材料的性能及金属的热处理

1、1 热处理安全技术 1材料的性能 2金属材料的热处理 2 了解材料各项性能的意义、碳钢与铸铁、常用 有色金属和非金属材料的分类。 熟悉常用金属材料的机械性能指标和主要化学 成分含量。 掌握几种常用化工设备材料（普低钢和低合金 钢）的牌号、性能、用途； 掌握常用金属材料热处理的方法和作用。 3 、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，如：压力从真空到 高压甚至超高压、温度从低温到高温 以及腐蚀 性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极其复 杂的操作条件下运行。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。 4 例如：对于

2、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，还要考虑材料的疲劳等； 而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温 下的脆性断裂问题。 5 二、材料的性能 材料的性能： 材料的力学性能 材料的物理性能 材料的化学性能 1. 材料的加工性能 6 1、力学性能 力学性能是指金属材料在外力作用下抵抗变形 或破坏的能力，如强度、硬度、弹性、塑性、 韧

3、性等。这些性能是化工设备设计中材料选择 及计算时决定许用应力的依据。 7 强度 材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效 破坏的能力。 8 一般来讲，材料强度仅指材料在达到允许的变 形程度或断裂前所能承受的最大应力，像弹性 极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限和蠕变极 限等。 材料在常温下的强度指标有屈服强度和抗拉 （压）强度。 9 屈服强度表示材料抵抗开始产生大量塑性变形的 应力。 抗拉强度表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应 力。 在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需要考 虑屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比），根据不同的 设备要求，其比值应适当。 屈强比较小材料制造的零件具有较高的安全可

4、靠性，因 为在工作时万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度 提高而不致立刻断裂。但如果屈强比太低，则材料强度 的利用率会降低。因此，过大、过小的屈强比都是不适 宜的。 10 在化工炼油设备中，很多零部件是长期在高温 下工作的，对于制造这些零部件的金属材料的 屈服限s、抗拉强度限b都会发生显著变化， 必须考虑温度对力学性能的影响。通常随着温 度升高，金属的强度降低而塑性增加。 11 另外，金属材料在高温长期工作时，在一定应力 下，会随着时间的延长缓慢地不断发生塑性变化 的现象，称为“蠕变”现象。 例如，高温高压蒸汽管道虽然其承受的应力远小于工作 温度下材料的屈服点，但在长期的使用中则会产生缓慢

5、而连续的变形使管径日趋增大，最后可能导致破裂。 材料在高温条件下抵抗这种缓慢塑性变形的能力， 用蠕变极限n表示。 蠕变极限是指试样在一定温度下和在规定的持续 时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或 第阶段的蠕变速度等于某规定值时的最大应力。 12 对于长期承受交变应力作用的金属材料，还有考 虑“疲劳破坏”。 所谓“疲劳破坏”是指金属材料在小于屈服强度 极限的循环载荷长期作用下发生破坏的现象。 疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷下 显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都不产 生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此具 有很大的危险性，常常造成严重的事故。 13 硬度 硬度是指固体材料对

6、外界物体机械作用（如压陷、刻划）的局 部抵抗能力。 它是由采用不同的试验方法来表征不同的抗力。硬度不是金属 独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性 能指标。 在工程技术中应用最多的是压入硬度，常用的指标有布氏硬度 (HB)、洛氏硬度(HRC、 HRB)和维氏硬度(HV)等。所得到的 硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗压入物体(钢球或锥 体)所引起局部塑性变形的抗力大小。 一般情况下，硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，而切 削加工性能较差。 14 根据经验， 大部分金属的硬度和强度之间有如 下近似关系： 低碳钢 sb0.36 HB 高碳钢 sb0.34 HB 灰铸铁 sb0.1

