第8章 化工设备常用金属材料的基本性能.ppt

1、8.1 化工设备常用金属材料的基本性能,8.2 金属材料的腐蚀与防护,8.3 化工设备常用材料,第8章 化工设备常用材料,第二篇 化工容器及设备,1、常用材料 2、压力容器 3、化工设备,学习内容（三大部分）,过程装备与控制专业两门课,压力容器设计基础 过 程 装 备 设 计,按照工艺类专业及其它相近的非机械类专业的要求，重点讲述过程装备与控制专业最基本、最重要的内容。,学习目的,学习方法,注重与其它课程的联系。,设备的安全运行是工艺过程顺利实施的保障。,工艺和设备都熟练的人更容易成功。,生产企业遇到的技术问题往往是综合性的。,注重实际知识的学习。,保证出勤率，提高课堂效率，认真完成作业。,压

2、力100MPa,低温到高温,制冷和深冷设备,普冷：高于-120 深冷：低于-120 ,1000,真空到超高压,压力外高内低,真空 干燥,生产条件的复杂性决定过程设备常用材料的多样性！,生产条件,温度,压力,介质,处理量,一般介质和易燃、易爆、有毒及强腐蚀性介质,8.1化工设备常用金属材料的基本性能,8.1.1 材料的力学性能,强度是指在受到外力作用时，材料抵抗塑性变形和断裂的能力。,常用表征方法：,这两个指标是确定材料许用应力的主要依据。,材料不发生塑性变形的极限。,材料承受载荷的极限。,高强钢的屈强比数值较大，s和b比较接近，屈服后的强度裕量较小。,低强钢的屈强比数值较小，s和b相差较多，屈

3、服后的强度裕量较大；,：屈强比 反映材料屈服后强化能力的高低。,塑性,塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。,常用表征方法：,延伸率,断面收缩率,指材料在破坏前变形能力的大小,化工设备的制造离不开冷作加工成型工艺，要求材料必须具有良好的塑性。,可在拉伸试验中同时测得。,若用塑性差的材料制造设备，往往在没有明显变形的情况下而突然破坏。危险性很大。,压力容器所用材料一般要求：,515一20以上,用=5d的标准试件所得的延伸率,因此，从化工设备的加工制造和安全运行角度考虑，要求材料的塑性要好。,硬度,硬度是指金属材料的软硬程度，也即金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。它表示材料在一个

4、小的体积范围内，抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。,常用表征方法：,硬度大小反映材料的耐磨性能和切削加工的可能性。,例1：在螺栓连接法兰密封结构中，要求螺栓的硬度大于螺母的硬度。,一般硬度越高，耐磨性能好，但切削加工性能较差。,过程设备中的某些相互连接的配合结构，其零部件的硬度有不同的要求：,原因： 使螺母成为易损件 避免螺栓和螺母咬死,例2：管壳式换热器中管子与管板胀接时，要求管板的硬度比管子的硬度高。,胀接管孔结构,冲击韧性,指材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。,常用表征方法：,AKV 吸收功,工程上通常用摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性，金属夏比缺口冲击试验原理如图所示：,是材料对缺

5、口或裂纹敏感程度的反映。,图11.2 冲击韧性的测定,用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功。,冲击韧性k,目前常用的101055mm，带2 mm深的V形缺口夏氏冲击试样。,标准上直接采用冲击功（J焦耳值），而不是采用k值。因为单位面积上的冲击功并无实际意义。,kMJ/m2,韧性对压力容器材料是十分重要的，是压力容器必检的项目！,塑性好的材料一般韧性也好，但塑性指标较高的材料，却不一定具有较高的韧性。 原因：在静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能够迅速地塑性变形。,韧性好的材料，即使存在缺口，也有较好的防止发生脆断

6、和裂纹快速扩展的能力。,图11.3 温度对碳钢力学性能的影响,当温度超过350时： 强度降低， 塑性提高。,温度对材料力学性能的影响,一般金属材料的力学性能随温度的升高会发生显著的变化。,材料在高温下承受某一固定拉伸应力时，会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性变形,这种现象称为蠕变。,蠕变,在高温下工作的零件往往因蠕变而发生事故。,如：容器、管道直径逐步增大或壁厚不断减薄。,碳素钢,420,400-500 ,低合金钢,一定的应力作用,发生蠕变,应力松弛,常温下工作的零件，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。,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。

