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1、1,第一篇 化工设备材料 第一章 化工设备材料及其选择,1.1 概述 1).化工设备的使用环境: 压力:真空低压中压 高压超高压 温度:低温中温高温 介质:有毒;易燃;剧毒。,2,1.2 金属材料的性能,1.2.1 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和断裂的特性。 例如: 容器爆裂; 管道破裂; 地脚螺栓拉断; 炉管爆裂; 强度不够!,3,(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
2、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0.2 。,4,(2).抗拉强度(sb),定义:金属材料在受力过程中, 发生断裂所达到的最大应力值, 以b 表示,单位MPa。 是压力容器设计常用的性能指标。 屈强比:s/ sb 屈强比小,表明材料具有较大的塑性储备。,5,(3). 蠕变强度(sn),“蠕变”现象: 高温高压的蒸汽管道下挠变形; 高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏; 铅丝在常温下受重力作用而变长变细。 “蠕变强度”: 材料在高温下,抵抗发生缓慢塑性变形的能力,以sn 表示,单位MPa 。,6,(4).持久强度(sD),
3、定义:在一定温度下,经过一定时间断裂时的应力,以sD 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,7,(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:-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。,8,2.
4、 塑性及其主要指标,金属的塑性:外力作用下产生塑性变形,而不破坏的性质。 因塑性不足引起材料破坏的例子: 锻件裂纹; 卷板裂纹; 焊缝热影响区裂纹,9,主要指标:,(1) 延伸率(),10,(2)断面收缩率(y),如:纯铁的延伸率为50%, 20R的d5不小于25% ; 16MnR的d5不小于21%; 1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。,11,(3)冷弯性能,室温下对试板以一定的内半径(R=0.53板厚)进行弯曲,a=1200或1800 ,是否出现裂纹或起层。 -是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。,12,塑性指标的实际意义:,便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等; 使构件在承
5、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。,13,3. 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,14,常用硬度指标: 布氏硬度(HBS); 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC); 维氏硬度(HV)等。,硬度和强度间有一定关系: 如:低碳钢sb36HBS;,用硬度计测量!,15,4. 冲击韧性及指标(Ak),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。,冲击韧性与塑性区别何在?,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。 静载荷下能够缓慢塑性变
6、形的材料,在动载荷下不一定能迅速塑性变形。 本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够迅速发生塑性变形,吸收冲击能量。,16,5 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。,17,1.2.2 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,泊松比等。 化工设备设计与制造主要考虑的物理性能: 1.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
7、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?,18,2.弹性模量E与泊松比,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: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 =0.3 。,19,1.2.3 化学性能,金属材料所处介质中的化学稳定性,即是否会与介质发生化学或电化学反应,产生腐蚀。 主要考虑的化学性能: 1.耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力; 2.抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2 、SO2等。 热加工如热卷,锻造,焊接,热处理,热冲压,铸造等等。
8、,20,1.2.4.金属材料的工艺性能,可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等; 铸造性能流动性、凝固收缩率等; 可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等; 切削加工性能 热处理性能,21,1.3 金属材料的分类及牌号,1.3.1 分类 1.黑色金属 1)生铁 2)钢,按化学成分:,按质量分:,22,按冶炼方法分:,按用途分:,23,2.有色金属,24,1.3.2 钢铁牌号及表示方法,1.牌号的表示原则 依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素化学符号或汉字表示; 产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。 例如:沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁 铸钢ZG 锅炉钢