7、 HB 因而可用硬度近似地估计抗拉强度。 15 （三）塑性 塑性是材料或物体受力时,当应力超过弹性极限 后,应力与变形不再是线性关系,产生残余变形 (塑性变形)而不立即断裂的性质。 工程上一般以延伸率或断面收缩率作为材料的 塑性指标,通常以延伸率大于5%的材料划分为 塑性材料。 延伸率的大小与试件尺寸有关，为了便于进行 比较，须将试件标准化。断面收缩率的大小与 试件尺寸无关。 16 材料的延伸率与断面收缩率值愈大，材料塑性 愈好。塑性指标在化工设备设计中具有重要意 义，有良好的塑性才能进行成型加工，如弯卷 和冲压等；良好的塑性性能可使设备在使用中 产生塑性变形而避免发生突然的断裂。承受静 载荷

8、的容器及零件，其制作材料都应具有一定 塑性，一般要求d51020。过高的塑性 常常会导致强度降低。 17 （四）韧性 对于承受波动或冲击载荷的零件及在低温条件 下使用的设备，其材料性能仅考虑以上几种指 标是不够的，必须考虑抗冲击性能。 材料的抗冲击能力常以使其破坏所消耗的功或 吸收的能除以试件的截面面积来衡量，称为材 料的冲击韧度，以k表示，单位J/cm2。 18 韧性可理解为材料在外加动载荷突然袭击时的 一种及时并迅速塑性变形的能力。 韧性高的材料一般都有较高的塑性指标，但塑 性指标较高的材料，却不一定具有较高的韧性， 原因是在静载下能够缓慢塑性变形的材料，在 动载下不一定能迅速地塑性变形。

9、因此，冲击 值的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能 力。 19 材料力学性能的各因素之间是相互联系又相互 制约的，有些材料强度较高，但它的伸长率及 冲击韧性却很低。 因此选材时不能只看其单一的性能指标，而应 对材料力学性能的诸因素作全面分析。 20 2、物理性能 金属材料的物理性能有密度、熔点、比热容、 热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模 量与泊松比等。 单位质量的某种物质温度升高1吸收的热量 叫做这种物质的比热容 热导率，或称“导热系数”，是物质导热能力 的量度。 线膨胀系数：温度每变化1度材料长度变化的 百分率。 21 弹性模量： 在比例极限内，材料所受应力（如 拉伸，压缩，弯曲，

10、扭曲，剪切等）与材料产 生的相应应变之比 泊松比：在材料的比例极限内，由均匀分布的 纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变 之比的绝对值 22 熔点低的金属和合金，其铸造和焊接加工都较容 易，工业上常用于制造熔断器等零件；熔点高的 合金则可用于制造要求耐高温的零件。 金属及合金受热时，一般都会有不同程度的体积 膨胀，因此双金属材料的焊接，要考虑它们的线 膨胀系数是否接近，否则会因膨胀量不等而使容 器或零件变形或损坏。有些设备的衬里及其组合 件，其线膨胀系数应和基本材料相同，以免受热 后因热胀量不同而松动或破坏。 23 3、化学性能 金属的化学性能是指材料在所处介质中的化学 稳定性，即材料是否

11、会与周围介质发生 化学或 电化学作用而引起腐蚀。金属的化学性能指标 主要有耐腐蚀性和抗氧化性。 24 耐腐蚀性 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种 电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。化工生 产中所涉及的物料，常会有腐蚀性。材料的耐 蚀性不强，必将影响设备使用寿命，有时还会 影响产品质量。 25 抗氧化性 在化工生产中，有很多设备和机械是在高温下操 作的，如氨合成塔、硝酸氧化炉、石油气制氢转 化炉、工业锅炉、汽轮机等。 在高温下，钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀，使 钢铁表面形成结构疏松容易剥落的FeO氧化皮；还 会与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气体产生高 温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能下降

