第一章國際經濟學課件

第一篇化工設備材料本篇重點：掌握金屬材料的基本特性（力學、物理、化學）掌握影響金屬材料性能的主要因素掌握金屬材料的分類了解化工設備對材料的基本要求能正確進行化工設備的材料的選擇第一章化工設備材料及其選擇第一節(jié)概述一、化工過程復雜性、苛刻性對材料提出的高要求溫度：化工設備用材，承受的溫度范圍極廣烴類原料的熱裂解1100℃～1300℃烴類蒸汽轉化制備合成氨原料氣900℃粉煤加壓氣化（加壓氣化爐）1100℃原油常減壓分離370～420℃重氫、重水、液氬的制備-253℃核工業(yè)中液氦的制備-269℃壓力：化工設備用材承受的壓力范圍極廣

常見氨合成壓力15、26、32MPa 尿素合成24MPa 聚乙烯生產高壓聚乙烯100～250MPa低壓聚乙烯3.5～10MPa 合成甲醇30MPa介質：化工生產過程中所見介質及性質可謂無數

各類無機類的酸、堿、鹽→腐蝕有毒，有劇毒各類有機介質→易燃、易爆、腐蝕、有毒、劇毒高壓、高溫蒸氣和其他氣體選材上經?？紤]介質性質比考慮溫度、壓力更難。第二節(jié)材料的性能一、力學性能（機械性能）金屬材料在外載荷作用抵抗變形和破壞的能力。1、強度（MPa）：金屬在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力，稱為強度（1）極限強度對于沒有明顯屈服的材料，工程上規(guī)定以產生永久變形為0.2%時應力為屈服強度條件屈服強度抗拉強度（2）屈服點產生斷裂最大應力產生塑性變形最小應力

ΔLF0課程的性質、任務、特點課程的性質、任務、特點（3）蠕變強度現象：高溫時，在一定的（不變的）應力下，應變隨時間增加的現象，或金屬在高溫和應力作用下，逐漸產生塑性 變形的現象。蠕變曲線：即溫度、應力一定時，應變隨時間變化的曲線。

與溫度t（外因）的關系t↑↓在工程上：碳鋼t400℃；低合金鋼t450℃高合金鋼t550℃鋁與鋁合金50～150℃鉛、錫常溫下蠕變極限：（1）材料在某一高溫下經10萬小時，發(fā)生的變形量為1%時 的最大應力稱蠕變極限。（2）材料在工作溫度下，引起的規(guī)定變形速度（=1×10-5

mm/mmh）的應力值，稱蠕變極限。單位MPa

物理意義：表征材料在高溫和應力下抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力（4）持久極限

在給定高溫下，促使試件或工件經過10萬小時發(fā)生斷裂的應力叫持久極限。單位MPa。物理意義:是在一定高溫和應力下，材料抵抗斷裂的能力（５）疲勞強度R-1(σ-1)

疲勞：

金屬材料在小于ReL的重復,交變的應力作用下，產生斷裂的現象。

疲勞強度：

金屬材料在無限次反復交變載荷作用下，而不引起破壞所能承受的最大應力稱疲勞強度R-1

單位MPa。通常對一般鋼材采用106～107循環(huán)次數而不斷的最大應力R-1

；有色金屬采用108以上來確定R-1

。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）條件疲勞極限：在一定循環(huán)作用次數N下，不產生破壞最大應力。

疲勞極限：無限次2.彈性與剛性

彈性：金屬材料在外力作用下，產生變形，當外力去除后,能 恢復原狀的能力叫彈性。彈性變形：外力去除而消失的變形稱彈性變形。彈性極限Re（σe）：在彈性變形范圍內，金屬材料在單位面積上所能承受的最大力，稱彈性極限，單位MPa彈性模量E：指材料在彈性極限范圍內，應力與應變的比 值,單位MPa剛性（剛度）：金屬材料受力時能抵抗彈性變形的能力。彈性模量是反映材料剛性好壞的機械性能指標；衡量材料產 生彈性變形的難易程度材料的E↑↑使其產生彈性變形的↑↑同一材料的E值隨溫度升高而降低。泊桑比μ

對鋼材μ=0.3,為常數3.塑性指標塑性金屬材料在外力作用下產生變形而不破壞，當外力去除后仍能使其變形保留下來的性能。塑性變形：外力去除后保留的永久變形。塑性指標：延伸率斷面收縮率A斷裂后拉伸試樣的頸縮現象4.硬度硬度：材料抵抗硬的物體壓入自己表面的能力，是反映材料抵抗局部塑性變形的能力，是重要的力學（機械）性能指標。它也反映材料的彈性、強度、塑性與韌性等的綜合性能指標。

常用的硬度指標有四種：布氏硬度HB，洛氏硬度HR,維氏硬度HV，肖氏硬度HS。

布氏硬度比較準確，用途最廣，但不宜測量成品零件，且當材料硬度HB650或太薄的工件則不適用，這時可用洛氏硬度。布氏硬度HB：是以一定的載荷把一定大小的淬硬鋼球壓入材料表面上，然后以材料表面上的凹坑的表面積來除載荷其商為硬度值。國家標準(GB231-84)規(guī)定了試驗方法根據材料的可能硬度采用不同的壓頭和載荷得出不同標度的三種硬度為：標度CHRC(23～70）用600N,120°的鉆石錐,用于測硬度很高的材料，如淬火鋼。標度BHRB(6～23)用1000N,1.59mm的鋼球用于測硬度較低的退火鋼、灰鑄鐵、有色金屬標度AHRA(70以上)用1500N,120°的鉆石錐,用于測硬度極高的材料，如碳化物、硬質合金、滲碳鋼洛氏硬度HR：洛氏硬度試驗使用一個頂角120°的金剛石圓錐或直徑為1.59，3.18mm的鋼球，在一定的載荷下壓入被試材料的表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。

h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計測定方法GB/T229-94金屬夏比缺口沖擊試驗方法。5.沖擊值（沖擊韌性）αk以試樣斷口處的斷面積，來除沖斷試樣所耗用功的商，叫沖擊值。N-m/cm2,J/cm2

