化工设备机械基础-第六章化工设备常用金属材料

第二篇 化工容器,第六章 化工设备常用金属材料,化工设备机械基础,概 述,化学工业是国民经济的基础产业，各种化学生产工艺的要求各不尽相同。,例如：压力从真空到高压甚至超高压,温度从低温到高温,物料有腐蚀性、易燃、易爆等,化工设备操作条件复杂多变。,由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计化工设备的主要环节。,概 述,低温条件下操作的设备，需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。,例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。,容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。,对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，要考虑材料的疲劳问题等。,6-1 铁碳合金碳钢与铸铁,一、铁碳合金的组织结构与其性能的关系1.铁碳合金的组织结构对其性能的影响2.钢在加热和冷却时组织的变化及其对钢性能的影响3.钢的热处理二、碳钢与铸铁的分类、牌号、性能及应用,1.铁碳合金的组织结构与其性能的关系,1）铁的组织结构（两种排列方式）,体心立方晶格的纯铁称-Fe，面心立方晶格的铁称为-Fe。,铁碳合金：以铁为主，熔合少量碳所组成的合金。,纯铁塑性极好，但强度太低，工业上应用很少。,在晶胞的八个结点上和晶胞中心各有一个原子,在晶胞的八个结点上和六个面上各有一个原子,2）纯铁的同素异构转变,-Fe经加热可转变为-Fe ，反之高温下的-Fe冷却可变为-Fe 。这种在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。纯铁的同素异构转变是在910恒温下完成的。这一转变是铁原子在固态下重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程。是钢进行热处理的依据。,3）碳在铁碳合金中的存在方式,碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳，强度显著增加。这是由于碳引起了铁内部组织的变化，从而引起碳钢的力学性能的相应改变。碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。这是由于含碳量越高，钢中的硬脆相-Fe3C越多的缘故。,（1）固溶体（铁素体与奥氏体）,在铁的晶格中（或另外一种金属的晶格中）被挤入一些碳原子（或其它一些金属或非金属原子）以后所得到的、以原有晶格结构为基础并溶有碳原子的物质称为固溶体。,碳溶解在-Fe中形成的固溶体称铁素体。由于-Fe原子间隙小(体心立方晶格结构），溶碳能力低（在室温下只能溶解0.006），铁素体性能与纯铁相似，强度和硬度低，但塑性和韧性很好。低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。,铁素体的晶胞示意图,铁素体在770以下具有磁性。,碳溶解在-Fe铁中形成的固溶体称奥氏体。-Fe原子间隙较大，故碳在-Fe中的溶解度比-Fe中大得多，如在723时可溶解0.8，在1147时可达最大值2.06。奥氏体组织是在-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。,溶解有碳的铁，仍然会发生 转变，只是转变温度有所变化（727910）。奥氏体是铁碳合金的高温相。室温时，碳钢组织中只有铁素体，没有奥氏体,奥氏体的晶胞示意图,（2）渗碳体,铁碳合金中的碳不能全部溶入a-Fe或g-Fe中，其余部分的碳和铁形成一种化合物（Fe3C），称为渗碳体。它的熔点约为1600，硬度高(约HB800)，塑性几乎等于零。渗碳体具有复杂的晶体结构，不发生同素异构转变。渗碳体的硬度很高，塑性很差，是一个硬而脆的组织。在钢中渗碳体是以不同形态和大小的晶体出现于组织中，对钢的力学性能影响很大。纯粹的渗碳体又硬又脆无法应用。但在塑性很好的铁素体基体上散布着这些硬度很高的微粒，将大大提高材料的强度。,渗碳体在一定条件下可以分解为铁和碳，其中碳以石墨形式出现。铁碳合金中，碳和硅的含量愈高，冷却愈慢，愈有利于碳以石墨形式析出，析出的石墨散布在合金组织中。 铁碳合金中，当含碳量小于2.11时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，这就是碳素钢。随着含碳量的增加，碳素钢的强度与硬度也随之增大。