12、，特别 是降低了材料的表面硬度和抗疲劳强度。因此， 高温设备必须选用耐热材料。 26 3、加工工艺性能 金属和合金的加工工艺性能是指可铸造性能、 可锻造性能、可焊性能和可切削加工性能等。 这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工 艺方法和质量。故加工工艺性能是化工设备选 材时必须考虑的因素之一。 27 可铸性 可铸造性主要是指液体金属的流动性和凝固过程 中的收缩和偏析倾向(合金凝固时化学成分的不均 匀析出叫偏析)。 流动性好的金属能充满铸型，故能浇铸较簿的与 形状复杂的铸件。 铸造时，熔渣与气体较易上浮，铸件不易形成夹 渣与气孔，且收缩小。铸件中不易出现缩孔、裂 纹、变形等缺陷，偏析小，铸件各

13、部位成分较均 匀。这些都使铸件质量有所提高。 合金钢与高碳钢比低碳钢偏析倾向大，因此，铸 造后要用热处理方法消除偏析。 常用金属材料中，灰铸铁和锡青铜铸造性能较好。 28 可锻性 可锻性是指金属承受压力加工(锻造)而变形的 能力，塑性好的材料，锻压所需外力小，可锻 性好。 低碳钢的可锻性比中碳钢及高碳钢好； 碳钢比合金钢可锻性好。 铸铁是脆性材料，目前，尚不能锻压加工。 29 焊接性 这是指能用焊接方法使两块金属牢固地联接， 且不发生裂纹，具有与母体材料相当的强度， 这种能熔焊的性能称焊接性。 焊接性好的材料易于用一般焊接方法与工艺进 行焊接，不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷， 焊接接头强度与母

14、材相当。 低碳钢具有优良的焊接性，而铸铁、铝合金等 焊接性较差。化工设备广泛采用焊接结构，因 此材料焊接性是重要的工艺性能。 30 可切削加工性 切削加工性是指金属是否易于切削。 切削性好的材料，刀具寿命长，切屑易于折断 脱落，切削后表面光洁。 灰铸铁(特别是HT150、HT200)、碳钢都具有较 好的切削性。 31 三、碳钢与铸铁 钢和铸铁是工程应用最广泛、最重要的金属材 料。它们是由95以上的铁和0.054的碳 及1左右的杂质元素所组成的合金，称“铁 碳合金”。 一般含碳量在0.022者称为钢； 大于2者称为铸铁； 当含碳量小于0.02时，称纯铁(工业纯铁)； 含碳量大于4.3的铸铁极脆，

15、后二者的工程应 用价值都很小。 32 1、铁碳合金的组织结构 金属的组织与结构 纯铁的同素异构转变 碳钢的基本组织 ：铁素体、奥氏体、渗碳体、 珠光体、莱氏体、马氏体 33 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（两种或两种以 上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂 晶格原来形式的物体）、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。 34 2、钢的热处理 钢、铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却 方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化 学与力学

16、性能，这种加工工艺称为热处理。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： 35 与热处理有关的名词解释 金属 具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电 能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物 质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。 金属 合金 由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属 特性的物质。 相 指金属或合金中化学成分相同、晶格结构相同，或原子 聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均 匀组成部分。 组织 组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能 观察分辨的材料

17、内部微观形貌图像。 固溶体 固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另 一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固 态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。 固溶强化 由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生 畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化 现象。 化合物 合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属 性能的新的晶体固态结构。 珠光体 机械混合物 由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是 两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的 机械性能。 铁素体 碳在-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶 体。 奥氏体 碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

18、 渗碳体 碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）。 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物（Fe+Fe3C 含碳 0.77%） 莱氏体 渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%） 40 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

19、显著提高。铸、锻件在 切削加工前一般要进行退火或正火。 41 淬火和回火 淬火是将工件加热至淬火温度(临界点以上30 50)，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。 42 回火是零件淬火后进行的一种较低温度的加