物理意義：

αk值對材料的一些缺陷是很敏感的。能靈敏的反映出材料的品質、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化。表征材料在外加重力載荷的突然襲擊時的一種及時而迅速發(fā)生塑性變形的能力。TITANIC靜載荷時，要考慮材料的強度和塑性；動載荷或波動載荷（如t、p的波動）時，除考慮強度和塑性外，還要考慮沖擊韌性。實際運用

αk值不反映在強度計算公式中，僅作為選擇材料時的一個考慮因素；但對低溫容器、反應容器和高強鋼制容器在選材時就變的尤為重要，這時一定要確定并滿足在相應的溫度下做夏比沖擊試驗，并達到規(guī)定值。

對同一材料若k值高，則A值也高，而A值高αk值不一定高。A值是在靜載荷下，材料緩慢塑性變形的能力

αk值是在動載荷下，材料迅速塑性變形的能力

不同的異種鋼，使用過程中，要考慮由膨脹量不同而產生的應力，如復合鋼板。不同的異種鋼，焊接過程中，由急劇加熱、冷卻產生強大的焊接應力，引起裂紋或變形。固定管板換熱器中管子和殼體材料不同，引起溫差應力。二、材料的幾個物理性能化工設備用材方面涉及的重要物理性能指標如下：設備的傳熱元件要求值大；純金屬好于合金，純金屬中銀、銅、鋁最好；碳鋼好于不銹鋼。在厚壁設備中，越小，溫差應力越大。設備焊接過程中，越大，焊縫熱影響區(qū)越大。導熱系數

（W/mK)熱膨脹系數

（mm/mm℃，1/℃)2．抗氧化性抗氧化性多指在高溫下自由氧的氧化腐蝕及CO2、SO2等的氧化腐蝕，如生銹、銹蝕等。三、化學性能

金屬材料的化學性能是指，材料在介質中的化學穩(wěn)定性。即材料是否與介質發(fā)生化學或電化學作用而引起腐蝕的性能。1．耐腐蝕性金屬和合金對周圍介質，如大氣、水、各種電解質侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。

P10表1-3給出了部分材料對不同介質的耐腐蝕性。這個性能在后面容器的計算中取腐蝕裕度時應考慮。四、工藝性能

指加工難易程度以及加工后對材料性能的影響程度的性能。工藝性能主要有：鑄造、鍛造、機械加工、熱處理、成型工藝性能和焊接性能等。鑄造性能主要考慮材料熔化后的流動性、冷卻時的收縮性和雜質引起的偏析；鍛造性能主要考慮材料可鍛性、適宜的始鍛和終鍛溫度及塑性；機械加工性能指化工設備在選材時需考慮焊縫坡口的剪切、刨邊、法蘭密封面的機加工序的切削加工性能；熱處理性能指容器用鋼材在交貨時和制造后的正火、調質、軟化退火和消除應力熱處理。以此來改變鋼材的塑性、低溫沖擊韌性、冷壓成型和切削加工性能等。

成型工藝性能考慮制造過程中的彎、卷、滾壓的塑性；焊接性能指鋼在某種焊接方法下得到優(yōu)質焊接接頭的能力?？珊感灾饕笜?鋼在焊接時形成裂紋和在焊縫區(qū)產生脆性傾向，主要決定于鋼的化學成分，化學成分直接影響鋼材的組織、強度、塑性、韌性、脆硬傾向以及夾雜物的分布況，因而影響到焊縫冷裂紋的形成。鋼中各種元素對淬硬和冷裂紋的形成均有影響，但碳的影響最大。

抗拉強度抗壓強度抗彎強度抗剪強度抗扭強度材料的性能彈性模量E

泊桑比μ延伸率A、斷面收縮率Z布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV1．導熱系數

2．泊桑比μ1．耐腐蝕性、2．抗氧化性鑄造性能、鍛造性能、機械加工性能、熱處理性能、成型工藝性能、焊接性能一、力學性能（機械性能）二、物理性能三、化學性能四、工藝性能1、強度（MPa）2.彈性與剛性3.塑性指標4.硬度5.沖擊值（沖擊韌性）Ak（1）極限強度Rm（2）屈服強度ReL（Rp0,2）（3）蠕變強度（4）持久極限（5）疲勞強度R-1小結

第三節(jié)金屬材料的分類與牌號表示

碳鋼中不含有特意加入的金屬元素，鋼的性能以含碳量的高低來調整。

碳素鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼C≤0.25％

化工設備主體必須采用低碳鋼C＝0.25％～0.6％C＞0.6％合金鋼低合金鋼中合金鋼高合金鋼

合金元素總量≤5％合金元素總量=5％～10％合金元素總量＞10％一、分類１．按主要化學成分分類普通鋼優(yōu)質鋼高級優(yōu)質鋼4．按冶煉中脫氧程度分類鎮(zhèn)靜鋼

