b黄铜（铜锌合金）H80, H68, H62 c青铜（与其他金属合金）高强度 高硬度，优良的铸造性和化学性能。如 锡青铜（ZQSn10） B铝及其合金 a工业纯铝 L1,L2,L3,L6.编号大纯度 低，用于要耐蚀不要求强度的化工设备 制造。 b硬铝(LY,Al-Cu-Mg).低合金硬铝， LY1 ,标准硬铝，LY11,高合金硬铝， LY12 c防锈铝 (LF) d铸铝(铝硅合金，ZL107) C铅及其合金 D镍及其合金 7.6 非金属材料 一、无机 A化工陶瓷 B玻璃 C水泥 D无机耐酸 二、有机 A工程塑料 耐酸酚醛，聚氯乙烯/聚乙烯，聚四氟乙烯 ，玻璃钢、聚酰氨等 B不透性石墨：各种树脂浸渍石墨消除 空隙而得。 C涂料：包括油漆、环氧树脂漆等。 7-5 Q235A-F表示屈服极限为235MPaA类沸腾钢 20R表示含碳量在0.20%优质低碳容器用钢 10 表示含碳量在0.10%优质低碳(结构)钢 20 表示含碳量在0.20%优质低碳(结构)钢 20g表示含碳量在0.20%优质低碳锅炉用钢 45表示含碳量在0.45%优质中碳(结构)钢 ZG200-400表示屈服极限为200MPa、强度 极限为400MPa的铸钢 08F表示含碳量为0.08%优质低碳沸腾钢 16Mng表示含碳量0.16%、Mn含量在1%左 右的优质低碳锅炉用（合金）钢 16MnR表示含碳量0.16%、Mn含量在1%左 右的优质低碳容器用（合金）钢 15MnVR表示含碳量0.15%、Mn含量在1% 左右、V含量在1%左右的低碳优质容器 用（合金）钢 0Cr13表示含碳量小于或等于0.08% 、Cr含 量在13%左右的微碳铬不锈钢 0Cr19Ni9 0Cr19Ni9表示含碳量小于或等于 0.08%、Cr含量在19%左右、Ni含量在9% 左右的微碳铬镍不锈钢 0Cr18Ni9Ti表示含碳量小于或等于0.08%、 Cr含量在18%左右、Ni含量在9%左右、 Ti含量在1%左右的微碳铬镍不锈钢 1Cr13表示含碳量在0.1%左右、Cr含量在13%左 右的低碳铬不锈钢 1Cr17Ti表示含碳量在0.1%左右、Cr含量在17% 左右、Ti含量在1%左右的的低碳铬不锈钢 7-6 普通碳钢Q235A-F 优质碳钢20R、10、20、20g、45、08F 容器用钢20R、 16MnR、 15MnVR 铬不锈钢0Cr13、 1Cr13、 1Cr17Ti 铬镍不锈钢0Cr19Ni9、 0Cr18Ni9Ti 铸钢ZG200-400 锅炉用钢20g、 16Mng 7-10 种类牌号表示显微组织机械性能 特点 用途举例 灰口铸铁HT片状石墨抗压 不抗拉支架 泵体 机 座等 可锻铸铁KT团状石墨有一定的强 度和较高的 塑性韧性 低压阀门 管 道配件 运输 机 升降机 球墨铸铁QT球状石磨在强度塑性 和韧性方面 大大超过灰 铸铁 研磨机 等 7-11 HT200-表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸 铁 KT300-06-表示最低抗拉强度为300MPa， 06表示最低延伸率。 7-13 退火是 把钢件放在炉中缓慢加热，保温一 定时 间后随炉缓慢冷却的过程。 其目的是消除组织缺陷，降低硬度，消除内应 力。 正火是把钢件加热到GS或ES线以上3050 C，经 适当保温后从炉中取出在空气中冷却。 其目的是均匀组织，细化晶粒，消除内应力。 淬火是把钢件加热到GS或PSK线以上，保 温后快速冷却。 其目的是增加工件的硬度、强度和耐磨度 。 低温回火是淬火后在150250 C 范围内的