第4章对容器设计的安全要求(3)压力容器的材料

第四章对容器设计的安全要求§4-3压力容器的材料对材料性能的基本要求压力容器的使用条件多种多样，如处理、输送易燃、易爆、有腐蚀性、有毒与有害等物料，操作压力可能从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温，使得设备处在极其复杂的操作条件下运行，这就对压力容器的选材提出了不同的要求。选用材料的一般要求(1)材料品种应符合我国资源和供应情况；(2)材质可靠，能保证使用寿命；(3)要有足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；(4)便于制造加工，焊接性能良好；(5)经济上合算。选材不当所引起的事故因选材不当所引起的事故颇多。如2001年3月某公司人造水晶224号超高压水晶釜发生爆炸，釜体下部被撕开长1130mm、宽约200mm的缺口，与缺口等面积的一块钢板被炸断飞出1.5m远，将水泥地砸出深300mm的凹坑，4根M40×2的地脚螺栓均被剪断，釜体歪斜倒在邻近的釜上，爆炸冲击波将车间部分门窗损坏，直接经济损失约30万元。该釜设计压力151Mpa，设计温度400℃，工作压力137Mpa，工作温度380℃，工作介质为碱溶液，釜体材质33CrNi3MoVA，为超高压三类压力容器。分析事故原因可知，除了违规操作，导致温度失控，超压运行外，NaOH、NaN02溶液对33CrNi3MoVA材料是极为敏感的应力腐蚀介质，釜体材料存在应力腐蚀。因此，要满足各种压力容器每个具体工况的要求，合理的选用材料是设计化工设备的主要环节，也是提高压力容器的安全可靠性，确保其安全运行的前提。为能选择合适的材料制造压力容器，保证压力容器安全正常地进行工作，必须首先了解材料的基本性能。对材料性能的基本要求材料的性能包括:力学性能物理性能化学性能工艺性能其它性能力学性能构件在使用过程中受力(载荷)超过某一限度时，就会发生变形，甚至断裂失效。金属材料在外力作用下所引起的变形和破坏过程，大致可分为三个阶段：(一)弹性变形阶段；(二)弹—塑性变形阶段；(三)断裂。一般的断裂有两种形式：断裂之前没有明显塑性变形阶段的，称为脆性断裂；经过大量塑性变形之后才发生断裂的，称为韧性断裂。力学性能我们把材料在外力（或外加能量）的作用下抵抗外力所表现的行为（包括变形、抗力、弹性、塑性、强度、硬度和韧性等特征指标），即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力，叫做材料的力学性能（亦称机械性能）。1．强度指标2．塑性指标3．硬度4．韧性指标5．缺口敏感性强度指标强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。屈服点(也叫屈服极限)(σs)抗拉强度（强度极限）(σb)蠕变极限(σn)持久极限(σD)疲劳极限（σ-1）屈服点(也叫屈服极限)(σs)金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象，习惯上称为“屈服”。发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”，用σs(MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。

式中Ps──是载荷不再增加，甚至有所降低时，试件还继续伸长的最小负荷(N)；F0──试件的原始接面积，m2。除退火的或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服现象外，大多数金属合金没有明显的屈服点。因此，工程中规定发生0.2％残余伸长时的应力，作为“条件屈服点”，称为屈服强度，以σ0.2(MPa)表示。

式中P0.2──为产生0.2％残余伸长的负荷(N)。抗拉强度（强度极限）(σb)金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做强度极限。由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，它是试件拉断前最大负荷下的应力，以σb(MPa)表示。

式中Pb为拉断前试件所承受的最大负荷(N)。抗弯强度是铸铁等低塑性的脆性材料的强度指标之一，以σbb(MPa)表示。

式中M——弯矩，N·m；W——标准试件的抗弯断面模数，m3。工程上所用金属材料，不仅希望具有高的σs值，而且还希望具有一定的屈强比(σs/σb)。屈强比愈小，就具有较大的塑性储备，愈不容易发生危险的脆性破坏，但是，屈强比太低，材料的强度水平就不能充分发挥。反之，屈强比愈大，材料的强度水平能得到充分发挥，但塑性储备较小。实际上，一般还是希望屈强比高一些。蠕变极限(σn)所谓蠕变，是指在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象，或者金属在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。材料在高温条件下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力，用蠕变极限σn(MPa)表示。蠕变极限(σn)常用的蠕变极限有两种。一种是在工作温度下，引起规定变形速度(如v=1×10-5mm／(mm·h)或v=1×10-4mm／(mm·h))的应力值；另一种是在一定工作温度下，在规定的使用时间内，使试件发生一定量的总变形的应力值。如在某一温度下，在一万或十万小时内产生的总变形量为1％时的最大应力。材料的蠕变极限与温度、蠕变速度有关。表中给出了不锈耐酸钢(0Cr18Ni9Ti)在不同温度及不同蠕变速度下的蠕变极限值（MPa）。持久极限(σD)在给定温度下，促使试样或工件经过一定时间发生断裂的应力叫做持久极限，以σD(MPa)表示。在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般为十万小时，以

(σD)表示试件经十万小时断裂的应力。也可以表示成σDt，上标t表示温度，下标D表示载荷作用至断裂时的小时数。σ100000500表示材料在500℃的温度下，经载荷作用105小时即发生断裂的应力值。持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。在相同的条件下，能支持的时间越久，则该材料抵抗断裂的能力越大。疲劳极限（σ-1）很多构件与零件，经常受到大小及方向变化的交变载荷，这种交变载荷，使金属材料在应力远低于屈服极限即发生断裂，这种现象称为“疲劳”。金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力，称为“疲劳极限”。实际上不可能进行无数次的试验，而把经106～108次循环试验作为疲劳强度。如钢在纯弯曲交变载荷下循环5×106次时，所测得不发生断裂的最大应力，即算作它的弯曲疲劳强度，用σR(MPa)表示。下标R代表应力比或循环特征。例如σ-1即代表材料在对称循环（R=-1）时弯曲交变应力下的疲劳极限。塑性指标金属的塑性，是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。延伸率(δ)试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率，称为延伸率，以δ(％)表示。

式中lk——试件断裂后的标距长度，mm；l0——试件的原始标距长度，mm；

ΔlK——断裂后试件的绝对伸长，mm。为了便于比较，试件必须标准化。现国内采用的拉伸试样有：长圆试样用l0/d0=10(d0为试样直径）、短圆试样用l0/d0=5，其延伸率分别用δ5或δ10表示。断面收缩率(ψ)试件受拉力拉断后，断面缩小的面积同原始截面面积比值的百分率，叫做断面收缩率，以ψ(％)表示。

