第五章-化工设备材料

第五章材料基础知识钢材生产基本知识

12材料的性能

钢铁是使用最多的金属材料：

储量大；

冶炼加工容易；

综合性能好；

易改质处理。

钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。5.1.1钢的介绍钢材的定义：钢材是一种以铁为主要元素、含碳量大于0.025%,小于2.11%的铁碳合金，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn等)的材料；钢材的优点以及缺点：优点：（1）抗拉、抗压、抗冲击性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便；缺点：易锈蚀；5.1.2炼钢炼钢的原料：生铁、废钢、熔剂（石灰石等）、脱氧剂（硅铁、锰铁、铝等）、合金料等。

炼钢的主要任务包括以下几项：（四脱、二去、二调整）

1）脱碳；2）脱磷；3）脱硫；4）脱氧；5）去氮、氢等；6）去除非金属夹杂物；7）调整成分；8）调整温度。

炼钢工艺主要包括

1）铁水预处理；2）转炉或电弧炉炼钢；3）炉外精炼（二次精炼）；4）连铸。

炼钢过程是个氧化过程，其去除杂质的主要手段是向熔池吹入氧气并加入造渣剂形成熔渣出来。脱碳反应是炼钢过程的主要手段，硅、锰、磷、硫等元素也通过氧化反应去除。钢铁生产工艺流程图长流程短流程5.1.3钢材分类—按冶炼方式分类三大类:（1）转炉钢（2）平炉钢（3）电炉钢；（1）转炉钢：以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢；转炉钢的缺点：吹炼时易混入空气中的氮、氢等杂质，故建筑中常用的是氧气转炉钢；熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差；（2）平炉钢：以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢，叫做平炉钢；平炉钢的特点：熔炼时间长，易控制质量，因此质量好，但成本较转炉钢高；5.1.3钢材分类—按冶炼方式（3）电炉钢：用电热进行高温冶炼而得到的钢；一般用高压电弧作为热源，故熔炼的温度高，且温度可以自由调节，清除杂质则容易得多，故电炉钢的质量最好；电炉钢的特点：熔炼温度可自由调节，清除杂质彻底，因此质量最好，但成本最高；5.1.3钢材分类—按冶炼方式（1）沸腾钢；（2）镇静钢；（3）半镇静钢(1)沸腾钢：

含杂质较多，质量较差，致密性差，但成本低；（2）镇静钢结构致密，成分均匀，性能稳定，是质量较好的钢种，但是产品率低，且成本较高；（3）半镇静钢：脱氧程度以及钢的质量介于沸腾钢和半镇静钢之间；

5.1.3钢材分类—按脱氧程度(1）热加工钢材：

是将钢锭加热到一定温度，使得钢锭成呈塑性状态进行的压力加工，如热轧、热锻（2）冷加工钢材：指在常温下进行加工的钢材；压力加工的目的：排掉冶炼、铸锭过程中钢材结构的不均匀、气泡等缺点；5.1.3钢材分类—按加工方式分类：（1）碳素钢；（2）合金钢（1）碳素钢：

指含碳量小于2%的钢，一般又分为以下三种：碳素钢分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢（2）合金钢：

为改善钢的某些性质而特意加入的一定量的一种或几种合金元素；如硅、锰和镍等；合金钢分为低合金钢、中合金钢、高合金钢。5.1.3钢材分类—按化学成分（1）普通质量钢；（2）优质钢；（3）高级优质钢；（4）特级优质钢碳素结构钢：(1)普通钢（P≤0.045%，S≤0.055%）(2)优质钢（P、S均≤0.040%）(3)高级优质钢（P、S均≤0.030%）(3)特级优质钢（P、S均≤0.025%）5.1.3钢材分类—按主要质量等级(1)建筑及工程用钢；（2）结构钢；（3）工具钢；（4）特殊性能钢；（5）专业用钢(1)建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。

