第一章国际经济学

第一篇化工设备材料本篇重点：

掌握金属材料的基本特性（力学、物理、化学）掌握影响金属材料性能的主要因素掌握金属材料的分类了解化工设备对材料的基本要求

能正确进行化工设备的材料的选择第一章化工设备材料及其选择第一节概述一、化工过程复杂性、苛刻性对材料提出的高要求温度：化工设备用材，承受的温度范围极广烃类原料的热裂解1100℃～1300℃

烃类蒸汽转化制备合成氨原料气900℃

粉煤加压气化（加压气化炉）1100℃

原油常减压分离370～420℃

重氢、重水、液氩的制备-253℃

核工业中液氦的制备-269℃压力：化工设备用材承受的压力范围极广

常见氨合成压力15、26、32MPa

尿素合成24MPa

聚乙烯生产高压聚乙烯100～250MPa

低压聚乙烯3.5～10MPa

合成甲醇30MPa介质：化工生产过程中所见介质及性质可谓无数

各类无机类的酸、碱、盐→腐蚀有毒，有剧毒各类有机介质→易燃、易爆、腐蚀、有毒、剧毒高压、高温蒸气和其他气体选材上经常考虑介质性质比考虑温度、压力更难。第二节材料的性能一、力学性能（机械性能）金属材料在外载荷作用抵抗变形和破坏的能力。1、强度（MPa）：金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力，称为强度（1）极限强度对于没有明显屈服的材料，工程上规定以产生永久变形为0.2%时应力为屈服强度条件屈服强度抗拉强度（2）屈服点产生断裂最大应力产生塑性变形最小应力

ΔLF0课程的性质、任务、特点课程的性质、任务、特点（3）蠕变强度现象：高温时，在一定的（不变的）应力下，应变随时间增加的现象，或金属在高温和应力作用下，逐渐产生塑性 变形的现象。蠕变曲线：即温度、应力一定时，应变随时间变化的曲线。

与温度t（外因）的关系t↑↓在工程上：碳钢t400℃；低合金钢t450℃高合金钢t550℃

铝与铝合金50～150℃

铅、锡常温下蠕变极限：（1）材料在某一高温下经10万小时，发生的变形量为1%时 的最大应力称蠕变极限。（2）材料在工作温度下，引起的规定变形速度（=1×10-5

mm/mmh）的应力值，称蠕变极限。单位MPa

物理意义：表征材料在高温和应力下抵抗发生缓慢塑性变形的能力（4）持久极限

在给定高温下，促使试件或工件经过10万小时发生断裂的应力叫持久极限。单位MPa。

物理意义:是在一定高温和应力下，材料抵抗断裂的能力（５）疲劳强度R-1(σ-1)

疲劳：

金属材料在小于ReL的重复,交变的应力作用下，产生断裂的现象。

疲劳强度：

金属材料在无限次反复交变载荷作用下，而不引起破坏所能承受的最大应力称疲劳强度R-1

单位MPa。通常对一般钢材采用106～107

循环次数而不断的最大应力R-1

；有色金属采用108以上来确定R-1

。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）条件疲劳极限：在一定循环作用次数N下，不产生破坏最大应力。

疲劳极限：无限次2.弹性与刚性

弹性：金属材料在外力作用下，产生变形，当外力去除后,能 恢复原状的能力叫弹性。弹性变形：外力去除而消失的变形称弹性变形。弹性极限Re（σe

）：在弹性变形范围内，金属材料在单位面积上所能承受的最大力，称弹性极限，单位MPa弹性模量E

：指材料在弹性极限范围内，应力与应变的比 值,单位MPa刚性（刚度）：金属材料受力时能抵抗弹性变形的能力。弹性模量是反映材料刚性好坏的机械性能指标；衡量材料产 生弹性变形的难易程度材料的E↑↑使其产生弹性变形的↑↑同一材料的E

值随温度升高而降低。泊桑比μ

对钢材μ=0.3,为常数3.塑性指标塑性金属材料在外力作用下产生变形而不破坏，当外力

去除后仍能使其变形保留下来的性能。塑性变形：外力去除后保留的永久变形。塑性指标：延伸率断面收缩率A断裂后拉伸试样的颈缩现象4.硬度硬度：材料抵抗硬的物体压入自己表面的能力，是反映材料抵抗局部塑性变形的能力，是重要的力学（机械）性能指标。它也反映材料的弹性、强度、塑性与韧性等的综合性能指标。

常用的硬度指标有四种：布氏硬度HB，洛氏硬度HR,维氏硬度HV，肖氏硬度HS。

布氏硬度比较准确，用途最广，但不宜测量成品零件，且当材料硬度HB650或太薄的工件则不适用，这时可用洛氏硬度。

布氏硬度HB：是以一定的载荷把一定大小的淬硬钢球压入材料表面上，然后以材料表面上的凹坑的表面积来除载荷其商为硬度值。国家标准(GB231-84)规定了试验方法根据材料的可能硬度采用不同的压头和载荷得出不同标度的三种硬度为：标度CHRC(23～70）用600N,120∘

的钻石锥,用于测硬度很高的材料，如淬火钢。标度BHRB(6～23)用1000N,1.59mm的钢球用于测硬度较低的退火钢、灰铸铁、有色金属标度AHRA(70以上)用1500N,120∘的钻石锥,用于测硬度极高的材料，如碳化物、硬质合金、渗碳钢洛氏硬度HR：洛氏硬度试验使用一个顶角120∘的金刚石圆锥或直径为1.59，3.18mm的钢球，在一定的载荷下压入被试材料的表面，由压痕的深度求出材料的硬度。

h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计

测定方法GB/T229-94金属夏比缺口冲击试验方法。5.冲击值（冲击韧性）αk以试样断口处的断面积，来除冲断试样所耗用功的商，叫冲击值。N-m/cm2,J/cm2

