1,第一篇 化工设备材料 第一章 化工设备材料及其选择,1.1 概述 1）.化工设备的使用环境： 压力：真空低压中压 高压超高压 温度：低温中温高温 介质：有毒；易燃；剧毒。,2,1.2 金属材料的性能,1.2.1 力学性能 在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。 1. 强度及其主要指标. 固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。 例如： 容器爆裂； 管道破裂; 地脚螺栓拉断; 炉管爆裂； 强度不够！,3,（1）.屈服点,屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍继续发生明显的塑性变形。 屈服点： （s） 材料发生屈服时的应力 。 单位：MPa。 一些合金没有明显的屈服点,规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”。 记作0.2 。,4,（2）.抗拉强度(sb),定义：金属材料在受力过程中， 发生断裂所达到的最大应力值， 以b 表示，单位MPa。 是压力容器设计常用的性能指标。 屈强比：s/ sb 屈强比小，表明材料具有较大的塑性储备。,5,（3）. 蠕变强度（sn）,“蠕变”现象： 高温高压的蒸汽管道下挠变形； 高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏； 铅丝在常温下受重力作用而变长变细。 “蠕变强度”： 材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力，以sn 表示，单位MPa 。,6,（4）.持久强度（sD）,定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以sD 表示，单位MPa 。 -是一定温度和一定载荷下，材料抵抗断裂的能力。 材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。 规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。,设备的,7,（5）疲劳强度,构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂 疲劳。 “疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：-1 (MPa)。 例如： 频繁开、停车容器内压力或温度波动； 活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动； 离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成交变式。,8,2. 塑性及其主要指标,金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。 因塑性不足引起材料破坏的例子： 锻件裂纹; 卷板裂纹; 焊缝热影响区裂纹,9,主要指标：,(1) 延伸率（）,10,（2）断面收缩率（y）,如：纯铁的延伸率为50%， 20R的d5不小于25% ； 16MnR的d5不小于21%； 1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。,11,（3）冷弯性能,室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚）进行弯曲，a=1200或1800 ，是否出现裂纹或起层。 -是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。,12,塑性指标的实际意义：,便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等； 使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。 压力容器及其零件都需要具备这个性质。,13,3. 硬度的概念,金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。 硬度高材料强度也高，耐磨性较好； 综合性能指标。,布氏硬度试验示意图,14,常用硬度指标： 布氏硬度（HBS); 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC); 维氏硬度（HV)等。,硬度和强度间有一定关系： 如：低碳钢sb36HBS;,用硬度计测量！,15,4. 冲击韧性及指标（Ak）,材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。,冲击韧性与塑性区别何在？,材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。 静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。 本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够迅速发生塑性变形，吸收冲击能量。,16,5 缺口敏感性,在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。 韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。 冲击韧性？ 是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。,17,1.2.2 物理性能,密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊松比等。 化工设备设计与制造主要考虑的物理性能： 1.线膨胀系数 异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏； 复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体将会？ 设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？ 固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，将会？ 碳钢表面电镀一层铜升温后会？,18,2.弹性模量E与泊松比,弹性模量E：金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的。 随着温度升高而降低。 泊松比：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。 各种钢材近乎为 =0.3 。,19,1.2.3 化学性能,金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。 主要考虑的化学性能： 1.耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力； 2.抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2 、SO2等。 热加工如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。,20,1.2.4.