7黑色金属及其选用-JIANG

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1、7 黑色金属及其选用 工程材料黑色金属及 其选用* 7 黑色金属及其选用 工程材料工况：过程装备及构件在使用过程中存在 失效现象措施：弄清失效的类型，从结构组织方面 提高材料的性能要求：减少过程装备及构件的失效，提高 材料的性能7 黑色金属及其选用 工程材料黑色金属：铁和铁基的合金 （钢、铸铁和铁合金） 其中钢铁占了95有色金属：除黑色金属（铁 基合金）以外的所有金属及 其合金。金 属7 黑色金属及其选用 工程材料 压力容器压力容器：化工、石油化工、能源、轻工、食 品、医药等生产过程以及航空、航天等部门所 用的机器、设备(如：换热器、反应釜、塔设备 、各种贮罐、汽缸、油缸等)的承压壳体都是压

2、力容器 7 黑色金属及其选用 工程材料压力容器图7 黑色金属及其选用 工程材料压力容器图7 黑色金属及其选用 工程材料压力容器图7 黑色金属及其选用 工程材料压力容器图7 黑色金属及其选用 工程材料压力容器图神舟外形7 黑色金属及其选用 工程材料 韧性断裂：应力大于许用值，材料因裂纹萌生 与扩展引起失效，如：应力腐蚀、高温氧化、磨损等 脆性断裂：脆性破坏失效，韧性高的材料制造 ，在使用或制造过程中受环境因素及各种条件的 影响，材料性能会发生变化，材料脆化使容器使 用过程中产生低应力脆断， 如：氢脆、碱脆、相脆化、碳化物析出、低温、辐射 等脆化 疲劳断裂：交变应力引起， 如：振动、周期性温度变化

3、等7.1.1 压力容器的工况分析(常见3种失效情况) 7 黑色金属及其选用 工程材料 良好的综合力学性能：强度、硬度、塑性、韧性较高的强度与韧性较低的缺口敏感性：屈强比小，防止脆断 机械构件要求屈强比高，保证机械构件变形小 良好的材料组织和组织稳定性：组织均匀、晶粒细 化、尽可能少的组织缺陷 好的冶金质量：成分均匀、杂质（S、P）含量低 良好的加工工艺性能和焊接性能：易加工成形， 防止产生裂纹和各种缺陷 含碳量低：碳当量Ceq0.45%， C0.25%，焊接、冷 成形、强度、塑性、冲击韧性 7.1.2 压力容器对材料性能的要求 非高温：抗拉强度和屈服点高温：蠕变、持久强度7 黑色金属及其选用

4、工程材料 7.1.3 压力容器材料焊接性能的保证焊接过程特点温度高温度梯度大溶池体积小 和冷却速度 快各个物理化 学过程分段 连续进行焊接性能的保证正确设计焊接接头的型式选择成熟、完善的焊接 方法与工艺焊接材料匹配焊接区金属保护焊接控制有效的焊后热处理JB/T47092000钢制压力容器焊接规程7 黑色金属及其选用 工程材料7.1.4 压力容器用钢低碳钢 0.02 450的工作温度 ） 碳钢：使用温度多 450 其它高温材料：使用温度 800 在高温工作条件下工作的机器与设备大多使用 耐高温的金属材料制造，包括耐热钢和高温合金 高温：未有固定界限，常指 450的工作温度 耐热：指材料在高温下有

5、耐热稳定性和热强性 热强性：指耐热钢在高温和载荷共同作用下抵 抗塑性变形和破坏的能力。7.2 高温及低温构件用钢7 黑色金属及其选用 工程材料高温用钢的工况和特点分析 在高温工作条件下使用的钢有如下主要特点： 高温下钢会产生蠕变现象 高温下钢的组织结构常会发生转变 高温下钢的力学性能随温度及负荷持续时间 而变化 高温腐蚀 7 黑色金属及其选用 工程材料高温用钢的性能要求蠕变极限nt 蠕变极限nt ：在恒温与恒载荷作用下，在规 定的时间内，材料的蠕变变形量不超过某 一规 定值的最大应力 表示材料在长期、高温负荷作用下抵抗塑性 变形的能力，不反映材料断裂时的强度和塑性 ，不易正确评价材料断裂情况