7、,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，这种现象称为应力松驰。,蠕变,应力松弛,泄漏,材料的冷脆性,某些材料在低温下，韧性明显下降，材料由塑性转变为脆性，这种现象称为材料的冷脆性。,具有体心立方晶格的金属， 如碳素钢和低合金钢,具有面心立方晶格的材料，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。,低温变脆的金属：,低温仍有很高韧性的金属：,低温变脆非常危险！,8.1.2 物理性能,线膨胀系数：指材料在温度变化1时单位长度的 伸缩变化量，单位为-1。,导热系

8、数：指当温度梯度（温度差与器壁厚度的比 值）为1/m，每小时通过每平方米传 热面积传过的热量，单位为W/(mK)。 其值可从机械设计手册中查取。,材料使用场合的不同，对其物理性能要求也不同。,对衬里或复合钢板所制设备，应尽量使不同材料的线膨胀系数相等或接近。,如换热设备要求换热管材料有很好的导热性，同时由于管、壳的温差，计算温差应力时线膨胀系数是一个主要物理性能参数。,8.1.3 化学性能,金属的化学性能主要指金属在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力。,金属和合金对周围介质（如大气、水汽、各种电解液）侵蚀的抵抗能力称为耐腐蚀性。,耐蚀性指在一定条件下（介质种类、浓度、温度、压力、流速等）相

9、对耐蚀，迄今为止还没有在任何腐蚀环境中均耐蚀的材料。因此，是否耐蚀必须针对具体使用条件来确定。,表11-1 常用金属材料在不同介质中的耐腐蚀性,抗氧化性,化工生产中，许多设备是在高温下操作的，如氨合成塔、硝酸氧化炉、工业锅炉、汽轮机等。,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，特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳强度。,因此，高温设备必须具有抗氧化能力。,8.1.4 加工工艺性能,为使加工工艺简便并保证质量、降低成本，要求材料具有良好的加工工艺性能。,金属材料的加工工艺性能包括

10、可焊性、可锻性、可铸性、切削加工和热处理性能等。,对化工设备用材的加工工艺性要求，取决于设备的结构和加工方式。例如：,多数设备的壳体用板材卷焊制造而成，要求材料具有良好的塑性、良好的切削加工性能和焊接性能等。 管道的弯管需要冷弯成型，也需要管材有良好的塑性。,腐蚀是材料在各种环境作用下发生的破坏和变质。,自然环境 人为环境,腐蚀造成的经济损失： 全球：（1995）年 7000亿美元/年，约占各国国民生产总值（GNP）的2%4%。 美国：1995年3000亿美元，人均1100美元。 我国：1997年，2800亿人民币，约占我国GNP的4%。,人均：215元/年,8.2 金属材料的腐蚀与防护,据统

11、计，腐蚀损失为自然灾害（地震、风灾、水灾、火灾等）损失总合的6倍。,直接损失：造成资源的大量浪费,全球每年有约30%的钢铁产品因腐蚀而报废，其中 的三分之一（10%）的钢铁几乎变为无用的废铁。 我国，每年因腐蚀而损失的钢铁约1000万吨，几乎 相当于首钢全年的钢产量。,间接损失,停产，更新设备 产品和原材料的流失 泄漏造成的环境危害 能源浪费：腐蚀产物和污垢致使锅炉、换热器 等设备传热效率下降所带来的能源浪费。 其它：如腐蚀产物给产品质量带来的影响，在 生物、制药等工业中尤显突出。,化工生产中由腐蚀造成的设备跑、冒、滴、漏以及废水、废渣、废气等造成的环境破坏，除短期效益受损外，更有对人类生存环

12、境所带来的严重破坏。,为防止腐蚀 ，化工设备大量采用含铬、镍的不锈钢以及铜、铝、锌、铅、钼、钛等金属，这些金属大多数在地球上已所剩无几，只够人类开采几十年。,从长远考虑，加强防腐工作，对减少材料的损失，防止地球上有限的矿产资源过早枯竭具有深远意义。,单纯的机械作用所引起的破坏，不属于腐蚀。,按作用机理，可将腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀。,1. 化学腐蚀： 金属与干燥气体和非电解质溶液直接发生化学作 用而引起的破坏。,金属腐蚀是金属及其合金与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏。,特点：直接反应，过程中无电流产生。 例如：金属的高温氧化、高温硫化和氢腐蚀。,8.2.1腐蚀的原理,Fe+1/2

