化工設(shè)備常用金屬材料的基本性能

1、第二篇化工容器及設(shè)備第8章化工設(shè)備常用材料8.1 化工設(shè)備常用金屬材料的基本性能8.2 金屬材料的腐蝕與防護(hù)8.3 化工設(shè)備常用材料I學(xué)習(xí)內(nèi)容（三大部分）r 1、常用材料J 2、壓力容骷I 3、化工設(shè)備過程裝備與控制專業(yè)兩門課靜魯黑磕蠢糕蠢藉腮磐金囂纂，學(xué)習(xí)目的 設(shè)備的安全運(yùn)行是工藝過程順利實(shí)施的保障。生產(chǎn)企業(yè)遇到的技術(shù)問題往往是綜合性的。工藝和設(shè)備都熟練的人更容易成功。學(xué)習(xí)方法注重與其它課程的聯(lián)系。注重實(shí)際知識(shí)的學(xué)習(xí)。保證出勤率，提高課堂效率，認(rèn)真完成作業(yè)。生產(chǎn)條件的復(fù)雜性決定過程設(shè)備常用材料的多樣性!溫度低溫到高溫>10001;制冷和深冷設(shè)備：高于T20P：低于720 P生產(chǎn)條件壓力

2、一稟空到超高壓壓力>100MPa壓力外高內(nèi)低黑合成金剛石、寶石超高壓食品殺菌釜、介質(zhì)一般介質(zhì)和易燃、易爆、有毒及強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)'處理量& 8.1化工設(shè)備常用金屬材料的基本性能熔點(diǎn)線膨脹系數(shù):導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)電性力學(xué)性能耐腐蝕性抗氧化性物理性能'性能化學(xué)性能可鍛性鑄造性能焊接性能切削加工性加工工藝8.1.1材料的力學(xué)性能+強(qiáng)度強(qiáng)度是指在受到外力作用時(shí)，材料抵抗 塑性變形和斷裂的能力.常用表征方法:b、屈服強(qiáng)度 材料不發(fā)生塑性變形的極限。名抗拉強(qiáng)度材料承受載荷的極限。這兩個(gè)指標(biāo)是確定材料在用應(yīng)力的主要依據(jù)。：屈強(qiáng)比 反映材料屈服后強(qiáng)化能力的高低。管鋼的屈強(qiáng)比數(shù)值 疑、，和。

3、b相差較 多，屈服后的強(qiáng)度裕量較大;高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比數(shù)值較大,。S和。b比較接近，屈服后的強(qiáng)度裕量較小。E4. 11應(yīng)力應(yīng)變曲線+塑性指材料在破壞前變形能力的大小塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不 破壞的能力。表征方法:“斷面收縮率可在拉伸試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)得。化工設(shè)備的制造離不開冷作加工成型工藝，要求 材料必須具有良好的塑性。若用塑性差的材料制造設(shè)備，往往在沒有明顯變形 的情況下而突然破壞.危險(xiǎn)性很大.因此，從化工設(shè)備的加工制造和安全運(yùn)行角度考慮,要求材料的塑性要好。壓力容器所用 材料一般要求:65 5=15% 20% 以上用2=5d的標(biāo)準(zhǔn)試件所得的延伸率+硬度硬度是指金屬材料的軟硬程度，也即

4、金屬材料抵抗 更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。它表示材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)，抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。常用表征方法:hb布氏硬度 yHRC洛氏硬度 HV維氏硬度硬度大小反映材料的耐磨性能和切削加工的可能性.一般硬度越高，耐磨性能好，但切削加工性能較差.過程設(shè)備中的某些相互連接的配合結(jié)構(gòu)，其零部件的硬度有不同的要求,例1:在螺栓連接法蘭密 封結(jié)構(gòu)中，要求螺栓的 硬度大于螺母的硬度。使螺母成為易損件避免螺栓和螺母咬死例2：管殼式換熱器中管子與管板脹接時(shí)，要求管板圖6 18 頰度張接管孔結(jié)構(gòu)<o)用于82Smm的場(chǎng)合，(b)用于>25mtn的場(chǎng)合$<e>用于呼管板及避免

