压力容器材料

关于压力容器材料第一页，共一百二十页，2022年，8月28日压力容器设计正确的应力分析和强度计算合理的材料选择时间效应、环境作用（充分考虑）第二页，共一百二十页，2022年，8月28日2●2.1压力容器材料2.1.1压力容器常用钢材2.1.2有色金属和非金属●2.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响2.2.1塑性变形2.2.2焊接本章主要内容2.2.3热处理第三页，共一百二十页，2022年，8月28日3●2.4压力容器材料选择2.4.1压力容器用钢的基本要求2.4.2压力容器钢材的选择●2.3环境对压力容器用钢性能的影响2.3.1温度2.3.2介质2.3.3加载速率第四页，共一百二十页，2022年，8月28日42.1

压力容器材料2.1.1压力容器常用钢材2.1.2有色金属和非金属第五页，共一百二十页，2022年，8月28日52.1.1压力容器常用钢材一、钢材形状主要是板、管材和锻件(按钢材供应形式)（1）钢板壳体、封头、板状构件等下料、卷板、焊接、热处理较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能主要用途：加工要求:性能要求：第六页，共一百二十页，2022年，8月28日6（2）钢管接管、换热管等无缝钢管、卷制下料、焊接、热处理较高的强度、良好的塑性、韧性、焊接性能主要用途：主要来源：加工要求:性能要求：第七页，共一百二十页，2022年，8月28日7（3）锻件高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。级别越高，要求检验项目越多，越严格，价格越高。主要用途：分级：第八页，共一百二十页，2022年，8月28日8二、钢材类型（按冶金方法分类）（按炉别）（按脱氧程度）平炉钢转炉钢电炉钢沸腾钢如Q235-A·F镇静钢如Q235-A(Z)半镇静钢如Q235-A·b第九页，共一百二十页，2022年，8月28日9（按用途分类）结构钢工具钢特殊性能钢专用钢（按品质分类）普通钢优质钢如Q235-A如20,20R第十页，共一百二十页，2022年，8月28日10碳素钢低合金钢高合金钢（按化学成分分类）C≤0.25%工业纯铁低碳钢中碳钢高碳钢0.25%＜C≤0.6%C＞0.6%含合金总量≤3%高碳C＞0.08%低碳C≤0.08%超低碳C≤0.03%超纯C≤0.01%第十一页，共一百二十页，2022年，8月28日111、碳素钢含碳量小于2.06％的铁碳合金。以及含少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。压力容器用钢碳素结构钢压力容器专用钢板Q235-B,Q235-C10、20钢钢管；

20、35钢锻件。20R（R表示压力容器专用钢板）20R的特点和应用场合：强度低，塑性和可焊性较好,价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。第十二页，共一百二十页，2022年，8月28日1220R是在20钢基础上发展起来的,是容器专用钢;对s、p等有害元素控制更加严格;对钢材的表面质量和内部缺陷的要求也更高;比20钢多了冲击韧性要求.20R和20的区别：第十三页，共一百二十页，2022年，8月28日132、低合金钢◆是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。(1)特点及优点◆采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。第十四页，共一百二十页，2022年，8月28日1416MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR;(2)压力容器常用低合金钢：16Mn、09MnD;16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo。（D表示低温用钢）钢板钢管锻件第十五页，共一百二十页，2022年，8月28日15(3)应用介绍a.16MnR◆屈服点为340MPa级的压力容器专用钢板◆是我国压力容器行业使用量最大的钢板◆具有良好的综合力学性能、制造工艺性能◆主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器第十六页，共一百二十页，2022年，8月28日16b.16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR◆低温压力容器用钢，工作在-20℃及更低温度的压力容器专用钢板16MnDR可用于-40℃的钢种液氨储罐等设备（降低碳含量，并加镍和微量钒）15MnNiDR提高了低温韧性-40℃级低温球形容器09MnNiDR-70℃级低温压力容器用钢用于制造液丙烯（-47.7℃）、液硫化氢（-61）℃等设备第十七页，共一百二十页，2022年，8月28日17c.15CrMoR◆低合金珠光体热强钢◆中温抗氢钢板◆用于制造壁温不超过560℃的压力容器第十八页，共一百二十页，2022年，8月28日18d.20MnMo、09MnNiD、2.25Cr-1Mo锻件20MnMo常制造使用温度为-40～470℃的重要大中型锻件良好的热加工和焊接工艺性能09MnNiD良好的低温韧性常制造使用温度为-40～45℃的低温容器12Cr1MoV较高的热强性、抗氧化性和良好的焊接性能常制造高温（350～480℃）、高压（～25MPa）、临氢压力容器2.25Cr-1Mo第十九页，共一百二十页，2022年，8月28日193、高合金钢压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢铬钢铬镍钢铬镍钼钢第二十页，共一百二十页，2022年，8月28日20（1）铬钢：但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀0Cr13是常用的铁素体不锈钢有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性第二十一页，共一百二十页，2022年，8月28日21（2）铬镍钢0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10这三种钢均属于奥氏体不锈钢。但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196℃～600℃温度范围内长期使用。为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。0Cr18Ni9在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳0Cr18Ni10Ti00Cr19Ni10第二十二页，共一百二十页，2022年，8月28日22（3）铬镍钼钢：耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。00Cr18Ni5Mo3Si2是奥氏体-铁素体双相不锈钢第二十三页，共一百二十页，2022年，8月28日23复合板基层：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/10~1/3。复合板应用特点：①用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。②复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。第二十四页，共一百二十页，2022年，8月28日24