鋼中脫氧，O2＜0.01%,成本高，質量好

沸騰鋼

鋼中脫氧，O2>0.03%,成本低，質量差

半鎮(zhèn)靜鋼

介于鎮(zhèn)靜與沸騰之間2．按鋼的質量好壞分類3．按鋼的用途分類結構鋼碳素結構鋼合金結構鋼特殊性能鋼不銹鋼及不繡耐酸鋼耐熱鋼低溫鋼建筑鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼等拼音字母（漢字）

二、鋼的牌號及表示方法化學元素化學符號（漢字）用途，冶煉方法，澆注方法如

沸騰鋼用F，Q235—A·F

半鎮(zhèn)靜鋼用b，18Nb

b

鍋爐用鋼用g，20g→Q245R，16Mng→Q345R

容器用鋼用R

16MnR→Q345R，20R→Q245R

低溫用鋼用D，Q345DR，09Mn2VDR

鎮(zhèn)靜鋼不用任何符號表示含碳量含鉻量含鎳量

(1)

普通碳素鋼

S

≤0.055％，

P

≤0.045％

Q235－A·F2．鋼號表示方法

(3)

高級優(yōu)質碳素鋼S,P≤0.03％

在優(yōu)質碳素鋼號后加“A”如20A、09Mn2A

(2)

優(yōu)質碳素鋼

S,

P≤0.04％

08，10，15，20，25，30，35，45，40Mn…

a．數字表示平均含碳量的萬分數，如08含C0.08%，20含C0.2%；b．含Mn量較高的碳素鋼標出Mn，如40Mn；c．用途不同的鋼，在最后用拼音標出，如Q245R、08FQ235－B

、

Q235－C

、

Q255－A鋼材質量等級質量等級冶煉方法及脫氧情況屈服點屈服極限值

總合金含量＜5%，若每種合金元素含量＜1.5%時，可不寫含量數。如16MnR，15MnVg，09Mn2V，18MnMoNbR，12Cr2Mo1V等

a.前邊數字表示含碳量的萬分數（低合金鋼含碳量一般都＜0.2%）b.主要合金元素標出來，元素符號后以數字表示該元素的百分含量；元素含量＜1.5%的，可以不表示出來；含量在1.5～2.49%范圍，標出“2”在2.5～3.49%范圍，標出“3”(4)普通低合金鋼（普低鋼、低合金鋼、低合金結構鋼）

含碳量更低，總合金含量＞10%如0Cr13、1Cr17、0Cr18Ni9304、

00Cr19Ni10304L

1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr17Ni12Mo2316、00Cr19Ni13Mo3、Cr25Ni20、00Cr18Ni5Mo3Si2b．元素后面的數字表示該元素的百分含量，如

含量在2.5～3.49%標“3”

含量在3.5～4.49%標“4”含量在17.5～18.49%標“18”

a．前面數字表示平均含碳量的千分數，如

“1”表示含碳量＜0.1%“0”表示含碳量＜0.08%“00”表示含碳量＜0.03%“000”表示含碳量＜0.01%（5）高合金鋼第四節(jié)碳鋼與鑄鐵一、鐵碳合金

鋼鐵是由95%以上的鐵和0.05～4%的碳及1%左右的雜質元素組成,所以鋼鐵又稱為鐵碳合金。鐵碳合金C＜0.02%—工業(yè)純鐵，極少使用C=(0.02～2)%－鋼C=(2～4.3)%－鑄鐵

C＞4.3%－無使用價值組織—在低于1500倍的顯微鏡下，看到的金屬晶粒，稱金屬的纖維組織，簡稱組織。組織不同，材料的性能就不同，如鑄鐵中石墨的組織形式不同，明顯地影響到它的性能。１．

金屬的組織與結構

—用X光，電子顯微鏡或電子探針間接看到金屬原子的各種規(guī)則排列，稱金屬的晶體結構，簡稱結構。結構不同，材料的性能也不同，純鐵不同溫度固態(tài)下晶體構造不同，分為面心

（塑性好）和體心

（強度高）立方晶格。純鐵在910℃時發(fā)生同素異構轉變，使純鐵的性質發(fā)生改變。金屬組織的結構金屬的結構晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結構2．碳及其在鋼中的存在形式碳對鋼鐵的性能影響極大，含C↑，σb↑,σS↑,δ↓,HB↑。碳在鐵碳合金中存在的基本形式有三種：

固溶體、化合物、機械混合物。

固溶體

—

兩種或兩種以上的元素，在固體狀態(tài)下相互溶解，且仍保持溶劑晶格原來的形式的物體叫固溶體。910℃以下純鐵呈體心立方晶格，即Fe間隙小，溶碳少，強度高，塑性低910℃以上純鐵呈面心立方晶格，即-Fe間隙大，溶碳多，強度低，塑性好

910℃

Fe-Fe

a.鐵素體-Ｆ

C溶解在α-Fe中形成的固溶體叫鐵素體。鐵素體的溶碳能力低，室溫下溶碳在0.006%，故鐵素體的強度、硬度σb、σS、HB低，塑性好δ↑，沖擊韌性低αk↓。碳鋼的四種常見的基本組織

b.奧氏體-ＡC溶解在-Fe中形成的固溶體叫奧氏體。奧氏體的溶碳能力強，1148℃時溶碳在2.11%；727℃時溶碳在0.77%奧氏體的強度高σbσS↑，硬度高HB↑，塑性低δ↓，沖擊韌性高αk↑c.滲碳體-Ｃ

