化工设备设计基础第5章化工设备材料课件

第五章化工设备用材料一、概述二、材料的性能

三、金属材料的分类及牌号四、钢铁的组织结构及热处理五、普通低合金钢及化工设备用特种钢六、非金属材料七、化工设备材料的选择一、概述1.化工设备的操作条件化学工业是基础工业，化工设备的种类很多，操作条件复杂苛刻：操作压力：真空、常压、低压、中压以至高压和超高压；操作温度：低温、常温、中温和高温；介质：有腐蚀性、易燃、易爆、有毒等。2.化工设备选材的一般要求遵循适用、安全和经济的原则选择材料。选用材料的一般要求是：⑴材料品种应符合我国资源和供应情况；⑵材质可靠，能保证使用寿命；⑶要有足够的强度，一定的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；⑷便于制造加工，焊接性能良好；⑸经济上合算。一、概述3.压力容器的选材要求压力容器用钢板：耐腐蚀，较高的强度，良好的塑性、韧性和冷弯性能，缺口敏感性要低，加工和焊接性能良好。中、高温容器：材料组织稳定性和中、高温的机械性能。低温设备：低温脆性破裂问题。二、材料的性能

⑶蠕变强度（σn）蠕变：金属材料在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。蠕变强度σn：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σ1/10000表示材料经10000h发生1%的总变形时的蠕变强度。表示材料在高温条件下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。⑷持久强度（σD）持久强度：在给定温度下，促使试样经过一定时间发生断裂的应力。持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。⑸疲劳强度（σ-1）金属材料受到大小及方向变化的交变载荷作用发生断裂的现象称为疲劳，往往断裂应力值远低于屈服点。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。往往把经106～108次循环试验所测得的材料不发生断裂的最大应力作为疲劳强度。二、材料的性能

2.1力学性能2.1.2塑性金属的塑性，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。⑴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。⑵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。

【提示】材料良好的塑性的优点：制造过程中顺利进行弯卷、锻压、冷冲、焊接成型工艺；设备使用中能由于塑性变形而避免突然断裂。二、材料的性能

2.1力学性能

2.1.3硬度硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力。硬度是材料的重要性能指标之一，可反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能；硬度高强度也高，耐磨性较好。常用的硬度指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。二、材料的性能

2.1力学性能2.1.5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。二、材料的性能

2.2物理性能金属材料的物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。2.2.1热膨胀性金属及合金受热时，一般说来体积都要胀大，这一特性称为热膨胀性。通常应用的是线膨胀系数，以α表示，量纲为mm/(℃·mm)。钢材：α=9.2～10.4×10-6mm/(℃·mm)2.2.2弹性模量与泊松比材料在弹性范围内，应力和应变成正比，这个比例系数称为弹性模量，以E表示。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。E值随温度的升高而逐渐降低。钢材：E=1.94～2.08×105MPa泊松比是试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比，以µ表示，钢材µ=0.3。二、材料的性能

2.3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。1.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。2.抗氧化性材料在高温、含氧工作条件下，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。2.4制造加工工艺性能金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能和冷弯性能等，影响化工设备和零部件的制造工艺方法。三、金属材料的分类及牌号3.1分类工程上将金属材料分为黑色金属和有色金属两大类3.1.1黑色金属⑴生铁：可分为炼钢生铁、铸造生铁（简称铸铁）和合金生铁⑵钢三、金属材料的分类及牌号

⑶镇静钢、半镇静钢与沸腾钢镇静钢：在浇注前用Si、A1等把钢液完全脱氧，把FeO中的氧还原出来，生成SiO2和A12O3，使得钢中含氧量不超过0.01％，锭模上大下小。压力容器一般都要选用镇静钢。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半镇静钢：介于镇静钢与沸腾钢之间，浇铸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好像沸腾钢，上半部好像镇静钢。【特殊说明】锅炉钢和容器钢是采用优质碳素钢，但要求钢的质地均匀，无时效倾向，都为杂质及有害气体含量较低的低碳镇静钢。锅炉专用钢：钢号后面加g（锅汉语拼音首字母）如10g，20g，22g，16Mng等压力容器专用钢：钢号后面加R（容的汉语拼音首字母）20R，16MnR等。低温用钢：钢号后面加D（低的汉语拼音首字母）16MnDR低温容器用钢等。2.有色金属化工设备用的有色金属主要有铜及铜合金、铝、钛、镍及其合金等，但用量不多，只是在特殊场合利用。三、金属材料的分类及牌号3.2钢的牌号及表示方法3.2.1牌号表示原则国家标准规定，牌号中的化学元素用化学符号或汉字表示，产品的用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则。3.2.2钢号的表示方法⑴普通碳素钢用甲、乙、特（A、B、C）表示类别；顺序号越大表示强度越高，含碳量越多。A3钢表示甲类碳素钢，序号为3。【举例】压力容器设计中常用的主要为Q235系列钢材，Q－屈服强度，235指材料的屈服强度σs=235MPa。⑵优质碳素结构钢①含碳量以平均含量万分之几表示；②含Mn量较高的钢应标出Mn；③浇注方法如为镇静钢不标符号；④专门用途的钢牌号末尾用符号标明。【举例】20g(R)：碳含量0.2%，锅炉（容器）专用钢；