5、間原樹使的場(chǎng)合+沖擊韌性常用表征方法:指材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力 裂紋敏感程度的反映.akv吸收功工程上通常用擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖 擊韌性，金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)原理如圖所示:圖IL 2沖擊韌性的測(cè)定一定尺寸和形狀的金屬試樣，在規(guī)定類型的沖擊 ,試樣刻槽處單位橫截面沖擊韌性CCk上所消耗的沖擊功。akMJ/m2目前常用的10X10X55mm,帶2 mm深的V形缺夏氏沖擊試樣。標(biāo)準(zhǔn)上直接采用沖擊功（J焦耳值），而不是采用 ak值，因?yàn)閱挝幻娣e上的沖擊功并無實(shí)際意義。韌性對(duì)壓力容器材料是十分重要的，是壓力容器必的項(xiàng)目！廠般韌性也好，但塑性指標(biāo)較高的材料，卻不一定具有較高的韌性.原因：

6、在靜載荷下能夠緩慢塑性變形的材料，在動(dòng) 載荷下不一定能夠迅速地塑性變形.韌性好的材料，即使存在缺口，也有較好的防止發(fā) 生脆斷和裂紋快速擴(kuò)展的能力溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響I一般金屬材料的力學(xué)性能隨溫度的升高會(huì)發(fā)生顯著的變化.圖11. 3溫度對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響蠕變材料在高溫下承受某一固定拉伸應(yīng)力時(shí)，會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷發(fā)生緩慢增長(zhǎng)的塑性變形, 這種現(xiàn)象稱為端變.>420 *C一定的應(yīng)一 力作用碳素鋼低合金鋼二發(fā)生蠕變>400-500 在高溫下工作的零件往往因蠕變而發(fā)生事故。如：容器、管道直徑逐步增大或壁厚不斷減薄.應(yīng)力松弛溫下工作的零件，發(fā)生彈性變形后，如果變形總;不變，則零件內(nèi)的

7、應(yīng)力將保持不變。但在高溫和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，如果變形總量保持不變，因蠕變而逐漸增加的塑性變形將逐步代替原來的彈性變形，從而使零件內(nèi)的應(yīng)力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松馳。如高溫壓力容器中的連接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。應(yīng)力=> 蠕變應(yīng)力松弛時(shí)間材料的冷脆性低溫變脆非常危險(xiǎn)!理材料在低溫下，韌性明顯下降,材料由塑性轉(zhuǎn) 需脆性，這種現(xiàn)象稱為材料的冷脆性。低溫變脆的金屬：具有體心立方晶格的金屬,如碳素鋼和低合金鋼低溫仍有很高韌、性的金屬，具有面心立方晶格的材料，如銅、鋁和奧氏體不銹鋼，沖擊吸收功隨溫度的變化很小，在很低的溫 度下仍具有高的韌性。8.1.2物理性能|熔點(diǎn)|線型脹系數(shù)

8、|導(dǎo)熱系數(shù)|導(dǎo)電性：指材料在溫度變化1*C時(shí)單位長(zhǎng)度的伸縮變化量，單位為Cr導(dǎo)熱系數(shù):指當(dāng)溫度梯度(溫度差與器壁厚度的比值)為1C/m,每小時(shí)通過每平方米傳 熱面積傳過的熱量，單位為W/(mK), 其值可從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查取材料使用場(chǎng)合的不同，對(duì)其物理性能要求也不同。對(duì)襯里或復(fù)合鋼板所制設(shè)備，應(yīng)盡量使不同材料的 線膨脹系數(shù)相等或接近.換熱設(shè)備要求換熱管材料有很好的導(dǎo)熱性，同時(shí) 計(jì)算溫差應(yīng)力時(shí)線膨脹系數(shù)是8.1.3 化學(xué)性能屬的化學(xué)性能主要指金屬在室溫或高溫時(shí)抵抗各 介質(zhì)化學(xué)侵蝕的能力.+耐腐飩性金屬和合金對(duì)周圍介質(zhì)（如大氣、水汽、各種電 解液）侵蝕的抵抗能力稱為耐腐蝕性。耐蝕性指在一定條件下（

