过程设备机械设计基础：7化工材料

7过程设备常用材料7.1过程设备用材的基本要求7.2过程设备常用材料7.3钢的热处理7.4金属材料的腐蚀与防腐7.5过程设备金属材料的选择概述过程设备是过程工业的物质基础和保障：材料是任何设备功能完成的物质载体—设备材料的重要性

1915年，合成尿素新工艺进入中试阶段，但无法克服熔融尿素对钢材的腐蚀。1953年，才实现了尿素的规模化生产，前提是荷兰科学家提高了铬镍不锈钢对熔融尿素的腐蚀。过程工业的复杂性，材料选用具有的特点：复杂性、多样性、高要求 神州六号返回舱的隔热材料保证了从2000ºC到40ºC：飞船返回舱的降温主要通过三种方法：一是吸热式防热，在返回舱的某些部位，采用导热性能好、熔点高和热容量大的金属吸热材料来吸收大量的气动热量；二是辐射式防热，用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去；三是烧蚀防热，利用高分子材料在高温加热时表面部分材料融化、蒸发、升华或分解汽化带走大量热量的方法散热。

过程设备材料的分类金属材料非金属材料黑色金属及其合金有色金属及其合金无机非金属材料有机非金属材料材料中应用最多的是什么类型？为什么？选材原则：安全、适用、经济1.材质性能适用可靠，保证一定使用寿命；选材的基本要求：2.材料品种应符合国家资源和供应情况；3.经济上合算。

7.1过程设备用材的基本要求过程设备用材的性能要求力学性能1.强度

*

材料在高温和低温下的强度是确定材料许用应力的依据，

S，b是材料抵抗塑性变形和破坏的能力屈强比高的钢材，塑性储备降低，缺口敏感性增加。碳钢力学性能随温度的变化2.塑性：材料在外力作用下，产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前塑性变形的能力，反应材料可塑性的指标。

=10~20%3.韧性：指材料在塑性变形直至断裂的全过程中吸收的能量，是材料强度和塑性的综合表现能力。一般用冲击韧性来评定。AK（J/cm2）4.硬度：指材料抵抗外物压入的能力，有HB，HR。#

刚度：保证材料不产生过量弹性变形。弹性模量E、G；μ

化学性能耐腐蚀性：抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。腐蚀：由于环境作用引起的破坏或变质。分化学腐蚀和电化学腐蚀。

抗氧化性：抵抗介质中的自由氧、硫及其它杂质对钢的氧化腐蚀作用。加工工艺性1.可焊性：少的焊接缺陷2.可锻性：不发生热脆3.可塑性：优良的塑性加工性能4.机械加工性能：保证良好的切削性5.可铸性好：铸造中收缩和偏析小

材料的物理性能导热系数：设备要求传热线膨胀系数：防止热应力密度：决定设备的重量熔点和导电性：一)碳钢碳钢：碳含量在0.02～2％之间的铁碳合金;铸铁：碳含量大于2％的铁合金。1、碳及常存杂质对钢材性能的影响磷(P)硫(S)锰(Mn)硅(Si)碳(C)★钢材获得广泛应用,为什么？

7.2过程设备常用材料碳含量对材料机械性能影响2碳钢分类按含碳量分：低碳钢中碳钢高碳钢按质量等级分：普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢按用途分：碳素结构钢碳素工具钢普通碳素结构钢：GB700-88Q235－A·F－GB700-88国标号产品质量等级，共分A、B、C、D四级材料屈服限的保证值，(厚度小于16mm)F：沸腾钢，Z：镇静钢，b:半镇静钢除保证机械性能和化学成分外，还对磷、硫及非金属夹杂物控制较严:C%、P%<0.04%。它的牌号以含碳量的万分之数而定。优质低碳钢：<0.25%，强度低，塑性好，冷冲压和焊接性能好，在石油化工设备中广泛应用。优质中碳钢：0.25~0.60%：强度硬度高，塑性韧性差；多用于传动设备及高压设备头盖零件。优质高碳钢：>0.6%；强度硬度均较高，塑性差，常用于制造弹簧，刀具及耐磨零件。分类优质碳素结构钢：锅炉和压力容器用钢有特殊性，经常采用专门用途的锅炉用钢和容器用钢。在钢号后分别以“