物理意义：

αk值对材料的一些缺陷是很敏感的。能灵敏的反映出材料的品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。表征材料在外加重力载荷的突然袭击时的一种及时而迅速发生塑性变形的能力。TITANIC

静载荷时，要考虑材料的强度和塑性；动载荷或波动载荷（如t、p的波动）时，除考虑强度和塑性外，还要考虑冲击韧性。实际运用

αk值不反映在强度计算公式中，仅作为选择材料时的一个考虑因素；但对低温容器、反应容器和高强钢制容器在选材时就变的尤为重要，这时一定要确定并满足在相应的温度下做夏比冲击试验，并达到规定值。

对同一材料若k值高，则A值也高，而A值高αk值不一定高。A值是在静载荷下，材料缓慢塑性变形的能力

αk值是在动载荷下，材料迅速塑性变形的能力

不同的异种钢，使用过程中，要考虑由膨胀量不同而产生的应力，如复合钢板。不同的异种钢，焊接过程中，由急剧加热、冷却产生强大的焊接应力，引起裂纹或变形。固定管板换热器中管子和壳体材料不同，引起温差应力。二、材料的几个物理性能

化工设备用材方面涉及的重要物理性能指标如下：

设备的传热元件要求值大；纯金属好于合金，纯金属中银、铜、铝最好；碳钢好于不锈钢。在厚壁设备中，越小，温差应力越大。设备焊接过程中，越大，焊缝热影响区越大。导热系数

（W/mK)热膨胀系数

（mm/mm℃，

1/℃)2．抗氧化性抗氧化性多指在高温下自由氧的氧化腐蚀及CO2、SO2等的氧化腐蚀，如生锈、锈蚀等。三、化学性能

金属材料的化学性能是指，材料在介质中的化学稳定性。即材料是否与介质发生化学或电化学作用而引起腐蚀的性能。1．耐腐蚀性金属和合金对周围介质，如大气、水、各种电解质侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。

P10表1-3给出了部分材料对不同介质的耐腐蚀性。这个性能在后面容器的计算中取腐蚀裕度时应考虑。四、工艺性能

指加工难易程度以及加工后对材料性能的影响程度的性能。工艺性能主要有：铸造、锻造、机械加工、热处理、成型工艺性能和焊接性能等。铸造性能主要考虑材料熔化后的流动性、冷却时的收缩性和杂质引起的偏析；锻造性能主要考虑材料可锻性、适宜的始锻和终锻温度及塑性；机械加工性能指化工设备在选材时需考虑焊缝坡口的剪切、刨边、法兰密封面的机加工序的切削加工性能；热处理性能指容器用钢材在交货时和制造后的正火、调质、软化退火和消除应力热处理。以此来改变钢材的塑性、低温冲击韧性、冷压成型和切削加工性能等。

成型工艺性能考虑制造过程中的弯、卷、滚压的塑性；焊接性能指钢在某种焊接方法下得到优质焊接接头的能力。可焊性主要指标,钢在焊接时形成裂纹和在焊缝区产生脆性倾向，主要决定于钢的化学成分，化学成分直接影响钢材的组织、强度、塑性、韧性、脆硬倾向以及夹杂物的分布况，因而影响到焊缝冷裂纹的形成。钢中各种元素对淬硬和冷裂纹的形成均有影响，但碳的影响最大。

抗拉强度抗压强度抗弯强度抗剪强度抗扭强度材料的性能弹性模量E

泊桑比μ延伸率A、断面收缩率Z布氏硬度HB

、洛氏硬度

HR、维氏硬度HV1．导热系数

2．泊桑比μ1．耐腐蚀性、2．抗氧化性铸造性能、锻造性能、机械加工性能、热处理性能、成型工艺性能、焊接性能一、力学性能（机械性能）二、物理性能三、化学性能四、工艺性能1、强度（MPa）2.弹性与刚性3.塑性指标4.硬度5.冲击值（冲击韧性）Ak（1）极限强度Rm（2）屈服强度ReL（Rp0,2）（3）蠕变强度（4）持久极限

（5）疲劳强度R-1小结

第三节金属材料的分类与牌号表示

碳钢中不含有特意加入的金属元素，钢的性能以含碳量的高低来调整。

碳素钢低碳钢中碳钢高碳钢C≤0.25％

化工设备主体必须采用低碳钢C＝0.25％～0.6％C＞0.6％合金钢低合金钢中合金钢高合金钢

合金元素总量≤5％合金元素总量=5％～10％合金元素总量＞10％一、分类１．按主要化学成分分类普通钢优质钢高级优质钢4．按冶炼中脱氧程度分类镇静钢

钢中脱氧，O2＜0.01%,成本高，质量好

沸腾钢

钢中脱氧，O2>0.03%,成本低，质量差

半镇静钢

介于镇静与沸腾之间2．按钢的质量好坏分类3．按钢的用途分类结构钢碳素结构钢合金结构钢特殊性能钢不锈钢及不绣耐酸钢耐热钢低温钢建筑钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢等拼音字母（汉字）

二、钢的牌号及表示方法化学元素化学符号（汉字）用途，冶炼方法，浇注方法如

沸腾钢用

F，

Q235—A·F

半镇静钢用

b，

18Nb

b

锅炉用钢用

g，

20g→Q245R，

16Mng→Q345R

容器用钢用

R

16MnR→Q345R，

20R→Q245R

低温用钢用

D，

Q345DR，

09Mn2VDR

镇静钢不用任何符号表示含碳量含铬量含镍量

(1)