Fe和C以化合物的形態(tài)存在的碳化鐵(Fe3C)稱滲碳體。滲碳體的含碳量6.69%，滲碳體硬而脆；塑性幾乎為0；熔點高達1600℃。

含碳＜2%時，鐵碳合金的組織是在鐵素體中散布著滲碳體，就是碳素鋼（碳鋼）。

含碳＞2%時，鐵碳合金的部分碳以游離狀態(tài)的石墨形式存在，就是鑄鐵。石墨本身軟，強度低，具有較好的減震性，常用于具有轉動設備的支座。

d.珠光體-Ｐ是鐵素體和滲碳體二者組成的機械混合物。

碳素鋼中珠光體組織的平均含碳量為0.77%，機械性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度、硬度比鐵素體高；塑性、韌性比滲碳體高。e.萊氏體-ＬP+C共晶混合物

f.馬氏體-ＭC在鐵中過飽和的固溶體鐵-碳合金狀態(tài)圖影響：Mn＜0.8%為雜質,是有益的雜質元素。

＞0.8%為合金元素。

作用

脫氧脫硫，是有益的雜質元素，含錳在0.5～0.7%時,為優(yōu)質碳素鋼含錳在0.7～1.2%時,為高含錳量碳鋼40Mn含錳在1.2～1.3%時,為低合金鋼如16Mn

碳鋼中含1%左右的雜質元素，它們不是有意為改善性能加入的，而是冶煉過程中，來自礦石、脫氧劑等冶煉原因進入鋼中的稱為雜質。主要有：

Mn、Si、

S、P

、

O2

、N2

、H2

Si＜0.5%即是雜質，是有益的雜質元素。作用脫氧使鋼強度、硬度提高二、雜質對碳鋼性能的影響S＜0.07%為雜質，來源于礦石和冶煉中的焦炭。作用：S在鋼中主要以FeS形式存在，FeS與Fe形成低熔點共晶體，熱加工時引起熱裂紋。還可引起結晶偏析，造成金屬成份不均，降低材料的韌、塑和耐腐蝕性。

S是絕對有害元素，熱脆性。

P＜0.06%為雜質，來源于礦石。作用：P是以Fe2P、Fe3P存在，與鐵的共晶體聚集在晶粒的交界處，減弱晶粒的結合力，引起鋼的冷脆性，降低鋼的塑、韌性。

P是有害元素，冷脆性?？瘴婚g隙原子小置換原子大置換原子H2氫以原子或離子狀態(tài)溶于液態(tài)金屬中，高溫溶解度高，低溫溶解度低，冷卻時來不及逸出，形成H2，體積增大使鋼產生很大的內應力，以致把晶界撐開產生裂紋，稱為“氫脆”

“氫白點”。H2為有害元素，氫脆或白點。N2

N2在高溫下以原子形式溶于鋼中，加熱到200-250℃時會析出氮化物，產生時效，嚴重降低了塑性和韌性。

N2是有害元素，時效。O2

O2的存在使大量的有益元素被氧化FeO、MnO、SiO2。氧化物在晶界上，破壞了鋼材基體的連續(xù)性，使鋼的塑、韌性、持久極限和耐腐蝕性降低。

O2也是有害元素，壓力容器用鋼要用脫氧完全的鎮(zhèn)靜鋼制造步驟—緩慢加熱三、鋼的熱處理定義—熱處理是將鋼在固體狀態(tài)下加熱到一定溫度，在該溫度下保持一段時間，然后以不同速度冷卻下來，以改變其金相組織，滿足所要求的物理、化學與機械性能的一種工藝過程叫熱處理。目的—通過改變鋼的內部組織，從而改善其性能如：σb、σs、HB、δ、αK及加工性能。不同速度的冷卻足夠的保溫時間冷卻介質及方式隨爐冷、空氣冷、

油冷、

水冷、

鹽水冷

退火

低溫回火、正火

淬

火℃冷卻速度增大各種處理形式的工藝參數、組織、及熱處理目的歸納能改善鋼材的組織，細化晶粒及增加彌散度，消除網狀碳化物，調整鋼件硬度，獲得較高的機械性能和良好的塑性和韌性。各種處理形式的工藝參數、組織、及熱處理目的歸納

含碳量在2～6.69%的鐵碳合金均為鑄鐵。工業(yè)上常用鑄鐵的含碳量為2.5%～4.0%，含碳量＞4.3%的不能應用。鑄鐵中還含有1%左右的Si、Mn、S、P雜質。四、鑄鐵１．鑄鐵的性能特點⑴優(yōu)良的鑄造性能—熔點低（1147℃），液態(tài)流動性好，易充滿鑄模，凝固收縮量小。⑵易切削加工—鑄鐵中碳以石墨形式存在；而鋼中的碳以滲碳體（Fe3C）存在。(3)良好的減振性—鑄鐵的減振性比鋼大10倍，因而多用在機座，且價格便宜。（4）耐磨性好。（5）抗拉強度低、抗壓強度高，不能承受彎曲和沖擊載荷。鑄鐵的種類主要有：灰鑄鐵HT、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵QT、高硅耐蝕鑄鐵ST及合金耐熱鑄鐵ＲＴ電弧爐煉鋼