压力容器零部件间焊接还需要焊条、焊丝、焊剂、电极和衬垫等焊接材料。一般应根据待连接件的化学成分、力学性能、焊接性能，结合压力容器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过试验确定。压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。焊接材料：第二十五页，共一百二十页，2022年，8月28日252.1.2有色金属和非金属一、有色金属使用状态：在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号压力容器常用有色金属：铜及其合金铝及其合金镍及镍合金钛及钛合金第二十六页，共一百二十页，2022年，8月28日26

在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是在低温下保持较高的塑性及冲击韧性。1、铜及其合金特性：应用：是制造深冷设备的良好材料。第二十七页，共一百二十页，2022年，8月28日272、铝及其合金特性：◆铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；◆在低温下具有良好的塑性和韧性；◆使用温度范围为-269~200℃；◆有良好的成型和焊接性能。应用：可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备第二十八页，共一百二十页，2022年，8月28日283、镍及镍合金特性：应用：在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，比耐热钢有更好的抗高温强度，最高使用温度可达900℃。由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。第二十九页，共一百二十页，2022年，8月28日294、钛及钛合金特性：应用：◆对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液；◆具有密度小（=4510kg/m3）、强度高（相当于20R）、低温性能好、粘附力小等优点；◆但单位质量价格高，比一般钢材高20倍左右；◆使用温度仅限于350℃以内。在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济效果。第三十页，共一百二十页，2022年，8月28日30二、非金属材料用途：它既可以单独用作结构材料，也可用作金属材料保护衬里或涂层,还可以用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。压力容器用非金属材料要求：除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，好的热稳定性，良好的加工制造性能。缺点：大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低(除玻璃钢外)。第三十一页，共一百二十页，2022年，8月28日31压力容器常用非金属材料：涂料工程塑料不透性石墨搪瓷陶瓷第三十二页，共一百二十页，2022年，8月28日321、涂料涂料是一种有机高分子胶体的混合物，将其均匀地涂在容器表面上能形成完整而坚韧的薄膜，起耐腐蚀和保护作用。第三十三页，共一百二十页，2022年，8月28日33热塑性塑料热固性塑料在一定温度下可以变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，再加热又软化；Eg.如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等；可用作制造低压容器的壳体、管道,也可用作密封元件、衬里等的材料。2、工程塑料第三十四页，共一百二十页，2022年，8月28日343、不透性石墨