,当含碳量大于2.11时，部分碳以石墨形式存在于铁碳合金中，这种合金称铸铁。石墨本身性软，且强度很低。从强度观点分析，分布在铸铁中的石墨，相当于在合金中挖了许多孔洞，所以铸铁的抗拉强度和塑性都比碳钢低。但是石墨的存在，并不削弱抗压强度，并且使铸铁具有一定消震能力。,铸铁是应用广泛的一种铁碳合金材料,一般碳以石墨形式存在，石墨有不同的组织形貌，见图2-3所示。其中球状石墨的铸铁称球墨铸铁，它的强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。,铁碳合金基本组织的性质及性能特点,金属结晶过程示意图,2.钢在加热和冷却时组织的变化及其对钢性能的影响,（1）碳钢在加热时所发生的相变（2）钢的不同冷却速度对钢组织性能的影响,碳钢在加热时的相变,铁素体+碳化铁两相组织向奥氏体的转变把钢加热到723以上时，钢的组织将从铁素体+碳化铁两相组织结构，转变为单一的奥氏体组织。转变完成温度，根据钢中的碳含量不同，大约在850-900 左右。晶粒的细化如果原来的铁素体+碳化铁两相组织，具有粗大的晶粒，那么将这种两相粗晶粒钢加热到相变温度以上时，得到的将是细化的奥氏体晶粒。但是如果加热温度过高，细晶粒的奥氏体将长大，钢又会变成粗晶粒组织。金属晶粒度的大小对钢材机械性能的影响，主要表现在冲击功的大小上。细晶粒钢的强度，特别是冲击功值较粗晶粒钢高。,细化钢的晶粒，既要将刚的温度加热到相变温度以上，又不能超过相变温度太高。,钢的不同冷却速度对钢组织性能的影响,钢在加热到相变温度以上，钢的组织变成单一奥氏体。随着钢的温度下降到相变温度以下，奥氏体将会分解成铁素体和碳化铁。其中，铁原子重新排列，碳原子进行扩散，形成碳化铁。冷却速度越慢，这一分解过程完成的越充分。冷却速度越快，形成的铁素体和碳化铁组织越细，钢材的硬度和合强度增加。冷却速度增大到某一临界温度以上，奥氏体的分解将无法进行。这时，由于温度骤然降低，虽然铁原子的晶格从面心立方变成了体心立方排列，但碳原子向固溶体外的扩散已不可能。这种含有过饱和碳的-Fe固溶体称为马氏体。 马氏体的硬度、强度均较高，但塑性降低，脆性增加。,钢的热处理,将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。热处理目的：改进钢的加工工艺性能，充分发挥钢材的潜力，提高其使用性能，节约成本，延长工件的使用寿命。热处理工艺不仅应用于钢和铸铁，亦广泛应用于其它材料。,根据热处理加热和冷却条件的不同，钢的热处理可以分为很多种类：,退火和正火的目的1调整硬度以便进行切削加工。工件经铸造或锻造等热加工后，硬度偏高或偏低，且不均匀，严重影响切削加工。适当退火或正火后可使工件的硬度调整到HB170-250且比较均匀，从而改善了切削加工性能。2消除残余内应力，以防止钢件在淬火时产生变形或开裂。3细化晶粒，改善组织，提高力学性能。4为最终热处理(淬火+回火)作好组织上的准备。,退火和正火,退火是把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来的一种热处理工艺。退火的目的在于调整金相组织，细化晶粒，促进组织均匀化，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。正火与退火不同之处，在于正火是将加热后的工件从炉中取出置于空气中冷却。正火和退火作用相似，由于正火的冷却速度要比退火快一些，因而晶粒变细，钢的韧性可显著提高。,淬火和回火,淬火是将工件加热至淬火温度(临界点以上3050)，并保温一段时间，然后投入淬火剂中冷却的一种热处理工艺。淬火后得到的组织是马氏体。为了保证良好的淬火效果，针对不同的钢种，淬火剂有空气、油、水、盐水，其冷却能力按上述顺序递增。碳钢一般在水和盐水中淬火，合金钢导热性能比碳钢差，为防止产生过高应力，一般在油中淬火。淬火可以增加零件的硬度、强度和耐磨性。淬火时冷却速度太快，容易引起零件变形或裂纹。冷却速度太慢则达不到技术要求。因此，淬火常常是产品质量的关键所在。,回火是零件淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。所谓回火就是把淬火后的钢件重新加热到一定温度，经保温烧透后再行冷却的一种热处理操作。回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性；使金相组织趋于稳定，并获得技术上需要的性能。回火处理有以下几种：低温回火、中温回火 和高温回火,淬火加高温回火,称为调质处理。可提高钢材的综合机械性能，广泛用在中碳钢制造的工件上。,三、碳钢的分类、编号和用途,碳钢的分类 碳钢的牌号和用途,碳钢的分类,按含碳量分类 低碳钢: 0.6% 强度及硬度较高，塑性较差。