g”和“

R”来表示。如20g，20R，16MnR屈服限强度限铸钢：ZG200－400二)合金钢压力容器用低合金钢：合金元素总含量小于5%主要牌号：16MnR，15MnVR，18MnMoNbR35CrMoA1、合金结构钢数字元素名称数字合金元素含量合金元素符号平均含碳量的万分数A如9SiCr（冷冲模具用钢）数字元素名称数字合金元素含量合金元素符号平均含碳量的千分数当含碳量大于1％则不表示W18Cr4V(高速钢，如齿轮铣刀用钢)2、合金工具钢不锈钢

铬不锈钢：1Cr13、0Cr13、9Cr18

；铬镍不锈钢(18-8)：0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；节镍不锈钢：1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N分类00：C%0.03%；0：C%0.08%；1：0.08%C%0.12%3、特殊钢耐大气腐蚀钢和耐化学介质腐蚀钢的总称。Cr对材料电极电位的影响铬镍不锈钢：典型钢号(18-8)

0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；

铬不锈钢：1Cr13、0Cr13、9Cr18

；调质处理后有较强的强度和韧性；弱腐蚀介质，温度低于30

Ｃ，有良好的耐蚀性；在硫酸、盐酸、熔融碱液中耐蚀性差；一般固溶处理；较高的强度，极好的塑性和韧性，焊接性能好；比铬不锈钢更好的耐蚀性；还原性介质、cl¯不耐蚀；容易发生晶间腐蚀。晶间腐蚀★发生晶间腐蚀的原因是什么？★防止发生晶间腐蚀的方法：1固溶处理；2减少钢中含碳量；3加入强亲碳元素：Ti、Nb2）高温用钢抗氧化钢：1Cr13Si3，1Cr23Ni13热强钢：15CrMo,12Cr2Mo1,1Cr5Mo,0Cr19Ni9,0Cr17Ni12Mo2等分为：和抗氧化钢3）低温用钢以高铬镍钢为主热强钢低碳钢在538℃下的蠕变量与时间T的关系三）铸铁灰口铸铁：碳以自由态片状石墨存在，抗拉强度低，挤压强度高，用于制造耐压件。

HT100可锻铸铁：石墨成团絮状,具有一定强度和塑性，用于有振动和冲击的场合

KTH300－06

球墨铸铁：石墨成球状,强度、塑性、韧性好可替代铸钢

QT500－5

球化效果差，石墨形态为片状和蠕虫状球墨铸铁的金相组织（１）石墨形态：球状石墨、团状、团絮状、蠕虫状、片状石墨大小：1~7级球墨铸铁的金相组织（２）球墨铸铁的金相组织（3）球墨铸铁基体组织：铁素体+珠光体，珠光体含量≈65%球墨铸铁的金相组织（4）珠光体的片间距（粗细）球墨铸铁的金相组织（5）

球墨铸铁中的渗碳体形态四）有色金属及合金紫铜：T1，T2，T3黄铜：H80，H68，H62铝：L1,L2,………L6硬铝：AI-Cu-Mg的合金,LY1L-1L-2防锈铝：AI-Mg的合金，LF21铸铝：AI-Si的合金，ZL107作耐磨件：蒙乃尔合金作腐蚀件：Inconel合金和海氏合金铜及铜合金铝及铝合金镍及镍合金铅及铅合金：铅锑合金，PbSb4,五）非金属材料化工陶瓷：化学稳定性好玻璃：表面光洁、耐腐蚀（搪玻璃设备〕水泥：价廉天然耐酸材料：花岗石、石墨、石棉等耐酸酚醛塑料聚氯乙烯塑料聚乙烯聚四氟乙烯玻璃钢无机材料有机材料 将钢材通过适当的加热和冷却过程，使钢材的内部组织按一定的规律变化，以获得预期的机械性能，称为钢的热处理。