金属材料的工艺性能,可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等； 铸造性能流动性、凝固收缩率等； 可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等； 切削加工性能 热处理性能,21,1.3 金属材料的分类及牌号,1.3.1 分类 1.黑色金属 1）生铁 2）钢,按化学成分：,按质量分：,22,按冶炼方法分：,按用途分：,23,2.有色金属,24,1.3.2 钢铁牌号及表示方法,1.牌号的表示原则 依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素化学符号或汉字表示； 产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。 例如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁 铸钢ZG 锅炉钢g或锅 容器钢R或容,25,2.钢号表示法,例：优质碳素钢 08F 20 R,沸腾钢,含碳量为0.08%；,容器钢,含碳量为0.2%,普通碳素钢,Q235-A,F,沸腾钢,类别为A,钢材屈服点(MPa),屈服点屈字的拼音首位字母,26,低合金钢 16MnR 16含碳量0.16%； Mn合金元素； R 容器钢。 特殊性能钢 1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）； Cr,Ni主要合金元素； 18含铬量18%； 9 含镍量9%。,27,1.4 碳钢与铸铁,钢铁的组成=95%以上铁 +（0.054%）碳+1%杂质 铁碳合金 含碳量0.022% 为钢； 含碳量2% 为铸铁； 含碳量0.02% 为工业纯铁； 含碳量 4.3% 无实用价值。,铁碳合金！,28,1.4.1 铁碳合金的组织结构,1.金属的组织与结构 在1500倍显微镜下观察到的显微组织，即金属的金相组织。 金相组织结构直接影响金属材料的性质。 如，铸铁中的石墨形式不同，其性质也不同。,细片状石墨：次之,粗片状石墨：差,球状石墨：强度最好,29,纯铁在不同温度下的晶体结构：,30,31,2. 纯铁的同素异构转变：,-Fe -Fe,910,（面心立方晶格）,（体心立方晶格）,固态下铁原子重新排列,32,3.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织,铁碳关系：固溶态，化合态，混合态 固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。 （1）铁素体（F） 体心立方晶格（-Fe ）+C,铁素体 （固溶体）,塑性好，强度低。,33,（2）奥氏体（A） 面心立方晶格+C,奥氏体 （固溶体）,韧性好，强度高。,34,铁碳关系之二：化合态 C+Fe Fe3C Fe3C 称为渗碳体。 性能特点: .硬，脆； .在一定条件下可以分解,（3）渗碳体（C）,游离石墨+铁。,渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量2%）成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。,35,铁碳合金中含碳量2%时，部分碳以石墨形式存在于其中，即所谓铸铁。 组织结构特点 性能特点：石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。,铁碳关系之三游离态,36,1.4.2 铁碳合金状态图,略,37,1.4.3 碳钢,1.碳钢中杂质对其性能的影响 1）.锰(Mn) 来源在冶炼过程中加入锰铁。 作用钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金元素存在提高强度。是有益元素。 2）.硫(S) 来源矿石和焦炭。 存在形式：FeS。 作用FeS 的熔点低于钢材热加工开始温度， 它过早熔化，导致工件开裂，称为热脆性。 有害元素！,38,3). 磷(P),来源矿石。 作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。 有害元素！ 4）.氢(H) 来源钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“白点”。 “白点”裂纹源 有害元素！,39,2.碳钢的分类、牌号,（1）.普通碳钢 含P、S等有害杂质较多（S0.055% P0.045%) 常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F #Q235-B, # Q235-C, Q275 (参见表1-6） 式中 Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈服点（MPa) A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。 F沸腾钢 #GB150-98规定使用材料,40,（2）.优质碳素钢,特点：含硫、磷等杂质较少，均0.04%，杂质少，组织均匀，表面质量好。 常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 数字-含c量的万分数; g -锅炉钢； R -容器钢； Mn -含锰元素约1%。 （3）.高级优质钢 磷硫杂质极少 P,s含量0.03%。 表示法：如20A,GB150-98规定使用材料！,41,1.4.4.钢的热处理,热处理工艺实例： 缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软； 建筑用铁线用火烧软； 泵轴调质内韧外硬； 扁铲淬火提高硬度和韧性 ； 容器焊后退火消除内应力； ,热处理工艺曲线：,金属材料中的金相组织发生变化！,42,（1）常用热处理工艺,缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1） - 退火； 空气中冷却（曲线2）-正火 ； 作用：降低硬度，增加塑性，改善机械性能； 使组织均匀化，消除内应力。 【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度) 以上3050。,容器焊缝处产生内应力吗？,43,缓慢加热，保温一定时间 淬火剂中冷却（曲线3）； 淬火剂: 水，盐水-用于 碳钢； 油-用于合金钢。 作用：提高硬度、强度和耐磨性。,淬火,44,淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。 作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。 回火又分为： 低温回火（150250 ）； 中温回火（300450 ）； 高温回火（500680）。,淬火+高温回火 称为调质处理。 效果：强度、塑性、韧性均提高 。,回火,45,（2）化学热处理 -将零件放在化学介质中进行 加热-保温-冷却的过程。 使零件表面改性。 方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。,46,1.4.5. 铸铁,铁+ (2.54.0%)碳+Si、Mn、P、S 等杂质 铸铁 1）灰铸铁 如 HT150-330, HT200-400 HT-灰铸铁 第一个数字-抗拉强度（MPa) 第二个数字-抗弯强度（MPa) 特点：断口呈灰色，石墨呈片状； 质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；