第二章化工设备材料

第二章化工设备材料总结1、选材时需考虑材料的哪些性能答：力学性能、物理性能、化学性能和加工性能。（1）力学性能强度、硬度、塑性、韧性等1）强度：指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力按所抵抗外力作用的形式可分为：静强度冲击强度抵抗交变外力的疲劳强度2）硬度：局部抵抗能力且为弹性、强度与塑性的综合性能指标。压入硬度有：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV)对于低碳钢σb=0.36HB高碳钢σb=0.34HB灰铸铁σb=0.1HB3）塑性：包括延伸率及断面收缩率化工设备材料一般要求延伸率在10%~20%。4）冲击韧性：使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积。低温容器所用钢板αk值不得低于30J/cm2（2）物理性能密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。（3）化学性能耐腐蚀性：金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力抗氧化性：高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度，需选耐热材料（4）加工工艺性能可铸性：收缩与偏析可锻性焊接性可切削加工性2、常见热处理方法热处理：钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能。普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、化学热处理（1）退火和正火退火：缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却。目的：细化晶粒，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。正火：置于空气中冷却。晶粒变细，韧性可显著提高。（2）淬火和回火淬火：加热至淬火温度(临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。回火：淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。低温回火温度是：在150℃～250℃。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。中温回火温度是：300℃～450℃。有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。高温回火温度为：500℃～680℃。综合性能：强度、韧性、塑性等都较好淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。时效热处理：材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。（3）表面淬火使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。（4）化学热处理有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化等。注意：一般含碳量0.02％～2％称为钢；当含碳量小于0.02％时称纯铁(工业纯铁)；大于2％称为铸铁；含碳量大于4.3％的铸铁极脆3、碳钢的分类、编号、杂质的影响（1）常存杂质元素对钢材性能的影响1）硫有害元素。过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。2）磷有害元素。虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。3）氧有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。4）氢有害元素。氢脆、白点等缺陷。变脆：氢化物变形小白点：组织缺陷处扩散氢，时间长5）锰有益元素。部分消除硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。在0.5%～0.8%以下时看成常存杂质。优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；高锰结构钢可达0.7%～1.2%。6）硅有益元素。硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。7）氮具有两面性长时间放置或在200～300℃加热氮以氮化物形式的析出，硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。（2）分类与编号按用途：建筑工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）按含碳量：低碳钢、中碳钢和高碳钢按脱氧方式：镇静钢和沸腾钢按品质：普通钢、优质钢和高级优质钢1）普通碳素钢Q235-A，屈服强度数值（MPa）质量等级A，B，C，D。脱氧方法为F，b，Z，TZ。化工压力容器用钢一般选用镇静钢。普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种2）优质碳素钢S＜0.03%～0.045%；P＜0.04%08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。平均含碳量的万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。45Mn，锰含量较高的优质非合金钢优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、10、15、20、25；塑性好，焊接性能好，壳体、接管。优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50与55；45号钢搅拌轴优质高碳钢（含C＞0.6%），如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。3）高级优质钢S＜0.02%～0.03%；P＜0.025%，均＜0.03%。它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。（3）碳钢的品种及规格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2mm2）钢管无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管有冷轧和热轧。3）型钢有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。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。4、铸铁的分类及命名方法铸铁可分为：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。1）灰铸铁：2.7%～4.0%，片状石墨形式，断面暗灰色。有优良的铸造性、减振性能，HT和抗拉强度sb值表示，如HT100，其中100表示sb＝100MPa。常用灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。2）球墨铸铁：简称球铁。在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。用QT、抗拉强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示抗拉强度为400MPa，18表示延伸率为18%。3）高硅铸铁有高耐蚀性能，含硅量增加耐蚀性增加。强度低、脆性大及内应力大，易于脆裂热导率小，线膨胀系数大，不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。牌号有：STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。5、合金钢的分类、编号、杂质的影响。（1）、分类与编号按合金元素总含量分：合金含量2.5%，低合金钢合金含量2.5%-10%，中合金钢合金含量10%，高合金钢按用途分：合金结构钢合金工具钢特殊性能钢：分为不锈钢和耐热钢等。合金钢牌号表示方法：一种是汉字牌号，如35铬钼；另一种是用国际化学符号，如35CrMo。表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含Cr、Mo在1%左右。当平均质量分数≥1.5%、≥2.5%，≥3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。（2）、合金元素对钢的影响1）铬提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。含量达到13％时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但使塑性和韧性降低。2）锰提高强度和提高低温冲击韧性。3）镍提高淬透性，有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中4）硅提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。5）铝强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。提高抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。价格便宜，在耐热钢中常以它来代替铬。6）钼提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。7）钒于固溶体中提高高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。8）钛强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中稳定碳，防止晶间腐蚀。9）稀土元素提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能（3）、普通低合金钢碳含量通常小于0.25%。有较高的屈服强度（300～1000MPa）和屈强比（ss/sb=0.65～0.95），较好的冷热加工性能、良好的焊接性能，较低的冷脆倾向以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。分为：高强度钢、低温钢和耐蚀钢（4）、专业用钢锅炉用钢，压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。在钢号后面分别加注g、R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。（5）、特殊性能钢1)不锈钢通常是不锈钢和耐酸钢的统称也称为不锈耐酸钢，其含铬量都在13%以上。2)分类：铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、马氏体不锈钢。铁素体不锈钢：对晶间腐蚀比较敏感；铬含量高时，脆性转变温度高，可焊性较差。奥氏体不锈钢:优异的综合性能，包括优良的力学性能，冷、热加工和成型性，可焊性和在许多介质中的良好耐蚀性。发生晶间腐蚀的倾向。6、常见腐蚀与防护方法（1）金属的腐蚀：1）化学腐蚀：1.金属的高温氧化金属的高温氧化指金属和环境中的氧化合而生成金属氧化物，在一定程度上起到了保护作用。2.钢的脱碳危害：（1）碳含量减少；（2）气体析出。措施：改变气体成分3.氢脆和氢腐蚀氢脆：泛指金属中溶入氢后所引起的一系列损伤而使金属力学性能劣化的现象（物理吸附）氢腐蚀：金属在氢气环境和一定压力下，低碳钢或低合金钢在200℃～600℃时发生表面脱碳和皮下鼓泡（或微裂纹）的现象。（化学反应）2）电化学腐蚀：1.腐蚀原电池2.微电池与宏电池3.浓差电池3）其他腐蚀均匀腐蚀局部腐蚀点腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀（2）防护方法1）衬覆保护层：金属涂层、非金属涂层2）电化学保护法：阴极保护（牺牲阳极法）、阳极保护3）对腐蚀介质进行处理4）防止晶间腐蚀的方法降低含碳量稳定碳原子，加入Ti，Nb，V，Mo稳定剂。稳定化退火（免疫处理）或高温淬火水冷（固熔）