13、O2 =FeO 4Fe+3O2=2Fe2O3 3Fe+2O2=Fe 3O4,不同温度下的氧化膜有不同的组成：,碳钢（Fe,C,Fe3C）,1) 铁碳合金的高温氧化与脱碳,高温氧化,加入Cr,Si,Al等元素提高抗氧化能力。,低于570，氧化物中不含FeO，由Fe3O4和Fe2O3构成。 氧化层组织致密、稳定，附着在钢材表面上不易脱落，能起到保护膜的作用。,高于570时，生成由FeO、Fe2O3、 Fe3O4组成的结构疏松的氧化膜，起不到保护作用，使碳钢被腐蚀。,脱碳,同时由于气体的析出，破坏了钢表面膜的完整性，使耐腐蚀性进一步降低。,钢的脱碳是指在高温气体作用下，钢的表面在产生氧化皮的同时，金

14、属表层发生渗碳体减少的现象。,高于700时，钢中的渗碳体Fe3C 与 O2、CO、H2O发生反应：,Fe3CO2 = 3FeCO2 Fe3CCO = 3Fe2CO Fe3CH2O = 3FeCOH2,钢材脱碳,材料表面的碳含量降低,力学性能下降,特别是降低了表面硬度和抗疲劳强度,铁碳合金在高温下的氢腐蚀：分氢脆和氢侵蚀,2）氢腐蚀,氢脆阶段：温度、压力较低 或高温高压但接触时间不长,此阶段氢只是以原子的形式渗入到钢中，向钢材内部扩散，被钢的基体溶解吸收，但并不发生反应。只是由于氢的渗入使材料的韧性降低，材料变脆。 可通过低压加热或常温静置从钢材中除去。,钢材受高温高压的氢气作用而变脆甚至破裂的

15、现象称为氢腐蚀,氢侵蚀阶段：氢气环境和一定压力下，在200600时，低碳钢或低合金钢发生表面脱碳和皮下鼓泡或微裂纹的现象称为氢侵蚀。,随着反应的进行，生成的甲烷在钢材内部积聚，形成局部高压，使钢材内部出现大量细小裂纹和气泡，造成应力集中，钢材的机械性能大为降低，甚至开裂，导致设备破坏。 还有人认为，由于Fe3C转变为Fe后，体积缩小会使内部开裂。,氢腐蚀的危险性：,产生氢腐蚀的钢材，由于裂纹很小且数目很多，从外观上很难凭肉眼直接观察到明显的痕迹，往往设备突然出现破裂。所以，氢腐蚀十分危险。,为了防止氢腐蚀的发生，可以降低钢中的含碳量，使其没有碳化物(Fe3C)析出。也可在钢中加入合金元素，如铬

16、、钛、铝、钨、钒等，与钢中的碳元素形成稳定的碳化物，以避免氢腐蚀的发生。,锆制压力容器,锆有强烈的吸氢性能，可作贮氢材料。,锆合金对核燃料有 良好的相容性，广 泛用作水冷动力堆 的包壳材料和堆芯 结构材料。,耐稀盐酸、稀硫酸腐蚀，在50%的氢氧化钠溶液中耐 腐蚀性优于钽，在化学工业中有广阔的前途。,电极电位低的金属被腐蚀。,2.电化学腐蚀,金属与电解质溶液接触时，由电化学作用而引起破坏。,特点：两极相对独立而又同时发生化学反应（一极为氧化，一极为还原）；同时伴随着电子迁移。,宏观腐蚀电池示意图,同一种金属在电解质（可导电）溶液中，由于金属化学成分、结构、物理状态不均匀，或介质的浓度、温度、流速

17、等的不同，都会发生电化学腐蚀。因为在不均匀处或在有浓度差、温度差、压力差时，各部分具有不同的电极电位，形成微电池。,引起微电池腐蚀的原因：,1)化学成分不均一：如黄铜(铜锌合金)的脱锌。 2)组织结构不均一：如铸铁的铁素体和渗碳体,铁素体电极 电位低，为阳极；渗碳体高，为阴极。 在水中，铁素体被溶解。,3)物理状态不均一：如金属在机加工过程中，由于受力、变 形不均而引起残余应力，这些高应力区 通常具有更低的电位而成为阳极。 4)表面膜不完整：膜损坏处是阳极。,电化学腐蚀的条件,a 同一金属上有不同电位的部分，或不同金属之间 存在着电位差； b 阴极和阳极互相连接； c 阳极和阴极处在互相连通的