2.常用鑄鐵的性能與牌號表示(GB5612—85)性能特點

①碳以片狀石墨形式存在；②斷口呈灰色；③抗壓不抗拉，不耐沖擊，塑性極差，不能承受拉、彎、剪、沖擊載荷；④常用做機座、閥體、氣缸、燒堿鍋等設備；⑤耐H2SO4和NaOH腐蝕性能好；⑥使用強度一般，使用溫度＜300℃。牌號

HT100，HT150,HT200,HT250,HT300,HT350

灰鑄鐵

抗拉強度不小于150MPa（1）

灰鑄鐵—HT(GB9439—88)鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵硅鐵硅鈣性能特點

①澆注前向鐵水中加入球化劑使碳以球狀石墨形式存在；②具有鋼和鑄鐵的許多優(yōu)點，如高的強度、屈強比和疲勞極限，較高的塑性和韌性，良好的耐磨性和減振性，缺口敏感性比鋼低，鑄造工藝性良好，能通過熱處理來改變材料的性能；③除酸以外耐腐蝕性能比灰鑄鐵好；

④節(jié)約材料，減少機加工工時，降低成本，在很多場合下可代替碳鋼、合金鋼及有色金屬；⑤用于370℃以下，要求較高強度和疲勞極限并具有較高耐磨性的場合，如鍋爐和水輪機閥殼，汽輪機氣缸隔板，水輪機和機床主軸、曲軸、連桿、齒輪、凸輪軸、大型軋輥等。(2)

球墨鑄鐵—QT

（GB1348—88）黑心可鍛鑄鐵

珠光體可鍛鑄鐵

硅鐵硅鈣稀土鎂球墨鑄鐵抗拉強度延伸率的最低值牌號QT400—18（15），QT450—10，QT500—5，QT600（700，800）—2，QT1200—1鐵素體加珠光體球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵

珠光體球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的石墨球

性能特點

①將HT和QT中加入14.5～16%的硅，即為高硅鑄鐵；②強度低且硬度高，脆性大韌性低，不允許用于急劇的交變載荷、沖擊載荷和溫度突變；③耐腐蝕性好，除HCI、HF、NaOH外耐一切酸堿類腐蝕；④導熱系數低，膨脹系數高，不適于溫度波動的場合使用；⑤多用于耐酸泵，閥體、管道、彎頭及容器。⑶

高硅鑄鐵—ST（GB8491—87）高硅鑄鐵稀土元素硅平均含量15%合金元素含量%牌號STSi11Cu2CrR，STSi15R，STSi15Mo3R，STSi15Cr4R，STSi17R蠕墨鑄鐵中的石墨第五節(jié)

普通低合金鋼及化工設備特殊用鋼在碳素鋼的基礎上加入一定量的合金元素構成的鋼種，稱為合金鋼。由于合金元素加入量的不同，對材料性能的改善和提高不同。

一般分為：低合金鋼

合金元素含量≤5%

中合金鋼合金元素含量＝5～10%

高合金鋼合金元素含量＞10%Al-Cu兩相合金一、碳素鋼與普通低合金鋼比較1．強度與屈強比低合金鋼屈強比比碳素鋼的大，則塑性儲備小，材料的潛力發(fā)揮的好。2．合金鋼的淬透性比碳素鋼好。3．高溫強度比碳素鋼高。4．各項物理化學性能高于碳素鋼，如耐腐蝕性等。齒輪刀具二、各種元素在鋼中所起的作用及對鋼的性能的影響

低合金鋼是在碳鋼的基礎上加入總量＜5%（通常是2～3%）的合金元素而構成的鋼種。這種鋼含碳量＜0.2%，其組織多為F體和P體組織。三、低合金高強鋼（普通低合金鋼、普低鋼、低合金結構鋼）２應用舉例

合成塔選材比較：設計條件p=15MPaDN=3000塔高H=20m１．普低鋼的性能特點

﹡強度高σbσs↑屈強比大σs/σb↑；

﹡焊接性能好，含碳量低＜0.2%；

﹡耐腐蝕性好（指耐大氣腐蝕）；

﹡脆性轉變溫度低。具體說鍋爐壓力容器用鋼，要能滿足如下要求：

★

首先都必須是低碳鋼、優(yōu)質碳素鋼和低合金鋼；

★

必須是脫氧完全的鎮(zhèn)靜鋼，保證材質均勻、雜質少、無缺陷、無時效傾向；

★

較高的強度（常溫、中溫）；

★

良好的塑性、韌性和冷彎性能、較低的缺口敏感性

★

良好的加工工藝性和焊接工藝性。

常用鍋爐鋼牌號見p30表1—21；容器鋼牌號見附錄九。四、鍋爐鋼和容器鋼

所謂鍋爐壓力容器用鋼，即能滿足安全使用或有較好的成型，焊接工藝的鋼材。常見鍋爐鋼板的應用范圍

五、不銹鋼和不銹耐酸鋼1．

鉻不銹鋼

⑴

鉻不銹鋼耐腐蝕的機理﹡

Cr能固溶于F晶格中形成固溶體，在氧化性介質中，鋼的表面生成一層Cr2O3很穩(wěn)定氧化膜，稱為鈍化膜，可以防止腐蝕；﹡Cr↑C↓耐腐蝕，但這兩種元素在鋼中形成的碳化物（Cr23C6）消耗鋼中的Cr含量，解決的辦法一是在C一定時，增大Cr的含量但不經濟，二是C↓而相應Cr↓經濟，因此不銹鋼中C含量大多數都＜0.08%；不銹耐酸鋼鉻不銹鋼不銹鋼耐大氣腐蝕的鋼不一定在酸、堿、鹽介質中不銹鉻、鎳不銹鋼耐酸及其它強腐蝕介質腐蝕一般具有不銹性質不銹耐酸鋼是不銹鋼和不銹耐酸鋼的總稱。1Cr17削片刀鐵素體不銹鋼水加熱器不銹鋼帶⑵常用的鉻不銹鋼鋼