(2)结构钢：a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。

b.弹簧钢

c.轴承钢

(3)工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。

(4)特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。

(5)专业用钢——如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。5.1.3钢材分类—按用途5.1.4钢铁牌号及表示方法牌号的表示原则依据国家标准GB/T221-2008,牌号中采用大写汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示钢号表示法优质碳素钢——08F20R沸腾钢含碳量为0.08%；容器钢含碳量为0.2%例：普通碳素钢——Q235-AF沸腾钢类别为A钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母低合金钢——16MnR16——含碳量0.16%；

Mn——合金元素；

R——容器钢。特殊性能钢——1Cr18Ni91——含碳量0.1%（千分数）；

Cr,Ni——主要合金元素；

18——含铬量18%；

9——含镍量9%。

5.1.4钢的热处理

定义：钢的热处理是指在固态下通过对钢进行不同的加热、保温、冷却来改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种工艺热处理工艺曲线：金属材料中的金相组织发生变化！铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体

常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后

※随炉冷却（曲线1）--退火；※空气中冷却（曲线2）--正火；

作用：①降低硬度，增加塑性，改善机械性能；②使组织均匀化，消除内应力。【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度)以上30～50℃。Ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度;

Ac3：加热时先共析铁素体全部转变成奥氏体的终了温度。缓慢加热，保温一定时间

淬火剂中冷却（曲线3）；淬火剂:

水，盐水---用于碳钢；油---用于合金钢。

作用：提高硬度、强度和耐磨性。

淬火淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。回火又分为：低温回火（150～250℃）；中温回火（300～450℃）；高温回火（500～680℃）。

※淬火+高温回火称为调质处理。效果：强度、塑性、韧性均提高。回火奥氏体不锈钢加热到1000~1100℃，保温一定时间后快速冷却，获得单相奥氏体组织的工艺方法称为固溶处理。作用：处理的奥氏体不锈钢具有一定强度、很高的韧性和优良的耐蚀性。固溶5.1.5材料的性能力学性能在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。1.强度及其主要指标.

固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。例如：※容器爆裂；※管道破裂;※地脚螺栓拉断;※炉管爆裂；..——强度不够！（1）屈服点屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍继续发生明显的塑性变形。屈服点：（

s）——材料发生屈服时的应力。单位：MPa。——一些合金没有明显的屈服点,规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”。记作σ0.2（2）抗拉强度(sb)定义：金属材料在受力过程，发生断裂所达到的最大应力值，以σb

表示，单位MPa。是压力容器设计常用的性能指标。屈强比：

s/σb

屈强比小，表明材料具有较大的塑性储备。（3）蠕变极限（sn）蠕变现象：高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象；或者金属在高温和存在内应力情况下逐渐产生塑性变形的现象；蠕变极限：材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力，以σn表示，单位MPa。（4）持久强度（sD）定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以σD表示，单位MPa。----是一定温度和一定载荷下，材料抵抗断裂的能力。材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。设备的设计寿命！（5）疲劳强度构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂--疲劳。疲劳极限---构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：σ-1(MPa)。例如：

频繁开、停车--容器内压力或温度波动；活塞式压缩机压缩气体--容器及管道内压力波动；离心泵频繁开停机或震动--泵轴受力成交变式。

2.塑性金属的塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。纳米铜的室温超塑性—卢柯院士塑性指标的实际意义：意义：便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。——压力容器及其零件都需要具备这个性质。塑性指标：

延伸率、断面收缩率、冷弯性能3.硬度的概念金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。硬度高材料强度也高，耐磨性较好；—综合性能指标。

布氏硬度试验示意图4.冲击韧性材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。

头盔抵抗子弹5.缺口敏感性——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。

韧性范畴——静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。冲击韧性？

——是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。物理性能——密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：线膨胀系数异种钢焊接——收缩率不同，引起变形或损坏；复合钢板（如不锈钢与碳钢)——热变性不同,容器壳体将会？设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）——热变性不同时？固定管板式换热器的管子与壳体——线膨胀量相差过大，将会？碳钢表面电镀一层铜——升温后会？弹性模量E：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。随着温度升高而降低。泊松比μ：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为μ=0.3。化学性能