式中FK——断裂后试件的最小截面积，mm。；F0——试件的原始截面积，mm。。断面收缩率ψ与试件尺寸无关，它能更可靠、更灵敏地反映材料塑性的变化。延伸率和断面收缩率，都是用来度量金属材料塑性大小的，延伸率和断面收缩率愈大，表示金属材料的塑性愈好。如纯铁的延伸率几乎为50％，20R的d5不小于25%；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%，而普通铸铁的延伸率还不到1％，因此，铸铁的塑性非常差。最小值：锰钢、碳钢δ≥16%，合金钢δ≥14%(对于同类材料，强度越高，尺寸越小，但塑性就越差。塑性好，不但易发现，而且可松弛局部超应力，而避免断裂)。冷弯（角）冷弯角也是衡量金属材料和焊缝塑性的指标之一，它是由冷弯试验测定的。金属材料和焊接接头在室温下以一定的内半径进行弯曲，在试样被弯曲受拉面出现第一条裂纹前，金属材料的变形越大，其塑性就越好。焊接接头的冷弯试验常以一定的弯曲角度（α=120°或180°)下是否出现裂纹为评定标准。冷弯试验不但是对压力容器用材的一项验收指标，而且在容器制造过程中，对焊接工艺试板和产品试板均需做冷弯试验。（对不锈钢，冲击试验可以不做，但冷弯试验必须做。）硬度硬度是指金属材料抵抗其它更硬物体压入表面的能力。硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。常用的硬度测量方法都是用一定的载荷(压力)把一定的压头压入金属表面，然后测定压痕的面积或深度。当压头和压力一定时，压痕面积愈大或愈深，硬度就愈低。根据压头和压力的不同，常用的硬度指标可分为布氏硬度(HBS钢球压头、HBW硬质合金球压头)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV)和肖氏硬度（HS）等。布氏硬度布氏硬度测量方法是以直径为D(mm)的钢球，在载荷F(N)下压入金属表面；如图所示。经规定保压时间卸载后，根据试件表面压痕直径d(mm)按下式计算材料的布氏硬度。硬度试验中，如果材料布氏硬度小于等于450，采用钢球压头，用HBS表示布氏硬度；如果材料布氏硬度大于450且小于等于650，则采用硬质合金球压头，布氏硬度则用HBW表示；如果硬度大于650HBW，测量结果不准确，须改用洛氏硬度测量方法。布氏硬度的特点是比较准确，因此用途很广，但不能测硬度更高的金属，如HBW＞650以上。也不能测太薄的试样，而且布氏硬度压痕较大，易损坏表面等。硬度是材料的重要性能指标之一。一般说来，硬度高强度也高，耐磨性较好。大部分金属硬度和强度之间有一定的关系，因而可用硬度近似地估计抗拉强度值。根据经验，它们的关系为（应力均已Mpa计）：对于碳钢，当HBS≤140时，σb≈（3.68～3.76）HBS；当140＜HBS≤450时，σb≈（3.40～3.51）HBS对于碳钢及低合金钢，450＜HBW≤650时，σb≈（3.36～4.08）HBW。韧性指标冲击韧性是衡量材料韧性的一个指标，是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常以标准试样的冲击吸收功AK表示。冲击韧性目前工程技术上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属承受冲击载荷的能力，其试验方法和原理如图所示。摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）：Ak=G(H1-H2)焦耳！吸收功的高低取决于——材料能否迅速塑性变形的能力。

冲击韧性将欲测定的材料先加工成标准式样，如图1—4所示。然后放在试验机的机座上，又将具有一定重量G的摆锤举至一定的高度H1，使其获得一定的位能(GH1)，再将其释放，冲断试样，摆锤的剩余能量为GH2。摆锤冲断试样所失去的位能，即冲击负荷使试样破断所做的功，称为冲击功，以AK表示，单位是N·m。，则AK=GH1－GH2=G(H1－H2)N·m（J）。用试样缺口处截面积F(cm2)去除AK，即得到冲击韧性（ak）：N·m/cm2(J/cm2)冲击韧性韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和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；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为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。虽然压力容器的各承压部件一般都不承受冲击载荷，但冲击值αK对材料的脆性转化比较敏感，也就是说，冲击值也可以反映钢的低温冷脆性能。因此，使用温度较低的压力容器都把材料在使用温度下的冲击值αK作为控制指标。冲击功AKV因为同一材料在冲击试验时所消耗的功主要取决于发生塑性变形的体积，而不仅仅取决于缺口处横截面积F，所以用F来平均AK也是不够确切的。冲击试验常用试样有梅氏（U形缺口）试样，夏比（V形缺口）试样。试验数据表明，夏比（V形缺口）试样缺口尖端的圆角小，能模拟较高的应力集中和反映材料的缺口敏感性，它对考核材料低温时的韧性（脆性）较梅氏试样敏感。因此，我国《压力容器安全技术监察规程》中规定，对低温容器用材料，要提供夏比（V形缺口）冲击功AKV。GB150参考采用了ASMEⅧ-1的有关规定，以冲击功AKV为20J作为低碳钢强度级别的钢材的验收判据。

断裂韧性表示材料韧性的一个新指标是平面应变断裂韧性KⅠC，可反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。它表征材料抵抗脆性断裂的能力。这是根据断裂力学为理论依据，计算各种缺陷的应力强度因子，以缺陷的应力强度因子和小于该温度下材料的断裂韧性作为防止脆断的准则。缺口敏感性缺口敏感性是指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，属于材料的韧性范畴。但它和材料的冲击韧性不同，是在静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。而冲击韧性是指材料承受动载荷时抵抗裂纹扩展的能力。一种常用缺敏感性试验方法是：从垂直钢材轧制面方向开出带有60°角的“V”形缺口，缺口深度为2mm，在油压机上进行弯曲试验，弯曲时支点的跨距为40mm，求得载荷P－挠度f曲线，根据曲线的陡降程度判定缺口敏感性是否合格。物理性能金属材料的物理性能有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比(有时也将其归入机械性能)等。热膨胀性金属及合金受热时，一般说来体积都要膨胀(即几何尺寸要伸长)，这一特性称为热膨胀性。通常应用的是线膨胀系数，以αl表示。（mm/（℃·mm），简作1/℃）式中l——试件原始长度，mm

Δl——试件伸长量，mm；

Δt——温度差，℃。异种钢的焊接，要考虑到它们的线膨胀系数是否接近，否则会因膨胀量不等而使构件变形或损坏。有些设备的衬里及组合件，应注意材料的线膨胀系数要和基体材料相同或接近，以免受热后因膨胀量不同而松动或破坏。弹性模量与泊松比

材料在弹性范围为，应力和应变成正比，即σ=Eε。这个比例系数E称为弹性模量，单位为N/m2，它直接表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。弹性模量是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。材料的弹性模量越大，使它产生一定量的弹性变形的应力也越大。金属的弹性模量主要取决于金属原子结构、结晶点阵和温度等因素，而合金化、热处理和冷热加工等因素对它的影响很小，因此，弹性模量是金属材料最稳定的性能之一。对同一种材料，弹性模量E随温度的升高而降低。泊松比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比，以μ表示。对于各种钢材，它近乎为一个常数，即μ=0.3。化学性能金属的化学性能是指材料在所处的介质中的化学稳定性，即材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀。金属的化学性能主要是耐腐蚀性和抗氧化性。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。常用金属材料在酸碱盐类介质中的耐腐蚀性可查表。耐腐蚀性能：是指材料在使用条件下（包括温度、压力、湿度及含有杂质等）抵抗工作介质侵蚀的能力。按腐蚀深度评定金属的耐蚀性(连续腐蚀)采用三级标准：但对压力容器，一般常见的是斑点、深坑腐蚀，而最严重，最危险的是晶间、应力腐蚀。从最不利条件考虑。有些气体在常温下对材料没有腐蚀，而在高温下却严重腐蚀。有些气体在干燥下对材料没有腐蚀，而在含有水分时却严重腐蚀。抗氧化性在现代工业生产中的许多设备，如各种工业锅炉、热加工机械、汽轮机及各种高温化工设备等，它们在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸汽、CO2、SO2等的氧化腐蚀作用．因此锅炉给水中的含氧量和其它介质中的硫及其它杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。工艺性能金属和合金的加工工艺性能是指在保证加工质量的前提下加工过程的难易程度。工艺性能主要有：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时必须考虑的因素。金属材料的加工分为冷加工和热加工。冷加工有冷卷、冷冲压、冷锻、冷挤压及机械切削加工等；热加工有热卷、热冲压、铸造、热锻、焊接及热处理等。冷塑性焊接性能冷塑性冷塑性变形：金属在室温或较低温度下发生的永久变形。当压力容器用钢板冷加工时，要求制造容器的材料具有良好的冷塑性。材料的冷塑性由所要求的塑性指标可以得到保证。焊接性能焊接性能：也称可焊性，钢的含碳量越高，可焊性越差。合金元素成分大部分也不利于它的焊接。C<0.3%的碳钢(普通碳钢，优质碳钢)和C<0.2%的普通低合金钢具有良好的可焊性。Ce碳当量日本:英国:

一般认为碳当量Ce<0.45%的合金钢，具有良好的可焊性，注意可焊性，主要是防止焊接裂纹。氢含量、钢板厚度对其也有影响。其它性能1．组织稳定性2．抗松弛性3．应变时效敏感性组织稳定性钢经长期时效(在工作温度下长期保温或在应力状态下长期保温)后，其室温冲击值往往因组织不稳定(如渗碳体分解造成石墨化；珠光体内的片状渗碳体转变成尺寸较大球状渗碳体)而有所降低。某些珠光体耐热钢在400～600℃长期保温发生脆化后，只是冲击值显著降低，而其它机械性能指标，包括塑性则无明显变化。出现这种脆性的原因，一般认为是由于溶质原子在固溶体晶粒间界上发生偏析，降低了晶粒间的结合强度。奥氏体耐热钢和合金出现这种时效脆性的温度范围是600～800℃。出现脆性后，与珠光体耐热钢不同，不只是引起冲击韧性降低，塑性指标也会发生显著变化，往往还会引起强度指标，特别是持久强度的降低。出现这种脆性的原因，通常是由于脆性的第二相(碳化物、氮化物等)沿晶界析出的结果。抗松弛性试样和零件在高温和应力状态下，如维持总变形不变；随着时间的延长自发地减低应力的现象称为松弛。锅炉、汽轮机和高温化工设备中很多零件是在松弛条件下工作的，如螺栓等紧固件。紧固件拧紧加上初应力后，在高温下经过一段时间发生松弛，总变形中的一部分弹性变形转变为塑性变形，紧固件中的应力便降低了一部分，此时紧固件中所剩下的应力叫做“剩余应力”。如果剩余应力愈高，则称材料的抗松弛性能愈好。应变时效敏感性应变时效是金属及其合金在冷加工变形后，由于在室温或较高温度下的内部脱溶沉淀(对低碳钢来说主要是氮化物的析出)，会使各种性能(主要是冲击韧性)随时间延长而发生变化(降低)。压力容器常用材料金属:黑色金属(碳钢合金钢—绝大部分，铸铁)有色金属：铜、铝、钛及其合金非金属：工程塑料（硬聚氯乙烯塑料、聚乙烯塑料、耐酸酚醛塑料、聚四氟乙烯塑料、玻璃钢等）碳纤维复合材料:优点是重量轻、强度高、耐腐蚀压力容器常用材料在压力容器设计中，正确地选择材料对保证容器的结构合理、安全使用和降低制造成本都是至关重要的。压力容器使用的主要材料是碳素钢和低合金钢，这两类钢材构成了压力容器的基础材料。牌号表示原则

根据国家标准（GB/T221—2000)的规定，牌号中化学元素用化学符号或汉字表示，产品用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则。钢铁产品用途、冶炼和浇注方法表示法

钢号表示法

普通碳素结构钢的牌号根据GB700—88，普通碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点的数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。例如，Q235-A•F，其中Q——钢材屈服点"屈"字汉语拼音首位字母；235——钢材试件厚度（直径）<16mm时屈服点的数值，单位为MPa;A(B，C，D)——钢材质量等级；F(b,Z)——脱氧方法中沸腾钢"沸"字汉语拼音首位字母（b为脱氧方法中半镇静钢半字汉语拼音首位字母;Z为镇静钢镇字汉语拼音首位字母，在牌号组成表示方法中，"Z"符号予以省略）。钢材的成分与分类工程上广泛应用的金属材料是钢和铸铁，它们的总产量要比其他所有金属产量的总和还要多几百倍。钢和铸铁由95%以上的铁和0.05%〜4%的碳及1%左右的其他杂质元素组成，因此钢和铸铁又称为"铁碳合金"。一般含碳量在0.02%〜2%的称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。当含碳量小于0.02%时，称为工程纯铁，极少使用；当含碳量大于4.3%时，铸铁太脆，没有实际应用价值。金属的组织与结构

工业上作为结构使用的金属材料是固态的。固态金属都属于晶体物质。通常在低于1500倍的显微镜下观察到的金属的晶粒，称为金属的显微组织，即金属的金相组织，简称组织，如图所示。金属的组织与结构

如果用X光和电子显微镜则可以观察到金属原子的各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构。灰铸铁中石墨的不同组织形式这种金属内部的微观组织和结构的不同形式，影响着金属材料的性质。图为灰铸铁中石墨的不同组织形式，其中球状石墨的铸铁强度最好，细片状石墨次之，粗片状石墨最差。纯铁在不同温度下的晶体结构如图所示为纯铁在不同温度下的晶体结构。其中，如图(a)所示为面心立方晶格，称为γ-Fe；如图(b)所示为体心立方晶格，称为α-Fe。前者的塑性好于后者，而后者的强度高于前者。(a)(b)纯铁的同素异构转变

α-Fe经加热可转变为γ-Fe，反之，高温下的γ-Fe冷却可转变为α-Fe。这种在固态下晶体结构随温度变化的现象,称为“同素异构转变”。这一同素异构转变是在910℃下恒温完成的。铁的同素异构转变是固态下铁原子重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程。纯铁塑性较好，强度较低，在工业上用得很少，常用的是铁碳合金。铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织

碳对铁碳合金性能的影响极大，铁中加入少量的碳以后，强度显著增加，这是由于碳加入后引起了内部组织改变的缘故。两种物质的相互关系基本上可以分为溶解、化合与混合几种，而铁和碳的关系也遵循这一普遍原则。碳在铁中的存在形式有固溶体（两种或两种以上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叫做固溶体）、化合物和混合物。下面具体介绍铁和碳溶解、化合和混合所形成的各种基本组织。铁素体(F)碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体叫做铁素体，以F表示，如图所示。由于α-Fe的原子间隙很小，所以溶碳能力极低，在室温下仅能溶解0.006%的碳。所以铁素体强度和硬度低，但塑性和韧性很好。因而含铁素体的钢（如低碳钢）就表现出软而韧的性能。奥氏体（A）碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体叫做奥氏体，以A表示，如图所示。由于γ-Fe原子间隙较大，所以碳在γ-Fe铁中的溶解度比在α-Fe中大得多。如在727℃时可溶解0.77%，在1148℃时可达最大值2.11%。碳钢只有加热到727℃(称为临界点）以上，组织发生转变时才存在奥氏体。奥氏体的性能特点是强度、硬度高，塑性低，韧性好，且没有磁性。渗碳体（C）铁和碳以化合物形态出现的碳化铁，称为渗碳体，以C表示。其中铁原子与碳原子之比为3:1，即Fe3C。其含碳量高达6.69%。Fe3C的性能既不同于铁，也不同于碳。其硬度高(HBW为784),塑性几乎为零，熔点约为1600℃。由于Fe3C又硬又脆，纯粹的Fe3C在工业上并无用处。Fe3C以不同的大小、形状与分布出现在组织中，对钢的组织与性能影响很大。渗碳体在一定条件下可以分解为铁和碳，这种游离的碳是以石墨形式存在的。铁碳合金中碳的含量小于2%时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，这就是碳素钢；当碳的含量大于2%时，部分碳就以游离石墨的形式存在于合金中，这就是铸铁。石墨本身的性质是质软，强度低。石墨分布在铸铁中相当于对铸铁挖了许多孔洞，因而铸铁的抗拉强度和塑性都比钢的低。珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物，以P表示。碳素钢中珠光体组织的平均含碳量约为0.77%。它的力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著增高，塑性、韧性比铁素体要差，但比渗碳体要好得多。莱氏体（L）莱氏体是珠光体和初次渗碳体共晶混合物，以L表示。它存在于高碳钢和白口铁中。莱氏体具有较高的硬度（HBW＞686），是一种较粗而硬的组织。马氏体（M）钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火）下来，得到一种碳原子在α-Fe铁中过饱和的固溶体，称为马氏体，以M表示。马氏体组织有很高的硬度，而且硬度随着含碳量的增大而提高。但马氏体很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。马氏体由于碳原子过饱和，所以不稳定，加热后容易分解或转变为其他组织。铁碳合金状态图铁碳合金状态图又称铁碳合金相图，它是描绘铁碳合金内部组织、成分（含碳量）与温度关系的图形。它能显示出不同含碳量的钢和铸铁在缓慢加热或冷却过程中组织变化的规律，是研究钢铁组织与性能的基础，对于钢铁的各种热加工工艺，也具有重要的指导意义。由图可以看出，含碳量为0.77%的钢，是由单一的珠光体所组成，称为共析钢；含碳量小于0.77%的钢，是由铁素体加珠光体所组成，称为亚共析钢；含碳量大于0.77%而小于2.11%的钢，是由珠光体加渗碳体所组成，称为过共析钢。含碳量为2.11%～4.3%的铸铁，由珠光体加渗碳体加莱氏体所组成。含碳量为4.3%的铸铁为单一的莱氏体组织。含碳量在4.3%以上的铸铁的平衡组织，则是由莱氏体加渗碳体所组成。铁碳合金状态图