普通碳素钢

S

≤0.055％，

P

≤0.045％

Q235－A·F2．钢号表示方法

(3)

高级优质碳素钢S,P≤0.03％

在优质碳素钢号后加“A”如20A、09Mn2A

(2)

优质碳素钢

S,

P≤0.04％

08，10，15，20，25，30，35，45，40Mn…

a．数字表示平均含碳量的万分数，如08含C0.08%，20含C0.2%；

b．含Mn量较高的碳素钢标出Mn，如

40Mn；

c．用途不同的钢，在最后用拼音标出，如

Q245R、08FQ235－B

、

Q235－C

、

Q255－A钢材质量等级质量等级冶炼方法及脱氧情况屈服点屈服极限值

总合金含量＜5%，若每种合金元素含量＜1.5%时，可不写含量数。如16MnR，15MnVg，09Mn2V，18MnMoNbR，12Cr2Mo1V等

a.前边数字表示含碳量的万分数（低合金钢含碳量一般都＜0.2%）

b.主要合金元素标出来，元素符号后以数字表示该元素的百分含量；元素含量＜1.5%的，可以不表示出来；含量在1.5～2.49%范围，标出“2”

在2.5～3.49%范围，标出“3”(4)普通低合金钢（普低钢、低合金钢、低合金结构钢）

含碳量更低，总合金含量＞10%如0Cr13、1Cr17、0Cr18Ni9304、

00Cr19Ni10304L

1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr17Ni12Mo2316、00Cr19Ni13Mo3、Cr25Ni20、00Cr18Ni5Mo3Si2b．元素后面的数字表示该元素的百分含量，如

含量在2.5～3.49%标“3”

含量在3.5～4.49%标“4”

含量在17.5～18.49%标“18”

a．前面数字表示平均含碳量的千分数，如

“1”表示含碳量＜0.1%“0”表示含碳量＜0.08%“00”表示含碳量＜0.03%“000”表示含碳量＜0.01%（5）高合金钢第四节碳钢与铸铁一、铁碳合金

钢铁是由95%以上的铁和0.05～4%的碳及1%左右的杂质元素组成,所以钢铁又称为铁碳合金。铁碳合金C＜0.02%—工业纯铁，极少使用C=(0.02～2)%－钢C=(2～4.3)%－铸铁

C＞4.3%－无使用价值

组织—在低于1500倍的显微镜下，看到的金属晶粒，称金属的纤维组织，简称组织。组织不同，材料的性能就不同，如铸铁中石墨的组织形式不同，明显地影响到它的性能。１．

金属的组织与结构

—用X光，电子显微镜或电子探针间接看到金属原子的各种规则排列，称金属的晶体结构，简称结构。结构不同，材料的性能也不同，纯铁不同温度固态下晶体构造不同，分为面心

（塑性好）和体心

（强度高）立方晶格。纯铁在910℃时发生同素异构转变，使纯铁的性质发生改变。金属组织的结构金属的结构晶态非晶态Si2O的结构2．碳及其在钢中的存在形式碳对钢铁的性能影响极大，含C↑，σb↑,σS↑,δ↓,HB↑。碳在铁碳合金中存在的基本形式有三种：

固溶体、化合物、机械混合物。

固溶体

—

两种或两种以上的元素，在固体状态下相互溶解，且仍保持溶剂晶格原来的形式的物体叫固溶体。910℃以下纯铁呈体心立方晶格，即Fe间隙小，溶碳少，强度高，塑性低910℃以上纯铁呈面心立方晶格，即-Fe间隙大，溶碳多，强度低，塑性好

910℃

Fe-Fe

a.铁素体-Ｆ

C溶解在α-Fe中形成的固溶体叫铁素体。铁素体的溶碳能力低，室温下溶碳在0.006%，故铁素体的强度、硬度σb、σS、HB低，塑性好δ↑，冲击韧性低αk↓。碳钢的四种常见的基本组织

b.奥氏体-Ａ

C溶解在-Fe中形成的固溶体叫奥氏体。奥氏体的溶碳能力强，1148℃时溶碳在2.11%；727℃时溶碳在0.77%

奥氏体的强度高σbσS↑，硬度高HB↑，塑性低δ↓，冲击韧性高αk↑c.

渗碳体-Ｃ

Fe和C以化合物的形态存在的碳化铁(Fe3C)称渗碳体。渗碳体的含碳量6.69%，渗碳体硬而脆；塑性几乎为0；熔点高达1600℃。

含碳＜2%时，铁碳合金的组织是在铁素体中散布着渗碳体，就是碳素钢（碳钢）。

含碳＞2%时，铁碳合金的部分碳以游离状态的石墨形式存在，就是铸铁。石墨本身软，强度低，具有较好的减震性，常用于具有转动设备的支座。

d.珠光体-Ｐ是铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物。

碳素钢中珠光体组织的平均含碳量为0.77%，机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度比铁素体高；塑性、韧性比渗碳体高。e.莱氏体-Ｌ

P+C共晶混合物

f.马氏体-Ｍ

C在铁中过饱和的固溶体铁-碳合金状态图影响：

Mn＜0.8%为杂质,是有益的杂质元素。

＞0.8%为合金元素。

作用

脱氧脱硫，是有益的杂质元素，含锰在0.5～0.7%时,为优质碳素钢含锰在0.7～1.2%时,为高含锰量碳钢40Mn

含锰在1.2～1.3%时,为低合金钢如16Mn

碳钢中含1%左右的杂质元素，它们不是有意为改善性能加入的，而是冶炼过程中，来自矿石、脱氧剂等冶炼原因进入钢中的称为杂质。主要有：

Mn、

Si、

S、

P

、

O2

、

N2

、

H2

Si

＜0.5%即是杂质，是有益的杂质元素。作用脱氧使钢强度、硬度提高二、杂质对碳钢性能的影响S＜0.07%为杂质，来源于矿石和冶炼中的焦炭。作用：S在钢中主要以FeS形式存在，FeS与Fe形成低熔点共晶体，热加工时引起热裂纹。还可引起结晶偏析，造成金属成份不均，降低材料的韧、塑和耐腐蚀性。