號含C量σsMPa適用溫度組織0Cr13≤0.10%350-40～540℃F1Cr13≤0.15%400-40～540℃M2Cr13≤0.2%450-40～540℃M3Cr13≤0.26%539400～600℃M0Cr17≤0.10%250-20～540℃F0Cr17Ti≤0.10%3000～700℃F﹡

當含鉻量達到13%，C→0時鋼的組織變成單一的F體，可以避免電化學腐蝕；

＊

在18%的Cr鋼中加入9～10%的Ni，即構成Cr—Ni不銹鋼，稱18-8不銹鋼，這類鋼含有形成奧氏體元素的Ni量較多，加熱到1050～1100℃時空冷或水冷得到單一的A體組織，稱A體不銹鋼2．Cr—Ni不銹鋼＊

Cr—Ni不銹鋼具有

較高的σb，較低的σs，極好的塑、韌性；

較好的耐熱性（600～800℃），耐低溫（-196℃）；

良好的焊接性能和冷彎成型工藝；＊

在強氧化性介質（如硝酸）中具有很好的耐腐蝕性能，但在還原性介質中（鹽酸、稀硫酸），尤其含有Clˉ的溶液及強堿溶液中腐蝕嚴重。一般在鋼中加入Mo、Cu元素，可抵抗Clˉ腐蝕，1Cr18Ni12Mo2Ti，Cr18Ni18Mo2CuTi等。

鋼在加熱（或冷卻）到400～800℃且停留時間較長時，C會從過飽和的A體中以碳化鉻（Cr23C6）的形式沿晶界析出，使晶界附近Cr量降低到＜12%以下造成晶界貧鉻，晶界失去耐腐能力，成為晶間腐蝕解決辦法：

①重新進行淬火處理（如在焊接之后）或固溶化處理，使Cr、C再固溶于A體中，冷卻時控制400～800℃的通過時間，讓Cr和C來不及析出?！に嚕?8—8鋼的晶間腐蝕②減少鋼中的C含量，重要的壓力容器采用超低碳鋼，如0Cr18Ni9鋼的C≤0.08%，而00Cr18Ni9鋼的C＜0.03%這時即使緩冷在400～800℃停留時間很長，也不會析出碳化鉻，降低晶間腐蝕的可能?！O計③在鋼中加入與碳親和力比Cr更強的Ti、Nb等元素，以形成穩(wěn)定的TiC、NbC，將C固定，可大大減少晶間腐蝕。1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni12Mo2Ti——設計

添加元素的作用：Cr—防腐→大氣、電化學Cr、Ni＋Ti、Nb—抗晶間腐蝕Cr＋Ni—耐熱、耐低溫Cr、Ni＋Mo、Cu—抗還原性介質(Clˉ)腐蝕壓力容器中常用18—8型不銹鋼有：0Cr18Ni9304

S=228MPa0Cr18Ni12Mo2TiS=228MPa0Cr18Ni10TiS=228MPa0Cr19Ni13Mo3S=228MPa0Cr17Ni12Mo2

316

S=228MPa00Cr19Ni10304L

S=197MPa00Cr17Ni14Mo2

316L

S=197MPa

00Cr19Ni13Mo3

S=197MPa

00Cr18Ni5Mo3Si2S=328MPa

①

耐熱鋼指在高溫下抗氧化的能力強，并且具有較高的高溫強度及抗蠕變的能力。②

碳鋼及其它合金鋼，隨溫度的升高屈服點s很快下降，而耐熱鋼的s下降緩慢。六、

耐熱鋼與低溫用鋼１．耐熱鋼耐熱鋼通常加入元素的作用：

強化固溶體

加入使在高溫下仍能固溶F體和A體的Cr，Mo。

穩(wěn)定金相組織加入Cr、Mo、V、Ti形成穩(wěn)定碳化物元素，抗高溫蠕變

提高鋼的再結晶溫度加入Mo、Cr、W、Ni、Mn。一般按用途分為：抗氧化鋼

—抗高溫氧化為主要考慮因素，但強度不為主，常用于直接火零件。如Cr13SiAl，Cr25Ti，Cr17Ti，Cr25Ni12等。熱強鋼—主要抗高溫下蠕變，用于高溫下仍受較大應力的零件如 12CrMo，Cr5Mo，1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20等。國內常用耐熱鋼的化學成分、熱處理狀態(tài)、力學性能及用途①

工作溫度

＜－20℃

稱為低溫

鐵素體

（－20～－40）℃

淺冷

＜－40℃

深冷

奧氏體2．低溫用鋼

②

對低溫鋼的要求

具有良好的低溫韌性、加工工藝性、可焊性。降低含碳量到0.08%～0.18%形成單相的鐵素體組織，在加入Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素，可提高綜合機械性能。深冷條件下，則需選用單相奧氏體組織。2．低溫用鋼