按质量分类 普通碳素钢 优质碳素钢按用途分类 碳素结构钢 碳素工具钢,普通碳素结构钢牌号和用途,普通碳素钢钢号冠以“Q”，代表钢材屈服强度，后面的数字表示屈服强度数值（MPa）。如Q235钢，其屈服强度值为235MPa。必要时钢号后面可标出表示质量等级和冶炼时脱氧方法的符号。质量等级符号分为 A，B，C，D。脱氧方法符号分为F，b，Z，TZ。普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。,优质碳素结构钢牌号和用途,优质钢含硫、磷有害杂质元素较少，其冶炼工艺严格，钢材组织均匀，表面质量高，同时保证钢材的化学成分和力学性能，但成本较高。优质碳素钢的编号仅用两位数字表示，钢号顺序为08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。钢号数字表示钢中平均含碳量的万分之几。如45号钢表示钢中含碳量平均为0.45%(0.42%0.50%)。锰含量较高的优质非合金钢，应将锰元素标出，如45Mn。 依据含碳量的不同，可分为优质低碳钢（含C0.25%），如08、10、 15、20、25；优质中碳钢（含C量0.3%0.60%）,如30、35、40、45、50与55；优质高碳钢（含C0.6%），如60、65、70、80。,碳钢的品种及规格,1钢板 分薄钢板(0.2-0.4mm)和厚钢板。2钢管 钢管有无缝钢管和有缝钢管两类。3型钢 型钢主要有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。4铸钢和锻钢 铸钢用 ZG表示，牌号有 ZG25、 ZG35等，用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。锻钢有08、10、15、50等牌号。石油化工容器用锻件一般采用20、25等材料，用以制作管板、法兰、顶盖等。,（三）铸铁的牌号及用途,工业上常用的铸铁，其含碳量（质量分数）一般在2%以上，并含有 S、 P、 Si、 Mn等杂质。铸铁是脆性材料，抗拉强度较低，但具有良好的铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中具有相当好的耐腐蚀性能。铸铁生产成本低廉，因此在工业中得到普遍应用。,1灰口铸铁,由于石墨呈片状，对基体的割裂作用最大，其强度、塑性、韧性远比基体钢低，而且粗大的石墨的割裂作用更大，灰口铸铁的机械强度较其它铸铁为低。灰铸铁由铁水直接浇注而得，典型的应用如汽缸和汽缸套，机床床身、卡盘等。普通灰口铸铁不宜在300-400以上长期使用。牌号用HT（汉语拼音“灰铁”) +数字（抗拉强度的十分之一）+数字（抗弯强度的十分之一）,2可锻铸铁,是将铁水先浇注成白口铸铁（全部碳均以碳化铁形式存在）件，然后经石墨化退火而得到石墨呈团絮状形态的一种铸铁，其强度较灰铸铁高，塑性比灰铸铁好，且有一定的塑性变形能力，因此又被称为展性铸铁韧性铸铁，其可锻铸铁也是由此而得名，实际上也是不能经过锻造加工的，只是因为其较灰铸铁有一定的韧性，才称为可锻铸铁。,3.球墨铸铁,球墨铸铁简称球铁，是大体上为球状的石墨颗粒，分布在以铁为主要成分的金属基体中而构成的铸铁材料。球墨铸铁在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。在酸性介质中，球墨铸铁耐蚀性较差，但在其它介质中耐腐蚀性比灰铸铁好。它的价格低于钢。由于它兼有普通铸铁与钢的优点，从而成为一种新型结构材料。过去用碳钢和合金钢制造的重要零件，如曲轴、连杆、主轴、中压阀门等，目前不少改用球墨铸铁。球墨铸铁的牌号（GB/T1348-1988）用QT、抗拉强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示b400MPa，18表示=18%。,合金铸铁,随着铸铁在现代工业中的广泛应用，对其性能的要求愈来愈高，不仅要求具有更高的机械性能，有时还应具有某些特殊的性能如耐热性、耐蚀性及耐磨性等，为使其具有这些特殊性能，向铸铁中加入合金元素，这种加入了合金元素的铸铁即合金铸铁，如：高强度合金铸铁，耐热合金铸铁、耐磨合金铸铁、耐蚀合金铸铁等。,6-2 合金钢,随着现代工业和科学技术的不断发展，对设备零件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及物理、化学性能的要求也愈来愈高，碳钢已不能完全满足需要。合金钢就应运而生。为了改善碳钢的性能，在碳钢中熔入某些合金元素，这样得到的钢称为合金钢。