18、电解质溶液中。,8.2.2 金属腐蚀破坏的形式,按照腐蚀破坏的形态，金属腐蚀破坏的形式可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。,均匀腐蚀是指介质与金属接触的整个表面上产生程度基本相同的腐蚀。,例如：碳钢在强酸、强碱中的电化学腐蚀属于均匀腐蚀。这种腐蚀是从金属表面以同一腐蚀速度向金属内部延伸，腐蚀速度可以预测，因此，危险性较小。,1. 均匀腐蚀,我国采用三级耐蚀性标准： 年减薄量1.0mm/y为不耐级。,均匀腐蚀速度可用mm/y表示,并依此来确定材料的耐蚀性能。,一般，化工设备不采用不耐蚀材料。 年减薄量1.5mm/y的材料不可用。,见表11-8,2. 局部腐蚀,图11.10 腐蚀破坏的形式,指腐蚀集中在金属

19、的局部区域，而其它部分几乎不发生腐蚀或腐蚀很轻微。,常见的局部腐蚀有：点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀。,点腐蚀(孔蚀)： 金属表面上局现在小孔、小坑或斑点这样局部面积上的腐蚀叫孔蚀。孔蚀可看作是缝隙腐蚀的一种特例。孔蚀一般是由氯化物、溴化物及含有氯离子的溶液腐蚀而引起的。,危害性：一般蚀孔仅集中在某个小的局部的点或坑上，直径小但较深。蚀孔常被腐蚀产物遮盖，通常在设备穿孔前难于被发现，常常在其它部分金属还比较完好时局部的某点已穿透而导致设备失效。危害性极大。,晶间腐蚀：腐蚀沿金属的晶粒边界和它的邻近区域产生和发展，而晶粒本身的腐蚀则很轻微。,其结果是降低了晶间结合力，而外观却无任何迹象，破

20、坏突然发生，危害极大。,晶间腐蚀必须在腐蚀环境中，如电解质溶液、过热水蒸气、高温水和熔融金属等，并且晶界物质的物理化学状态与晶粒本体不同时才产生。,对晶间腐蚀敏感的材料有：铁素体、奥氏体不锈钢、铝合金、镁合金、铜合金等。, 奥氏体不锈钢是制造化工设备的常用材料，也是对晶间腐蚀极为敏感的材料。,为防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀，可以采取在不锈钢中加入稳定化元素钛和铌，或采用超低碳不锈钢（如00Cr18Ni9）等措施,应力腐蚀:,金属在特定腐蚀介质与拉应力共同作用下，在应力远低于材料的应力极限时产生的腐蚀破裂。,应力腐蚀的条件：拉伸应力、特定合金与介质的组合。,奥氏体不锈钢（面心立方晶体）容易发生应力

21、腐蚀，又称氯脆。,铁素体不锈钢（体心立方晶体）不容易发生应力腐蚀,“压力容器安全技术监察规程”中第98条规定：奥氏体不锈钢压力容器用水进行液压试验时，应严格控制水中的氯离子含量不超过25mg/L（漂白粉），试验合格后应立即将水渍去除干净。,受压缩应力作用的容器不会发生应力腐蚀,例如：氯化物 溶液中,a. 碱溶液,常见的应力腐蚀：,高浓度NaOH溶液，在沸点附近很容易使碳素钢产生应力腐蚀。,铬镍钼钢在NaOH溶液中也会发生应力腐蚀。如：某人造水晶釜在使用过程中突然爆炸，原因是内壁高应力区NaOH浓度大幅增加。,压力容器安全技术监察规程,固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0004-2009

22、,d. 硝酸盐溶液,碳素钢和低合金钢与硝酸根离子接触易造成应力腐蚀。,c. 液氨,储罐或罐车，如果在充装或排料时溶入氧和二氧化碳，反应生成的氨基甲酸铵对碳钢有强烈的腐蚀作用，产生应力腐蚀。,b. 湿硫化氢,多见于以原油、天然气或煤为原料的压力容器中。 钢的强度和硬度越高，越容易产生硫化氢应力腐蚀。,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,应力腐蚀防止措施,选择耐应力腐蚀的材料。如：在高浓度氯化物介质中，选用含镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢。,如采用焊后消除应力热处理,如减少硫化氢含量；控制与奥氏体不锈钢接触的介质中氯离子含量。,缝隙腐蚀,当金属与金属或金属