S是绝对有害元素，热脆性。

P＜0.06%为杂质，来源于矿石。作用：P是以Fe2P、Fe3P存在，与铁的共晶体聚集在晶粒的交界处，减弱晶粒的结合力，引起钢的冷脆性，降低钢的塑、韧性。

P是有害元素，冷脆性。空位间隙原子小置换原子大置换原子H2

氢以原子或离子状态溶于液态金属中，高温溶解度高，低温溶解度低，冷却时来不及逸出，形成H2，体积增大使钢产生很大的内应力，以致把晶界撑开产生裂纹，称为“氢脆”

“氢白点”。H2为有害元素，氢脆或白点。N2

N2在高温下以原子形式溶于钢中，加热到200-250℃时会析出氮化物，产生时效，严重降低了塑性和韧性。

N2是有害元素，时效。O2

O2

的存在使大量的有益元素被氧化FeO、MnO、SiO2。氧化物在晶界上，破坏了钢材基体的连续性，使钢的塑、韧性、持久极限和耐腐蚀性降低。

O2也是有害元素，压力容器用钢要用脱氧完全的镇静钢制造步骤—缓慢加热三、钢的热处理定义—热处理是将钢在固体状态下加热到一定温度，在该温度下保持一段时间，然后以不同速度冷却下来，以改变其金相组织，满足所要求的物理、化学与机械性能的一种工艺过程叫热处理。目的—通过改变钢的内部组织，从而改善其性能如：

σb、σs、HB、δ、αK及加工性能。不同速度的冷却足够的保温时间冷却介质及方式随炉冷、空气冷、

油冷、

水冷、

盐水冷

退火

低温回火、正火

淬

火℃冷却速度增大形式加热温度/℃冷却方式含碳量金相组织目的退火临界点以上炉冷接近平衡状态降HB，提δψ改善机械性能，消完全退火A3+(30～50)＜0.8%A/F+P—球化A1+(30～50)＞0.8%A+C/P+C—再结晶(650～700)＜0.8%F+P/F+P消除应力冷作硬化，修复晶格扩散(1000～1100)＜0.8%A/F+P低温(500～600)＜2.0%F+P,P,P+C/F+P,P,P+C消除应力正火A3+(30～50)Acm+(30～50)空冷＜0.8%＞0.8%A/F+P,P,P+C细化晶粒，其余同退火各种处理形式的工艺参数、组织、及热处理目的归纳

能改善钢材的组织，细化晶粒及增加弥散度，消除网状碳化物，调整钢件硬度，获得较高的机械性能和良好的塑性和韧性。形式加热温度/℃冷却方式含碳量金相组织目的淬火A3+（30～50）淬火剂＜0.8%A/M提高HB、σ和耐磨性Acm+（30～50）＞0.8%回火50～680空冷M/M消除降低淬火应力低温回火150～250

消除淬火应力，降低脆性，提高HB、σ和耐磨性中温300～450得较好的σ、δ、HB、αK高温500～680σ、δ、αK都较好的综合性能调质淬火+高温回火得淬火和回火的综合性能各种处理形式的工艺参数、组织、及热处理目的归纳

含碳量在2～6.69%的铁碳合金均为铸铁。工业上常用铸铁的含碳量为2.5%～4.0%，含碳量＞4.3%的不能应用。铸铁中还含有1%左右的Si、Mn、S、P杂质。四、铸铁１．铸铁的性能特点⑴优良的铸造性能—

熔点低（1147℃），液态流动性好，易充满铸模，凝固收缩量小。⑵易切削加工—

铸铁中碳以石墨形式存在；而钢中的碳以渗碳体（Fe3C）存在。

(3)良好的减振性—

铸铁的减振性比钢大10倍，因而多用在机座，且价格便宜。（4）耐磨性好。（5）抗拉强度低、抗压强度高，不能承受弯曲和冲击载荷。铸铁的种类主要有：灰铸铁HT、可锻铸铁、球墨铸铁QT、高硅耐蚀铸铁ST及合金耐热铸铁ＲＴ电弧炉炼钢

2.常用铸铁的性能与牌号表示

(GB5612—85)性能特点

①碳以片状石墨形式存在；②断口呈灰色；③抗压不抗拉，不耐冲击，塑性极差，不能承受拉、弯、剪、冲击载荷；④常用做机座、阀体、气缸、烧碱锅等设备；⑤耐H2SO4和NaOH腐蚀性能好；⑥使用强度一般，使用温度＜300℃。牌号

HT100，

HT150,HT200,HT250,HT300,HT350

灰铸铁

抗拉强度不小于150MPa（1）

灰铸铁—HT(GB9439—88)铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁硅铁硅钙性能特点

①浇注前向铁水中加入球化剂使碳以球状石墨形式存在；②具有钢和铸铁的许多优点，如高的强度、屈强比和疲劳极限，较高的塑性和韧性，良好的耐磨性和减振性，缺口敏感性比钢低，铸造工艺性良好，能通过热处理来改变材料的性能；③除酸以外耐腐蚀性能比灰铸铁好；

④节约材料，减少机加工工时，降低成本，在很多场合下可代替碳钢、合金钢及有色金属；⑤用于370℃以下，要求较高强度和疲劳极限并具有较高耐磨性的场合，如锅炉和水轮机阀壳，汽轮机气缸隔板，水轮机和机床主轴、曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴、大型轧辊等。(2)