9、介質(zhì)種類、濃度、溫度、壓力、流速等）相對(duì)耐蝕，迄今為止還沒有在任何腐蝕環(huán)境中均耐蝕的材料。因此，是否耐蝕必須針對(duì)具體使用條件來確定。表常用金屬材料在不同介質(zhì)中的耐腐蝕性M H硝 Wtt轍氯化納破化K族索«%K2M%七%r%七七rXX70100(8010。)20 <70)XX(任)(480)XXXXt5科鑄佚SH5>40<40<7050-100<120(<35)(30)(34)(100«MS100酎時(shí)(25)4XX70-100 (80-10020 (70)XX<35K7010012c 2加XX80200XX13 0 不管銅<30

10、 (60-80) 95（濰） 4080-100 (<10)<40 (<40)XX<70體)18(320（但）(250)與 氣體100鋁(8095)>95(30) 60XXXXXX1020氣300*XX<50(8070660 (20>(<27)(55)503S(10)<40>XXXX鉛XX<60 (<90)<80<90)XXXX(*)(110)20300欽任祥S35<10<4010濤酎融+抗氧化性工生產(chǎn)中，許多設(shè)備是在高溫下操作的,如氨合L工業(yè)鍋爐、汽輪機(jī)等.高溫下，鋼鐵不僅與自由氧發(fā)生氧化腐蝕，使鋼

11、鐵表面形成結(jié)構(gòu)疏松容易剝落的氧化皮，還會(huì)與水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等氣體產(chǎn)生高溫氧化與脫碳作用，使鋼的力學(xué)性能下降，特別是降低了材料 的表面硬度和抗疲勞強(qiáng)度。因此，高溫設(shè)備必須具有抗氧化能力.8.1.4 加工工藝性能不使加工工藝簡(jiǎn)便并保證質(zhì)量、降低成本，要求材料具有良 加工工藝性能.專屬材料的加工工藝性能包括可焊性、亙鍛性、可鑄性、切 削加工和熱處理性能等.對(duì)化工設(shè)備用材的加工工藝性要求，取決于設(shè)備的結(jié)構(gòu)和加 工方式例如*多數(shù)設(shè)備的殼體用板材卷焊制造而成，要求材料具有良好的 塑性、良好的切削加工性能和焊接性能等.管道的彎管需要冷彎成型，也需要管材有良好的塑性。8.2金屬材料的腐蝕與防護(hù)腐蝕是

12、材料在各種坯境作用下發(fā)生的破壞和變質(zhì)。自然環(huán)境人為環(huán)境腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失:(1995)年7000億美元/年，約占各國國民生產(chǎn)總值(GNP)的2%4%。美國：1995年3000億美元，人均1100美元。我國：1997年，2800億人民幣,約占我國GNP的4%。人均：215元/年據(jù)統(tǒng)計(jì)，腐蝕損失為自然災(zāi)害(地震、風(fēng)災(zāi)、水災(zāi)、 火災(zāi)等)損失總合的6倍。：造成資源的大量浪費(fèi)全球每年有約30%的鋼鐵產(chǎn)品因腐蝕而報(bào)廢，其中的三分之一(10%)的鋼鐵幾乎變?yōu)闊o用的廢鐵。我國，每年因腐蝕而損失的鋼鐵約1000萬噸，幾乎相當(dāng)于首鋼全年的鋼產(chǎn)量。停產(chǎn)，更新設(shè)備 才品和原材料的流失損泄漏造成的環(huán)境危害能源浪費(fèi)：腐蝕

13、產(chǎn)物和污垢致使鍋爐、換熱器等設(shè)備傳熱效率下降所帶來的能源浪費(fèi)。其它：如腐蝕產(chǎn)物給產(chǎn)品質(zhì)量帶來的影響，在生物、制藥等工業(yè)中尤顯突出。工生產(chǎn)中由腐蝕造成的設(shè)備跑、冒、滴、漏以及廢廢渣、廢氣等造成的環(huán)境破壞，除短期效益受損r更有對(duì)人類生存環(huán)境所帶來的嚴(yán)重破壞。為防止腐蝕，化工設(shè)備大量采用含銘、銀的不銹鋼以及銅、鋁、鋅、鉛、鋁、鈦等金屬，這些金屬大 多數(shù)在地球上已所剩無幾，只夠人類開采幾十年。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，加強(qiáng)防腐工作，對(duì)減少材料的損失,防止地球上有限的礦產(chǎn)資源過早枯竭具有深遠(yuǎn)意義。8.2.1腐蝕的原理屬腐蝕是金屬及其合金與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化 蛆用而引起的破壞。單純的機(jī)械作用所引起的破壞，不屬于腐蝕