铁钢在加热或冷却过程中，其内部组织发生转变的温度叫做临界温度，或称临界点。在状态图中的临界点有A1（PSK线）、A3（GS线）和ACM（ES线），各临界点的组织转变情况如下。A1——在图中是一条水平线，温度为727℃,它表示各种钢在加热到727℃以上时，珠光体开始转变成奥氏体。反之，从高温冷却至727℃以下时，奥氏体转变为珠光体。A3——它表示亚共析钢加热到A3以上时，其组织中的铁素体全部转变为奥氏体。反之，当冷却到A3时，奥氏体开始转变为铁素体。ACM——它表示过共析钢加热到ACM以上时，其组织中的渗碳体全部溶解到奥氏体中。反之，当冷却到ACM时，奥氏体中开始析出渗碳体。ACM和A3点一样，都是随着含碳量的变化而变化。状态图中的ACD线为液相线，即液态合金开始结晶时温度的连线。AECF线为固相线，即液态合金结晶终了温度的连线。铁碳合金状态图

通过对铁碳合金状态图的分析可知，碳钢的组织主要取决于含碳量的多少。当含碳量极低时（<0.006%），碳原子全部溶解到铁中，通常组成单一的铁素体组织。随着含碳量的增加，珠光体量逐渐增加，而铁素体量逐渐减少。当含碳量达到0.77%时，碳钢组织全部为珠光体。含碳量超过0.77%，碳钢组织中除了珠光体外，开始出现渗碳体。随着含碳量的增加，渗碳体量不断增多且呈网状分布在晶界上，正是由于上述组织的变化，引起钢的性能随含碳量而变化。如珠光体量不断增加，钢的强度和硬度不断提高，而塑性和韧性有所降低，当网状渗碳体出现时，又使强度略有降低。钢材的分类按化学成分按金属品质按冶炼方式按冶炼设备按脱氧程度和浇注制度按用途化学成分分类钢分为碳钢和合金钢两类。碳钢是指含碳量小于2.06%的铁碳合金。按含碳量可分为低碳钢（含碳量小于0.25%)、中碳钢（0.25%～0.55%)和高碳钢(大于0.55%)。合金钢是为了改善钢的某些性能而加入一定量的一种或几种合金元素的钢。根据钢中合金元素总含量的不同可以分为：合金元素总含量（质量分数）不大于5%的低合金钢、合金元素总含量在5%～10%之间的中合金钢和合金元素总含量大于10%的高合金钢。钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢按钢的品质分类钢的品质主要指钢的纯洁度。钢的纯洁度以钢中所含硫、磷等有害杂质的多少来衡量。据此可将钢分类为普通碳钢（P≤0.045%，S≤0.050%)、优质碳钢(P≤0.040%,S≤0.035%)和高级优质碳钢（P≤0.030%，S≤0.030%)。优质碳钢的表示方法是在钢号后面加一个A字，如20A。钢普通钢优质钢高级优质钢按冶炼方法分类按冶炼设备:可分类为平炉钢、电炉钢和转炉钢。平炉钢是在有拱形炉顶的平炉里，利用外来热源熔化铸铁和废钢所炼出来的钢。此种冶炼方法易于控制成分和除去有害杂质，炼出的钢质量较高。电炉钢是在电炉里利用电能产生的高温冶炼出来的钢。电炉钢中大量是电弧炉钢。在电弧炉中，由于能准确地控制炉温，充分进行冶炼反应，故有害杂质除去较完全，炼出的钢质量很高，钢中气体和偶存的有害元素含量都极低。转炉钢是在可转动的炉里，向髙温液态铁水供给空气，利用铁水中的杂质与空气中的氧气发生化学反应产生的热量冶炼出的钢。在冶炼转炉钢过程中向炉里吹入氧气，强化钢液的高温化学反应，使杂质除去较为完全，能够得到质量较高的钢。按冶炼方法分类按脱氧程度和浇注制度:可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。钢沸腾钢镇静钢半镇静钢沸腾钢