20、热 与冷却热处理工艺。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。 43 回火处理有以下几种： 低温回火: 淬火后的零件在150250范围内的回火称 “低温回火”。低温回火后的组织主要是回火 马氏体。它具有较高的硬度和耐磨性，内应力 和脆性有所降低。当要求零件硬度高、强度大、 耐磨时，如刃具、量具，一般要进行低温回火 处理。 44 中温回火: 当要求零件具有一定的弹性和韧性，并有较高 硬度时，可采用中温回火。中温回火温度是 300450。要求强度高的轴类、刀杆、轴 套等一般进行中温回火。 45 高温回火: 要求零件具有强度、韧性、塑性等都较好

21、的综 合性能时，采用高温回火。高温回火温度为 500680。这种淬火加高温回火的操作， 习惯上称为调质处理。由于调质处理比其它 热处理方法能更好地改善综合力学性能，故广 泛应用于各种重要零件的加工中，如各种轴类 零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。 46 45号钢经正火与调质两种不同热处理后的力学 性能比较。 47 此外，生产上还采用时效热处理工艺。 所谓时效是指材料经固溶处理或冷塑变形后， 在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时 间而变化的过程。时效可进一步消除内应力， 稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。 48 3、碳钢 常存杂质元素对钢材性能的影响 普通碳素钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、

22、硅 (Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H） 等元素。 这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是 由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。 这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材 的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作 了严格的规定。 49 硫： 硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。 硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和 Fe形成低熔点 (985)化合物。而钢材的热加工温度一般在11501200以上， 所以当钢材热加工时，由于 FeS化合物的过早熔化而导致工件 开裂，这种现象称为“热脆”。 含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量

23、进行控制。 高级优质钢：S0.02%0.03%； 优质钢：S0.03%0.045%； 普通钢：S0.055%0.7%以下。 50 磷：磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害 元素。 磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、 冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材 显著变脆，这种现象称“冷脆”。 冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高， 冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。 高级优质钢： P0.025%； 优质钢： P0.04%； 普通钢： P0.085%。 51 锰 ：锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。 由于锰可以与硫形成高熔点(1600)的 MnS，一定 程度上消除了硫的有害作用。锰具

24、有很好的脱氧 能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而 改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的 强度和硬度。 因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢 中含锰量在0.5%0.8%以下时，把锰看成是常存 杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正 常含锰量是0.5%0.8%；而较高含锰量的结构钢 中，其量可达0.7%1.2%。 52 硅 ：硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元 素。 硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉 渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。 硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加， 塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在 0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0

25、.03%0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影 响不大。 53 氧：氧在钢中是有害元素。 它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼 钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不 可能除尽。 氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂 形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳 强度、冲击韧性等有严重影响。 54 氮 ：铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过 饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在 200300加热就会发生氮以氮化物形式的析 出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发 生时效。 钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固 定在AlN、TiN或VN中，可消除时

26、效倾向。 55 氢 ：钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。 白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面 中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上 则是细长的发丝状裂纹。 锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成 不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点 存在。 氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低 温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢 原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺 陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能 扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了 钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。 56 分类与编号 根据实际生产和应用的需

27、要，可将碳钢进行分 类和编号。分类方法有多种: 57 普通碳素钢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。 58 脱氧方法符号F是指只用弱脱氧剂 Mn脱氧，脱氧 不完全的沸腾钢。这种钢在钢液往钢锭中浇注后， 钢液在锭模中发生自脱氧反应，钢液中放出大量 CO气体，出现“沸腾”现象，故称为沸腾钢； 若在熔炼过程中加入硅、铝等强氧化剂，钢液完 全脱氧，则称镇静钢，以Z表示,一般情况Z省

28、略不 标； 脱氧情况介于以上二者之间时，称半镇静钢，用 符号b；采用特殊脱氧工艺冶炼时脱氧完全，称特 殊镇静钢，以符号TZ表示。化工压力容器用钢一 般选用镇静钢。 59 普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。 其中屈服强度为235MPa的Q235-A有良好的塑 性、韧性及加工工艺性，价格比较便宜，在化 工设备制造中应用极为广泛。 Q235-A板材用作常温低压设备的壳体和零部 件， Q235-A棒材和型钢用作螺栓、螺母、支 架、垫片、轴套等零部件，还可制作阀门、管 件等等。 60 优质碳素钢：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