合金钢的分类根据熔入合金元素的多少，合金钢可以分为低合金钢和高合金钢两类。,按合金元素总含量分为：,按用途分类：,合金元素对钢的影响,目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。,铬,铬是合金结构钢主加元素之一，在化学性能方面它不仅能提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。当其含量达到13时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。铬能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但它使钢的塑性和韧性降低。,锰、镍、硅,锰可提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。镍钢铁性能有良好的作用。它能提高淬透性，使钢具有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍能提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。硅可提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。,铝、钼,铝为强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。铝的价格比较便宜，所以在耐热合金钢中常以它来代替铬。钼能提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。,钒、钛,钒用于固溶体中可提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。钛为强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中起稳定碳的作用，减少铬与碳化合的机会，防止晶间腐蚀，还可提高耐热性。 稀土元素可提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,一、低合金钢,1.低合金钢简介低合金钢中熔合的合金元素主要是Mn、V、Nb（铌）、N、Cr、Mo等，含量大多在1以下，只有少数低合金钢，其合金元素含量可达25。加入合金元素后，钢材的屈服极限提高，并可扩大钢的使用温度范围。,合金钢牌号的表示方法,我国国家标准规定，合金钢牌号的表示方法有两种，一种是用汉字牌号，如35铬钼；另一种是用国际化学符号，如35CrMo。其中数字表示平均含碳量（质量分数）的万分数，合金元素符号后面的数字表示合金元素含量的百分数。当其含量小于1.5%时，可不标含量。如35CrMo表示这种钢的含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含 Cr、Mo在1%左右。但在特殊情况下易混淆者，在元素符号后亦可表以数字“1”；当平均质量分数1.5%、2.5%，3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4。,低合金钢牌号的表示方法,如36Mn2Si注意：钢号中的数字只反映含量平均值或大致情况。16Mn 其含碳量为0.120.20，含锰量1.21.6。0.9Mn2V 其含碳量0.12，含锰量为1.41.8，含钒量是0.04。,2.低合金钢的分类与应用,根据国家标准，低合金钢又分成两类：（1）低合金结构钢（GB1519） 是供焊接使用的低碳含量的低合金钢（2）合金结构钢（GB3077） 与低合金结构钢的主要区别是碳含量范围比较宽，一般为0.170.54。,二、高合金钢,化工设备中使用的高合金钢主要是指不锈钢和耐热钢。,1.不锈钢,不锈钢是在空气、水及一些弱腐蚀性介质中能抵抗腐蚀的合金钢。不锈耐酸钢是在酸和其他强腐蚀性介质中能抵抗腐蚀的合金钢。习惯上这两种钢统称为不锈钢。常用的不锈钢主要是铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。按其使用时的组织特征分为铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢和沉淀硬化型不锈钢五类。不锈钢的化学成分特点是铬的质量分数高，一般wCr13%。铬在氧化介质中能形成一层具有保护作用的Cr2O3薄膜，可防止钢的整个表面被氧化和腐蚀。,2.耐热钢,耐热钢是指在高温下不发生氧化，并且有较高热强性的钢。钢的耐热性包括抗氧化性(热稳定性)和高温热强性(蠕变强度)两个方面。耐热钢中主要含有铬、硅、铝等合金元素。