沸腾钢冶炼时只用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢，含氧量为0.03%〜0.07%，其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生[FeO]+[C]=CO+[Fe]的自脱氧反应，放出大量的CO气体，出现沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭，因而内部结构疏松。这个缺点通过碾压时的压合作用可以得到克服。沸腾钢锭没有缩孔处的废弃部分，所以成材率高，成本低。但沸腾钢的钢锭含碳量常有一些偏析。镇静钢镇静钢在浇注前用Si、Al等元素对钢液进行完全脱氧，把FeO中的氧还原出来，生成Si02和A1203，使得钢中含氧量不超过0.01%(通常是0.002%〜0.003%)。钢锭模上大下小，浇注后钢液从底部向上、向中心顺序地凝固，在钢锭上部形成集中缩孔，锻压时将这一部分截去，因而成材率较低，成本较高。但这种方法铸成的钢锭内部紧密坚实，因此重要用途的优质碳钢和合金钢大都是镇静钢。化工压力容器一般都要选用镇静钢。半镇静半镇静钢介于镇静钢与沸腾钢之间，浇注前在盛钢桶内或钢锭模内加入脱氧剂，锭模也是上小下大，钢锭的特征是具有薄的紧密外壳，头部还有缩孔，钢锭内部结构下半部像沸腾钢，上半部像镇静钢。由于此种钢经部分脱氧，能早期消除模内沸腾，所以钢锭的偏析发展较弱。这是生产这种钢锭的主要原因。同时这种钢锭头部切除较小，成材率也较高。沸腾钢成材率高、成本低，但钢锭内有小气泡、偏析严重，不允许用于重要的压力容器。镇静钢钢锭致密，质量较好，但成材率低、成本较高。按用途分类可分为建筑钢、结构钢（碳素结构钢，合金结构钢）、弹簧钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、耐热钢等）钢建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性能钢钢材的元素组成钢中除碳、铁以外，还含有少量锰（Mn)、硅（Si)、硫(S)、磷（P)、氧（0)、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。另外为改善钢材性能也加入一些金属元素，这些金属元素有：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。它们在钢中都起一定的作用。①锰（Mn)锰（Mn)是一种良好的脱氧剂，又是一种很好的脱硫剂，焊接时经常利用它脱氧和脱硫。锰是低合金钢中最常用的强化元素。在钢中含量小于2%时，对于低合金钢来说，可提高钢的强度和韧性。对于中、高合金钢而言，随着强度的增加，其塑性和韧性则要降低。增加含锰量可以提高钢的强度、耐磨性和低温冲击韧性。锰的含量在0.8%以下时，一般认为是常存的杂质；含量在0.8%以上时，可认为是合金元素。前者是冶炼中引入的，可脱氧和减轻硫的有害作用，是一种有益元素。后者当含锰量较高时，锰能溶解于铁素体，起强化铁素体的作用。按技术条件规定，优质碳素结构钢中含锰量是0.5%〜0.8%，而较高含锰量碳钢中，含锰量可达0.7%〜1.2%。②硅（Si)硅（Si)是强的脱氧剂。可提高钢的抗氧化性、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。但含量超过2%时会使钢的塑性和韧性降低，所以在低合金钢中硅的含量要加以适当限制。硅的含量少于0.5%时,认为是常存杂质。它也是炼钢过程中为了脱氧而引入的。脱氧不完全的钢（如沸腾钢），其中的硅含量小于0.3%。硅在钢中或者溶于铁素体内，或者以脱氧生成物Si02的形式残存于钢中。溶于铁素体的硅，可提高钢的强度、硬度，可算是一种有益元素。③铬(Cr)铬(Cr)在化学性能方面它不仅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。随含铬量增加，可焊性变差。④镍(Ni)镍(Ni)主要是形成稳定的奥氏体组织，提高耐蚀性能，并且它能提高奥氏体钢的高温强度和持久强度，提高钢的塑性，能促进石墨化。镍、铬同时存在时，钢材既具有较高塑性，又具有较高的硬度和强度。镍对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。镍能提高耐腐烛性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈钢和耐热钢中。⑤钼（Mo)钼（Mo)在铁素体中有较大的溶解度，有明显的固溶强化作用。同时又是强的碳化物形成元素。它可以提髙钢的热强性，并提高钢的高温强度和硬度，细化晶粒。在钢中加入钼，可以防止回火脆性。但钼有促进石墨化倾向。含钼小于0.6%时可提高塑性。钼能抗氢腐蚀。⑥钛（Ti）和铌（Nb）钛（Ti）和铌（Nb）是强烈地形成碳化物的元素，所形成的碳化物极为稳定，常用来做稳定剂，在不锈钢中起稳定碳的作用，减少铬与碳化合的机会，防止铬镍奥氏体钢在高温下或焊接后产生晶间腐蚀，还可提高耐热性。钛能细化晶粒，从而提高钢的韧性，改善钢的可焊性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。⑦钒（V）钒（V）对碳、氮都有很强的亲和力，能在钢中形成稳定的碳化物和氮化物，细化晶粒，降低钢的过热敏性（弹性显著增加），并提高钢的高温强度、韧性和提高淬透性。使它具有良好的抗冲击和抗弯曲能力，不易磨损和断裂。铬钢中加少量钒（1％），在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。钒是重要合金钢的添加元素。它既是一种脱氧剂，又能强化合金钢，被誉为“合金的维生素”，因此许多合金钢中都加入钒。⑧铝铝为强脱氧剂，能显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。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。⑨稀土元素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。⑩硫（S）的影响硫是钢中有害元素。碳钢中的硫来源于矿石和冶炼中的焦炭，硫和铁生成的FeS（硫化亚铁）存在于钢中，FeS易和Fe能形成低熔点的共晶体（熔点为985℃),其熔点低于钢材热加工开始温度（1150～1200℃)。在被加热到1000～1200℃时，共晶体熔化，导致钢材在高温时破裂，这种现象称为"热脆性"，在焊接时会产生热裂纹。含硫量愈高，这种热脆性就愈严重。硫化物在钢中易造成偏析，降低焊接结构的抗层状撕裂能力和钢材的韧性。所以硫是一种有害元素，钢中硫含量应控制在0.07%以下。⑾磷（P）的影响磷是钢中有害元素，来源于矿石。磷在钢中能溶于铁素体内，可使钢材在室温时的强度、硬度增加，塑性和韧性下降。特别是降低低温冲击韧性，即钢的"冷脆性"，使钢的冷加工及焊接性能变坏。钢材在回火过程中，磷偏析于晶界，引起钢材的回火脆性，这在Cr-Mo钢中特别明显。所以磷也是一种有害元素。含磷量愈高，冷脆性愈强，故钢中磷含量控制较严，一般应小于0.06%。⑿氧(0)的影响炼钢以后，氧在钢中常以MnO、SiO2、FeO、Al2O3等夹杂物形式存在，它们的熔点高，并以颗粒状存在于钢中，从而破坏了钢基体的连续性，大大降低了钢的力学性能，如冲击韧性、疲劳强度等。所以氧也是一种有害元素。⒀氮（N）的影响铁素体的溶氮能力很低。当钢中溶有过量的氮，加热至200～250℃时，会析出氮化物，这种现象称为"时效"，使钢的硬度、强度提高，塑性下降。在钢液中加入Al、Ti进行固氮处理，使氮固定在AlN和TiN中，就可消除钢的时效倾向。⒁氢（H）的影响氢在钢中的严重危害是造成"白点"。它常存在于轧制的厚板或大锻件中，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的银白色斑点，在横断面上则表现为细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会突然断裂，造成事故。化工压力容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂，主要是因为钢由高温奥氏体冷却至较低温度时，氢在钢中的溶解度急剧下降。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面逸出，留在钢中一些缺陷处，由原子状态氢变成分子状态氢。氢分子不能扩散，在积聚的局部地区产生几百大气压的巨大压力，使该处局部应力超过了钢的抗拉强度而在该处形成"白点"——裂纹源。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，以改变其组织，满足所要求的物理、化学与力学性能，这样的加工工艺称为热处理。热处理工艺不仅应用于钢和铸铁,亦广泛应用于其他金属材料。设备和零件经过热处理，可使其材料的各种性能按所需要求得到改善和提高，充分发挥合金元素的作用和材料潜力，延长使用寿命，并减少金属材料的消耗。廉价的普通碳素钢，经过专门的热处理以后，其性能有时并不比合金钢差。钢的热处理工艺曲线钢的常规热处理工艺退火正火淬火回火退火与正火退火是把工件加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织的一种热处理方法。正火是将工件加热至临界点以上30～50℃，并保温一段时间，然后将工件从炉中取出置于空气中冷却下来。正火的冷却速度要比退火的快一些，因而晶粒更细化。如图所示为各种退火、正火的加热温度及冷却速度。退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善力学性能；使组织均匀化，消除部分内应力。淬火

淬火是将钢加热至淬火温度——临界点以上30～50℃(图1-16)，并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火剂的冷却能力按以下次序递增：空气、油、水、盐水。合金钢导热性比碳钢差，为防止产生过高应力，合金钢一般都在油中淬火；碳钢可在水和盐水中淬火。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。淬火时冷却速度太快，容易引起变形和裂纹；冷却速度太慢，又达不到技术要求，因此，淬火常常是产品质量的关键所在。回火

回火是在零件淬火后再进行一次较低温度（A1以下的某一温度）的加热与冷却处理工艺。回火可以降低或消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所需要的性能。回火处理有以下几种：（1）低温回火（2）中温回火（3）高温回火低温回火零件经淬火后，再加热至150～250℃，保温1～3h，然后在空气中冷却，得到一种叫做回火马氏体的组织，硬度比淬火马氏体稍低，但残余应力得到部分消除，脆性有所降低。一般对需要硬度高、强度大、耐磨的零件进行低温回火处理。中温回火要求零件具有较高的韧性、弹性和屈服强度时，可采用中温回火，中温回火加热温度为350～500℃。高温回火要求零件的强度、韧性、塑性都较好时，采用高温回火。高温回火的加热温度为500～650℃。这种淬火加高温回火的操作，习惯上称为"调质处理"，它可以大大改善零件的力学性能。调质处理广泛地应用于各种重要的零件。45号钢经正火与调质两种不同热处理45钢（Φ20～40mm)经热处理后的力学性能化学热处理