23、与非金属之间存在很小的缝隙时，缝内介质不易流动而形成滞留，促使缝隙内的金属加速腐蚀，称为缝隙腐蚀。,缝隙条件：缝隙足够小，使内外溶液间物质迁移困难，但能允许溶液进入。,0.0250.1mm,例如： a. 法兰的连接面；,采用 胀焊并用 可减小间隙，避免缝隙腐蚀，但相应的制造成本升高。,b.换热管与管板连接处 （焊接）,据日本三菱化工机械公司对十年中化工设备破坏事故的调查统计结果表明：,均匀腐蚀仅占8.5%； 应力腐蚀破裂占45.6%； 小孔腐蚀占21.6%； 腐蚀疲劳占8.5%； 晶间腐蚀占4.9%； 高温氧化4.9%； 氢脆3.0%。, 因此，对局部腐蚀要高度重视。,换热器壳体表面腐蚀失效照

24、片,8.2.3. 金属设备的防腐措施,1 涂覆保护层,金属内壁涂环氧树脂。 橡胶衬里。 搪瓷。 碳钢表面镀铬、镀镍，喷镀锌或铝、热镀锌。,2 电化学保护,例如合成氨生产中的苯菲尔脱碳系统中，加入V2O5可大大降低脱碳液对碳钢设备和管道的腐蚀。,常用阴极保护，在被保护设备上连接一个电位更负的强阳极，使被保护金属由阳极转为阴极。(例如在钢设备上连接锌),图11.11 阴极保护示意图,3 添加缓蚀剂,8.2.4 金属腐蚀的评定方法,1. 根据质量变化评定金属的腐蚀,2. 根据腐蚀深度评定金属的腐蚀,通常用每年金属厚度的减少量表示腐蚀速率。,8.3 化工设备常用材料,工业纯铁的强度、硬度很低； 含碳量

25、大于4.3%的铸铁极脆； 二者的工程应用价值都很小。,碳钢和铸铁,一、 碳素钢,碳钢中的杂质元素,碳钢的分类、牌号和应用,按用途,容器用钢,按化学成分,优质钢,按质量分,实际生产中，对碳钢是综合其用途、质量和成分三方面特点进行分类并加以命名的,(1)普通碳素结构钢,Q 235 A F,表11-2 普通碳素结构钢的牌号和化学成分,表11-3 普通碳素结构钢的力学性能,用途：普通碳素结构钢可制造常压、低压及外压设备的壳体，也可用业于制作设备的零部件。如：支座、法兰、螺栓和螺母等。,含硫、磷等杂质较多，钢的质量、强度不高，成本较低。,(1)普通碳素结构钢,注意：,Q235AF Q235A,不得用于制

26、造压力容器！,(2)优质碳素结构钢,钢的序号用两位数字表示，数字的意义为含碳量的万分数，如45号钢表示含碳量为0.45%。,含硫、磷杂质较少(s0.04，P0.04)，冶炼工艺较严格；,既保证化学成分，又保证力学性能，质量好，强度较高，成本比普通碳素结构钢高。,(3)碳素工具钢,含碳量在0.7%1.3%的优质碳素钢称为碳素工具钢。其牌号用“T”及后面的一位或两位数字表示，数字为含碳量的千分数。,T 8 A,T表示碳素工具钢，读“碳”,含碳量0.8%,A表示高级优质钢,碳钢的品种和规格,(1)钢板,钢板规格：最大宽度3m，长度与厚度和宽度有关，越厚越宽，长度则越短。一般长度在512m。,厚度分不

27、同的档：,薄板：厚0.354mm，间隔0.050.3mm。 厚板：4.56mm，间隔0.5mm； 630mm，间隔1mm； 3060mm，间隔2mm； 60100mm，间隔5mm。,品种有钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢,材料：Q235A、08、10、15、20等,压力容器专用钢板：钢牌号后面加R(读容)，如20R等,锅炉专用钢板：钢牌号后加g（读锅），如20g等,强度低，塑性和可焊性较好，价格低； 常用于常压或中、低压容器； 也做垫板、支座等零部件材料。,20R的特点和应用场合：,GB 713-1997 锅炉用钢板,GB 6654-1996 压力容器用钢板,GB 713-2008 锅炉压力容器用

