工程材料-过控-7-黑色金属及其选用

工程材料海洋科学与技术学院贾非DalianUniversityofTechnology第7章黑色金属及其选用06:41主要内容压力容器用钢工况分析及对材料性能的要求压力容器用钢高温及低温构件用钢高温用钢、低温用钢耐腐蚀构件用钢腐蚀的工况特点、合金元素的影响杂质的影响、耐蚀钢材零部件用钢回转件用钢、支撑件用钢有色金属及其合金压力管道工况分析管道用钢及铸铁06:413过程装备品种繁多，如换热、传质、化学反应设备及各种储罐等。压力容器用钢4过程装备使用（化工生产）的特点：1）生产的连续性强2）生产的条件苛刻3）介质的腐蚀性强4）介质大多易燃易爆有毒性5）温度和压力变化大6）安全至关重要压力容器用钢5过程装备的基本要求•安全可靠性要求化工设备必须具有足够的强度和刚度，良好的韧性、耐腐蚀性和可靠的密封性。•工艺条件要求工艺性能要求包括：反应设备的反应速度、换热设备的传热量、塔设备的传质效率、储存设备的储存量等。•经济合理性要求在满足工艺要求和安全可靠运行的前提下，要尽量做到适用和经济合理。•便于操作和维护•环境保护要求压力容器用钢6过程装备设备的特点•功能原理多样化•外壳多为压力容器•化工—机械—电气一体化•设备结构大型化压力容器用钢7压力容器须满足三个条件：•所承受的压力超过0.1MP。•容器直径大于0.15米且容积大于0.025立方米。•所盛装的介质为气体、液化气体或最高工作温度超过其沸点的液体。压力容器用钢8基本承压部件1.筒体2.封头3.密封装置(法兰、密封元件、坚固件）4.开孔(人/手孔)5.接管6.支座附件7.安全附件（安全阀、爆破片）8.测量与控制仪表压力容器的结构9压力容器的分类1、按设计压力分类低压容器0.1MPa≤p＜1.6MPa。中压容器1.6MPa≤p＜10.0MPa。高压容器10.0MPa≤p＜100MPa。超高压容器p≥100MPa。压力容器用钢10压力容器的分类113、按工作温度分类低温容器设计温度≤-20℃。常温容器设计温度≤-20～200℃。中温容器设计温度≤200～450℃。高温容器设计温度＞450℃压力容器的分类124、按壁厚分类薄壁容器K=D0/Di≤1.2厚壁容器K=D0/Di＞1.2压力容器的分类135、按《压力容器安全技术监察规程》分类压力容器的分类14压力容器的分类15力学性能因素引起的压力容器失效：1）韧性断裂内部压力超载，均匀腐蚀、高温氧化、磨损等造成壁厚减薄。2）脆性断裂氢脆、碱脆、σ相脆化、碳化物析出脆化、低温脆化、辐照脆化等。3）疲劳脆断强流体产生振动、周期性温度变化，多为低周高应力疲劳。压力容器用钢16压力容器对材料性能的要求：1）压力容器大都为低碳钢2）良好的冶金质量3）优良的综合力学性能强度、塑性和韧性合理配合；屈强比大于0.7时在设计制造中予以重视，大于0.8~0.85时特殊对待。4）良好的材料组织和组织稳定性5）良好的加工工艺性能和焊接性能压力容器用钢17压力容器用钢制造压力容器用钢主要有碳素钢、低合金高强钢、低温钢，中温抗氢钢、不锈钢、耐热钢，复合钢板；受压元件用钢材品种有钢板、钢管、锻钢、棒钢、铸钢等。•低碳钢用于低压薄壁容器，有一定的强度、良好的塑性、韧性和加工工艺性，焊接性能良好。•Q235-A·F、Q235-A，提供拉伸试验的σb、σs和δ值；Q235-B做常温冲击试验；Q235-C做0℃冲击试验。•20R容器专用优质碳素钢钢板，对冲击韧性有较严格的要求压力容器用钢18碳钢的品种及规格品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢（1）钢板（压力容器用热扎厚钢板）4mm～6mm厚度间隔为0.5mm6mm～30mm厚度间隔为lmm30mm～60mm厚度间隔为2mm碳素钢板材有Q235-A、Q235-A·F、08、10、15、20等。压力容器用钢19压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表钢板牌号使用温度℃设计压力MPa壳体钢板厚度mm其它限制Q235-B0~350≤1.6≤20不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器Q235-C0~400≤2.5≤30压力容器用钢20（2）钢管无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管有冷轧和热轧。