14、。按作用機(jī)理，可將腐蝕分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕。1 .化學(xué)腐蝕*金屬與干燥氣體和非電解質(zhì)溶液直接發(fā)生化學(xué)作用而引起的破壞。特點(diǎn)：直接反應(yīng)，過程中無電流產(chǎn)生。例如：金屬的高溫氧化、高溫硫化和氫腐蝕。1)鐵碳合金的高溫氧化與脫碳L氧化(Fe,C,F.C)Fe+1/2O2 =FeO 4Fe+3O.=2Fe.O3 3Fe+2O2=Fe 3O4不同溫度下的氧化膜有不同的組成：低于57(FC,氧化物中不含F(xiàn)eO,由F,()4和Fe2,構(gòu)成。氧化層組織致密、穩(wěn)定，附著在鋼材表面上不易脫落, 能起到保護(hù)膜的作用。高于570P時(shí)，生成由FeO、Fe203x F.Ox組成的結(jié)構(gòu)疏松的瓶化膜，起不到保護(hù)作用，使碳鋼

15、被腐蝕。加入Cr,Si,AI等元素一一提高抗氧化能力。個(gè)脫碳鋼的脫碳是指在高溫氣體作用下，鋼的表面在產(chǎn)生化皮的同時(shí)丁金屬表層發(fā)生滲碳體減少的現(xiàn)象。高于70CTC時(shí)，鋼中的 滲碳體Fe3c與。2、 CO、也。發(fā)生反應(yīng)：Fe3C4-O2 = 3Fe+CO2Fe3C+CO = 3Fe+2COFe3C+H2O = 3Fe + CO + H2材料表面的碳含量降低力學(xué)性能下降特別是降低了表面硬度和抗疲勞強(qiáng)度同時(shí)由于氣體的析出，破壞了鋼表面膜的完整性,使耐腐蝕性進(jìn)一步降低。2）氫腐蝕i鐵碳合金在高溫下的氫磨蝕：分氫脆和合侵蝕 , /j鋼材受高溫高壓的氨氣作用而變脆 甚至破裂的現(xiàn)象稱為氫腐蝕氫脆階段*溫度、壓

16、力較低或高溫高壓但接觸時(shí)間不長(zhǎng)此階段氫只是以原子的形式滲入到鋼中，向鋼材內(nèi)部 擴(kuò)散，被鋼的基體溶解吸收，但并不發(fā)生反應(yīng)。只是 由于氫的滲入使材料的韌性降低，材料變脆?？赏ㄟ^低壓加熱或常溫靜置從鋼材中除去。氫侵蝕階段*氧氣環(huán)境和一定壓力下，在aooc600P時(shí)，低碳鋼或低合金鋼發(fā)生表面脫碳和皮下鼓泡或微裂紋的現(xiàn)象稱為氫侵蝕.Fe3C+2Hi 3Fe+CH4T隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的甲烷在鋼材內(nèi)部積聚，形成 局部高壓，使鋼材內(nèi)部出現(xiàn)大量細(xì)小裂紋和氣泡，造 成應(yīng)力集中，鋼材的機(jī)械性能大為降低，甚至開裂, 導(dǎo)致設(shè)備破壞Q 還有人認(rèn)為,由于F.C轉(zhuǎn)變?yōu)镕e后，體積縮小會(huì)使內(nèi) 部開裂氫腐蝕的危險(xiǎn)性:產(chǎn)生氫腐