28、钢板,20g和20R合并后 改为Q245R,钢板必须按规定的限制条件使用，如设计压力、设计温度、厚度、介质限制、冶炼方法等。,Q235-B钢板,注： Q235-A 、Q235-AF不得用于制造压力容器！,压力容器专用钢材的磷含量(熔炼分析，下同)不应大于0.030%，硫含量不应大于0.020%。,(2)钢管,常用材料有：10、15、20、20G,又称水煤气管,适用于输送水、煤气、空气等一般较低压力的流体,(3)型钢,各种轴,各种桨叶,各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。,(4)铸钢和锻钢,锻钢牌号：08、10、15、50等 石油化工容器用锻件一般采用20、25钢等材料，用以制作管板、法兰、

29、顶盖等。,铸钢：ZG 牌号：ZG230-450、ZG270-500等 用途：制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、 阀门、泵叶轮等。,8.3.5 钢的热处理,将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定时间，然后以预定的方式冷却到室温。,目的：改变钢的内部组织，获得所需的力学性能。,根据热处理加热和冷却条件的不同，可分为,普通热处理,表面热处理,退火和正火,(1)退火,作用：,将钢件放在炉中加热到某一温度，保温一定时间，然后随炉冷却，或在干砂中缓慢冷却。,调整钢的内部组织，细化晶粒，促进组织均匀化； 降低硬度，提高塑性，便于冷加工； 消除钢中的内应力，防止工件变形。,(2)正火,将钢件加热到某一温度

30、，保温一段时间，然后从炉中取出置于空气中冷却。,与退火作用相似，由于正火冷却速度要比退火快一些，因而晶粒变细，钢的强度提高,作用：,淬火和回火,(1)淬火,将钢加热到一定温度，并保温一段时间，然后迅速放入淬火液中快速冷却。,提高钢的硬度和耐磨性。,淬火液：油、水、盐水等，其冷却能力依次递增。,淬火后得到马氏体组织(碳在铁素体中形成的过饱和固溶体)。硬度高，很脆，塑性差，难以承受冲击载荷。故淬火后必须配合不同温度的回火，以适应各类零件不同机械性能的需要。,目的：,(2)回火,将淬火后的钢加热到某一较低温度，保温后在空气中冷却。 按照加热温度不同，回火分为低温回火、中温回火和高温回火。,(3)表面

31、淬火,对零件进行快速加热，使表面温度迅速达到淬火温度，而心部来不及被加热的情况下立即冷却，使表面得到高硬度的马氏体，而心部仍保持原来组织。,(4)化学热处理,将工件放入一定介质（金属或非金属元素）中，经加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些元素渗入零件表面，改变表层的化学成分和组织结构，从而使工件表面获得所需要的某些性能。,能渗入钢中的元素有：碳、氮、硼、铬、硫、硅、铝等。,二、普通低合金钢,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）、铝（Al）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）和稀土元素（Re）等。,合金元素对钢材性能的影响,为弥补碳钢在

32、强度、耐腐蚀性、使用温度限制的不足，在碳钢的基础上添加少量合金元素冶炼而成合金钢。,合金钢的分类和牌号,按合金元素总含量,按用途分,合金钢牌号,(1)合金结构钢的牌号,若是高级优质钢，在牌号末尾加注字母“A”； 若为特级优质钢，则加注字母“E”。,以平均含碳量的万分之几加上合金元素符号及合金元素平均含量的百分之几表示。当合金元素含量小于1.5时该元素后不注数字。一般，合金元素含量高的在前，含量低的在后。,例如：40Cr钢 表示平均含碳量为0.4%，主要合金元素铬含 量小于1.5%的铬钢； 12CrNi3A 表示平均含碳量为0.12%，铬含量小于1.5%， 镍平均含量为3%的高级优质合金结构钢。

33、,16MnR 表示平均含碳量为0.16%，Mn含量1.5%。R代表容器用钢材。,Q345R,(3)特殊性能钢的牌号,例如，4Cr13不锈钢 表示平均含碳量为0.4%，平均含铬量为13%的 不锈钢。,(2)合金工具钢的牌号,略,以含碳量的千分之几、合金元素百分之几表示。,有些特殊性能合金钢，只表示其主要合金元素的含量，其含碳量不予表示。 例如，Mn13 表示含锰量约为13%的高锰钢，其含碳量为 1%1.3%，但在牌号上不予表示。,普通低合金结构钢,与碳钢相比，强度高，又称低合金高强度结构钢。,采用低合金钢，可减小容器厚度，减轻重量，节约钢材，解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大带