6、一般规定过程装备构件的总蠕变量为1左右 如：12CrMoV钢的蠕变极限n560=80MPa7 黑色金属及其选用 工程材料 高温用钢的性能要求持久强度Dt 持久强度Dt：在给定的温度下，材料受载发生蠕 变，当达到给定时间（多为105小时）后，材料不发生断 裂的最大应力，也是材料产生断裂时的最小破坏应力 反映材料在高温下经过额定时间发生断裂时的 破坏能力 同一种材料，持久强度Dt都高于蠕变极限nt ，一般地，高温塑性好的材料，Dt/nt较大；而 高温易脆断的材料，Dt/nt较小。 在设计时，以选用Dt/nt较大材料为好 如：12Cr1MoV钢的持久强度D560=100MPa 断裂塑性变形7 黑色金

7、属及其选用 工程材料高温用钢的性能要求松弛稳定性 应力松弛：装备构件在高温、长期应力作用 下，其总变形不变，所受应力随作用时间的增 加而自发的逐渐降低的现象 松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的性能 松弛稳定性最常用的指标：以金属在一定 温度T、一定的初应力0作用下，经规定时间 后的剩余应力的大小来表示 在相同试验温度和初应力下，材料的剩余应力 越高，则松弛稳定性越好7 黑色金属及其选用 工程材料高温用钢的性能要求松弛稳定性 T=常数时间t应 力 松弛曲线示意图 7 黑色金属及其选用 工程材料高温用钢的性能要求高温强韧性 实际工作过程中，不是由于高温持久强度不够 而使构件报废，而是由于高温脆性使其早

8、期断 裂 要强调高温使用材料的高温持久强韧性与强度 的配合，要求高温用钢有高的高温持久强度和 蠕变断裂韧性 7 黑色金属及其选用 工程材料高温用钢的性能要求化学稳定性 高温用钢的化学稳定性， 高温抗氧化性：取决于氧化反应的热力学与动力学条件；表面氧化膜的结构与性能 GB/T1330391钢的抗氧化测定方法，5级 防止高温的合金反应或高温氢脱碳7 黑色金属及其选用 工程材料 高温用钢分类 7 黑色金属及其选用 工程材料 高温转变区 中温转变区 低温转变区共析钢过冷A的等温转变曲线图7 黑色金属及其选用 工程材料 高温用钢珠光体耐热钢 显微组织：细片珠光体+铁素体 (正火状态下) 成分： C：0.

9、10.4，常加热的合金元素： Cr、Mo、W、V等， 合金元素主要作用：强化铁素体，防止高温下 片状渗碳体的球化与石墨化，提高钢的高温强度 性能：合金元素含量少，膨胀系数小，导热性 好，有良好的冷、热加工性能、焊接性能 常用钢号及应用： 常见钢号15CrMo、 12Cr1MoV等，热处理简单，常采用正火处理， 广泛用于完全淬火回火组织 正火回火组织 正火组织 网状未回火的马氏体组织递减 7 黑色金属及其选用 工程材料低合金钢耐湿H2S腐蚀开裂的机理-洁净度 洁净度高的钢材，S、P含量极少，氢在钢内 聚集程度降低，则抗H2S开裂性能好 Ni存在有不利的影响，含镍钢上的析氢过电 位最低，氢离子易于

10、在其上放电成为氢原子而 渗入钢中，因而强化吸氢过程，增加氢致开裂 敏感性 低合金钢+Nb、Ti、V、Al、Be和稀土元素, 耐湿H2S腐蚀开裂性能改善，Cr、Mo、同时加 入效果较好 7 黑色金属及其选用 工程材料 抗氢、氮、氨腐蚀用低合金钢 原因：中温的H2、N2、NH3分子都能部分分解 成H和N(Fe作催化剂)，在高压下，H与N能渗入 钢中 发生氢腐蚀：H或H2与钢中的C反应生成CH4 ，使钢脱C，塑性和强度降低，直至鼓泡和开裂 引起钢的渗氮脆化：N进入钢与Fe或各种合金 元素化合生成氮化物，使钢中的合金元素减少 ，在钢材表面形成的疏松氮化层，N化容易往深 处发展，引起钢的渗氮脆化 N化影

11、响：N化对氢腐蚀还有促进作用，造成 钢的脆化 7 黑色金属及其选用 工程材料 低合金钢耐氢、氮、氨腐蚀机理 提高钢的抗氢腐蚀性能主要采用两种方法 尽量降低钢中的C量，如将碳降到0.015%以下的微 碳纯铁在500时仍有良好的抗氢腐蚀性能； 加入碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Nb 等)：与C形成稳定的合金碳化物，在基体中弥散 分布，提高钢的高温强度，减缓氢腐蚀速度或氢脆 裂纹形成及扩展速度；在钢表面生成致密的保护 膜，对氢进入钢中起阻滞作用 提高钢的抗氮化能力：加入氮化物形成元素(如Cr 、Mo、V、Ti、Nb等)，使钢表面形成由稳定氮化物构 成的薄而致密的渗氮层，阻碍氮原子向钢内