这些元素在高温下与氧作用，在钢表面形成一层致密的高熔点氧化膜(Cr2O3、Al2O3、SiO2)，能有效地保护钢在高温下不被氧化。加入Mo、W、Ti等元素是为了阻碍晶粒长大，提高钢的高温热强性。耐热钢可分为抗氧化钢、热强钢和汽阀钢。抗氧化钢，如3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N等，主要用于长期在高温下工作但强度要求低的零件，如各种加热炉的构件、渗碳炉构件、加热炉传送带料盘等。,热强钢不仅要求在高温下具有良好的抗氧化性，而且具有较高的高温强度。常用的热强钢，如15CrMo是典型的锅炉钢，可制造在350以下工作的零件，1Cr11MoV、1Cr12WMoV有较高的热强性，良好的减震性及组织稳定性，用于汽轮机叶片、螺栓紧固件等。重要说明：高合金钢钢号中的第一个数字代表的是碳含量的千分数。例如：1Cr18Ni9Ti 表示平均碳含量为0.1,碳钢小结,1.钢中杂质对性能的影响 硅和锰是钢中有益的杂质.它们大部分溶于铁素体,使铁素体强化,提高钢的强度. 硫和磷是钢中的有害杂质.硫能引起钢的“热脆”,而磷能造成钢的“冷脆”钢中硫和磷含量越低,钢的质量越好. 含硫0.0350.05%2.碳钢的种类牌号、成分、及性能 普通碳钢 含磷0.0350.045% 按硫、磷含量高低分 优质碳钢 含硫、含磷0.6%) 碳素结构钢（见表6-1） 按钢的用途分 优质碳素结构钢（见表6-3、6-4） 碳素工具钢,6-3 有色金属及其合金,概念介绍：黑色金属、钢和有色金属一、铜及其合金二、铝及其合金三、钛四、铅,黑色金属、钢和有色金属,黑色金属是指铁和铁的合金。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和制造铸件。 把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件，这种铸铁叫铸铁件。铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。,把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。另外在工业上还采用铬、镍、锰、钼、钴、钒、钨、钛等，这些金属主要用作合金附加物，以改善金属的性能，其中钨、钛、钼等多用以生产刀具用的硬质合金。以上这些有色金属都称为工业用金属，此外还有贵重金属：铂、金、银等和稀有金属，包括放射性的铀、镭等。,有色金属及其合金的种类很多，常用的有铝、铜、铅、钛等。有色金属有很多优越的特殊性能，例如良好的导电性，导热性，密度小，熔点高，有低温韧性，在空气、海水以及一些酸、碱介质中耐腐蚀等，但有色金属价格比较昂贵。在石油、化工生产中，由于腐蚀、低温、高温、高压等特殊工艺条件，许多化工设备及其零部件经常采用有色金属及其合金。 常用有色金属及合金的代号,一、铜及其合金,铜属于半贵重金属，密度（8.94 g/cm3），铜及其合金具有高的导电性和导热性、较好的塑性、韧性及低温力学性能，在许多介质中有高耐蚀性。因此在化工生产中得到广泛应用。下面将从以下几个方面分述铜及其合金的特点：1.纯铜、2.黄铜、3.青铜, 纯铜 （Cu),纯铜呈紫红色，又称紫铜。纯铜有良好的导电、导热和耐蚀性，也有良好的塑性，在低温时可保持较高的塑性和冲击韧性，用于制作深冷设备和高压设备的垫片。铜耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸等介质的腐蚀，对淡水、大气、碱类溶液的耐蚀能力很好。铜不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。在氨和铵盐溶液中，会形成可溶性的铜氨离子Cu(NH4)32+，故不耐腐蚀。 变形纯铜的牌号 Tl、T2、T3、TU1、TU2、TP1、TP2等。T1、T2是高纯度铜，用于制造电线，配制高纯度合金。T3杂质含量和含氧量比T1、T2高，主要用于一般材料，如垫片、铆钉等。TU1、TU2为无氧铜，纯度高，主要用作真空器件。TP1、TP2为磷脱氧铜，多以管材供应，主要用于冷凝器、蒸发器、换热器、热交换器的零件等。, 黄铜（CuZn）,铜与锌的合金称黄铜。它的铸造性能良好，力学性能比纯铜高，耐蚀性能与纯铜相似，在大气中耐腐蚀性比纯铜好，价格也便宜，在化工上应用较广。 为改善黄铜的某些性能，在黄铜中加入锡、铝、硅、锰、铅等元素，所形成的合金称特种黄铜。 其中锰、铝能提高黄铜的强度；铝、锰和硅能提高黄铜的抗蚀性和减磨性；铝能改善切削加工性。 化工上常用的黄铜牌号有H80、H68、H62等（数字是表示合金内铜平均含量的百分数）。