40Mn：碳含量0.4%，Mn含量较高。三、金属材料的分类及牌号3.2钢的牌号及表示方法3.2.2钢号的表示方法⑷

特殊性能钢①含碳量很低，以千分之几表示，“0”表示C<0.08%，“00”表示C<0.03%，“000”表示C<0.001%；②主要合金元素含量以百分数表示。【举例】1Cr18Ni9Ti：C<0.1%；Cr18%；Ni9%；Ti防晶间腐蚀。0Cr18Ni9Ti：C<0.08%；Cr18%；Ni9%；Ti防晶间腐蚀。其它如：00Cr17Ni14Mo2（316L），1Cr19Ni9（304），00Cr19Ni11（304L）。四、钢铁的组结构及热处理工程纯铁：C<0.02％极少使用铁碳合金：Fe－95％＋0.05～4％＋其它元素：1%钢：C=0.02～2％铸铁：C>2％金属晶体α-Fe：体心立方晶格（500－910℃

）γ-Fe：面心立方晶格（910－1390℃

）α-Fe：体心立方晶格γ-Fe：面心立方晶格四、钢铁的组结构及热处理4.1钢铁的基本组织结构(1)铁素体(F)碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体，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。铁素体强度和硬度低，塑性和韧性很好。(2)奥氏体(A)碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体，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。碳溶于α-Fe中示意图

碳溶于γ-Fe中示意图四、钢铁的组结构及热处理4.1钢铁的基本组织结构(5)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。(6)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。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。四、钢铁的组结构及热处理4.2铁碳合金相图铁碳合金状态图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。四、钢铁的组结构及热处理4.3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。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（压力容器制造完成后常用来消除焊接残余应力）正火：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。

【说明】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℃，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热处理工艺。

回火：回火是在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢5.2普通低合金钢普通低合金钢（亦称低合金高强度钢）简称普低钢。普低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，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。典型钢种：16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、07MnCrMoVR5.3锅炉和容器钢锅炉和压力容器作为特种设备，工作条件苛刻，受温度、压力、介质腐蚀等，因此要求采用优质、低碳镇静钢，且质地均匀，无时效倾向，杂质及有害气体含量低。①较高的强度，包括常温、中温强度和高温强度；②良好的塑性、韧性和冷弯性能；③较低的缺口敏感性；④良好的加工工艺性能和焊接性能；⑤良好的冶金质量。良好的低倍组织，分层、非金属夹杂物、气孔、疏松等缺陷尽可能少。不允许有白点及裂纹；典型钢种：20g、22g、16Mng、15MnVg、20R、16MnR、18MnMoNbR等五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢5.4不锈耐酸钢不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。严格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烈腐蚀性介质的钢。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。5.4.1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，钢的耐蚀就有显著的提高，而且含铬量愈多则愈耐蚀。典型钢种：0Cr13、1Cr13、2Cr13制作螺栓、塔盘浮阀等。5.4.2铬镍不锈钢铬镍不锈钢的典型钢号是1Cr18Ni9，其中含C＜0.14％，Cr17％～19％，Ni8％～11％，故常以其Cr，Ni平均含量“18-8”来标志这种钢的代号。因钢中含有形成奥氏体元素的镍量较多，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，它的焊接性能和冷弯成型等工艺性也很好。典型钢种：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、304、316、316L等五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢5.7钢材的品种和规格钢材的品种有钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢等。5.7.1钢板冶金部供应的板材分冷轧与热轧薄钢板(厚度＜4mm)和热轧厚钢板(厚度＞4mm)两种，冷轧薄钢板的尺寸精度(指厚度允许偏差)比热轧钢板高。5.7.2无缝钢管无缝钢管有冷轧和热轧的。冷轧无缝钢管外径和壁厚的尺寸精度均较热轧管为高。普通无缝钢管常用材料有10，15，20，16Mn等，另外还有专门用途的无缝钢管，例如热交换器用钢管、化肥高压无缝钢管、