17、蝕的鋼材，由于裂紋很小且數(shù)目很多，從 外觀上很難憑肉眼直接觀察到明顯的痕跡，往往設(shè)備突然出現(xiàn)破裂。所以，氫腐蝕十分危險(xiǎn)。為了防止氫腐蝕的發(fā)生，可以降低鋼中的含碳量,使其沒有碳化物(F%C)析出。也可在鋼中加入合金元素，如銘、鈦、鋁、筲、鈿等，與鋼中的碳元素形成穩(wěn)定的碳化物，以避免氫腐蝕的發(fā)生。錯(cuò)制壓力容器為氧化，一極為還原）：同時(shí)伴隨著電子遷移。同時(shí)伴隨著電子移動(dòng)電極電位低的金屬被腐蝕。宏觀腐蝕電池示意H土* - . 稀 HzSOiV二二錯(cuò)有強(qiáng)烈的吸氫性能，可作貯氫材料。、稀硫酸腐蝕,在50%的氫氧化鈉溶液中耐 于怛，在化學(xué)工業(yè)中有廣闊的前途。錯(cuò)合金對(duì)核燃料有 良好的相容性，廣 泛用作水冷動(dòng)力

18、堆 的包殼材料和堆芯 結(jié)構(gòu)材料。2 .電化學(xué)腐蝕與電解質(zhì)溶液接觸時(shí),由電化學(xué)作用而引起破壞。特點(diǎn)：兩極相對(duì)獨(dú)立而又同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（一極陽極:Zn>Zn2+2e 陰極: 2H+2e-> H2T令微電池同一種金屬在電解質(zhì)（可導(dǎo)電）溶液中，由于金屬 化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)不均勻，或介質(zhì)的濃度、溫度、流速等的不同，都會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。因?yàn)樵诓痪鶆蛱幓蛟谟袧舛炔?、溫度差、壓力差時(shí)，各部分具有不同的電極電位，形成微電池。引起微電池腐蝕的原因:1）化學(xué)成分不均一：如黃銅（銅鋅合金）的脫鋅.2）組織結(jié)構(gòu)不均一：如鑄鐵的鐵素體和滲碳體，鐵素體電極電位低，為陽極：滲碳體高,為陰極。在水中，鐵素體被

19、溶解。3）物理狀態(tài)不均一：如金屬在機(jī)加工過程中，由于受力、變形不均而引起殘余應(yīng)力，這些高應(yīng)力區(qū) 通常具有更低的電位而成為陽極.4）表面膜不完整：膜損壞處是陽極.v卜電化學(xué)腐蝕的條件a同一金屬上有不同電位的部分，或不同金屬之間存在著電位差;b陰極和陽極互相連接;c陽極和陰極處在互相連通的電解質(zhì)溶液中。822金屬腐蝕破壞的形式按照腐蝕破壞的形態(tài)，金屬腐蝕破壞的形式可分為三均勻腐蝕和局部腐蝕。1.均勻腐蝕均勻腐蝕是指介質(zhì)與金屬接觸的整個(gè)表面上產(chǎn)生程度基本相同的腐蝕。例如：碳鋼在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中的電化學(xué)腐蝕屬于均勻腐蝕。這種腐蝕是從金屬表面以同一腐蝕速度向金屬內(nèi)部延伸，腐蝕速度可以預(yù)測(cè)，因此，危險(xiǎn)性較小。

20、均勻腐蝕速度可用mm/y表示,并依此來確定材料 的耐蝕性能。我國采用三級(jí)耐蝕性標(biāo)準(zhǔn):見表11-8年減薄量vO.lmm/y為耐蝕級(jí)；年減薄量為尚耐級(jí);年減薄量為不耐級(jí)。一般，化工設(shè)備不采用不耐蝕材料。 年減薄量的材料不可用。2、局部腐蝕加腐蝕集中在金屬的局部區(qū)域，而其它部分幾乎不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微。常見的局部腐蝕有：點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕。(a)均勻網(wǎng)飩(c)點(diǎn)腐蝕(d)晶間底注ffill. 10 腐蝕破壞的形式多點(diǎn)腐蝕(孔蝕):金屬表面上局現(xiàn)在小孔、小坑或斑點(diǎn)這樣局部面積:上的腐蝕叫孔蝕?？孜g可看作是縫隙腐蝕的一種特例?？孜g一般是由氯化物、溟化物及含有氯離子的溶液腐蝕而引起的。心危害性: 一般蝕孔僅集中在某個(gè)小的局部的點(diǎn)或坑上，直徑小但較深。蝕孔常被腐蝕產(chǎn)物遮蓋，通常在設(shè)備穿孔前難于被發(fā)3”,常常在其它部分金屬還比較完好時(shí)局