,H80在大气、淡水及海水中有较高的耐腐蚀性、加工性能优良，可作薄壁管和波纹管。 H68塑性好，可在常温下冲压成型，做容器的零件，如散热器外壳导管等。 H62在室温下塑性较差，但有较高的机械强度，易焊接，价格低廉，可做深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。 锡黄铜 HSn70-l含有1%的锡，能提高在海水中的耐蚀性。由于它首先应用于舰船，故称海军黄铜。, 青铜,除黄铜、白铜外，其余的铜合金均称为青铜。铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、铍、锰等组成的合金称无锡青铜。锡青铜分铸造锡青铜和压力加工锡青铜两种，以铸造锡青铜应用最多。锡青铜具有很高的耐腐蚀性和良好的抗磨性，古人用锡青铜铸造钟、鼎，几经沧桑而不损。 典型牌号 ZQSn10-1的锡青铜具有高强度和硬度，能承受冲击载荷，耐磨性很好，具有优良的铸造性，在许多介质中却比纯铜耐腐蚀。锡青铜主要用来铸造耐腐蚀和耐磨零件，如泵壳、阀门、轴承、蜗轮、齿轮、旋塞等。,无锡青铜(如铝青铜)的力学性能比黄铜、锡青铜好。都具有耐磨、耐蚀特点，无铁磁性，冲击时不生成火花，主要用于加工成板材、带材、棒材和线材。 补充资料：1.铜合金 是指以铜为基体加入其他元素所组成的合金。传统上将铜合金分为黄铜、白铜、青铜三大类。2.白铜 镍的质量分数含量低于50%的铜镍合金称为简单（普通）白铜，再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂（特殊）白铜。白铜是工业铜合金中耐腐蚀性能最优者，抗冲击腐蚀、应力腐蚀性能亦良好，是海水冷凝管的理想材料。,二、铝及其合金, 纯铝铝是一种银白色金属，密度小（2.7g/cm3），约为铁的三分之一，属于轻金属。铝的导电性、导热性能好，仅次于金、银和铜；塑性好、强度低（断裂强度为80100MPa，冷变形后强度可提高到150250MPa），可承受各种压力加工，并可进行焊接和切削。,铝在氧化性介质中易形成Al2O3保护膜，因此在干燥或潮湿的大气中，在氧化剂的盐溶液中，在浓硝酸以及干氯化氢、氨气中，都是耐腐蚀的。但含有卤素离子的盐类、氢氟酸以及碱溶液都会破坏铝表面的氧化膜，所以铝不宜在这些介质中使用。铝无低温脆性、无磁性，对光和热的反射能力强和耐辐射，冲击不产生火花。铝在化工生产中有许多特殊的用途。如铝不会产生火花，故常用于制作含易挥发性介质的容器；铝不会使食物中毒，不沾污物品，不改变物品颜色，因此，在食品工业中可代替不锈钢制做有关设备。铝的导热性能好，适合于作换热设备。, 铝合金,纯铝的强度很低，断裂强度只有90MPa左右，因而用纯铝来制造承受载荷的结构零件是不行的。铝中加入适量的Si，Cu，Mg，Mn等合金元素，可得到具有较高强度的铝合金。若再经过冷加工或热处理还可进一步提高其强度，甚至可提高到500600MPa，相当于低合金钢的强度。化工上常用的铝合金有防锈铝和硬铝。,1防锈铝（LF）,防锈铝是由铝锰系（Al-Mn)或铝镁(Al-Mg)组成的铝合金，化工上常用的牌号有LF2，LF3，LF5，LF11，LF25等五种，它们有适中的强度和优良的塑性，并具有良好的耐蚀性，多用来制作深冷设备，如液态空气吸附过滤器，分馏塔等。用纯铝或防锈铝制作压力容器时，容器的设计压力不应大于8MPa，设计温度为-269200，但使用LF3，LF5，LF11时，由于合金中镁的含领超过3，所以设计温度应不大于65 。,2. 硬铝,硬铝是Al-Cu-Mg系合金，这种合金的强度不但可以通过淬火得到提高，而且人们发现，把淬火后的硬铝在室温下放置45天后，它的强度会进一步有很大提高。这种淬火后的合金随时间延续而发生强化的现象称为“时效硬化”。在室温下所进行的时效为自然时效，在加热的条件下所进行的时效称为人工时效。硬铝的退火强度为200MPa，经淬火及自然时效后可提高到400MPa。所以硬铝LY12多以棒材，在化工上制作深冷设备中的螺栓及其他受力构件。,三、钛,钛的密度小（4.507g/cm3）、比强度高、耐腐蚀性好、熔点高。这些特点使钛在军工、航空、化工领域中日益得到广泛应用。典型的工业纯钛牌号有 TA0、TA2、TA3(编号愈大、杂质含量愈多)。纯钛塑性好，易于加工成型，冲压、焊接、切削加工性能良好；在大气、海水和大多数酸、碱、盐中有良好的耐蚀性。钛也是很好的耐热材料。它常用于飞机骨架、耐海水腐蚀的管道、阀门、泵体、热交换器、蒸馏塔及海水谈化系统装置与零部件。在钛中添加锰、铝或铬钼等元素，可获得性能优良的钛合金。供应的品种主要有带材、管材和钛丝等。,钛及其合金的工作温度范围宽，可在-196350 范围内使用。