化工机械基础21

第二篇材料与焊接第八章化工设备材料第一节概述根据物料与适宜工作条件选材物料腐蚀性：铸铁抗硫化氢压力与温度蠕变、氢腐蚀、低温脆性等2022/9/181第二节材料的性能力学性能、物理性能、化学性能和加工性能一、力学性能决定许用应力强度、硬度、塑性、韧性等2022/9/1821、强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力按所抵抗外力作用的形式可分为： 抵抗外力的静强度 抵抗冲击外力的冲击强度 抵抗交变外力的疲劳强度2022/9/183按环境温度可分为： 常温下抵抗外力的常温强度 高温下抵抗外力的高温强度 低温下抵抗外力的低温强度2022/9/184常温强度指标：屈服强度和抗拉(压)强度屈强比适当蠕变极限σn疲劳极限σrσr=

σmin/

σmax,应力循环系数或应力比σ-1,以106-107次不被破坏的应力2022/9/1852、硬度局部抵抗能力弹性、强度与塑性的综合性能指标压入硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV)低碳钢σb=0.36

HB高碳钢σb=0.34

HB灰铸铁σb=0.1

HB2022/9/1863、塑性延伸率δ断面收缩率ψ化工设备材料一般要求δ5=10%-20%2022/9/1874、冲击韧性冲击韧度αk，使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积低温容器所用钢板αk值不得低于30J/cm22022/9/188二、物理性能密度、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。2022/9/189三、化学性能1、耐腐蚀性金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力2、抗氧化性高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度选耐热材料2022/9/1810四、加工工艺性能1、可铸性：收缩与偏析2、可锻性3、焊接性4、可切削加工性2022/9/1811第三节碳钢与铸铁“铁碳合金”由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素所组成合金一般含碳量0.02％～2％称为钢；大于2％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2022/9/1812一、铁碳合金的组织结构1、金属的组织与结构在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织2022/9/1813电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称金属的晶体结构，简称结构不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。2022/9/18142、纯铁的同素异构转变体心立方晶格的纯铁称a-Fe，面心立方晶格的铁称为g-Fe。a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。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。在固态下重新排列、结晶过程。是钢进行热处理的依据。2022/9/18153、碳钢的基本组织碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。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这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。2022/9/1816（1）铁素体碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006％），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。2022/9/1817（2）奥氏体碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。g-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比a-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a-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。2022/9/1818（3）渗碳体碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。熔点约1600℃，硬度高，塑性几乎等于零。铁碳合金含碳量小于2％时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。含碳量大于2％时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。2022/9/1819（4）珠光体铁素体与渗碳体的机械混合物。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。2022/9/1820（5）莱氏体珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。2022/9/1821（6）马氏体钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。2022/9/1822二、铁碳合金状态图2022/9/1823按组织不同： 含碳量<0.8%，亚共析钢 含碳量>0.8%，过共析钢 含碳量=0.8%，共析钢钢在加热时形成单一的奥氏体组织。2022/9/1824按组织不同： 含碳量=4.3%，共晶生铁 含碳量2%—4.3%，亚共晶生铁 含碳量4.3%—6.67%，过共晶生铁所有生铁组织中都有莱氏体，多数碳以石墨状存在，用作铸件的生铁称为铸铁。2022/9/1825三、钢的热处理钢、铁固态下加热、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、化学与力学性能，称为热处理。普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、化学热处理2022/9/18261、退火和正火退火：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。目的：细化晶粒，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。正火是置于空气中冷却。晶粒变细，韧性可显著提高。铸、锻件切削加工前一般退火或正火。2022/9/18272、淬火和回火加热至淬火温度(临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。2022/9/1828回火是淬火后进行的一种较低温度的加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。在150℃～250℃范围内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量具，要进行低温回火处理。2022/9/1829中温回火温度是300℃～450℃。有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。高温回火温度为500℃～680℃。