③

常用低溫鋼選用

＞-20℃Q345R、07MnCrMoVR

＞-40℃Q345DR、07MnNiCrMoVDR＞-45℃15MnNiDR＞-50℃09MnNbDR＞-70℃09MnNiDR、09MnTiCuReDR＞-120℃06Al、06AlCuNbN＞-196℃18—8型、20Mn23Al

＞-253℃15Mn25Al4常用低溫鋼的主要化學成分、熱處理狀態(tài)及力學性能1.品種

板材、管材、帶材、型材（園、方、扁、工字、H型、T型、角鋼、槽鋼、異型鋼等）鑄鋼和鍛鋼七、鋼材的品種和規(guī)格2.板材

薄板（S≤4mm）冷軋

長1.0～2.5m

寬0.5～1.5m

厚0.2～4.0mm

熱軋

長1.0～4.0m寬0.5～1.5m厚0.35～4.0mm

厚板（S＞4～100mm）熱軋

長1.2～12m寬0.6～3m

厚

＞4.0mm

板厚尺寸間隔

4～6mm間隔0.5mm

6～30mm間隔1mm

30～60mm間隔2.0mm60～100mm間隔5mmGB912—89碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋薄鋼板及鋼帶GB3274—88碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板及鋼帶GB3280—92不銹鋼冷軋鋼板GB6654—96壓力容器用鋼板GB4237—92不銹鋼熱軋鋼板GB3531—96低溫壓力容器用GB8165—87不銹鋼復合鋼板GB4238—92耐熱鋼板

2.無縫鋼管

普通無縫鋼管GB8163—2008輸送流體用無縫鋼管GB/T14976—2002流體輸送用不銹鋼無縫鋼管

專用無縫鋼管GB5310—2008高壓鍋爐用無縫鋼管GB9948—2006石油裂化用無縫鋼管GB13296—2007鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫 鋼管壓力容器常用板材標準第六節(jié)

化工設備腐蝕簡介

金屬腐蝕主要指金屬與介質之間發(fā)生的化學或電化學作用引起的破壞，主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。常見腐蝕形態(tài)示意圖a均勻腐蝕b電偶腐蝕c縫隙腐蝕d孔蝕e晶間腐蝕f應力腐蝕g腐蝕疲勞h氫鼓泡I磨損腐蝕耐腐蝕性能:腐蝕破壞的形式分為均勻腐蝕和局部腐蝕。

均勻腐蝕：發(fā)生在整個金屬表面上，使截面不斷減少，以腐蝕率表示.根據質量變化評定金屬的腐蝕:式中:kw—以金屬質量損失率表示的腐蝕速度，g/（㎡h）;m0、m1—金屬腐蝕前后的質量，g；F—金屬的面積，㎡；t—腐蝕時間，h所選定金屬在給定介質中的腐蝕速度kd＜0.1㎜/a時為耐腐蝕材料；kd=0.1～1㎜/a時為可用材料；kd＞1㎜/a時為不可用材料。根據腐蝕深度評定金屬腐蝕式中：kd—以金屬厚度的減小率表示的腐蝕速度，㎜/a；ρ—金屬密度，g/㎝3；kw—以金屬質量損失率表示的腐蝕速度，g/（㎡h）

對于存在局部腐蝕的材料，化工裝備中是不允許采用的。在設計中，對均勻腐蝕問題可以按照設備要求的使用壽命考慮一定的腐蝕裕量，進而控制其發(fā)展。局部腐蝕問題相對均勻腐蝕要困難和復雜得多。

局部腐蝕：面下腐蝕、點腐蝕、斑腐蝕、氫腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕。局部腐蝕極為危險，如點腐蝕可在金屬的一定區(qū)域上迅速發(fā)展并往深處穿透，便發(fā)生穴蝕及穿孔。如晶間腐蝕，腐蝕迅速沿晶粒間的邊緣向深處推進，使材料的機械強度和塑性劇烈降低。晶間腐蝕通常不引起金屬的外形改變，破壞是突然發(fā)生的。一、化學腐蝕

是指金屬接觸非電解質介質或干燥的氣體，直接發(fā)生純化學反應而引起的破壞現象。其腐蝕過程是腐蝕介質直接與金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產物。此時，電子的傳遞是在金屬與腐蝕介質之間直接進行的，沒有電流產生，其過程符合化學動力學規(guī)律。特點

沒有電流產生，腐蝕的產物在金屬表面上。產物

不揮發(fā)，不溶解，組織致密穩(wěn)定，與金屬結合牢固，形成鈍化膜。易揮發(fā)，易溶解，與金屬結合不牢固，可一層層脫落。形式

高溫氧化（對碳鋼）＜570℃→穩(wěn)定產物＞570℃→FeO不穩(wěn)定產物，脫落解決辦法：加入Cr、Si、Al形成抗氧化耐熱不起皮鋼，如Cr13SiAl、Cr25Ni20、Cr17Ti。氫腐蝕