29、，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。 61 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。 62 优质低碳钢的

30、强度较低，但塑性好，焊接性能好。 在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接 管、法兰的垫片包皮(08、10)。优质中碳钢的强度 较高、韧性较好，但焊接性能较差，不适宜做化 工设备的壳体。但可作为换热设备管板，强度要 求较高的螺栓螺母等。 45号钢常用作化工设备中的传动轴(搅拌轴)。 优质高碳钢的强度与硬度均较高。60、65钢主要 用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。 63 高级优质钢：高级优质钢比优质钢中含硫、磷 量还少（均0.03%）。 它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字， 如20A 64 碳钢的品种及规格 钢板 钢板厚度4mm6mm厚度间隔为0.5mm 钢板厚度6mm30mm

31、厚度间隔为 lmm 钢板厚度30mm60mm厚度间隔为2mm 65 钢管 ：钢管有无缝钢管和有缝钢管两类。 无缝钢管有冷轧和热轧，冷轧无缝钢管外径和 壁厚的尺寸精度均较热轧为高。普通无缝钢管 常用材料有10、15、20等。另外，还有专门用 途的无缝钢管，如热交换器用钢管、石油裂化 用无缝管、锅炉用无缝管等。 有缝管、水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌 (黑铁管)两种。 66 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。 各种型钢的尺寸和技术参数可参阅附录和有关 标准。 圆钢与方钢主要用来制造各类轴件； 扁钢常用作各种桨叶； 角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔

32、 盘支承及各种加强结构。 67 铸钢和锻钢：铸钢用 ZG表示，牌号有 ZG25、 ZG35等 铸钢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。 68 四、铸铁 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。 铸铁可分

33、为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨 铸铁和特殊性能铸铁等。 69 灰铸铁 灰铸铁中的碳大部或全部以自由状态的片状石墨形式存在，断 面呈暗灰色，一般含碳量在2.7%4.0%。灰铸铁的抗压强度较 大，抗拉强度很低，冲击韧性低，不适于制造承受弯曲、拉伸、 剪切和冲击载荷的零件。但它的耐磨性、耐蚀性较好，与其它 钢材相比，有优良的铸造性、减振性能，较小的缺口敏感性和 良好的可加工性，可制造承受压应力及要求消振、耐磨的零件， 如支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。在化工生产中可做 烧碱生产中的熬碱锅、联碱生产中的碳化塔及淡盐水泵等。 GB/T9439-1988中，灰铸铁的牌号用名称HT（灰铁二字的汉语

34、 拼音第一个字母）和抗拉强度b值表示，如 HT100，其中100 表示b 100MPa。常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。 70 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

35、。 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b 400MPa，18表示=18%。 71 高硅铸铁 高硅铸铁是特殊性能铸铁中的一种，是往灰铸铁 或球墨铸铁中加入一定量的合金元素硅等熔炼而 成的。高硅铸铁具有很高的耐蚀性能，且随含硅 量的增加耐蚀性能增加。高硅铸铁强度低、脆性 大及内应力形成倾向大，在铸造加工、运输、安 装及使用过程中若处之不当易于脆裂。高硅铸铁 热导率小，线膨胀系数大，故不适于制造温差较 大的设备，否则容易产生裂纹。它常用于制作各 种耐酸泵、冷却排管和热交换器等。 高硅铸铁的牌号有：STSi11Cu2CrR、

36、STSi15R、 STSi15Mo3R等 72 五、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。合金钢是为得到或改善某些 性能，在碳钢中添加适量的一种或多种合金元 素所制成的钢。 73 合金钢的分类与编号 通常按合金元素总含量分为： 低合金钢合金元素含量5% 中合金钢合金元素含量5%10% 高合金钢合金元素含量10% 按用途分为： 74 我国国家标准规定，合金钢牌号的表示方法有两 种： 汉字牌号，如35铬钼； 用国际化学符号，如35CrMo。 其中数字表示平均含碳量（质量分数）的万分之几，