将零件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却等过程，使介质中的某些元素渗入零件表面，改变表面层的化学成分和组织结构，从而使零件表面具有某些性能。化学热处理有：渗碳、渗氮、渗铬、渗硅、渗铝、氰化等。其中，渗碳或碳与氮共渗（氰化）可提高零件的耐磨性；渗铝可提耐热抗氧化性；渗氮、渗铬可显著提高耐腐蚀性；渗硅可提高耐腐蚀性。今天的课就上到这里压力容器常用的钢种对于不同用途的压力容器，其工作压力、工作温度、介质特性各不相同，因此压力容器使用的钢材类型较多，需要结合使用条件来确定。(1)碳素钢压力容器常用的碳素钢有碳素结构钢和专用碳素钢两种。GB150—1998《钢制压力容器》列入的碳素钢板有：普通碳素钢Q235-B和Q235-C、压力容器钢20R；碳素钢管10、20、20g；碳素钢锻件20、35；碳素钢螺柱和螺母35等。Q235系列中的两个钢号Q235-B、Q235-C都是低碳镇静钢，它们的适用范围见表3-2。20R是列入GB6654—1996《压力容器用钢板》中唯一的碳素钢，其冶炼工艺严格，高于一般的碳素钢，含硫、磷有害杂质元素较少。钢材组织均匀，表面质量高，同时保证钢材的化学成分和力学性能。一般用于制造中低压小型容器的壳体、法兰或管板等。表3-2碳素钢板的适用范围锅炉钢和容器钢在锅炉和化工压力容器制造中，经常采用专门用途的锅炉钢和容器钢，在钢号后面分别以g和R表示。如20g、22g、16Mng和20R、16MnR等。锅炉钢和容器钢都是采用优质碳素钢，且要求钢的质地均匀，无时效倾向，因此选用杂质及有害气体含量较低的低碳镇静钢。锅炉钢和容器钢都有板材和管材。锅炉钢板常用于锅炉和其他压力容器的壳体等承压构件。锅炉钢板常处于中温(350℃以下）、高压状态下工作，它除承受较高内压外，还要承受冲击、疲劳载荷及蒸汽介质的腐蚀作用。压力容器的使用工况，如压力、温度、介质特性（主要是腐蚀性）和操作特点等与锅炉相比，范围更广，差别更大，情况也更复杂。对锅炉钢板和压力容器钢板的要求锅炉和压力容器的安全运行与很多因素有关，其中材料性能是最重要的因素之一。为了确保锅炉和压力容器的使用安全，锅炉和压力容器在制造技术要求上也极为严格。综合以上诸多因素，对锅炉钢板和压力容器钢板都提出了较高的要求，主要是：(1)中、常温容器材料应具有较高的工作温度强度及室温强度；高温容器材料应具有足够的蠕变强度和持久强度；承受疲劳载荷的容器材料应具有足够的疲劳强度。(2)良好的塑性、韧性和冷弯性能；(3)较低的缺口敏感性；(4)良好的焊接性能和其他加工工艺性能；(5)良好的冶金质量。常用锅炉钢板的应用范围目前，对压力容器用厚钢板在技术条件、检验方法、验收等方面均按GB6654—1996《压力容器用钢板》所规定的要求执行。低合金钢亦称低合金高强度钢，是在碳素钢的基础上加入少量Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb、P等合金元素构成的，它的含碳量较低，多数均小于0.2%，其组织多数仍为铁素体和珠光体组织。少量合金元素的加入可以大大提高钢材的强度，并改善了钢材的耐腐蚀性能和低温性能。低合金钢可轧制成各种钢材，如板材、管材、棒材和型材等。它广泛用于制造远洋轮船、大跨度桥梁、高压锅炉、大型容器、汽车、矿山机械及农业机械等。其中属钢板的用量最大。常用的钢板有：16MnR、15MnNbR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR。常用的钢管有：16Mn、09MnD、12CrMo、10MnWVNb等。16MnR16MnR是应用最广泛的低合金钢，具有良好的力学性能和工艺性能，一般在热轧状态下使用，主要用于制造中低压石油化工设备和球罐。对于中、厚板材（大于或等于30mm)，为改善其韧性，可进行900〜920℃正火处理，正火后强度略有下降，但塑性、韧性、低温冲击值都有显著提高。16MnR的可焊性良好，比碳素钢具有较好的耐大气腐蚀和海水腐蚀性能。但缺口敏感性大于碳素钢，在有缺口存在时，疲劳强度下降，且易产生裂纹。采用16MnR制造的大型化工容器，其重量比采用碳钢制造的轻1/3，用15MnVR制造的球形贮罐，与碳钢制造的相比可节省钢材45%，用15MnTi代替20g制造的氨合成塔，每台可节省30〜40t钢材。低合金钢具有耐低温性能，这对北方高寒地区使用的车辆、桥梁、容器等具有十分重要的意义。高合金钢常用的高合金钢材有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2等。0Cr13是铁素体钢，以铬为主要合金元素，一般含碳≤0.15%，含铬量在12%〜30%。这类钢在加热和冷却时不发生相变，因此不能用热处理方法改变其组织和性能。高温加热或焊接时易造成晶粒长大粗化。其次，在400〜500℃长期加热后，常会出现温度升高，韧性急剧下降，并且耐腐蚀性也降低。由于这种现象多发生在475℃附近加热后，故称为475℃脆化。另外，在500～820℃范围内长期加热后，会引起钢的韧性大幅度下降，发生相脆性。这类钢通常用于腐蚀性不强和防污染的设备，如抗水蒸气、碳酸氢铵等设备。高合金钢具有单相奥氏体组织的奥氏体钢是以铬镍为主要合金元素的高合金钢材，应用范围最广。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、热加工和成形性，可焊性和在许多介质中的良好耐蚀性。目前用来制造各种贮槽、塔器、反应釜、阀件等化工设备。为防止晶间腐蚀，常加Ti或Nb。如0Cr18Ni9在浓度小于65%，温度低于80℃的硝酸中是稳定的，在醋酸和不含氯离子、浓度小于50%的沸磷酸以及海水中也是稳定的。在钢中加Mo、Cr还能提高钢在尿素、硫酸等介质中的耐腐蚀性。0Cr17Mn3Mo2N钢常温下具有奥氏体和铁素体双相组织，两相的相对含量取决于合金元素的性质及其含量。这类钢由于存在双相，相对于奥氏体钢，具有较好的可焊性，焊后不需要热处理，并且晶间腐蚀、应力腐蚀开裂的倾向比较小。不锈耐酸钢不锈耐酸钢一般是高合金钢，是不锈钢和耐酸钢的总称。严格地讲，不锈钢是指耐大气腐蚀的钢；耐酸钢是指能抵抗酸和其他强腐蚀性介质腐蚀的钢。而耐酸钢一般都具有不锈的性能。不锈钢中同时加入铬和镍，可形成单一的奥氏体组织。根据所含主要合金元素的不同，不锈钢常分为以铬为主的铬不锈钢和以铬、镍为主的铬镍不锈钢。目前，还有我国自行研制的节镍（无镍）不锈钢。①铬不锈钢在铬不锈钢中，起耐腐蚀作用的主要元素是铬，铬能固溶于铁的晶格中形成固溶体。在氧化性介质中，铬能生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用而且耐腐蚀。但这种耐腐蚀作用的强弱常与钢中的含碳、含铬量有关。当含铬量大于11.7%时，钢的耐蚀性就显著地提高，而且含铬量愈多愈耐蚀。但由于碳是钢中必须存在的元素，它能与铬形成铬的碳化物（如Cr23C6等），因而可能消耗大量的铬，致使铁固溶体中的有效铬含量减少，使钢的耐蚀性降低，故不锈钢中含碳量愈少愈耐腐蚀。为了使铁固溶体中的含铬量不低于11.7%，以保证耐腐蚀性能，就要将不锈钢的含铬量适当地提高，所以实际应用的不锈钢，其平均含铬量都在13%以上。①铬不锈钢1）1Cr13(含碳量≤0.15%)和2Cr13(平均含碳量为0.2%)等钢种经调质后有较高的强度与韧性，并对弱腐蚀介质（如盐水溶液、硝酸、浓度不高的某些有机酸等）在温度低于30℃时，有良好的耐蚀性。在淡水、海水、蒸气、潮湿大气条件下，也具有足够的耐蚀性，但在硫酸、盐酸、热硝酸、熔融碱中耐蚀性低，故多用做化工设备中受力大的耐蚀零件，如轴、活塞杆、阀件、螺栓、浮阀（塔盘零件）等。①铬不锈钢2）0Cr13和Cr17Ti等钢种因含形成奥氏体的碳元素量少（都小于0.1%)，含铬量多，且铬、钛（少量）都是形成铁素体的元素，故在高温与常温下都是铁素体组织，因而常在退火状态下使用。它们具有较好的塑性，而且耐氧化性酸（如稀硝酸）和硫化氢气体腐蚀，故常用来部分代替高铬镍18-8型不锈钢用于化工设备上，如用于维尼纶生产中耐冷醋酸和防铁锈污染产品的耐腐蚀设备上。②铬镍不锈钢铬镍不锈钢的典型钢号是0Cr18Ni9(304)，其中含C≤0.8%,Cr17%〜19%，Ni8%〜11%，故常以其Cr、Ni平均含量"18-8"来表示这种钢的代号(包括1Cr18Ni9Ti（321）)。因钢中含有形成奥氏体的镍元素量较多，故18-8钢加热至1100〜1150℃，并在水中淬火后，常温下也能得到单一的奥氏体组织，钢中的C、Cr、Ni都全部固溶于奥氏体晶格中。经这种热处理后，奥氏体18-8不锈钢具有较高的抗拉强度，较低的屈服点，极好的塑性和韧性，其焊接性能和冷弯成型等工艺性能也很好，是目前用来制造各种贮槽、塔器、反应釜、阀件等化工设备使用最广泛的一类不锈钢。②铬镍不锈钢1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9均属于18-8系列不锈钢种类，其区别主要是含碳量的多少和是否含有钛。它们的机械性能基本上无太大的差异。在不锈钢品种生产的初期，受冶炼技术的限制，无法将不锈钢中的含碳量降下来，因此在其中加入少量的钛以提高它的耐腐蚀能力。随着技术的进步，低碳和超低碳的不锈钢的生产已不在是问题，所以，0Cr18Ni9得应用越来越广泛，而1Cr18Ni9Ti则沦为限制生产和不推荐使用的品种。②铬镍不锈钢18-8钢，除具有铬不锈钢的氧化铬薄膜的保护作用外，且因镍能使钢得到单一的奥氏体组织，故在很多介质中比铬不锈钢具有更高的耐蚀性。18-8钢对65%以下、温度低于70℃，或60%以下、温度低于100℃的硝酸，以及苛性碱（熔融碱除外）、硫酸盐、硝酸盐、硫化氢、醋酸等都很耐蚀，并且有良好的抗氢、氮性能，而对还原性介质，如盐酸、稀硫酸等则是不耐蚀的。18-8钢在含有氯离子的溶液中易遭受腐蚀，严重时往往引起钢板穿孔腐蚀。另外，18-8钢容易产生一种所谓晶间腐蚀的现象。当18-8钢加热到400〜850℃，或自高温缓慢冷却（如焊接）时，碳会从过饱和奧氏体中以碳化铬（Cr23C6)的形式沿晶界析出，使奥氏体晶界附近的含铬量降低至不锈钢耐腐蚀所需要的最低含量（12%)以下，从而使腐蚀集中在晶界附近的贫铬区，这种沿晶界附近产生的腐蚀现象，称为晶间腐蚀。低温容器用钢在化工生产中，有些设备[如深冷分离、空气分离、润滑油脱脂、液化天然气、液化石油气、液氢（-252.8℃)、液氦（-269℃)和液体CO2(-78.5℃)等的贮存]常处于低温状态下工作，因而其零部件必须采用能承受低温的金属材料制造。普通碳钢在低温下（-20℃以下）变脆，冲击韧性显著下降，往往容易引起低温脆断，造成严重后果。因此，对低温用钢的基本要求是：具有良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性和可焊性。为了保证这些性能，低温钢的含碳量应尽可能降低，其平均含碳量为0.08%〜0.18%，以形成单相铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素以改善钢的综合力学性能。但在深冷条件下，铁素体低温钢还不能满足上述基本要求，而单相奥氏体组织可以满足这些要求。我国研制成功的15Mn26Al4钢就是这一类型低温钢，其中Mn是形成奥氏体的基本元素，Al作为稳定奥氏体组织的元素。低温容器用钢目前国外低温设备用钢材，主要是以高铬镍钢为主，其次是使用镍钢、铜、铝等。结合我国的资源情况，近年我国研制成功了无铬镍的低温钢系列，并逐步应用于生产。例如，使用温度为-40~-110℃的低温钢都属于低合金钢，这些低温钢的组织均为铁素体；使用温度为-196~-253℃的低温钢是Fe-Mn-Al系新钢种，它是单相奥氏体组织。低温容器用钢GB150《钢制压力容器》标准中规定设计温度小于或等于-20℃的压力容器为低温容器。对于低温容器，破坏的主要原因是低温脆性断裂，因此至关重要的是材料的低温韧性。大多数钢材，随着温度的降低，强度会有所增加，而韧性则下降，并且存在于钢中的硫、磷等微量元素和氮、氢和氧等气体对钢的低温韧性都产生不良的影响。所以GB150中规定低温容器受压元件用钢必须是镇静钢，同时低温压力容器使用的专用钢的硫、磷含量都低于一般合金钢。低温容器用钢GB150—1998《钢制压力容器》列入的低温用钢的钢号有：16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR和07MnNiCrMoVDR，其中07MnNiCrMoVDR尚未纳入材料标准。除了上述的专用钢材，含镍较高的合金钢也常用在低温环境，如2.5Ni、9Ni、0Cr18Ni9等，这些钢主要用于空气分离、气体净化、石油产品的深加工等。用于制造低温压力容器的钢板都应进行低温夏比（V形缺口）冲击试验，切取试样应在钢板的横向。当不能制作标准的低温夏比（V形缺口）冲击试样，而采用小试样时，小试样的冲击功指标根据试样宽度按比例缩减。高温容器用钢在原油加热、裂解、催化设备中，常用到许多能耐高温的钢材，例如裂解炉管，在工作时就要求能承受650〜800℃的高温。在这样高的温度下，一般碳钢是无法承受的，必须采用耐热钢。这主要是因为一般碳钢在较高的温度下，抗氧化腐蚀性能和强度变得很差。如20号钢在高于540℃时，在氧化性的气体中，钢的表面就会被氧腐蚀而生成氧化皮，并层层剥落。在强度方面，20号钢在500℃时屈服点只有50MPa，比在室温时低得多。这是因为20号钢在480〜500℃时，钢中的Fe3C开始分解出石墨碳（此过程称为石墨化过程），而石墨的强度是极低的。另外，钢在再结晶温度（20号钢约为400℃)以上受力变形时，没有冷作硬化，因而使钢变得很软，强度很低，塑性极好，抗蠕变性能很差。因而，从强度与抗氧化腐蚀两方面来考虑，一般碳钢大多只能用于400℃以下的温度。当使用温度要求更高时，就应选用其他更耐热的钢种。高温设备对钢材的要求：良好的化学稳定性与热强性。(1)化学稳定性化学稳定性又称热稳定性，主要是指钢材抵抗高温气体（如O2、H2S、SO2等）腐蚀的能力，但对一般耐热钢来说，高温气体主要是指O2，所以，耐热钢的热稳定性主要是抗氧化性。在钢中加入Cr、Al、Si等合金元素，可以提高钢的热稳定性，这主要是由于钢中的Cr(或Al，Si)被氧化后能生成一层致密的氧化膜，保护钢的表面,从而避免氧的继续侵蚀。(2)热强性在一定热稳定性的前提下，钢材的高温强度愈高，蠕变过程愈缓慢，说明其热强性愈好。为了提高钢的热强性，通常采用三种方法：①强化固溶体。在钢中加入Cr、Mo等元素，在高温时仍可固溶强化铁素体与奥氏体。②稳定金相组织。钢中加入Cr、Mo、V、Ti等形成稳定碳化物的元素，便可在高温下抑制和阻止珠光体中渗碳体的球化、聚集、石墨化等，从而减少或消除因金相组织不稳定而造成热强性降低的现象。同时，由于这些稳定碳化物分布于钢组织内（特别是碳化钒常呈弥散形式分布于晶内或晶间），可显著提高钢材对高温蠕变的抗力，故可提高使用温度。③提高钢的再结晶温度。明显的蠕变主要是在再结晶温度以下产生，若设法提高钢的再结晶温度，便可提高热强性。在钢中加入合金元素Mo、Cr、W（钨），可显著提高钢的再结晶温度，其中Mo的作用最大，每增加1%的Mo，约可提高再结晶温度115℃，而每增加1%的Cr，约可提高再结晶温度45℃。在钢中加入多量的Ni、Mn和少量的氮，便使钢得到单一的奥氏体组织，从而使钢的再结晶温度由普通碳钢的450℃提高到800℃以上。高温容器用钢压力容器在常温以上的使用温度一般在400～600℃。使用的钢材多为低合金耐热钢。耐热钢主要合金元素有铬（Cr)，铝（Al)，硅（Si)，镍（Ni)，锰(Mn),钒（V)，钛（Ti)，铌（Nb)等，在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性。常用低合金耐热钢按成分可分为钼钢Mo、铬钼钢Cr-Mo和铬钼钒钢Cr-Mo-V三类。按材料显微组织可分为珠光体钢和贝氏体钢两类。钼钢是在碳素钢基础上添加少量钼发展出的耐热钢，具有较高的持久强度，良好的可焊性和综合力学性能，并具有一定的抗氢蚀能力。其缺点是在500～550℃长期停留会出现石墨化，同时韧性有所下降；铬钼钢中铬的加入消除了钢的石墨化倾向，并使钢的高温强度和抗氢腐蚀性能都有所提高，常用于制造石油化工的加氢精制装置。其中12CrMo1R是铬钼钢中具有最高的持久强度和抗氢性能，常用在制造高温、高压及高氧分压环境下工作的加氢反应器；铬钼钒钢中加入了钒，而减少了铬和钼的含量，具有良好的组织稳定性。标准中列入的低合金耐热钢的牌号有：15CrMoR(lCr-O.5Mo),14Cr1MoR(1.25Cr-0.5Mo)和12Cr2Mo1R(2.25Cr-1.OMo)。对于工作温度更高的受压元件可以选用高合金钢，0Cr18Ni9就是一种高合金抗氢钢，它不仅有良好的抗氢腐蚀性能，而且还具有优良的耐热性和加工工艺性。(8)有色金属

铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金①铝及铝合金铝是轻金属，密度小，熔点较低，导热性和导电性都很高。铝的强度低、塑性高，压力加工性良好，在冷态和热态下能辗压和模压，并能焊接和切割，但铸造性不良。铝在空气和许多化工介质中有良好的耐蚀性，在大气中极易与氧产生作用生成一层牢固致密的氧化膜，防止了氧与内部金属基体的作用。所以铝在大气和淡水中有良好的耐蚀性，能抵抗浓硝酸、磷酸、醋酸、有机化合物、干的氯和氯化氢、硫的化合物、硫蒸气等的腐蚀，但不耐碱和盐水的腐蚀。铝及铝合金常用于制造贮罐、塔、热交换器、防污染设备及深冷设备。在容器中使用的牌号主要是工业纯铝和防锈铝（铝镁合金和铝锰合金），一般是板材和管材。少数硬铝和锻铝牌号主要用于棒、型、锻材等制造的零部件。②铜及铜合金纯铜具有优良的导电性和导热性，铜为面心立方晶格，无同素异构体，具有良好的强度、塑性、压力加工性和耐磨性，易于成形与焊接。铜在碱类水溶液中有很高的耐蚀性；在醋酸和其他有机酸中，铜也是耐腐蚀的，例如在浓度小于50%、温度小于60℃的硫酸中，铜能耐蚀。但在氨水及铵盐中或有氧化剂存在时，铜的腐蚀很强烈。压力容器常用的铜和铜合金有纯铜、黄铜、锡青铜、铝青铜、硅青铜、白铜等。锡青铜具有高强度和硬度，能承受冲击载荷，耐磨性很好，具有优良的铸造性，在许多介质中比纯铜耐腐蚀。锡青铜主要用来铸造耐腐蚀和耐磨零件，如泵壳、阀门、轴承、蜗轮、齿轮、旋塞等。无锡青铜（如铝青铜）的力学性能比黄铜、锡青铜好，具有耐磨、耐蚀特点，无铁磁性，冲击时不生成火花，主要用于加工成板材、带材、棒材和线材。③钛及钛合金钛具有密度小、强度高、耐蚀性高、难熔等特点，所以，在军工、航空、化工和造船等工业中得到了广泛应用。钛和钛合金在中性和碱性溶液中或在氧化性酸、含有氧化剂的非氧化性酸中均具有优良的耐腐蚀性能，如在氯化物、硫酸盐、氯酸盐、湿氯气和有机酸中就完全耐蚀。可用于制造反应器、合成塔衬里、热交换器、蒸发器等压力容器。用于制造压力容器壳体的钛材应在退火状态下使用。钛制化工设备在氯碱工业、纯碱工业、农药生产、尿素生产、钛白粉生产、合成纤维和人造纤维、有机合成等行业中均有广泛应用。化工材料选材的一般原则在设计和制造化工容器与设备时，合理选择和正确使用材料是一项十分重要的工作。选择容器用钢必须综合考虑：容器的操作条件——设计压力、设计温度、介质特性和操作特点等；材料的使用性能——力学性能、物理性能、化学性能（主要是耐腐蚀性能）；材料的加工工艺性能——焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；经济合理性及容器结构——材料价格、制造费用和使用寿命等。容器的材料选择须遵循下列一般原则：