纯钛的强度随着温度升高而降低，而且当温度超过200 是，其塑性也会随温度升高而降低，因此钛制容器的使用温度上限为230 ，衬钛的容器使用温度上限为250 。钛的腐蚀性能中的突出特点是不发生晶间腐蚀。工业纯钛的机械性能与其所含氧、氮、碳及其它杂质的含量有关。这些元素的含量增加，钛的强度提高，塑性下降。钛及其合金可以承受锻造、冲压等压力加工。钛合金并不难焊，关键在于防止氢、氧、氮等进入焊缝，以保证焊缝的塑性。所以钛合金的焊接应在惰性气体的保护下或在真空中进行。,四、铅,铅是重金属，密度11.34g/cm3，硬度低（HB44.2）、强度小（只有钢的二十分之一），由于铅的再结晶温度低，只有1520，因而不能加工硬化。铅不宜单独作为设备材料，只适于做设备的衬里。铅的导热性差，只有钢的二分之一，铜的十分之一，不适合做换热设备的用材；纯铅不耐磨，非常软。但在许多介质中，特别是在硫酸(80%的热硫酸及92%的冷硫酸)中铅具有很高的耐蚀性。,铅与锑合金称为硬铅，它的硬度、强度都比纯铅高，在硫酸中的稳定性也比纯铅好。硬铅的主要牌号为 PbSb4、 PbSb6、 PbSb8和 PbSb10。铅和硬铅在硫酸、化肥、化纤、农药、电器设备中可用来做加料管、鼓泡器、耐酸泵和阀门等零件。由于铅具有耐辐射的特点，在工业上用作 X射线和g射线的防护材料。铅合金的自润性、磨合性和减振性好，噪音小，是良好的轴承合金。铅合金还用于铅蓄电池极板、铸铁管口、电缆封头的铅封等。,6-4 金属的腐蚀与防护,一、腐蚀的定义及分类 化学腐蚀 电化学腐蚀 物理腐蚀二、常见的几种腐蚀及其控制方法 均匀腐蚀 电偶腐蚀 应力腐蚀 缝隙腐蚀 小孔腐蚀 晶间腐蚀 高温气体腐蚀,一、腐蚀的定义及分类,金属材料表面由于受到周围介质的作用而发生状态变化，从而使金属材料遭受破坏的现象称为腐蚀。如铁生锈、铜发绿锈、铝生白斑点等。腐蚀按照其作用机理的不同，可以分成三类：一是化学腐蚀；二是电化学腐蚀；三是物理腐蚀。, 化学腐蚀,化学腐蚀是指金属与介质之间发生纯化学作用而引起的破坏。化学腐蚀的反应特点是，非电解质中的粒子直接与金属原子相互作用，电子的传递是在它们之间直接进行的，因而没有电流产生。实际上单纯化学腐蚀的例子是较少见到的。, 电化学腐蚀,电化学腐蚀是金属与介质之间由于电化学作用而引起的破坏。电化学腐蚀过程包括连给互为依存的电化学反应。阳极反应 Me Me+ e- 失电子，氧化反应阴极反应 D e- De 得电子，还原反应 金属不断地以离子状态进入介质，而将电子遗留在金属上。金属上遗留下的电子被介质中的某些物质取走，这些取走电子的物质叫去极剂。介质中的H+、氧都是去极剂。,碳钢在室温下的组织为铁素体+渗碳体。当把碳钢放在稀盐酸中时，在钢表面铁素体处发生阳极反应，而在钢表面Fe3C发生阴极去极化反应。与这一对电化学反应进行的同时，则有电子不断地从铁素体流向Fe3C。阳极反应 Fe Fe+ +2e- 阴极反应 2 H+ +2 e- H2 阳极区：铁素体是阳极，阴极区： Fe3C是阴极；而在阳极与阴极之间不断地有电子流动。这里的阳极（ Fe）和阴极（Fe3C）的数目极多，面积极小，靠的极近，通常称它为腐蚀微电池。,金属的电化学腐蚀之所以采取腐蚀微电池的形式，一方面是由于金属表面存在各种各样的电化学不均匀性，为电化学反应的空间分离准备了客观条件；另一方面则是由于这两个反应分地区进行时遇到的阻力较小，因而在能量消耗上对反应比较有力。我们应当设法尽量减少或消除金属表面的电化学不均匀性。注意：许多腐蚀破坏并不是电化学作用单独造成的。电化学作用往往和机械作用、生物作用共同导致金属的腐蚀。, 物理腐蚀,物理腐蚀是指金属由于单纯的物理溶解作用所引起的破坏。许多金属在高温熔盐、熔碱及液态金属中可发生物理腐蚀。例如用来盛放熔融新的钢容器，由于铁被液态锌所溶解，故钢容器渐渐变薄了。,二、常见的几种腐蚀及其控制方法,均匀腐蚀均匀腐蚀是腐蚀作用均匀地发生在整个金属表面。例如把钢或锌浸在稀硫酸中发生的就是均匀腐蚀。这是危险性较小的一种腐蚀，这类腐蚀可以比较准确地估计设备的寿命。而且，只要设备或零件具有一定厚度时，其力学性能因腐蚀而引起的改变并不大。, 电偶腐蚀（双金属腐蚀）,两种相互接触的不同金属浸在腐蚀性介质中，由于存在电位差，其中的一种电位较负的金属往往会遭受腐蚀，这种腐蚀就是电偶腐蚀。教材P147图6-5就是电偶腐蚀的例子。为避免电偶腐蚀，可将处于腐蚀性介质中不同的金属连接用绝缘材料隔开。, 应力腐蚀,应力腐蚀破裂是指金属在固定拉应力腐蚀和特定介质的共同作用下所引起的破裂。其应力来源可以是构件在制造（如焊接）或转配过程中的残余内应力，也可以是设备、构件在使用过程总所承受的各种应力。实验证明：只有拉应力才能引起应力腐蚀，压应力不会产生应力腐蚀。是某一材料发生应力腐蚀的介质特特定的介质，不是任意介质。