9、g或锅 容器钢R或容,25,2.钢号表示法,例:优质碳素钢 08F 20 R,沸腾钢,含碳量为0.08%;,容器钢,含碳量为0.2%,普通碳素钢,Q235-A,F,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,26,低合金钢 16MnR 16含碳量0.16%; Mn合金元素; R 容器钢。 特殊性能钢 1Cr18Ni9 1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%。,27,1.4 碳钢与铸铁,钢铁的组成=95%以上铁 +(0.054%)碳+1%杂质 铁碳合金 含碳量0.022% 为钢; 含碳量2% 为铸铁; 含碳量0.02% 为
10、工业纯铁; 含碳量 4.3% 无实用价值。,铁碳合金!,28,1.4.1 铁碳合金的组织结构,1.金属的组织与结构 在1500倍显微镜下观察到的显微组织,即金属的金相组织。 金相组织结构直接影响金属材料的性质。 如,铸铁中的石墨形式不同,其性质也不同。,细片状石墨:次之,粗片状石墨:差,球状石墨:强度最好,29,纯铁在不同温度下的晶体结构:,30,31,2. 纯铁的同素异构转变:,-Fe -Fe,910,(面心立方晶格),(体心立方晶格),固态下铁原子重新排列,32,3.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织,铁碳关系:固溶态,化合态,混合态 固溶:元素于固态下相互溶解,保持溶剂晶格原来形式。 (1
11、)铁素体(F) 体心立方晶格(-Fe )+C,铁素体 (固溶体),塑性好,强度低。,33,(2)奥氏体(A) 面心立方晶格+C,奥氏体 (固溶体),韧性好,强度高。,34,铁碳关系之二:化合态 C+Fe Fe3C Fe3C 称为渗碳体。 性能特点: .硬,脆; .在一定条件下可以分解,(3)渗碳体(C),游离石墨+铁。,渗碳体的作用:少量渗碳体散布在铁素铁中(总含c量2%)成为碳素钢。提高了强度和硬度,可轧制成钢材。,35,铁碳合金中含碳量2%时,部分碳以石墨形式存在于其中,即所谓铸铁。 组织结构特点 性能特点:石墨性软、强度极低,相当于铸铁中存在许多孔洞。,铁碳关系之三游离态,36,1.4.
12、2 铁碳合金状态图,略,37,1.4.3 碳钢,1.碳钢中杂质对其性能的影响 1).锰(Mn) 来源在冶炼过程中加入锰铁。 作用钢材中锰含量高于0.8%时,即为合金元素存在提高强度。是有益元素。 2).硫(S) 来源矿石和焦炭。 存在形式:FeS。 作用FeS 的熔点低于钢材热加工开始温度, 它过早熔化,导致工件开裂,称为热脆性。 有害元素!,38,3). 磷(P),来源矿石。 作用溶于铁素体,使钢材常温下脆性增加,塑性、韧性下降,即所谓“冷脆性”。 有害元素! 4).氢(H) 来源钢由高温奥氏体冷至常温时,氢的溶解度降低,来不及到钢的表面逸出而积聚,并产生高压力,在钢材内产生“白点”。 “白
13、点”裂纹源 有害元素!,39,2.碳钢的分类、牌号,(1).普通碳钢 含P、S等有害杂质较多(S0.055% P0.045%) 常用有:Q215-A, Q235-A, Q235-A.F #Q235-B, # Q235-C, Q275 (参见表1-6) 式中 Q普通碳钢,“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈服点(MPa) A,B,C,D钢材质量等级,越后越高。 F沸腾钢 #GB150-98规定使用材料,40,(2).优质碳素钢,特点:含硫、磷等杂质较少,均0.04%,杂质少,组织均匀,表面质量好。 常用有:08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 数字-含c量的万分
14、数; g -锅炉钢; R -容器钢; Mn -含锰元素约1%。 (3).高级优质钢 磷硫杂质极少 P,s含量0.03%。 表示法:如20A,GB150-98规定使用材料!,41,1.4.4.钢的热处理,热处理工艺实例: 缝纫用钢针在火上烧,再慢慢冷下来后变软; 建筑用铁线用火烧软; 泵轴调质内韧外硬; 扁铲淬火提高硬度和韧性 ; 容器焊后退火消除内应力; ,热处理工艺曲线:,金属材料中的金相组织发生变化!,42,(1)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:降低硬度,增加塑性,改善机械性能; 使组织均匀化,消除内应力。 【
15、注】加热温度为临界点(钢的内部组织发生转变的温度) 以上3050。,容器焊缝处产生内应力吗?,43,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,44,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(150250 ); 中温回火(300450 ); 高温回火(500680)。,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,45,(2)化学热处理 -将零件放在化学介质中进行 加热-保温-冷却的过程。 使零件表面改性。 方式:渗碳,渗氮,渗铬,氰化等。,46,1.4.5. 铸铁,铁+ (2.54.0%)碳+Si、Mn、P、S 等杂质 铸铁 1)灰铸铁 如 HT150-330, HT200-400 HT-灰铸铁 第一个数字-抗拉强度(MPa) 第二个数字-抗弯强度(MPa) 特点:断口呈灰色,石墨呈片状; 质脆,耐磨,抗压不抗拉,可铸性好,易切削;