具有良好的化学稳定性、导电性和导热性，可用于制造热交换器。4、陶瓷

具有良好的耐腐蚀性能，且有一定的强度，被用来制造塔、贮槽、反应器和管件。第三十五页，共一百二十页，2022年，8月28日355、搪瓷◆搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过9000C左右的高温锻烧，使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。◆它具有优良的耐蚀性，较好的耐磨性，广泛用作耐腐蚀、不挂料的反应罐、贮罐、塔和反应器等。第三十六页，共一百二十页，2022年，8月28日36▲具有重量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，是一种很有发展前途的压力容器材料，已被用于制造天然气钢瓶、液化石油气储罐等产品。复合材料第三十七页，共一百二十页，2022年，8月28日37第二章压力容器用材以及环境和时间对其材料性能的影响2.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响MATERIALSFORPRESSUREVESSELSANDINFLUENCESOFENVIRORMENTANDTIMEONPROPERTIESOFTHESEMATERIALS第三十八页，共一百二十页，2022年，8月28日38压力容器制造冷、热加工焊接组对热处理（必要时）塑性变形焊接工艺热处理研究冷或热压力加工造成的塑性变形、焊接工艺和热处理对钢材性能的影响第三十九页，共一百二十页，2022年，8月28日392.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响2.2.1塑性变形2.2.2焊接2.2.3热处理第四十页，共一百二十页，2022年，8月28日402.2.1塑性变形材料在载荷下的变形弹性变形塑性变形或永久变形第四十一页，共一百二十页，2022年，8月28日41一、应变硬化二、热加工和冷加工★三、各向异性四、应变时效材料在塑性变形中内部性能的变化：第四十二页，共一百二十页，2022年，8月28日42一、应变硬化见应力-应变曲线图从该曲线可以看到，从d卸载后，d′g表示消失了的弹性变形,而od′表示不再消失的塑性变形。卸载后，在短时间内再次加载，则应力应变关系按照dd′变化，到了d以后，按照def变化。到d以前材料都是弹性的，以后才出现塑性变形。相当于形成了新的材料曲线。比较，可见在第2次加载时，其比例极限提高了，但塑性变形和延伸率却有所减低。表明在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象称为应变硬化。（加工硬化、冷做硬化）——材料力学应变硬化经退火，可消失。加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低第四十三页，共一百二十页，2022年，8月28日43凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形在再结晶温度以下进行的塑性变形二、冷加工和热加工冷、热加工的分界线—从金属学的观点来区分，是金属的再结晶温度。热加工或热变形—特点:热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。冷加工或冷变形—特点:冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。第四十四页，共一百二十页，2022年，8月28日44▲钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。第四十五页，共一百二十页，2022年，8月28日45三、各向异性非金属夹杂物热加工纤维组织呈纤维状金属再结晶带状组织金属材料力学性能产生方向性a、平行纤维组织方向的强度、塑性和韧性提高，b、垂直方向的塑性和韧性降低c、变形越大，性能差异越明显因势利导：纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。第二项合金第四十六页，共一百二十页，2022年，8月28日46四、应变时效冷加工应用举例：筒节冷卷封头冷旋压应变时效经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。第四十七页，共一百二十页，2022年，8月28日47应变时效危害降低应变时效的措施发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量;加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。第四十八页，共一百二十页，2022年，8月28日482.2.2焊接※焊接：是压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节。焊接方法：熔焊（压力容器制造中应用最广）压焊钎焊熔焊机理：形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体焊接接头加热至熔化融化的母材填充金属熔池冷却结晶后通过加热或（和）加压，使焊件达到原子或分子结合的一种加工方法。第四十九页，共一百二十页，2022年，8月28日49焊接技术：各种焊接方法、焊接工艺、焊接材料、焊接设备及其基础理论的总称。焊接接头：用焊接方法连接的接头。第五十页，共一百二十页，2022年，8月28日50一、焊接接头的组织和性能二、焊接应力与变形三、减少焊接应力和变形的措施四、焊接接头常见缺陷五、焊接接头检查第五十一页，共一百二十页，2022年，8月28日51一、焊接接头的组织和性能焊接接头组成焊缝熔合区热影响区1、焊缝