（1）压力容器用钢材应符合GB150—1998《钢制压力容器》的要求，材料适用于设计压力不大于35MPa的压力容器。选材应接受国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》的监督。压力容器受压元件用钢应是由平炉、电炉或氧气顶吹转炉冶炼的镇静钢。钢材（板材、带材、管材、型材、锻件等）的质量与规格应符合现行国家标准、行业标准或有关技术规定。容器的材料选择须遵循下列一般原则：

（2）压力容器承压构件使用普通低碳钢的适用范围见表。当操作温度为-20〜350

℃，壁厚不大，且无频繁温、压波动时，可采用半镇静钢代替镇静钢。

对于壳体厚度大于30mm的20R和16MnR钢板，用于法兰、管板、平盖等受压元件厚度大于50mm的20R和16MnR钢板，用于厚度大于16mm的15MnVR钢板均应在正火状态下使用。容器的材料选择须遵循下列一般原则：

(3)—般情况下，按下列原则规定选材是经济的。①所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢与低合金钢之间，应优先选用碳素钢钢板。在以刚度设计或结构设计为主时，亦应尽量选用普通碳素钢钢板。②在以强度设计为主时，应根据材料对压力、温度、介质等的使用限制，依次选用Q235-B、Q235-C、20R(20g)、16MnR、15MnVR、18MnMoNbR等钢板（由于15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR焊接性能差，焊接工艺要求严格，在使用中发现较多压力容器焊接接头处有裂纹，因此，近年来为新钢种13MnNiMoNbR和07MnCrMoVR所代替）。高压容器应优先选用低合金，高、中强度钢。如选用屈服强度级别为350MPa和400MPa的低合金钢16MnR与15MnVR，价格与碳素钢相近，但强度比碳素钢（如Q235-B和20g)高30%〜60%。③所需不锈钢厚度大于12mm时，应尽量采用衬里、复合、堆焊等结构型式。另外，不锈钢应尽量不用做设计温度小于等于500℃的耐热用钢。④珠光体耐热钢应尽量不用做设计温度小于等于350℃的耐热用钢。在必须用做耐热或抗氢用途时，应尽量减少、合并钢材的品种与规格。（减少钢材的品种与规格也是所有设计选材中应遵循的原则）⑤温度不低于-100℃的低温用钢，应尽可能采用无镍铬铁素体钢，以代替镍铬不锈钢和有色金属；中温用钢（温度不超过500℃)可采用含钼或铝的中、高强度钢，以代替Cr-Mo钢。⑥在有强腐蚀介质的情况下，应积极试用无镍、铬或少镍、铬的新型合金，（如含Si、Al、V、Mo的钢种）。对要求耐大气腐蚀及海水腐蚀场合，应尽量采用我国自己研制的含铜和含磷等钢种，如.16MnCu、15MnVCu、12MnPV及10PcuRe（铼）、16MnRe、10MnPNbRe等。容器的材料选择须遵循下列一般原则：

(4)通常，下列各类钢材选用对象也是设计选材的指导准则。①碳素钢用于介质腐蚀性不强的常、低压容器，厚度不大的中压容器，锻件、承压钢管、非受压元件以及其他由刚性和结构因素决定厚度的场合。②低合金高强度钢用于介质腐蚀性不强、厚度较大（≥8mm)的受压容器。③珠光体耐热钢用做抗高温、氢或硫化氢腐烛，或设计温度为350〜650℃的压力容器用耐热钢。⑤不锈钢用于介质腐蚀性较强（电化学腐蚀、化学腐蚀）及防铁离子污染时的耐腐蚀用钢及设计温度大于500℃或小于-100℃的耐热或低温用钢。⑥不含稳定化元素且含碳量大于0.03%的奥氏体不锈钢，需经焊接或400℃以上热加工时，