12、部渗透 7 黑色金属及其选用 工程材料 氢腐蚀选材依据图7 黑色金属及其选用 工程材料耐蚀高合金钢 高合金钢：优质低碳钢10%合金元素，则 成为高合金钢(称为耐蚀高合金钢) 合金化效果：加Cr量达到12.5%的原子当量 浓度时，钢的电极电位向正方向突变，同时钢 由活化状态变到耐腐蚀的钝化状态，钢表面形 成了富集了Cr2O3的氧化膜（在不少强腐蚀性介 质中具有良好的稳定性），因而提高了合金的 耐蚀性7 黑色金属及其选用 工程材料合金元素 每增加Cr1/8原子浓度，合金的耐蚀性就有 一个跃升，此为n/8定律(n为1、2、3) 扩大奥氏体相区元素(Ni、Mn、C、N、Cu)缩小奥氏体相区元素(Cr、

13、Si、Mo、Ti、Nb) Ni当量 =%Ni+30(%C)+25(%N)+0.5(%Mn)+0.3(%Cu) Cr当量 =%Cr+2(%Si)+1.5(%Mo)+1.75(%Nb)+1.5(%Ti) 7 黑色金属及其选用 工程材料 不锈钢的组织图Ni当量，有利A；有利M、F Cr当量，有利F ；有利M7 黑色金属及其选用 工程材料 耐蚀高合金钢的类型 组织结构分马氏体钢奥氏体钢奥氏体- 铁素体双 相钢主要化学成分或特征元素分铬钢 铬钼钢 铬镍钢铬镍钼钢铬锰氮钢 低碳级耐蚀高合金钢 超低碳级耐蚀高合金钢 超纯级耐蚀高合金钢铁素体钢7 黑色金属及其选用 工程材料耐蚀高合金钢的分类方法 耐蚀性能特点

14、分不锈钢耐酸钢耐介质类型耐腐蚀类型耐硝酸(腐蚀)钢耐硫酸(腐蚀)钢耐海水腐蚀不锈钢耐孔蚀不锈钢耐应力腐蚀不锈钢7 黑色金属及其选用 工程材料马氏体钢 n 组织：室温下具有马氏体组织的铬不锈钢n 性能：大气中具有优良的耐均匀腐蚀性能； 在室温下，耐弱腐蚀性介质较好n 典型钢种： 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr137 黑色金属及其选用 工程材料 铁素体钢 n组织：室温下具有铁素体组织 n性能： u含Cr高、在氧化性介质 (尤其硝酸溶液)中耐蚀性 很高 对应力腐蚀敏感性低 u在较大温度范围(室温1000左右) 均为单相铁素体组织，不发生相变 u对晶间腐蚀比较敏感，脆化倾向大 u含铬量大于

15、18%，焊接困难 n典型钢种：0Cr13、1Cr17及Cr为2530%钢 ，超纯000Cr18Mo2, 000Cr25Mo1,000Cr28Mo2等7 黑色金属及其选用 工程材料 奥氏体钢 n组织：室温下具有奥氏体组织 n性能：有优良的耐蚀性能、高低温强度高、 韧塑性与加工工艺性能好，综合性能最好，得 到广泛的应用n典型钢种：CrNi钢及CrMnN钢，主要是CrNi 奥氏体钢 18Cr-8Ni钢是这类钢的基础钢种，如1Cr18Ni9 、0Cr18Ni9、00Cr19Ni10等。在氧化性腐蚀介 质中耐蚀性能好 7 黑色金属及其选用 工程材料 18Cr8Nin18Cr8Ni钢Mo、Cu，耐还原性介质耐蚀性能较好 n18Cr8Ni钢高Mo（约6%）、含N（约 0.20%0.40%）的CrNi奥氏体不锈钢（超级奥氏体不锈钢）：耐还原性介质中有优异，抗应 力腐蚀、抗点腐蚀、抗缝隙腐蚀的能力都好。 代表性钢号：含碳量0.020%的 00Cr20Ni18Mo6N7 黑色金属及其选用 工程材料18Cr8Ni钢的局限性当C0.03%时，C超过奥氏体的溶碳量，钢只 有快速从溶解度以上高温冷却到室温(避免