球墨铸铁—QT

（GB1348—88）黑心可锻铸铁

珠光体可锻铸铁

硅铁硅钙稀土镁球墨铸铁抗拉强度延伸率的最低值牌号QT400—18（15），QT450—10，QT500—5，

QT600（700，800）—2，QT1200—1铁素体加珠光体球墨铸铁

铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

球墨铸铁中的石墨球

性能特点

①将HT和QT中加入14.5～16%的硅，即为高硅铸铁；②强度低且硬度高，脆性大韧性低，不允许用于急剧的交变载荷、冲击载荷和温度突变；③耐腐蚀性好，除HCI、HF、NaOH外耐一切酸碱类腐蚀；④导热系数低，膨胀系数高，不适于温度波动的场合使用；⑤多用于耐酸泵，阀体、管道、弯头及容器。⑶

高硅铸铁—ST（GB8491—87）高硅铸铁稀土元素硅平均含量15%合金元素含量%牌号STSi11Cu2CrR，STSi15R，STSi15Mo3R，

STSi15Cr4R，STSi17R蠕墨铸铁中的石墨第五节

普通低合金钢及化工设备特殊用钢在碳素钢的基础上加入一定量的合金元素构成的钢种，称为合金钢。由于合金元素加入量的不同，对材料性能的改善和提高不同。

一般分为：低合金钢

合金元素含量≤5%

中合金钢合金元素含量＝5～10%

高合金钢合金元素含量＞10%Al-Cu两相合金一、碳素钢与普通低合金钢比较材料b(Mpa)s(Mpa)s/

bs(Mpa)400℃碳素钢Q235—AR4002400.6125204002500.62125低合金钢Q345R5203600.6919015MnV5404000.7418MnMoNbR6505200.804201．强度与屈强比低合金钢屈强比比碳素钢的大，则塑性储备小，材料的潜力发挥的好。2．合金钢的淬透性比碳素钢好。3．高温强度比碳素钢高。4．各项物理化学性能高于碳素钢，如耐腐蚀性等。齿轮刀具二、各种元素在钢中所起的作用及对钢的性能的影响合金元素强度bs塑性硬度HB冲击韧性耐腐蚀性抗氧化性耐热性抗疲劳性淬透性晶粒细化其它Cr

Ni高温s

低温

不锈钢耐热钢Mn低温↑↑SiH2S高温Al↓↑↓H2S↓耐热合金代CrMo高温H2↑↑防回火脆性V高温＜0.6%↑Ti晶间腐蚀↑减少焊缝裂纹稀土元素低温

低合金钢是在碳钢的基础上加入总量＜5%（通常是2～3%）的合金元素而构成的钢种。这种钢含碳量＜0.2%，其组织多为F体和P体组织。设计国别选材国外/中国材料性能设计壁厚/mm重量/T美国设计SA-516-70/Q245Rb=500s=270=21%192300日本设计SpV50/低合金钢b=620s=500(MPa)165254中国吴泾化工厂15MnVRb=700s=500(MPa)165254三、低合金高强钢（普通低合金钢、普低钢、低合金结构钢）２应用举例

合成塔选材比较：设计条件p=15MPaDN=3000塔高H=20m１．普低钢的性能特点

﹡强度高σbσs↑屈强比大σs/σb↑；

﹡焊接性能好，含碳量低＜0.2%；

﹡耐腐蚀性好（指耐大气腐蚀）；

﹡脆性转变温度低。具体说锅炉压力容器用钢，要能满足如下要求：

★

首先都必须是低碳钢、优质碳素钢和低合金钢；

★

必须是脱氧完全的镇静钢，保证材质均匀、杂质少、无缺陷、无时效倾向；

★

较高的强度（常温、中温）；

★

良好的塑性、韧性和冷弯性能、较低的缺口敏感性

★

良好的加工工艺性和焊接工艺性。

常用锅炉钢牌号见p30表1—21；容器钢牌号见附录九。四、锅炉钢和容器钢

所谓锅炉压力容器用钢，即能满足安全使用或有较好的成型，焊接工艺的钢材。常见锅炉钢板的应用范围

五、不锈钢和不锈耐酸钢1．

铬不锈钢

⑴

铬不锈钢耐腐蚀的机理﹡

Cr能固溶于F晶格中形成固溶体，在氧化性介质中，钢的表面生成一层Cr2O3很稳定氧化膜，称为钝化膜，可以防止腐蚀；﹡Cr↑C↓耐腐蚀，但这两种元素在钢中形成的碳化物（Cr23C6）消耗钢中的Cr含量，解决的办法一是在C一定时，增大Cr的含量但不经济，二是C↓而相应Cr↓经济，因此不锈钢中C含量大多数都＜0.08%；不锈耐酸钢铬不锈钢不锈钢耐大气腐蚀的钢不一定在酸、碱、盐介质中不锈铬、镍不锈钢耐酸及其它强腐蚀介质腐蚀一般具有不锈性质不锈耐酸钢是不锈钢和不锈耐酸钢的总称。1Cr17削片刀铁素体不锈钢水加热器不锈钢带⑵常用的铬不锈钢钢

号含C量σsMPa适用温度组织0Cr13≤0.10%350-40～540℃F1Cr13≤0.15%400-40～540℃M2Cr13≤0.2%450-40～540℃M3Cr13≤0.26%539400～600℃M0Cr17≤0.10%250-20～540℃F0Cr17Ti≤0.10%3000～700℃F﹡

