工程材料过控7黑色金属及其选用

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1、,工程材料,海洋科学与技术学院 贾 非,Dalian University of Technology,第7章 黑色金属及其选用,*,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,*,3,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。,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

2、）温度和压力变化大 6）安全至关重要,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,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,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

3、化气体或最高工作温度超过其沸点的液体。,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,9,压力容器的分类,1、按设计压力分类 低压容器 0.1 MPap1.6 MPa。 中压容器 1.6 MPap10.0 MPa。 高压容器 10.0 MPap100 MPa。 超高压容器 p100 MPa。,10,11,3、按工作温度分类 低温容器 设计温度-20。 常温容器 设计温度-20200 。 中温容器 设计温度200450 。 高温容器 设计温度450,12,4、按壁厚

4、分类 薄壁容器 K=D0/Di1.2 厚壁容器 K=D0/Di 1.2,13,5、按压力容器安全技术监察规程分类,14,15,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、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。,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0.80.85时特殊对待。 4）良好的材料组织和组织稳

5、定性 5）良好的加工工艺性能和焊接性能,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-AF、Q235-A，提供拉伸试验的b、s和值；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,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） 4mm6mm厚度间隔为0.5mm 6mm30

6、mm厚度间隔为 lmm 30mm60mm厚度间隔为2mm 碳素钢板材有Q235-A、 Q235-AF、08、10、15、20等。,19,压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表,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。,21,（4）铸钢和锻钢 铸钢

7、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。,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。,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-20475的中低

8、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。,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。,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

9、板厚度、加工费用，保证加工质量。,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。,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

10、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。,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-20350。 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502000m3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。,29,07MnCrMoVR 含碳量低（0.09%），高强度（s490MPa，b为610740MPa）。 采

11、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。,30,31,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,32,蠕变曲线,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,温度较高时原子的活动能力提高，使得位

12、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,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

13、断减小。,35,高温组织结构变化,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1015%，严重球化降低2030%，而高温强度会下降到50%。,36,高温组织结构变化,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

14、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,（1）高温用钢力学性能的考虑,39,高温用钢的性能要求,40,高温用钢的性能要求,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

15、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,（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: 固溶强化； 析出强化； 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,43,高温用钢,珠光体耐热钢,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

16、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。,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,用途：1Cr13、1Cr11MoV用于550以下汽轮机叶片，又称叶片钢； 4Cr9Si2主要用于制造使用温度低于750的发动机排气阀，又称气阀钢。,过热器,铁素体耐热钢 含13%或17%铬的简单铁素体钢及在其基础上加入Si、Al等合金元素以提高抗氧化性的铁素体耐热钢。 抗氧化性强，但高温强度低，焊接性能差，脆性大，多用于受力不大的加热锅炉构件。,常用钢号有1Cr13Si3、1Cr13SiAl、1Cr18Si2等。,过热器管排,过热器集箱,奥氏体耐热钢 铬镍含量18-8及25-20的简单奥氏体钢及在其基础上加入W、Mo、V、Ti、Nb、Al等元素，强化奥氏体。 Cr的作用是提高抗氧化性； Ni的作用是获得单相奥