34、来的各种困难。 例如，大型化工容器采用16MnR制造，重量比用碳钢减轻1/3,含碳量通常小于0.25%，合金总含量小于5%。,同时，具有较好的冷、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。,Q345R,如钢板： 16MnR、 15CrMoR、 15MnVR、18MnMoNbR等。,由于普通低合金钢的综合性能优于碳钢，常用于制造压力容器。,16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR,高温用钢,钢管：16Mn、09MnD；,锻件：16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD等。,应用介绍：16MnR,屈服点为340 MPa级的压力容器专用钢板,是我国

35、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,16MnDR在硫、磷含量，残余元素方面比16MnR要求严，另外在低温冲击试验和超声波探伤方面也有区别。,Q345R,将16Mng和16MnR、19Mng合并,GB 713-2008 锅炉压力容器用钢板:,三、不锈钢,含碳量较低,铬镍钢,主加合金元素为铬,加人钼元素,同时加入镍元素,铬钢,铬镍钼钢。,加入钛、铌元素,使其能优先同碳形成稳定的碳化物，使铬保留在基体中，避免晶界贫铬从而减轻钢的晶间腐蚀倾向。,实验证明，只有当Cr的含量大于12%时钢的耐蚀性才会大幅度地提高，所以不锈钢中Cr的

36、含量均不低于12%。,常用不锈钢,常用不锈钢主要有铬不锈钢和铬镍不锈钢。 按显微组织，分为马氏体不锈钢和铁素体不锈钢; 而铬镍不锈钢也称奥氏体不锈钢。,(1)马氏体不锈钢,又称Cr13型不锈钢，因其淬火组织为马氏体而得名。主要合金元素铬的含量为12%14%，含碳量一般为0.1%0.4%。大量的铬元素使钢具有良好的耐腐蚀性。而碳元素则保证钢具有一定的强度和硬度。,马氏体组织(碳在铁素体中形成的过饱和固溶体),主要生产的钢号有1Crl3，2Crl3和3Crl3,餐具,(2)铁素体不锈钢,典型的铁素体不锈钢是Cr17钢，含碳量小于0.12%，含铬量16%18%； 加热时没有奥氏体相变过程，组织为单相

37、铁素体，故称为铁素体不锈钢。,铁素体不锈钢的耐腐蚀性好，与奥氏体不锈钢大致相同，但成本较低，塑性好，但强度低，不能热处理强化。,表114 常用铬不锈钢的主要成分、热处理、组织、力学性能及用途,(3)奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢含碳量较低，钢中的主要合金元素为铬和镍，其中含铬量为18%左右，镍含量大于8%，因此常被称为188型不锈钢。,由于含有大量的铬、镍元素，使钢在热处理后获得单一的奥氏体组织，从而使钢具有良好的塑性、韧性、耐蚀性、焊接性和低温韧性。,奥氏体不锈钢具有较强的耐腐蚀性， 可以用于65%以下、温度低于70或浓度60%以下、温度低于100的硝酸， 以及苛性碱(熔融碱除外)、硫酸盐、硝酸

38、盐、硫化氢、醋酸等。,但对还原性介质如盐酸、稀硫酸不耐蚀。 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。,奥氏体不锈钢的高温晶间腐蚀和预防：,在400800的温度范围内，碳从奥氏体中以碳化铬形式沿晶界析出，使晶界附近的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，晶间结合力大大降低，钢材变脆、破坏无可挽回。为了防止晶间腐蚀，可采取以下几种方法：,加入钛、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0Cr18Ni10Ti具有较高的抗晶间腐蚀能力

39、。,(2) 减少不锈钢中的含碳量以防止产生晶间腐蚀。,当钢中的含碳量降低后，铬的析出也将减少，如0Cr18Ni9钢低碳不锈钢 当含碳量0.02%时，即使在缓冷条件下，也不会析出碳化铬，这就是所谓的超低碳不锈钢。,防止晶间腐蚀的方法：,含碳量大于0.08的为高碳级不锈钢，钢号前加”1”，如1Crl8Ni9Ti；(0.08 C 0.12),含碳量0.08，钢号前为“0”，如0Crl8Ni9； 含碳量0.03，钢号前加“00”，如：00Crl8Nill；,含碳量越低，耐晶间腐蚀的性能越好！,1Cr18Ni9Ti是落后的不锈钢生产工艺的产品代表，随着世界各国不锈钢生产工艺的改进，已成为淘汰产品。,在使