普通无缝钢管常用材料有10、15、20等；有专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有缝管分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。（3）型钢有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。圆钢与方钢主要用来制造各类轴件；扁钢常用作各种桨叶；工字钢、槽钢、角钢广泛用于工业建筑和金属结构。压力容器用钢21（4）铸钢和锻钢铸钢用ZG表示，ZG25、ZG35等，用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。锻钢有08、10、15、…、50等牌号，压力容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。压力容器用钢22低合金高强度钢钢板为16MnR、15MnVR、15MnNbR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR及16MnDR等低温用低合金钢。钢管为16Mn、15MnV。常见的有：16MnR、15MnVR。钢板牌号使用温度℃壳体钢板厚度mm说明20R-20~4756~100严于碳素结构钢16MnR-20~4756~120加入适量Mn元素强度显著提高压力容器用钢2316MnR•屈服强度350MPa的低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。•中国压力容器专用钢板中使用量最大的一个钢号，用于-20~475℃的中低压压力容器壳体及承压构件、液化石油气瓶及中小型球罐。•缺口敏感性比低碳钢大、疲劳强度低、焊接时易产生裂纹。低合金钢强度钢2416MnR，Mn的作用：•溶于铁素体产生较强的固溶强化作用；•降低奥氏体分解温度，细化铁素体晶粒，使珠光体量增加、晶片变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，提高强度和韧性；•降低韧脆转变温度，使钢具有较好的低温韧性。•含量超过1.5%，因贝氏体的出现，使钢的塑性、韧性下降，焊接性能变坏，容易产生裂纹。低合金钢强度钢2515MnNbR•屈服强度370MPa，显微组织为铁素体+珠光体。•强度、韧性高于16MnR，焊接性能和抗硫化氢性能与其相似。•主要取代进口钢板，用于液化石油气大型储罐，可明显降低钢板厚度、加工费用，保证加工质量。低合金钢强度钢2615MnVR、18MnMoNbR•屈服强度分别为390MPa、440MPa，强度较高，但塑性、韧性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。•15MnVR主要用于制造承受较高压力的大型储罐、高压容器内筒及层板、锅炉汽包等。•18MnMoNbR用于制造高压容器承压壳体，如氨合成塔和尿素合成塔等。•这两种钢板大量使用后，发现焊接接头有裂纹，目前已较少使用制造新设备。低合金钢强度钢2713MnNiMoNbR•目前国内单层卷焊厚壁压力容器的一个综合力学性能较理想的钢号。•利用固溶强化提高钢材的热强性，400℃屈服强度仍可达300MPa；•加入Nb元素并控制轧制，呈现微合金化组织；•S、P含量尽量降低，≤0.025%。•钢板的韧性、塑性高，低温下也有高的冲击吸收功。低合金钢强度钢2807MnCrMoVR•用于高参数球形容器的一个力学性能和焊接性能均相当理想的钢号，高强度、高韧性、优良焊接性能。•推荐使用温度-20~350℃。•低的焊接裂纹敏感性，控制碳当量≤0.42%，焊接冷裂纹敏感性组成≤0.2%，厚度≤50mm厚板可以不预热或稍加预热。•已建造公称容积50~2000m3的氧气、氮气、氢气、液化石油气、乙烯、丙烯等常温及低温球罐40余台。成为我国建造大型球罐的主要钢种。低合金钢强度钢2907MnCrMoVR•含碳量低（≤0.09%），高强度（σs≥490MPa，σb为610~740MPa）。