37、合 金元素符号后面的数字表示合金元素含量的百分数。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。如36Mn2Si。 75 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。 76 铬是合金结构钢主加元素之一，在化学性能方面它不仅

38、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。 77 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。 铝为强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性

39、。 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。 78 可焊接的低合金高强度结构钢 可焊接的低合金高强度钢碳含量通常小

40、于 0.25%。它比碳钢有较高的屈服强度（300 1000MPa）和屈强比（ss/sb=0.650.95），较 好的冷热加工性能、良好的焊接性能，较低的 冷脆倾向以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。 79 （1）高强度钢 按强度级别大致分为 350MPa强度级（s为300MPa450MPa），典型 牌号为16Mn； 400MPa强度级（ s为500MPa550MPa），典型 钢号为14MnMoV和500MPa。 强度级（ s为600MPa1000MPa），典型钢号为 12MnNiCrMoVCu。 这类钢用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等 的焊接结构件。 80 （2）低温钢 由于钢的高强度

41、而有较低的韧-脆转变温度。主 要钢号有09Mn2V（-70）、06MnNb（-90） 等，用于制造低温设备的零部件。 81 （3）耐蚀钢 对大气、海水、硫化氢等环境有一定的耐蚀性，如 10MnPNbRE钢能耐海洋大气及海水腐蚀，12MnAlV钢适于制 造炼油厂用的耐高温硫化氢设备。 低合金高强度钢可轧制成 各种钢材，如板材、管材、棒材、型材等。大型化工容器采用 16MnR制造，质量比用碳钢减轻 l/3；与碳钢相比，用15MnV 制造球形贮罐可节省钢材约45%。用15MnTi代替20g制造合成 塔，也可节省钢材。 化工设备用低合金高强度钢，除要求强 度外，还要求有较好的塑性和焊接性能，以利于设备

42、加工。强 度较高者，其塑性与焊接性便有所降低。这是由于含较多合金 元素产生过大硬化作用造成的。因此，必须根据容器的具体操 作条件(温度、压力)和制造加工(卷板、焊接)要求，选用适当 强度级别的钢种。 82 专业用钢 为适应各种条件用钢的特殊要求，对低合金钢 的成分、工艺及性能作了相应的调整和补充规 定，发展了许多专门用途的钢材，如锅炉用钢， 压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。 它们的编号方法是在钢号后面分别加注 g、 R 或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。这类 钢质地均匀、杂质含量低，能满足某些力学性 能的特殊检验项目要求。 83 特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理性能或化学性

43、能 的钢。 不锈钢 耐热钢和高温合金 低温用钢 84 不锈钢 不锈钢通常是不锈钢和耐酸钢的统称，也称不锈 耐酸钢。一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质 的钢为不锈钢，称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介 质的钢为耐酸钢。 不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般均有良好的不 锈性能。 对不锈钢最重要的性能要求是良好的耐 蚀性，合适的力学性能，优良的冷热加工和成型 性，以及焊接性能。不锈钢种类繁多，性能各异， 通常按钢的金相组织分为铁素体不锈钢、奥氏体 不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢和马氏体不锈 钢等。 85 铁素体不锈钢 以铬为主要合金元素，一般含碳0.15，铬量 在1230。有些钢种还含有钼、钛等元素。 在铬

