第五章-化工設(shè)備材料

第五章材料基礎(chǔ)知識鋼材生產(chǎn)基本知識

12材料的性能

鋼鐵是使用最多的金屬材料：

儲量大；

冶煉加工容易；

綜合性能好；

易改質(zhì)處理。

鋼材仍將是21世紀(jì)用途最廣的結(jié)構(gòu)材料和最主要功能材料。5.1.1鋼的介紹鋼材的定義：鋼材是一種以鐵為主要元素、含碳量大于0.025%,小于2.11%的鐵碳合金，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和錳Mn等)的材料；鋼材的優(yōu)點以及缺點：優(yōu)點：（1）抗拉、抗壓、抗沖擊性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和鉚接，裝配方便；缺點：易銹蝕；5.1.2煉鋼煉鋼的原料：生鐵、廢鋼、熔劑（石灰石等）、脫氧劑（硅鐵、錳鐵、鋁等）、合金料等。

煉鋼的主要任務(wù)包括以下幾項：（四脫、二去、二調(diào)整）

1）脫碳；2）脫磷；3）脫硫；4）脫氧；5）去氮、氫等；6）去除非金屬夾雜物；7）調(diào)整成分；8）調(diào)整溫度。

煉鋼工藝主要包括

1）鐵水預(yù)處理；2）轉(zhuǎn)爐或電弧爐煉鋼；3）爐外精煉（二次精煉）；4）連鑄。

煉鋼過程是個氧化過程，其去除雜質(zhì)的主要手段是向熔池吹入氧氣并加入造渣劑形成熔渣出來。脫碳反應(yīng)是煉鋼過程的主要手段，硅、錳、磷、硫等元素也通過氧化反應(yīng)去除。鋼鐵生產(chǎn)工藝流程圖長流程短流程5.1.3鋼材分類—按冶煉方式分類三大類:（1）轉(zhuǎn)爐鋼（2）平爐鋼（3）電爐鋼；（1）轉(zhuǎn)爐鋼：以熔融的鐵水為原料、由轉(zhuǎn)爐的底部或側(cè)面向轉(zhuǎn)爐中吹入高壓熱空氣（或氧氣）進(jìn)行冶煉而得到的鋼，叫做轉(zhuǎn)爐鋼；轉(zhuǎn)爐鋼的缺點：吹煉時易混入空氣中的氮、氫等雜質(zhì)，故建筑中常用的是氧氣轉(zhuǎn)爐鋼；熔煉時間短，雜質(zhì)含量不易控制，因此質(zhì)量差；（2）平爐鋼：以固態(tài)或液態(tài)的生鐵、鐵礦石或廢鋼為原料、用煤氣或重油為燃料在平爐中冶煉而得到的鋼，叫做平爐鋼；平爐鋼的特點：熔煉時間長，易控制質(zhì)量，因此質(zhì)量好，但成本較轉(zhuǎn)爐鋼高；5.1.3鋼材分類—按冶煉方式（3）電爐鋼：用電熱進(jìn)行高溫冶煉而得到的鋼；一般用高壓電弧作為熱源，故熔煉的溫度高，且溫度可以自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)則容易得多，故電爐鋼的質(zhì)量最好；電爐鋼的特點：熔煉溫度可自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)徹底，因此質(zhì)量最好，但成本最高；5.1.3鋼材分類—按冶煉方式（1）沸騰鋼；（2）鎮(zhèn)靜鋼；（3）半鎮(zhèn)靜鋼(1)沸騰鋼：

含雜質(zhì)較多，質(zhì)量較差，致密性差，但成本低；（2）鎮(zhèn)靜鋼結(jié)構(gòu)致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，是質(zhì)量較好的鋼種，但是產(chǎn)品率低，且成本較高；（3）半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度以及鋼的質(zhì)量介于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼之間；

5.1.3鋼材分類—按脫氧程度(1）熱加工鋼材：

是將鋼錠加熱到一定溫度，使得鋼錠成呈塑性狀態(tài)進(jìn)行的壓力加工，如熱軋、熱鍛（2）冷加工鋼材：指在常溫下進(jìn)行加工的鋼材；壓力加工的目的：排掉冶煉、鑄錠過程中鋼材結(jié)構(gòu)的不均勻、氣泡等缺點；5.1.3鋼材分類—按加工方式分類：（1）碳素鋼；（2）合金鋼（1）碳素鋼：

指含碳量小于2%的鋼，一般又分為以下三種：碳素鋼分為：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼（2）合金鋼：

為改善鋼的某些性質(zhì)而特意加入的一定量的一種或幾種合金元素；如硅、錳和鎳等；合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼。5.1.3鋼材分類—按化學(xué)成分（1）普通質(zhì)量鋼；（2）優(yōu)質(zhì)鋼；（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼；（4）特級優(yōu)質(zhì)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼：(1)普通鋼（P≤0.045%，S≤0.055%）(2)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.040%）(3)高級優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.030%）(3)特級優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.025%）5.1.3鋼材分類—按主要質(zhì)量等級(1)建筑及工程用鋼；（2）結(jié)構(gòu)鋼；（3）工具鋼；（4）特殊性能鋼；（5）專業(yè)用鋼(1)建筑及工程用鋼：a.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；b.低合金結(jié)構(gòu)鋼；c.鋼筋鋼。