7.3钢的热处理晶格晶胞体心立方面心立方一、金属的结晶组织金属的结晶过程金属结晶过程晶核液态－Fe铁的同素异构转变－Fe910°C碳在铁中形成固溶体(F、A、M)钢的冷却曲线化合物：渗碳体Fe3C混合物：珠光体P室温平衡状态下铁碳合金组织中基本组成物的机械性能名称符号结合类型σb,MPaHBδAk,J铁素体F(或α)固溶体2308050160渗碳体Fe3C化合物30800~0~0珠光体P机械混合物75018020~2524~32铁碳合金状态图PAF+PP+Fe3C★钢为什么可以进行热处理？ 钢的热处理是将钢材通过适当的加热、保温和冷却过程，使钢材的内部组织按一定的规律变化，以获得预期的机械性能。★什么是钢的热处理？★什么是钢的同素异构现象？★常用的热处理方法及应用有哪些？热处理车间普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热渗碳氮化碳氮共渗及其它二、常用热处理方法方法：把钢材加热到一定温度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却的过程。目的：强度、硬度降低，塑性、韧性提高；消除组织缺陷、消除内应力。应用：消除铸件、焊件、锻件、热轧件、冷拉件等的内应力，冷作硬化退火(annealing)高速钢的退火曲线方法：把钢件加热到GS或ES线以上30~50

C，经适当保温后，从炉中取出在空气中冷却。目的：细化P晶粒、减少钢件内应力、均匀组织。可作为最终热处理。应用：广。如锻造的法兰与换热器的管板的最终热处理。正火(normalising)方法：把钢材加热到一定温度，保温一段时间后，快速冷却的过程。目的：得到马氏体组织、提高表面硬度、提高强度和耐磨性。硬而脆。淬火(harding)40Cr钢的淬火曲线方法：将淬火后的钢件重新加热到PSK线以下的某一温度，经较长时间的保温后，在油中或空气中冷却。调质处理：淬火后高温回火的热处理。提高综合机械性能。用于重载零件。目的：降低或消除钢件的内应力，并可通过控制回火温度，获得不同的机械性能。回火(tempering)表面淬火方法：将钢件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表面，改变表面化学成分以获得预期的组织和性能的一种热处理过程。化学热处理根据渗入元素的不同，可分为渗碳、渗氮等。材料及热处理的应用分析电厂中的汽轮机汽轮机是一台在高温（540

600℃）、高压（16

25MPa）蒸汽作用下高速旋转（3000r/min）、长期连续运行的机器。由于工作条件苛刻，因此对其零部件所采用的材料要求很高。一些主要部件要求高强度、耐高温、耐腐蚀，不同的部件还有一些不同的特殊性能要求。焊接结构的低压外缸高中压内缸（铸钢件）电厂检修中的汽轮机高中压转子低压转子汽轮机叶片摩擦压力机模锻叶片叶片自由锻出坯自由锻出坯的毛坯叶片★叶片的材料有哪些要求？ 在工作条件下必须承受较大的离心力和弯应力：材料必须具有的基本的强度和韧性，还须具有耐蚀性、抗氧化性、足够的疲劳强度，良好的刚度、减振性能等等；

高压级的动叶片工作于高温蒸汽介质中，还应考虑蠕变强度、持久极限等高温性能；

低压级动叶片尤其是末级叶片，由于工作在湿蒸汽区，叶片更长，离心力更大，故需考虑材料具有更高的强度，抗水滴冲蚀和应力腐蚀等问题。汽轮机叶片材料主要为不锈钢：1Cr13、2Cr13、1Cr12Mo、2Cr12MoV、2Cr12NiMo1W1V、2Cr11NiMoNbVN、0Cr17Ni4Cu4Nb等★

汽轮机叶片选什么材料？叶片材料的热加工:钢中0.1~1%的碳，具有较高的强度；2~17%的铬，具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性；钼、钒、铌、铝、铜等元素的添加，提高钢的回火抗力或产生沉淀硬化作用，使钢在高温下仍保持足够的强度。调质状态下使用低压外缸装焊低压外缸装焊 低压缸由于体积较大，承受的温度、压力均比较低，因此一般采用低碳结构钢（碳素结构钢Q235-A）钢板焊接结构。★低压汽缸的材料有哪些要求？如何选材？钢板下料——成形——拼装——焊接——除应力热处理——喷丸清理——探伤检验。