由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。

因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。第五十二页，共一百二十页，2022年，8月28日52第五十三页，共一百二十页，2022年，8月28日532、熔合区焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。组织：熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊接接头中最薄弱的环节之一性能：第五十四页，共一百二十页，2022年，8月28日543、热影响区是焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。组织及性能在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同。第五十五页，共一百二十页，2022年，8月28日55以低碳钢为例加以说明热影响区的各个金相组织区：过热区：对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火正火区：焊接接头中组织和性能最好的区域部分正火区：力学性能不均匀钢，常在此区产生裂纹第五十六页，共一百二十页，2022年，8月28日56二、焊接应力与变形焊接焊接件产生温度梯度接头组织和性能的不均匀焊接应力和应变分别是指焊接过程中焊件内产生的应力和变形。焊后残留在焊件内的焊接应力焊接应力和变形:焊接残余应力:第五十七页，共一百二十页，2022年，8月28日57局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起裂纹，甚至导致结构失效焊接残余应力它是没有外载荷作用时就存在的应力焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废。与外载荷产生的应力叠加焊接残余应力的危害：焊接变形的危害:第五十八页，共一百二十页，2022年，8月28日58平板对接焊缝焊接残余应力分布见图3-1所示。由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则：焊后的变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高。第五十九页，共一百二十页，2022年，8月28日59三、减少焊接应力和变形的措施如：＊尽量减少焊接接头数量＊相邻焊缝间应保持足够的间距＊尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝＊焊缝不要布置在高应力区＊焊前预热等等＊当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力。设计焊接工艺第六十页，共一百二十页，2022年，8月28日60四、焊接接头常见缺陷常见焊接缺陷第六十一页，共一百二十页，2022年，8月28日61a、裂纹形成：在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而形成的缝隙。特点：它具有尖锐的裂端和大的长宽比。位置：裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。第六十二页，共一百二十页，2022年，8月28日62根据裂纹的形成条件、时间和温度的不同，焊接裂纹一般可分为危害：热裂纹冷裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。第六十三页，共一百二十页，2022年，8月28日63b、夹渣残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣。危害：c、未焊透焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的。危害：第六十四页，共一百二十页，2022年，8月28日64d、未熔合对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接。焊道与母材之间，或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。危害：e、焊瘤是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积。危害：它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未焊透等缺陷。第六十五页，共一百二十页，2022年，8月28日65f、气孔气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。危害：它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小。g、咬边沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边。危害：它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。第六十六页，共一百二十页，2022年，8月28日66五、焊接接头检查破坏性检查非破坏性检查外观检查密封性检验无损检测直观检验量具检验射线透照检测超声检测表面检测磁粉检测渗透检测涡流检测测内部缺陷测表面和近表面缺陷设计中要给出相应的检测方法（用水、气、油等）第六十七页，共一百二十页，2022年，8月28日67注意:1.超声检测:对裂纹型(面型)缺陷敏感;

射线检测:对气孔型(体型)缺陷敏感。2.磁粉检测:适用于铁磁性材料,不适用于非铁磁性材料

(如不锈钢);

涡流检测:适用于导电材料,不适用于非导电材料;

渗透检测:适用于金属材料和致密性非金属材料,

不适用于疏松的多孔性材料。第六十八页，共一百二十页，2022年，8月28日682.2.3热处理改善综合性能热处理压力容器制造中的热处理焊后消除应力热处理固溶处理稳定化处理第六十九页，共一百二十页，2022年，8月28日69一、焊后消除应力热处理目的：尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。应用：

当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理。

由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一般不进行热处理。对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，很难使整个截面上的性能尽可能均匀，此时应精心设计热处理工艺并严格执行。第七十页，共一百二十页，2022年，8月28日70二、改善综合性能热处理1、固溶处理

将合金加热到一定温度并保持足够长时间,使过剩相充分溶解到固溶体中,然后在水中或空气中快速冷却,以抑制这些被溶物质重新析出,从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为固溶处理。目的：提高合金的韧性和抗腐蚀性。第七十一页，共一百二十页，2022年，8月28日71例如，含钛或铌的奥氏体不锈钢在850～900℃温度范围内加热适当时间，使钛或铌以碳化物的形式析出，从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。2、稳定化处理：目的：稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。第七十二页，共一百二十页，2022年，8月28日72第三节环境对压力容器用钢性能的影响第二章压力容器用材以及环境和时间对其材料性能的影响MATERIALSFORPRESSUREVESSELSANDINFLUENCESOFENVIRORMENTANDTIMEONPROPERTIESOFTHESEMATERIALS第七十三页，共一百二十页，2022年，8月28日732.3环境对压力容器用钢性能的影响2.3.1温度2.3.2介质2.3.3加载速率第七十四页，共一百二十页，2022年，8月28日742.3.1温度不同用途的压力容器所在的工作温度不同。钢材在低温中温高温下，性能不同高温下，钢材性能往往与作用时间有关介绍几种情况的影响一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响二、高温、长期静载下钢材力学性能三、高温下材料性能的劣化第七十五页，共一百二十页，2022年，8月28日75一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响1、高温下图3-3温度对低碳钢力学性能的影响在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。第七十六页，共一百二十页，2022年，8月28日762、低温下