40、用中,1Cr18Ni9Ti如果不经过稳定化处理工艺，虽然化学成分合格，也容易发生晶间腐蚀。,原 因,(3) 对某些焊接件可重新进行热处理，使碳、铬再固溶于奥氏体中。,为了提高对氯离子的耐蚀能力，可在铬镍不锈钢中加入合金元素Mo，如 0Cr18Ni12Mo2Ti,防止晶间腐蚀的方法：,四、 铸铁,灰铸铁中碳大部或全部以自由状态的片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，故称灰铸铁。,灰口铸铁 X100,灰铸铁产量约占铸铁总产量的80%以上。,它的抗拉强度低，承压能力强。常用来制造机座、泵体。,灰铸铁齿轮箱,常用牌号： HT100、HT200、HT350等,灰铸铁,采用不同的退火工艺，可以获得铁素体和珠光体

41、两种不同基体的可锻铸铁,可锻铸铁,可锻铸铁是 白口铁 在固态下经长时间石墨化退火而得到的具有团絮状石墨的一种铸铁。,塑性和韧性强于灰铸铁。铸造性能好。强度为碳钢的00%，接近于铸钢。,生铁中的一种。含碳量约2.5，硅在1以下。因断截面呈现白色而得名。,可锻铸铁用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。,可锻铸铁又称马铁或玛钢，实际并不可以锻造，这些名称只表示它具有一定的塑性,注意,球墨铸铁,在浇铸前往铁水中加人少量球化剂（如Mg、Ca和稀土元素等），形成的球状石墨分布在钢基体中的铸铁材料，称为球墨铸铁。,强度是碳钢的7090%。 其突出特点是屈强

42、比(s /b)高, 约为0.70.8, 而钢一般只有0.30.5。,常用牌号：QT450-10、QT500-7、QT600-3,用于承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。,核燃料贮存运输容器(QT350-22),铸铁曲轴,球墨铸铁,钢和铸铁,过程设备材料种类主要有：金属材料、非金属材料、复合材料。 金属材料：黑色金属、有色金属,五、 有色金属及其合金,(产量少，价格高),常用的有色金属有：铝及铝合金 铜及铜合金 钛及钛合金。,通常把非铁金属及其合金称为有色金属及其合金。,1、铝及铝合金,铝：密度小，导电、导热性好，塑性好，强度低， 可进行各种压力加工，并可进行焊接和切削。,在氧化性介质中

43、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。,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。,铝在化工生产中有许多特殊的用途:,铝在大多数有机介质中有良好的耐蚀性。在有机的食物酸中不沾污，无毒害，也不会改变保藏物品的颜色，所以常用于食品工业。,如铝不会产生火花，故常用于制作含易挥发性介质的容器；,铝的导热系数高，在低温下仍能保持较好的塑性，常用于制作深冷设备。,按主要性能特点，分为工业纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等几类。 用于过程设备的主要是工业纯铝、防锈铝。,(1)工业纯铝,含

44、铝量不小于99.0%。工业高纯铝，可用来制造对耐腐蚀要求较高的浓硝酸设备，如高压釜、槽车、贮槽、阀门、泵等。,根据铝合金的成分和工艺特点,形变铝合金,铸造铝合金,(2)防锈铝,主要有铝锰系、铝镁系合金。 防锈铝合金耐腐蚀性强，塑性及焊接性能较好。,有:AlSi、 AlCu、 AlMg、 AlZn 等四种系列。,其中以AlSi系铸造铝合金应用最广，常称为硅铝明，可用于制造泵的壳体、仪表壳体与支架、发动机的气缸头等,2、铜及铜合金,铜具有良好的导电、导热性和塑性，可铸造。 在大气、水、海水和中性盐溶液中耐蚀，在稀H2SO4、HCl等非氧化性介质中也很耐蚀。,在各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液中不耐蚀，氨生产中使用的仪表、泵、阀门等均不能用铜制造。,纯铜又称紫铜，导电、导热和塑性好，但强度不高。经冷加工后强度、硬度提高，但塑性下降。 在化工设备上最有价值的是低温下仍能保持较高的塑性和冲