当含铬量达到13%，C→0时钢的组织变成单一的F体，可以避免电化学腐蚀；

＊

在18%的Cr钢中加入9～10%的Ni，即构成Cr—Ni不锈钢，称18-8不锈钢，这类钢含有形成奥氏体元素的Ni量较多，加热到1050～1100℃时空冷或水冷得到单一的A体组织，称

A体不锈钢2．Cr—Ni不锈钢＊

Cr—Ni不锈钢具有

较高的σb，较低的σs，极好的塑、韧性；

较好的耐热性（600～800℃），耐低温（-196℃）；

良好的焊接性能和冷弯成型工艺；＊

在强氧化性介质（如硝酸）中具有很好的耐腐蚀性能，但在还原性介质中（盐酸、稀硫酸），尤其含有Clˉ的溶液及强碱溶液中腐蚀严重。一般在钢中加入Mo、Cu元素，可抵抗Clˉ腐蚀，1Cr18Ni12Mo2Ti，Cr18Ni18Mo2CuTi等。

钢在加热（或冷却）到400～800℃且停留时间较长时，C会从过饱和的A体中以碳化铬（Cr23C6）的形式沿晶界析出，使晶界附近Cr量降低到＜12%以下造成晶界贫铬，晶界失去耐腐能力，成为晶间腐蚀解决办法：

①重新进行淬火处理（如在焊接之后）或固溶化处理，使Cr、C再固溶于A体中，冷却时控制400～800℃的通过时间，让Cr和C来不及析出。——工艺＊18—8钢的晶间腐蚀②减少钢中的C含量，重要的压力容器采用超低碳钢，如0Cr18Ni9钢的C≤0.08%，而00Cr18Ni9钢的C＜0.03%这时即使缓冷在400～800℃停留时间很长，也不会析出碳化铬，降低晶间腐蚀的可能。——设计③在钢中加入与碳亲和力比Cr更强的Ti、Nb等元素，以形成稳定的TiC、NbC，将C固定，可大大减少晶间腐蚀。1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni12Mo2Ti——设计

添加元素的作用：Cr—防腐→大气、电化学Cr、Ni＋Ti、Nb—抗晶间腐蚀Cr＋Ni—耐热、耐低温Cr、Ni＋Mo、Cu—抗还原性介质(Clˉ)腐蚀压力容器中常用18—8型不锈钢有：0Cr18Ni9304

S=228MPa0Cr18Ni12Mo2TiS=228MPa0Cr18Ni10TiS=228MPa0Cr19Ni13Mo3S=228MPa0Cr17Ni12Mo2

316

S=228MPa00Cr19Ni10304L

S=197MPa00Cr17Ni14Mo2

316L

S=197MPa

00Cr19Ni13Mo3

S=197MPa

00Cr18Ni5Mo3Si2S=328MPa

①

耐热钢指在高温下抗氧化的能力强，并且具有较高的高温强度及抗蠕变的能力。②

碳钢及其它合金钢，随温度的升高屈服点s很快下降，而耐热钢的s下降缓慢。六、

耐热钢与低温用钢１．耐热钢耐热钢通常加入元素的作用：

强化固溶体

加入使在高温下仍能固溶F体和A体的Cr，Mo。

稳定金相组织加入Cr、Mo、V、Ti形成稳定碳化物元素，抗高温蠕变

提高钢的再结晶温度加入Mo、Cr、W、Ni、Mn。一般按用途分为：抗氧化钢

—抗高温氧化为主要考虑因素，但强度不为主，常用于直接火零件。如Cr13SiAl，Cr25Ti，Cr17Ti，Cr25Ni12等。热强钢

—主要抗高温下蠕变，用于高温下仍受较大应力的零件如 12CrMo，Cr5Mo，1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20等。类别钢号主要化学成分（质量分数）热处理高温强度用途举例CCrMoVNi其他10万hσD/MPa低碳钢Q245R0.17-0.24热轧或正火91（450℃）≤450℃锅炉与压力容器常用高温低碳钢珠光体钢12CrMo0.08-0.150.4-0.70.4-0.55正火+回火75（525℃）≤550℃高中压蒸气管15CrMo0.12-0.180.8-1.100.4-0.55正火+回火56(550℃)≤550℃高中压蒸气管12Cr1MoV0.08-0.150.9-1.200.25-0.350.15-0.30正火+回火52(575℃)≤580℃高压锅炉过热气管、联箱、主蒸气管马氏体钢1Cr130.08-0.1512-14≤0.6退火186(500℃)≤475℃汽轮机叶片1Cr11MoV0.11-0.1810-11.50.5-0.70.25-0.40退火162(550℃)≤550℃汽轮机叶片及零件铁素体钢1Cr13Si3≤0.1812.5-14.5≤0.6Si2.3-2.8退火800-1000℃炉用构件奥氏体钢0Cr19Ni9≤0.0818.0-20.08.0-10.5固溶37（1万h）（700℃）≤800℃反复加热耐氧化介质装备构件20Cr25Ni20≤0.2524.0-26.019.0-22.0固溶29（1万h）（800℃）≤1050℃反复加热抗氧化锅炉用部件国内常用耐热钢的化学成分、热处理状态、力学性能及用途①

工作温度

＜－20℃

称为低温

铁素体

（－20～－40）℃

浅冷

＜－40℃

深冷

奥氏体2．低温用钢

②

对低温钢的要求

具有良好的低温韧性、加工工艺性、可焊性。降低含碳量到0.08%～0.18%形成单相的铁素体组织，在加入Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素，可提高综合机械性能。深冷条件下，则需选用单相奥氏体组织。2．低温用钢