综合性能：强度、韧性、塑性等都较好淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。2022/9/1830时效热处理：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。2022/9/18313、表面淬火使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。2022/9/18324、化学热处理有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性；渗铝可提高耐热、抗氧化性；氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性；渗硅可提高耐酸性等。2022/9/1833四、碳钢1、常存杂质元素对钢材性能的影响硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等（1）硫有害元素。FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。钢材热加工1150～1200℃，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。2022/9/1834（2）磷有害元素。虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。使冷加工及焊接性变坏，高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。2022/9/1835（3）锰脱氧剂。有益元素。MnS(1600℃)，部分消除硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。在0.5%～0.8%以下时看成常存杂质。优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；高锰结构钢可达0.7%～1.2%。2022/9/1836（4）硅脱氧剂。有益的元素。硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。2022/9/1837（5）氧有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。2022/9/1838（6）氮长时间放置或在200～300℃加热氮以氮化物形式的析出，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，可消除时效倾向。2022/9/1839（7）氢氢脆、白点等缺陷。变脆：氢化物变形小白点：组织缺陷处扩散氢，时间长2022/9/18402、分类与编号按用途：建筑及工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）按含碳量：低碳钢、中碳钢和高碳钢按脱氧方式：镇静钢和沸腾钢按品质：普通钢、优质钢和高级优质钢2022/9/1841（1）普通碳素钢Q235-A，屈服强度数值（MPa）质量等级A，B，C，D。脱氧方法为F，b，Z，TZ。化工压力容器用钢一般选用镇静钢。普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种。2022/9/1842（2）优质碳素钢S＜0.03%～0.045%；P＜0.04%08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。平均含碳量的万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。45Mn，锰含量较高的优质非合金钢。2022/9/1843优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、10、15、20、25；塑性好，焊接性能好，壳体、接管。优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50与55；45号钢搅拌轴优质高碳钢（含C＞0.6%），如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。2022/9/1844（3）高级优质钢S＜0.02%～0.03%；P＜0.025%，均＜0.03%。它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。2022/9/18453、碳钢的品种及规格品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢（1）钢板（压力容器用热扎厚钢板）4mm～6mm厚度间隔为0.5mm6mm～30mm厚度间隔为lmm30mm～60mm厚度间隔为2mm一般碳素钢板材有Q235-A、Q235-A·F、08、10、15、20等。2022/9/1846（2）钢管无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管有冷轧和热轧。普通无缝钢管常用有10、15、20等。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。2022/9/1847（3）型钢有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。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、塔盘支承及各种加强结构。2022/9/1848（4）铸钢和锻钢铸钢用ZG表示，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20、25等制作管板、法兰、顶盖等。2022/9/1849五、铸铁含碳量2%以上，含有S、P、Si、Mn等杂质。脆性材料，抗拉强度较低，但有良好铸造性、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)中有相当好的耐腐蚀性能。铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。2022/9/1850铸铁一般碳以石墨形式存在，有不同的组织形貌。球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。2022/9/18511、灰铸铁2.7%～4.0%，片状石墨形式，断面暗灰色。有优良的铸造性、减振性能，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。HT和抗拉强度sb值表示，如HT100，其中100表示sb＝100MPa。常用灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。2022/9/18522、球墨铸铁简称球铁。在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。用QT、抗拉强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示sb＝400MPa，18表示d=18%。2022/9/18533、高硅铸铁有高耐蚀性能，含硅量增加耐蚀性增加。强度低、脆性大及内应力大，易于脆裂热导率小，线膨胀系数大，不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器牌号有：STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。2022/9/1854第四节合金钢在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，得到或改善某些性能。