随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。当温度低于20℃时，钢材可采用20℃时的许用应力。

韧脆性转变温度——（或脆性转变温度）当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。第七十七页，共一百二十页，2022年，8月28日77图3-4低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线注意:韧脆性转变温度不是在一个特定的温度，而是在一个温度范围内。第七十八页，共一百二十页，2022年，8月28日78低温变脆的金属：具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢低温仍有很高韧性的金属：面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。注意:并不是所有金属都会低温变脆。第七十九页，共一百二十页，2022年，8月28日79第八十页，共一百二十页，2022年，8月28日80二、高温、长期静载下钢材性能蠕变现象：在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。碳素钢>420℃>400-500oC合金钢一定的应力作用发生蠕变蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。蠕变的危害第八十一页，共一百二十页，2022年，8月28日811、蠕变曲线蠕变曲线三阶段减速蠕变恒速蠕变加速蠕变图3-5蠕变应变与时间的关系一定温度和一定应力条件下第八十二页，共一百二十页，2022年，8月28日82cd为蠕变的第三阶段ab为蠕变的第一阶段即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段.bc为蠕变的第二阶段在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段.在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。oa线段——试样加载后的瞬时应变。a点以后的线段——从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。第八十三页，共一百二十页，2022年，8月28日83注意:对于同一材料，改变温度或改变应力，蠕变曲线都会不同▲当应力较小或温度很低时，第二阶段的持续时间长，甚至无第三阶段；▲相反，当应力较大或温度较高时，第二阶段持续时间短，甚至完全消失。第八十四页，共一百二十页，2022年，8月28日842、蠕变极限与持久强度a、蠕变极限——是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。蠕变极限表示法★在给定温度下，使试样产生规定的第二阶段蠕变速率的应力值★在给定温度和规定时间内，使试样产生一定量的蠕变总伸长率的应力值（常用）b、持久强度——在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。蠕变极限适用于:在高温运行中要严格控制变形的零件的设计，如涡轮叶片。持久强度适用于:只要求机件在使用期内不发生断裂。第八十五页，共一百二十页，2022年，8月28日85

考虑蠕变极限和持久强度的场合：高温压力容器设计中，不仅要防止过大的变形，而且要确保在规定条件下不会蠕变断裂，往往同时用蠕变极限和持久强度来确定许用应力。（蠕变极限常用第二种表示法，且一般规定时间为105h，总伸长率为1%；确定持久强度的时间为105h。）◎在高应力、较低的温度时，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态；◎而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆性，断后伸长率较低，缩颈很小，

在晶体内部常发现大量的细小裂纹。温度和应力对蠕变断裂形式有显著的影响第八十六页，共一百二十页，2022年，8月28日86松弛在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。但在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐降低，这种现象称为松驰。如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。松弛稳定性材料抵抗应力松弛的能力。松弛稳定性决定于材料的成分、组织等内部因素。第八十七页，共一百二十页，2022年，8月28日873、影响蠕变性能的主要因素a、内在因素:化学成分、组织结构、晶粒尺寸b、外部因素：温度、应力◎在高应力、较低的温度时，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态；◎而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆性，断后伸长率较低，缩颈很小，

在晶体内部常发现大量的细小裂纹。第八十八页，共一百二十页，2022年，8月28日88三、高温下材料性能的劣化在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有：蠕变脆化（前面已经讲了）珠光体球化石墨化回火脆化氢腐蚀和氢脆第八十九页，共一百二十页，2022年，8月28日89a、珠光体球化危害：使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降例如：中度球化会使碳素钢常温强度下降下降10%～15%；严重球化时下降20%～30%补救：己发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。第九十页，共一百二十页，2022年，8月28日90b、石墨化危害：使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。

产生环境：石墨化现象只出现在一定的高温范围。对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。预防：要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。第九十一页，共一百二十页，2022年，8月28日91c、回火脆化高温临氢设备常使用的2.25Cr-1Mo等铬钼钢，长期在300-600oC下使用，或者从此温度范围缓慢冷却，脆性转变温度会升高，韧性降低，这种现象称为回火脆化。研究表明：影响2.25Cr-1Mo钢回火脆化的主要因素为化学成分和热处理条件。P、Sb、Sn和As等杂质元素越多，奥氏体化温度越高，2.25Cr-1Mo钢对回火脆化越敏感。第九十二页，共一百二十页，2022年，8月28日92d、氢腐蚀和氢脆氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。第九十三页，共一百二十页，2022年，8月28日93d-1.氢腐蚀是指高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。氢腐蚀有两种形式：◆一是和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表面脱碳，使力学性能恶化；◆二是渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲烷。裂纹第九十四页，共一百二十页，2022年，8月28日94●一般情况下，碳素钢在200℃以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素含量，可提高钢抗氢腐蚀的能力。奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀。●目前，一般按照Neson曲线选用抗氢用钢。根据该曲线，碳素钢在氢分压小于3.45MPa时，允许的使用温度约为钢在氢分压小于6.9MPa时的允许使用温度大约为520℃。影响氢腐蚀的因素主要有：温度、氢分压、时间、合金成分、应力等第九十五页，共一百二十页，2022年，8月28日95在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，在停车时，应先降压，保温消氢（200℃以上）后，再降至常温。切不可先降温后降压。d-2.氢脆指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。内部氢:指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢；外部氢:指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。氢的来源第九十六页，共一百二十页，2022年，8月28日96◆钢材长时间在高温下，还会发生合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配，那些对固溶体起强化作用的合金元素，如铬、钼、锰等，都会不断脱溶，从而使材料高温强度下降。◆除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。◆在设计阶段，预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施，对提高压力容器的安全性具有重要意义。除以上4种劣化外，还要注意：第九十七页，共一百二十页，2022年，8月28日972.3.2介质一、腐蚀概述a.按腐蚀的机理来分电化学腐蚀化学腐蚀b.按金属腐蚀的形式来分全面腐蚀局部腐蚀晶间腐蚀小孔腐蚀缝隙腐蚀应力腐蚀1、金属腐蚀2、金属腐蚀分类金属在外部介质的作用下，由于化学变化、电化学变化或物理溶解而产生的破坏。第九十八页，共一百二十页，2022年，8月28日98注意:不锈钢防止晶间腐蚀的措施