③

常用低温钢选用

＞-20℃Q345R、07MnCrMoVR

＞-40℃Q345DR、07MnNiCrMoVDR＞-45℃15MnNiDR

＞-50℃09MnNbDR

＞-70℃09MnNiDR、09MnTiCuReDR＞-120℃06Al、06AlCuNbN

＞-196℃18—8型、20Mn23Al

＞-253℃15Mn25Al4牌号主要化学成分（质量分数）热处理常温力学性能（不小于）低温冲击性能CMnNiAl其他σb∕MPaσs∕MPaδ5/%温度/℃Akv/JQ345DR≤0.201.20-1.60-≥0.015少量V、Ti、Nb、Re正火或调质45025521-40≥2409Mn2VDR≤0.121.40-1.80-≥0.015V0.02-0.06正火或调质43027022-50≥2715MnNiDR≤0.181.20-1.600.20-0.60≥0.015V≤0.06正火46029020-45≥2709MnNiDR≤0.121.20-1.600.30-0.80≥0.015Nb≤0.04正火或正火+回火43026023-70≥2707MnNiCrMoVDR≤0.091.20-1.600.20-0.50-Cr0.10-0.30Mo0.10-0.30V0.02-0.06B≤0.0030调质610-74049017-40≥472.25Ni≤0.17≤0.702.10-2.50--正火450-59025524-70≥213.5Ni≤0.05≤0.703.25-3.75--正火或调质450-690250-44021-29-100≥219Ni≤0.13≤0.908.50-9.50--调质690-83059021-196≥4115Mn26Al40.13-0.1924.5-27.0-3.80-4.70-热轧固溶48020030-253≥120常用低温钢的主要化学成分、热处理状态及力学性能1.品种

板材、管材、带材、型材（园、方、扁、工字、H型、T型、角钢、槽钢、异型钢等）铸钢和锻钢七、钢材的品种和规格2.板材

薄板（S≤4mm）冷轧

长1.0～2.5m

宽0.5～1.5m

厚0.2～4.0mm

热轧

长1.0～4.0m宽0.5～1.5m厚0.35～4.0mm

厚板（S＞4～100mm）热轧

长1.2～12m宽0.6～3m

厚

＞4.0mm

板厚尺寸间隔

4～6mm间隔0.5mm

6～30mm间隔1mm

30～60mm

间隔2.0mm60～100mm间隔5mmGB912—89碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带

GB3274—88碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带

GB3280—92不锈钢冷轧钢板

GB6654—96压力容器用钢板

GB4237—92不锈钢热轧钢板

GB3531—96低温压力容器用

GB8165—87不锈钢复合钢板

GB4238—92耐热钢板

2.无缝钢管

普通无缝钢管

GB8163—2008输送流体用无缝钢管

GB/T14976—2002流体输送用不锈钢无缝钢管

专用无缝钢管

GB5310—2008高压锅炉用无缝钢管

GB9948—2006石油裂化用无缝钢管

GB13296—2007锅炉、热交换器用不锈钢无缝 钢管压力容器常用板材标准第六节

化工设备腐蚀简介

金属腐蚀主要指金属与介质之间发生的化学或电化学作用引起的破坏，主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种。常见腐蚀形态示意图a均匀腐蚀b电偶腐蚀c缝隙腐蚀d孔蚀e晶间腐蚀f应力腐蚀g腐蚀疲劳h氢鼓泡I磨损腐蚀耐腐蚀性能:腐蚀破坏的形式分为均匀腐蚀和局部腐蚀。

均匀腐蚀：发生在整个金属表面上，使截面不断减少，以腐蚀率表示.根据质量变化评定金属的腐蚀:式中:kw—以金属质量损失率表示的腐蚀速度，g/（㎡h）;m0、m1—金属腐蚀前后的质量，g；F—金属的面积，㎡；t—腐蚀时间，h所选定金属在给定介质中的腐蚀速度

kd＜0.1㎜/a时为耐腐蚀材料；

kd=0.1～1㎜/a时为可用材料；

kd＞1㎜/a时为不可用材料。

根据腐蚀深度评定金属腐蚀式中：kd—以金属厚度的减小率表示的腐蚀速度，㎜/a；ρ—金属密度，g/㎝3；kw—以金属质量损失率表示的腐蚀速度，g/（㎡h）

对于存在局部腐蚀的材料，化工装备中是不允许采用的。在设计中，对均匀腐蚀问题可以按照设备要求的使用寿命考虑一定的腐蚀裕量，进而控制其发展。局部腐蚀问题相对均匀腐蚀要困难和复杂得多。

局部腐蚀：面下腐蚀、点腐蚀、斑腐蚀、氢腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀。局部腐蚀极为危险，如点腐蚀可在金属的一定区域上迅速发展并往深处穿透，便发生穴蚀及穿孔。如晶间腐蚀，腐蚀迅速沿晶粒间的边缘向深处推进，使材料的机械强度和塑性剧烈降低。晶间腐蚀通常不引起金属的外形改变，破坏是突然发生的。一、化学腐蚀

是指金属接触非电解质介质或干燥的气体，直接发生纯化学反应而引起的破坏现象。其腐蚀过程是腐蚀介质直接与金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物。此时，电子的传递是在金属与腐蚀介质之间直接进行的，没有电流产生，其过程符合化学动力学规律。特点

没有电流产生，腐蚀的产物在金属表面上。产物

不挥发，不溶解，组织致密稳定，与金属结合牢固，形成钝化膜。易挥发，易溶解，与金属结合不牢固，可一层层脱落。形式

高温氧化（对碳钢）＜570℃→稳定产物＞570℃→FeO不稳定产物，脱落解决办法：加入Cr、Si、Al形成抗氧化耐热不起皮钢，如Cr13SiAl、Cr25Ni20、Cr17Ti。氢腐蚀