一、分类与编号按合金元素总含量分：合金含量<5%，低合金钢合金含量5%-10%，中合金钢合金含量>10%，高合金钢2022/9/1855按用途分：合金结构钢调质结构钢、表面硬化钢低碳马氏体钢、非调质结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢和耐热钢等

2022/9/1856一种是汉字牌号，如35铬钼；另一种是用国际化学符号，如35CrMo。表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含Cr、Mo在1%左右。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。2022/9/1857二、合金元素对钢的影响目前常用的合金元素有：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。2022/9/18581、铬提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。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。提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但使塑性和韧性降低。2022/9/18592、锰提高强度和提高低温冲击韧性。3、镍提高淬透性，有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。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。2022/9/18604、硅提高强度、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。

5、铝强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。提高抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。价格便宜，在耐热钢中常以它来代替铬。2022/9/18616、钼提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。7、钒于固溶体中提高高温强度，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。2022/9/18628、钛强脱氧剂，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。在不锈钢中稳定碳，防止晶间腐蚀提高耐热性。

9、稀土元素提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。2022/9/1863三、可焊接的低合金高强度钢碳含量通常小于0.25%。有较高的屈服强度（300～1000MPa）和屈强比（ss/sb=0.65～0.95），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。2022/9/1864低合金高强度钢按性能和用途分高强度钢、低温钢和耐蚀钢1、高强度钢350MPa强度级，典型牌号为16Mn；400MPa强度级，典型钢号14MnMoV500MPa强度级，典型12MnNiCrMoVCu用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等的焊接结构件。2022/9/18652、低温钢主要有09Mn2V(-70℃)、06MnNb(-90℃)3、耐蚀钢10MnPNbRE钢耐海洋大气及海水腐蚀，12MnAlV钢制造炼油厂耐高温硫化氢设备。2022/9/1866大型化工容器16MnR，质量比碳钢轻l/3；与碳钢相比，用15MnV制造球形贮罐可节省钢材约45%。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2022/9/1867四、专业用钢锅炉用钢，压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。在钢号后面分别加注g、R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。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。2022/9/1868五、特殊性能钢不锈钢、耐热钢和高温合金及低温用钢1、不锈钢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。2022/9/1869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2022/9/1870（1）铁素体不锈钢含碳≤0.15％，铬量在12～30％。有些钢种还含有钼、钛等元素。不锈纲中的含碳量都较低，Cr23C6而消耗了铬。都在13％以上。对晶间腐蚀比较敏感；铬含量高时，脆性转变温度高，可焊性较差。

lCr13、2Cr13、受冲击载荷较大零件0Cr13、0Cr17Ti耐氧化性酸和硫化氢气体腐蚀，部分代替高铬镍型不锈钢2022/9/1871（2）奥氏体不锈钢优异的综合性能，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。含氯离子，发生晶间腐蚀的倾向。锰和氮代替不锈钢中的镍，发展出了铬锰镍氮系和铬锰氮系不锈钢。例如Cr18Mn8Ni5、Cr18Mn10Ni5Mo3N。2022/9/1872在400℃～800℃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。2022/9/1873防止晶间腐蚀的方法：1）降低含碳量<0.06%时不易产生，<0.03%时可靠地克服，超低碳不锈钢，如00Cr19Nil02）稳定碳原子，加入Ti，Nb，V，Mo稳定剂，广泛用，0Cr18Nil0Ti、0Cr18NillNb3）补充热处理稳定化退火（免疫处理）：850度保温2小时，充分扩散高温淬火水冷（固熔）：1100度左右加热后淬火，单相奥氏体2022/9/18742、耐热钢和高温合金例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等，温度往往达到1000℃以上。300℃～350℃即需选用耐热钢，一般耐热钢工作温度都在700℃以下，700℃～1000℃用高温合金。2022/9/1875耐热钢Cr、Al、Si铁素体形成元素，被高温气体氧化后生成一种致密的氧化膜。Ni、Mn奥氏体形成元素，

提高高温强度和改善抗渗碳性。V、Nb、Ti形成强碳化物提高高温强度。C和N扩大和稳定奥氏体提高高温强度B和Re均为耐热钢中添加的微量元素，可以显著提高钢材的抗氧化性，并改善其热塑性。2022/9/1876耐热钢按特性和用途可分为抗氧化钢（又称高温不起皮钢）和热强钢。抗氧化钢是指高温下具有较好的抗氧化性，并有适当强度的钢种。热强钢高温下有较好的抗氧化性和耐腐蚀能力，且有较高的强度。常用来高温工作下的汽缸、螺栓及锅炉的过热器等。2022/9/1877高温合金铁基合金、镍基合金、钴基合金。铁基耐热合金工作温度700℃以下，含相当高的铬、镍和其他强化元素。镍基耐热合金是目前在700℃～900℃范围内使用得最广泛的一种高温合金。镍含量通常在50%以上。钴基耐热合金的高温强度主要靠固溶强化获得。钴价格昂贵，应用受到很大限制，一般在1000℃以上才用。2022/9/18783、低温用钢深冷分离、空气分离等。（温度≤-20℃）目前国外低温设备用钢材主要是以高铬镍钢为主，也使用镍钢、铜和铝等。我国无铬镍的低温钢材系列。16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR2022/9/1879第七节化工设备的腐蚀及防腐措施一、金属的腐蚀：（一）化学腐蚀：

1.金属的高温氧化

2.钢的脱碳

3.氢脆和氢腐蚀（二）电化学腐蚀：1.腐蚀原电池

2.微电池与宏电池

3.浓差电池2022/9/1880金属的高温氧化指金属和环境中的氧化合而生成金属氧化物，在一定程度上起到了保护作用。如果金属氧化物的熔点较低，在高温下，使金属表面不断暴露在氧化介质中，氧化便可迅速进行。（一）化学腐蚀可加入Cr、Si、Al，生成致密的保护性的氧化物，提高抗氧化性。1.高温氧化2022/9/18812.钢的脱碳危害：（1）碳含量减少；（2）气体析出。措施：改变气体成分2022/9/18823.氢脆和氢腐蚀