例如，奥氏体不锈钢在含Cl-的水中产生应力腐蚀，而在只含NO3-的水中不产生应力腐蚀；反之，普通碳钢在含NO3-的水中产生应力腐蚀，在含Cl-的水中不产生应力腐蚀。,总之，构成一个应力腐蚀的体系要求一定的材料与一定介质的相互组合。（教材P148表6-16）金属或合金发生应力腐蚀破裂时，大部分表面实际并未遭受腐蚀，只是在局部地区出现一些由表及里的细裂纹，这些裂纹可能是穿过晶粒的，也可能是沿晶界延伸的，雷文的主干与最大拉应力垂直。随着裂纹的扩展，材料的受力截面减小，在应力腐蚀后期，材料截面缩小至一定程度，便会发生机械断裂。控制应力腐蚀破裂应从合力选材、控制应力、较弱介质的浸蚀性等方面着手解决。如：多数破裂发生在焊接残余应力区，所以要消除焊接的残余应力；在设计上应避免应力集中等。, 缝隙腐蚀,金属部件在介质中，如若金属与金属或金属与非金属之间存在特别小的缝隙，蚀缝隙内的介质处于滞流状态，从而引起缝内金属的加速腐蚀，那么这种局部腐蚀就称为缝隙腐蚀。例如在法兰的连接面间、螺母或铆钉头的底面、焊缝的气孔内及锈层的缝隙间都可能产生缝隙腐蚀。几乎所有的金属和合金都会产生缝隙腐蚀，只是对腐蚀的敏感性不同，不锈钢的敏感性比碳钢高。一般情况下，易钝化的金属与合金的敏感性总是高于不易钝化的金属与合金。,几乎所有的介质，包括中性、接近中性以及酸性的介质都会引起缝隙腐蚀 ，其中以充气的含活性阴离子（如Cl-）的中性结合最易发生。为了防止缝隙腐蚀，在设备、部件的结构设计上，以及设备的放置上，应尽量避免形成缝隙。（P149图6-8、6-9）设计的容器要使液体能完全排放干净；要避免锐角和静滞区。只有液体能够排尽，便于清洗和防止固体在器底沉积。法兰连接垫片尽可能使用不吸水的，如聚四氟乙烯。若长期停车应取下湿的垫片或填料。在设备制造上应避免缝隙的产生。（P341图11-7-2）, 小孔腐蚀,在金属表面的局部地区出现向深处发展的腐蚀小孔，这些小孔有的孤立存在，有些则密集在一起，看上去向一片粗糙的表面（P149图6-11），这种腐蚀形态称为小孔腐蚀，简称孔蚀或点蚀。孔蚀是破坏性和隐患最大的腐蚀形态之一。孔蚀引起设备穿孔破坏，但腐蚀失重小，而且检查困难。容易钝化的金属或合金如不锈钢、铝或铝合金、钛或钛合金等在含有氯离子的介质中经常发生孔蚀。碳钢在表面的氧化皮或锈层有孔隙的情况下也会出现孔蚀。总之，普通碳钢比不锈钢耐孔蚀能力高。,孔蚀通常发生在静滞的液体中，提过流速会使孔蚀减轻。例如，一台打海水的不锈钢泵如连续运转，使用很好，但如停用一段时间，就会产生孔蚀。防止缝隙腐蚀的方法一般也适用与防止孔蚀。在不锈钢中增加钼，可以提高钢在含氯离子介质中的抗孔蚀能力。另外尽量降低介质中的氯离子、碘离子的含量、也会有效减小孔蚀。, 晶间腐蚀,晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀。腐蚀是沿着金属或合金的晶粒边界和它的临近区域产生和发展，而晶粒本身的腐蚀则很轻微，这种腐蚀便称为晶间腐蚀。简单地说晶间腐蚀是指金属或合金的晶粒边界受到腐蚀破坏的现象。,金属是由许多晶粒组成，晶粒与晶粒之间称为晶间或晶界。当晶界或其临界区域产生局部腐蚀，而晶粒的腐蚀相对很小时，这种局部腐蚀形态就是晶间腐蚀。晶间腐蚀是沿晶粒边界发展，破坏了晶粒间的连续性，因而材料的机械强度和塑性剧烈降低。而且这种腐蚀不易检查，易造成突发性事故，危害性极大。大多数金属或合金在特定的腐蚀介质中都可能发生晶间腐蚀，其中奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢等均属于晶间腐蚀敏感性高的材料。在奥氏体不锈钢中加入钛和铌，采用超低碳不锈钢可以很好解决晶间腐蚀问题。, 高温气体腐蚀,1.金属的高温氧化2.钢的脱碳3.氢腐蚀,1. 金属的高温氧化,金属的高温氧化指金属和环境中的氧（含氧化性气体，如H2O，SO2，CO2等）化合而生成金属氧化物。金属氧化初始，氧被吸附于金属表面并可能反应形成氧化物膜，且迅速覆盖金属表面。固态氧化膜在一定程度上阻滞了金属与介质间的物质传递,因而起到了一定的保护作用。此后，金属的氧化将通过氧向内扩散或金属离子向外扩散而进行。如果金属氧化物的熔点较低，或金属氧化物易挥发，则当金属处在较高温度下，由于氧化物流失或逸散，使金属表面不断暴露在氧化介质中，氧化便可迅速进行。,因此，氧化膜的性质在某种程度上决定了金属的氧化过程。一般加热温度愈高，金属氧化的速度愈快。为了提高钢的高温抗氧化能力，可以在钢里加入适量的合金元素铬、硅或铝。因为这些元素与氧的亲和力强，可以生成致密的保护性的氧化物。阻止Fe2+和O2+的扩散，达到减缓氧化速度的目的。,2钢的脱碳,钢是铁碳合金，碳以渗碳体的形式存在。所