钢受高压高温氢作用时，钢中的碳与渗入钢中的氢原子反应生成甲烷，使其强度、韧性明显降低，这种现象叫做氢腐蚀。氢腐蚀

≤200℃，≤5MPa对碳钢、低合金钢无明显腐蚀＞200℃，＞5MPa

产生氢腐蚀

解决办法：使C＜0.01%，不析出Fe3C与H反应；加入Cr、Mo、V、Ti以生成稳定碳化物

晶间腐蚀和应力腐蚀是属于电化学腐蚀，这两种腐蚀极其危险且材料选择不合适或加工工艺不合理较易发生。二、电化学腐蚀指金属与电解质溶液发生电化学作用而引起的破坏现象特点同时存在着两个相对独立的反应过程．即阳极反应和阴极反应。在腐蚀过程中，电子的传递是通过金属从阳极流向阴极，其过程服从电化学动力学的基本规律。有电流产生形式腐蚀大电池在电解质溶液中，采用不同材料制成的设备，电位不同产生腐蚀。腐蚀微电池金属表面金相组织存在不同的相，如F、

C体，在电解质溶液中形成微电池。浓差电池同一金属，同一溶液，不同部位接触溶液浓度不同产生晶间腐蚀

产生在铁素体或奥氏体不锈钢的晶界上，腐蚀性介质通过晶界渗入金属深处，破坏了金属晶粒之间的亲和力，金属表面不易发现，造成灾难性的事故。腐蚀机理奥氏体不锈钢中含有少量的碳，在高温下，碳可以完全分布在整个合金里，若在450～850℃加热或缓慢冷却在此温度下停留时间过长，碳会与铁和铬生成复杂的碳化物（Cr∙Fe）23C6沿晶界析出。由于铬的扩散速度比较慢，尽管碳的含量很少，但对铬的需量很大，于是使得晶界附近铬含量减少产生贫铬。当铬贫到低于钝化所需的极限时＜13%，贫铬的晶界区便处于活化状态，就是电化学中的阳极区，晶粒本身即为阴极，形成微电池作用，晶间腐蚀就迅速进行。

晶间腐蚀是化工生产中危害较大又常发生且又易被忽略的一种腐蚀。腐蚀时宏观无迹象，壁厚无减薄，在内部晶间腐蚀使材料失去强度和塑性，使设备在正常操作下突然破坏。

解决措施：选材上

①选钢中含Ti、Nb元素，可较好固定碳，保持在晶间Cr的含量。②采用低碳、超低碳奥氏体钢。工艺上采用固熔化处理，限制敏化温度区450～850℃碳化物的析出。应力腐蚀（腐蚀开裂）

产生原因：金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的一种破坏形式。在承受拉应力的界面上，腐蚀作用使金属的有效截面积减少，形成表面缺口，产生应力集中；集中处更大的拉应力加速腐蚀的进程，使表面的缺口向深处扩展，使有效截面积更加减少，产生更大的应力，最后导致断裂。

压力容器一般都承受较大的拉应力，在结构上由于制造、焊接等原因，不可避免的存在不同程度的应力集中，为应力腐蚀创造了外部条件，若介质再存在腐蚀性，就具备应力腐蚀的全部条件。这种常见的应力腐蚀破坏形式也是最危险的。发生应力腐蚀的奥氏体不锈钢管道内壁应力腐蚀裂纹

应力腐蚀只发生在拉应力状态下且具有腐蚀介质同时存在时，断口与主拉应力垂直。金属材料腐蚀介质情况低碳钢氢氧化钠，硝酸盐溶液碳钢、低合金钢42%氯化镁溶液，氢氰酸高铬钢海水，硫化氢水溶液奥氏体不锈钢氯化物溶液，高温高压蒸馏水铜与铜合金含氨蒸汽，汞盐溶液，含SO2大气铝与铝合金熔融NaCl，NaCl水溶液，海水，水蒸汽，含SO2大气镍和镍合金NaOH水溶液产生应力腐蚀的几种钢材和腐蚀介质搭配情况金属腐蚀破坏形式设备在局部高应力状态及介质腐蚀共同作用下，引起的电化学腐蚀由Clˉ引起，在金属表面某点发生，危害极大，造成设备穿孔。腐蚀面积和速度无法预测，危害性大非均匀腐蚀

（局部腐蚀）均匀腐蚀设计时预先留有腐蚀裕量即可区域腐蚀点腐蚀应力腐蚀晶间腐蚀晶界附近贫铬，低于钝化所需的极限时Cr＜13%，贫铬的晶界区便处于活化状态，形成微电池作用，在晶间产生腐蚀。防腐措施涂层保护电化学保护添加缓蚀剂

用耐腐蚀性能较强的金属覆盖于耐蚀性能较差的金属表面。如电镀、喷镀和耐腐材料的衬里

用耐腐蚀的涂料涂刷在耐蚀性能较差的金属表面；如油漆

在耐蚀性能较差的金属内表面衬以耐蚀的砖或板如酚醛胶泥衬瓷板、瓷板、瓷砖、不透石墨板、辉绿岩板、橡胶衬板、塑料衬板等

阴极保护用于受海水河水腐蚀的设备和管道；应用广泛，技术难度不大。阳极保护把被保护设备接直流电源的阳极，使金属表面生成钝化膜起保护作用。要求金属在介质中能钝化才可应用，技术复杂应用的较少。

在腐蚀介质中加入少量的不影响介质性能而又可使金属腐蚀减缓或停止的介质。金属涂层非金属涂层一、

选材的一般原则

1．保证力学(机械)性能⑴强度σb、σs确定[σ]，

当温度＞400℃时，还要考虑σn、σD。