★低压外缸怎样热加工？

参考书◆腐蚀工程M.G.方坦纳,N.D.格林著左景伊译◆腐蚀电化学原理曹楚南编著◆金属腐蚀学朱日彰等编写

◆金属腐蚀理论及应用魏宝明主编

7.4金属材料的腐蚀与防腐国内主要专业杂志中国腐蚀与防护学报腐蚀与防护腐蚀科学与防护技术四川化工与腐蚀控制全面腐蚀控制表面技术材料保护

国外主要专业杂志◆Corrosion◆MaterialPerformanceNationalAssociationofCorrosionEngineersNACE（美国腐蚀工程师协会）◆CorrosionScience◆BritishCorrosionJournal★什么是腐蚀和金属材料的腐蚀？定义：金属材料和周围环境发生化学或电化学的作用而变质和破坏。工程材料和周围环境发生相互作用而变质和破坏。三个基本要素腐蚀的对象腐蚀的性质腐蚀的后果举例◆1975年美国芝加哥一个大的炼油厂一根15cm的不锈钢弯管腐蚀破裂引起爆炸和火灾，停车6周，这次腐蚀事故总维修费50万美元，停车造成的税收损失高达500万美元。美国：1949年55亿美元

1960～1969年150～200亿美元

1975年700亿美元

1982年1269亿美元

1995年8000亿美元英国：1969年13.65亿英镑（27.3亿美元）腐蚀的危害3.造成巨大的经济损失5.造成金属资源和能源的浪费4.造成设备的破坏事故2.阻碍新技术的发展1.危及人身安全经济损失包括直接损失和间接损失◆直接损失：指采用防护技术的费用和发生腐蚀破坏以后的维修、更换费用和劳务费用。◆间接损失：指设备发生腐蚀破坏造成停工、停产；跑、冒、滴、漏造成物料流失；腐蚀使产品污染，质量下降，设备效率降低，能耗增加；在计算壁厚时需增加腐蚀裕度，造成钢材浪费等。◆耐蚀性指材料抵抗环境介质腐蚀的能力◆腐蚀性指环境介质腐蚀材料的强弱程度◆腐蚀过程的本质金属→金属化合物△G﹤0自发过程不可逆过程★研究和控制腐蚀具有重要意义腐蚀的分类按环境分类：大气腐蚀土壤腐蚀海水腐蚀高温气体腐蚀化工介质腐蚀按破坏形态分类：全面腐蚀局部腐蚀按相互作用的性质：化学腐蚀电化学腐蚀★腐蚀的常见形式★腐蚀速度的表示方法失重腐蚀速度V-

单位：g∕m2.hV-与Vp之间的换算年腐蚀深度Vp

单位：mm/y

定义：金属在干燥的气体和非电解质溶液中发生化学反应所引起的腐蚀破坏叫化学腐蚀。腐蚀过程无电流产生，腐蚀产物存在于金属表面。例如：金属的高温氧化及脱碳，氢腐蚀★化学腐蚀★钢在高温中的氧化570C以下Fe3O4Fe2O3570C以上Fe2O3Fe3O4FeO金属及其合金与电解质接触时发生电化学作用而引起的腐蚀。Zn在稀硫酸中溶解示意图★电化学腐蚀宏观异种金属接触形成电偶电池金属处于不同浓度的介质中形成浓差电池金属处于温度不同的介质中形成温差电池微观化学性质不均匀微观组织不均匀物理状态不均匀表面膜不完整★腐蚀原电池的类型金属在电解质溶液间产生电化学作用而引起的腐蚀破坏。腐蚀过程中有电流产生。1.同一金属上有不同电位的部分存在或是存在电位差的不同金属或合金；2.阴极和阳极互相连接，并处于互相连通的电解质溶液中。电化学腐蚀的条件：★电化学腐蚀3.温度和压力的影响4.应力对腐蚀的影响2.腐蚀介质酸碱性的影响1.合金元素的影响★影响腐蚀的因素★金属设备的防腐蚀措施3.添加缓蚀剂4.合理的结构设计2.电化学保护1.涂复保护层