鋼受高壓高溫氫作用時，鋼中的碳與滲入鋼中的氫原子反應生成甲烷，使其強度、韌性明顯降低，這種現象叫做氫腐蝕。氫腐蝕

≤200℃，≤5MPa對碳鋼、低合金鋼無明顯腐蝕＞200℃，＞5MPa

產生氫腐蝕

解決辦法：使C＜0.01%，不析出Fe3C與H反應；加入Cr、Mo、V、Ti以生成穩(wěn)定碳化物

晶間腐蝕和應力腐蝕是屬于電化學腐蝕，這兩種腐蝕極其危險且材料選擇不合適或加工工藝不合理較易發(fā)生。二、電化學腐蝕指金屬與電解質溶液發(fā)生電化學作用而引起的破壞現象特點同時存在著兩個相對獨立的反應過程．即陽極反應和陰極反應。在腐蝕過程中，電子的傳遞是通過金屬從陽極流向陰極，其過程服從電化學動力學的基本規(guī)律。有電流產生形式腐蝕大電池在電解質溶液中，采用不同材料制成的設備，電位不同產生腐蝕。腐蝕微電池金屬表面金相組織存在不同的相，如F、C體，在電解質溶液中形成微電池。濃差電池同一金屬，同一溶液，不同部位接觸溶液濃度不同產生晶間腐蝕

產生在鐵素體或奧氏體不銹鋼的晶界上，腐蝕性介質通過晶界滲入金屬深處，破壞了金屬晶粒之間的親和力，金屬表面不易發(fā)現，造成災難性的事故。腐蝕機理奧氏體不銹鋼中含有少量的碳，在高溫下，碳可以完全分布在整個合金里，若在450～850℃加熱或緩慢冷卻在此溫度下停留時間過長，碳會與鐵和鉻生成復雜的碳化物（Cr?Fe）23C6沿晶界析出。由于鉻的擴散速度比較慢，盡管碳的含量很少，但對鉻的需量很大，于是使得晶界附近鉻含量減少產生貧鉻。當鉻貧到低于鈍化所需的極限時＜13%，貧鉻的晶界區(qū)便處于活化狀態(tài)，就是電化學中的陽極區(qū)，晶粒本身即為陰極，形成微電池作用，晶間腐蝕就迅速進行。

晶間腐蝕是化工生產中危害較大又常發(fā)生且又易被忽略的一種腐蝕。腐蝕時宏觀無跡象，壁厚無減薄，在內部晶間腐蝕使材料失去強度和塑性，使設備在正常操作下突然破壞。

解決措施：選材上

①選鋼中含Ti、Nb元素，可較好固定碳，保持在晶間Cr的含量。②采用低碳、超低碳奧氏體鋼。工藝上采用固熔化處理，限制敏化溫度區(qū)450～850℃碳化物的析出。應力腐蝕（腐蝕開裂）

產生原因：金屬在腐蝕性介質和拉應力共同作用下產生的一種破壞形式。在承受拉應力的界面上，腐蝕作用使金屬的有效截面積減少，形成表面缺口，產生應力集中；集中處更大的拉應力加速腐蝕的進程，使表面的缺口向深處擴展，使有效截面積更加減少，產生更大的應力，最后導致斷裂。

壓力容器一般都承受較大的拉應力，在結構上由于制造、焊接等原因，不可避免的存在不同程度的應力集中，為應力腐蝕創(chuàng)造了外部條件，若介質再存在腐蝕性，就具備應力腐蝕的全部條件。這種常見的應力腐蝕破壞形式也是最危險的。發(fā)生應力腐蝕的奧氏體不銹鋼管道內壁應力腐蝕裂紋

應力腐蝕只發(fā)生在拉應力狀態(tài)下且具有腐蝕介質同時存在時，斷口與主拉應力垂直。產生應力腐蝕的幾種鋼材和腐蝕介質搭配情況金屬腐蝕破壞形式設備在局部高應力狀態(tài)及介質腐蝕共同作用下，引起的電化學腐蝕由Clˉ引起，在金屬表面某點發(fā)生，危害極大，造成設備穿孔。腐蝕面積和速度無法預測，危害性大非均勻腐蝕

（局部腐蝕）均勻腐蝕設計時預先留有腐蝕裕量即可區(qū)域腐蝕點腐蝕應力腐蝕晶間腐蝕晶界附近貧鉻，低于鈍化所需的極限時Cr＜13%，貧鉻的晶界區(qū)便處于活化狀態(tài)，形成微電池作用，在晶間產生腐蝕。防腐措施涂層保護電化學保護添加緩蝕劑

用耐腐蝕性能較強的金屬覆蓋于耐蝕性能較差的金屬表面。如電鍍、噴鍍和耐腐材料的襯里

用耐腐蝕的涂料涂刷在耐蝕性能較差的金屬表面；如油漆

在耐蝕性能較差的金屬內表面襯以耐蝕的磚或板如酚醛膠泥襯瓷板、瓷板、瓷磚、不透石墨板、輝綠巖板、橡膠襯板、塑料襯板等

陰極保護用于受海水河水腐蝕的設備和管道；應用廣泛，技術難度不大。陽極保護把被保護設備接直流電源的陽極，使金屬表面生成鈍化膜起保護作用。要求金屬在介質中能鈍化才可應用，技術復雜應用的較少。

在腐蝕介質中加入少量的不影響介質性能而又可使金屬腐蝕減緩或停止的介質。金屬涂層非金屬涂層一、

選材的一般原則

1．保證力學(機械)性能⑴強度σb、σs確定[σ]，

當溫度＞400℃時，還要考慮σn、σD。

一般中、低壓容器，可選用σs=245、295、345MPa的材料；

直徑較大、壓力較高的中壓容器，可選σs=390MPa的材料；

高壓容器，可選σs=390～490MPa的材料；第七節(jié)

化工設備用材料的選擇⑵塑性塑性指標有δ5、δ10、ψ（δ5=1.2δ10）；δ值小，冷加工變形及焊接性能差當板厚S＜6mm時，