44、不锈钢中，起耐腐蚀作用的主要元素是铬。 当钢中铬的质量分数达到12%左右时，能使钢 的表面形成一层极薄且致密的铬氧化膜，阻止 了钢基体被继续侵蚀，使钢在氧化性介质中的 耐蚀性发生突变性上升。 86 铬不锈钢耐蚀性的强弱取决于钢中的含碳量和含铬量，而且含 铬量愈多耐蚀性愈好。 但是由于钢中碳元素的存在，使其与铬形成铬的碳化物(如 Cr23C6等)而消耗了铬，致使钢中的有效铬含量减少，降低了 钢的耐蚀性，故不锈纲中的含碳量都是较低的。 为了确保不锈钢具有耐腐蚀性能，使其含铬量大于12%，实际 应用的不锈钢中的平均含铬量都在13以上。此类钢的不足之 处是，对晶间腐蚀比较敏感；当铬含量高时，脆性转变温

45、度高， 可焊性较差。铁素体不锈钢的应用广泛性仅次于奥氏体不锈钢， 常用的钢种有 lCr13、2Cr13、0Cr13、0Cr17Ti等。 87 lCr13(含碳量015)、2Cr13(含碳量平均为02)等钢 铸造性能良好，经调质处理后有较高的强度与韧性，焊接性能 尚好。耐蒸汽、潮湿大气、淡水和海水的腐蚀，对弱腐蚀性介 质(如盐水溶液、硝酸、低浓度有机酸等)温度较低（30） 时也有较好的耐蚀性。在硫酸、盐酸、热硝酸、熔融碱中耐蚀 性较低。主要用在化工机器中制造受冲击载荷较大的零件，如 阀、阀件、塔盘中的浮阀、石油裂解设备、高温螺栓、导管及 轴与活塞杆等。 0Cr13、0Cr17Ti等钢种含C量少(

46、含碳量 C008时，标 注0；含碳量 C0.03%时，标注00)含Cr量较多。它们具有较 好的塑性，但韧性较差。它们能耐氧化性酸(如稀硝酸)和硫化 氢气体的腐蚀，所以可部分代替高铬镍型不锈钢。如可制作硝 酸厂和维尼纶厂耐冷醋酸和防铁锈污染产品的耐蚀设备。 88 奥氏体不锈钢 以铬镍为主要合金元素的奥氏体不锈钢是应用 最为广泛的一类不锈钢,此类钢包含Cr18Ni8系 不锈钢以及在此基础上发展起来的含铬镍更高, 并含钼、硅、铜等合金元素的奥氏体类不锈钢。 这类钢的特点是，具有优异的综合性能，包括 优良的力学性能，冷、热加工和成型性，可焊 性和在许多介质中的良好耐蚀性，是目前用来 制造各种贮槽、塔器

47、、反应釜、阀件等化工设 备最广泛的一类不锈钢材。 89 铬镍不锈钢除像铬不锈钢一样具有氧化铬薄膜的 保护作用外，还因镍能使钢形成单一奥氏体组织 而得到强化，使得在很多介质中比铬不锈钢更具 耐蚀性。如对浓度65%以下，温度低于70或浓 度60%以下、温度低于100的硝酸，以及对苛性 碱(熔融碱除外)、硫酸盐、硝酸盐、硫化氢、醋酸 等都很耐蚀。但对还原性介质如盐酸、稀硫酸则 是不耐蚀的。在含氯离子的溶液中，有发生晶间 腐蚀的倾向，严重时往往引起钢板穿孔腐蚀。 90 晶间腐蚀:在400800的温度范围内，碳 从奥氏体中以碳化铬（Cr23C6）形式沿晶界 析出，使晶界附近的合金元素（铬与镍）含铬 量降低到耐腐蚀所需的最低含量（12%）以下， 腐蚀就在此贫铬区产生。这种沿晶界的腐蚀称 为晶间腐蚀。 发生晶间腐蚀后，钢材会变得脆、强度很低， 破坏无可挽回。为了防止晶间腐蚀，可采取以 下几种方法。 91 （1） 在钢中加入与碳亲合力比铬更强的钛、铌等元素，以形 成稳定的TiC、NbC等，将碳固定在这些化合物中，可大大减 少产生晶间腐蚀的倾向。如0Cr18Nil