•采用最佳的微合金化处理，添加Ni、Cr、Mo、V、B等；•合理的调质热处理工艺，形成高密度位错的强韧化组织结构；•先进的脱硫设备和真空处理手段，降低S、P含量、提高洁净度。低合金钢强度钢30压力容器用钢31高温用钢•“高温”常指高于450℃的工作温度；“耐热”指材料在高温下有热稳定性和热强性。•碳钢使用温度一般在450℃以下，高于450℃推荐使用耐热钢，高于800℃常用其他高温材料。•在高温工作条件下用钢的特点：产生蠕变现象力学性能随温度及载荷持续时间而变化组织结构常会发生转变高温及低温构件用钢32蠕变曲线高温用钢•理想的材料，蠕变曲线具有很小的起始蠕变和低的蠕变速率，明显的加速阶段。33蠕变机制高温用钢•温度较高时原子的活动能力提高，使得位错滑移更为容易，低于屈服极限的应力造成材料塑性变形，加工硬化亦随之产生，材料开始强化，变形抗力加大。•变形速率随时间而下降；•加工硬化和回复、再结晶同时进行，变形速率基本保持恒定。•大的塑性变形在晶界形成微孔和裂纹，试件开始产生缩颈，塑性变形速率加快，最后导致试件断裂。34蠕变导致的失效高温用钢•过量变形失效梁的弯曲，杆件、容器壳体的失稳，汽缸蠕胀而泄露等，可用蠕变抗力指标作为判据。•蠕变断裂构件发生断裂或容器发生破裂，用蠕变断裂指标作为判据。•应力松弛总变形不变，应力随时间逐渐降低的现象。紧固件，如压紧螺栓、铆钉等。在金属构件总形变恒定的条件下，由于弹性形变不断转变为塑性形变，从而使应力不断减小。35高温组织结构变化高温用钢•石墨化钢材在高温作用下渗碳体自行分解的一种现象，也称析墨现象。石墨使材料脆化、强度与塑性降低，颗粒聚集成链状，会导致材料断裂。•球化低合金珠光体耐热钢在高温长期作用下，珠光体组织中片状渗碳体铸件转变为球状渗碳体，并逐渐聚集长大。降低钢材强度尤其是高温强度；中等球化使低碳钢和低碳钼钢常温强度降低10~15%，严重球化降低20~30%，而高温强度会下降到50%。36高温组织结构变化高温用钢•合金元素的再分配高温下长时间工作，合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配，铬、钼、钒等强化元素的原子由固溶体向碳化物转移。固溶强化作用显著降低，导致耐热钢的高温强度下降。•新相的形成碳化物结构类型、数量和分布的变化，趋向形成稳定状态的碳化物。37高温腐蚀高温用钢•高温环境往往是含氧、硫、氢、氮等的高温气体，发生化学反应，损耗金属，大多会在其表面上生成氧化物、硫化物、氮化物等固体表面膜。•钢铁表面形成的固态氧化膜结构与性能各不相同，保护性能的好坏取决于氧化物的高温稳定性，氧化膜的完整性、致密性、组织结构和厚度、膜与金属材料的相对热膨胀系数以及氧化膜的生长应力等因素；其中氧化膜的完整性和致密性是至关重要的。38高温用钢的性能要求高温用钢•（1）高温用钢力学性能的考虑39高温用钢的性能要求高温用钢40高温用钢的性能要求高温用钢•松弛稳定性指标有多种，最常用的是以金属在一定温度和一定初应力作用下，经规定时间后剩余应力的大小来表示。41高温用钢的性能要求高温用钢•（2）抗氧化性硫化、氮化、碳化、卤化等类型的高温腐蚀也是广义的氧化。金属材料的抗氧化性的评价与其他腐蚀一样，采用失重法、增重法测定，采用腐蚀速度或腐蚀速率表示。钢铁材料的抗氧化性可分为五级。•提高高温强度的途径:•①固溶强化；•②析出强化；•③晶界强化(加入B、Zr等降低晶界能量)高温合金中的‘析出相高温合金中的弯曲晶界裂纹中止于晶界颗粒状析出物高温用钢43高温用钢高温用钢•珠光体耐热钢涡轮机机壳钢制法兰•常用钢号为15CrMo、12Cr1MoV，是低合金钢。•合金元素作用：Cr提高抗氧化性；Mo提高热强性(T再);V弥散强化。•热处理：正火处理•组织:F+P用途：600℃以下的锅炉及管道,压力容器，热交换器，汽轮机转子等。烟管式锅炉锅炉管珠光体耐热钢马氏体耐热钢•常用钢号为1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WMoV；4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo•合金元素作用：Cr、Si提高抗氧化性;Mo提高热强性(T再);V弥散强化。•热处理：调质。•组织：S回。汽轮机叶片高温用钢•用途：1Cr13、1Cr11MoV用于550℃以