a.在1010～1120℃热处理,随即快速冷却通过敏化范围。

b.采用超低碳不锈钢。

c.奥氏体不锈钢中加入铌、钛使之稳定。第九十九页，共一百二十页，2022年，8月28日99二、应力腐蚀1、应力腐蚀的特征三个阶段孕育阶段—是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；裂纹稳定扩展阶段—在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；裂纹失稳阶段——最终发生的突然断裂。断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。注意:值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏（LeakBeforeBreak）。金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下引起的断裂第一百页，共一百二十页，2022年，8月28日100应力腐蚀开裂的特征：a．拉伸应力b．特定合金和介质的组合c．一般为延迟脆性断裂第一百零一页，共一百二十页，2022年，8月28日1012、常见的应力腐蚀a.碱溶液b.湿硫化氢c.液氨d.氯化物溶液第一百零二页，共一百二十页，2022年，8月28日1023、应力腐蚀的预防措施

一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。a.合理选择材料b.减少或消除残余拉应力c.改善介质条件d.涂层保护e.合理设计第一百零三页，共一百二十页，2022年，8月28日1032.3.3加载速率加载速率的表示——应力速率（Pa/s）或应变速率（1/s）

通常，应变速率在10–4～10-1s-1范围内，金属材料的力学性能没有明显变化。

当应变速率在10-1s-1以上时，它对钢材力学性能有显著的影响：

加载速率较高时，材料没有充分的时间产生正常的滑移变形，从而使材料继续处于一种弹性状态，使屈服点随应变速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韧性下降，即脆性断裂的倾向增加。如果材料中有缺口或裂纹等缺陷，还会加速这种脆性断裂的发生。第一百零四页，共一百二十页，2022年，8月28日104

加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。

通常，在一定的加载速率范围内，随着钢材强度水平的提高，韧性的降低减弱。即：在一定的加载速率范围内，加载速率的大小对某些高强度钢和超高强度钢的韧性影响是很小的，但对中、低强度钢的韧性影响则很明显。第一百零五页，共一百二十页，2022年，8月28日105第四节压力容器材料选择MATERIALSFORPRESSUREVESSELSANDINFLUENCESOFENVIRORMENTANDTIMEONPROPERTIESOFTHESEMATERIALS第二章压力容器用材以及环境和时间对其材料性能的影响第一百零六页，共一百二十页，2022年，8月28日1062.4压力容器材料选择2.4.1压力容器用钢的基本要求2.4.2压力容器钢材的选择2.4.3设计人员选材时注意事项第一百零七页，共一百二十页，2022年，8月28日107压力容器材料多种多样：钢——用的最多有色金属非金属复合材料等第一百零八页，共一百二十页，2022年，8月28日1082.4.1压力容器用钢的基本要求本节对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。压力容器用钢的基本要求：较高的强度良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性改善钢材性能的途径：化学成分的设计组织结构的改变零件表面改性第一百零九页，共一百二十页，2022年，8月28日109一、化学成分钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。1、碳压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%。碳含量强度增加可焊性焊接时易在热影响区出现裂纹在钢中加入钒、钛、铌等元素，可提高钢的强度和韧性。2、钒、钛、铌等第一百一十页，共一百二十页，2022年，8月28日1103、S、P是钢中最主要的有害元素硫——能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性