(2)結(jié)構(gòu)鋼：a.機(jī)械制造用鋼：(a)調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼；(b)表面硬化結(jié)構(gòu)鋼：包括滲碳鋼、滲氨鋼、表面淬火用鋼；(c)易切結(jié)構(gòu)鋼；(d)冷塑性成形用鋼：包括冷沖壓用鋼、冷鐓用鋼。

b.彈簧鋼

c.軸承鋼

(3)工具鋼：a.碳素工具鋼；b.合金工具鋼；c.高速工具鋼。

(4)特殊性能鋼：a.不銹耐酸鋼；b.耐熱鋼：包括抗氧化鋼、熱強(qiáng)鋼、氣閥鋼；c.電熱合金鋼；d.耐磨鋼；e.低溫用鋼；f.電工用鋼。

(5)專業(yè)用鋼——如橋梁用鋼、船舶用鋼、鍋爐用鋼、壓力容器用鋼、農(nóng)機(jī)用鋼等。5.1.3鋼材分類—按用途5.1.4鋼鐵牌號及表示方法牌號的表示原則依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221-2008,牌號中采用大寫漢語拼音字母、化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示鋼號表示法優(yōu)質(zhì)碳素鋼——08F20R沸騰鋼含碳量為0.08%；容器鋼含碳量為0.2%例：普通碳素鋼——Q235-AF沸騰鋼類別為A鋼材屈服點(MPa)屈服點屈字的拼音首位字母低合金鋼——16MnR16——含碳量0.16%；

Mn——合金元素；

R——容器鋼。特殊性能鋼——1Cr18Ni91——含碳量0.1%（千分?jǐn)?shù)）；

Cr,Ni——主要合金元素；

18——含鉻量18%；

9——含鎳量9%。

5.1.4鋼的熱處理

定義：鋼的熱處理是指在固態(tài)下通過對鋼進(jìn)行不同的加熱、保溫、冷卻來改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要性能的一種工藝熱處理工藝曲線：金屬材料中的金相組織發(fā)生變化！鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體

常用熱處理工藝緩慢加熱，保溫一定時間后

※隨爐冷卻（曲線1）--退火；※空氣中冷卻（曲線2）--正火；

作用：①降低硬度，增加塑性，改善機(jī)械性能；②使組織均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力?！咀ⅰ考訜釡囟葹榕R界點（鋼的內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度)以上30～50℃。Ac1：加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度;

Ac3：加熱時先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的終了溫度。緩慢加熱，保溫一定時間

淬火劑中冷卻（曲線3）；淬火劑:

水，鹽水---用于碳鋼；油---用于合金鋼。

作用：提高硬度、強(qiáng)度和耐磨性。

淬火淬火后再進(jìn)行一次較低溫度的加熱與冷卻。作用：消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，滿足技術(shù)要求。回火又分為：低溫回火（150～250℃）；中溫回火（300～450℃）；高溫回火（500～680℃）。

※淬火+高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。效果：強(qiáng)度、塑性、韌性均提高?；鼗饖W氏體不銹鋼加熱到1000~1100℃，保溫一定時間后快速冷卻，獲得單相奧氏體組織的工藝方法稱為固溶處理。作用：處理的奧氏體不銹鋼具有一定強(qiáng)度、很高的韌性和優(yōu)良的耐蝕性。固溶5.1.5材料的性能力學(xué)性能在外力作用下不產(chǎn)生超過允許的變形或不被破壞的能力。如彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度和韌性等指標(biāo)。1.強(qiáng)度及其主要指標(biāo).

固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形或斷裂的特性。例如：※容器爆裂；※管道破裂;※地腳螺栓拉斷;※爐管爆裂；..——強(qiáng)度不夠?。?）屈服點屈服現(xiàn)象：金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形。屈服點：（

s）——材料發(fā)生屈服時的應(yīng)力。單位：MPa?！恍┖辖饹]有明顯的屈服點,規(guī)定發(fā)生0.2%殘余變形時的應(yīng)力，作為“條件屈服點”。記作σ0.2（2）抗拉強(qiáng)度(sb)定義：金屬材料在受力過程，發(fā)生斷裂所達(dá)到的最大應(yīng)力值，以σb

表示，單位MPa。是壓力容器設(shè)計常用的性能指標(biāo)。屈強(qiáng)比：

s/σb

屈強(qiáng)比小，表明材料具有較大的塑性儲備。（3）蠕變極限（sn）蠕變現(xiàn)象：高溫時，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時間而增加的現(xiàn)象；或者金屬在高溫和存在內(nèi)應(yīng)力情況下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象；蠕變極限：材料在高溫下，抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力，以σn表示，單位MPa。（4）持久強(qiáng)度（sD）定義：在一定溫度下，經(jīng)過一定時間斷裂時的應(yīng)力，以σD表示，單位MPa。----是一定溫度和一定載荷下，材料抵抗斷裂的能力。材料抵抗斷裂的能力越大，在相同的條件下，能支持的時間越久。規(guī)定：化工設(shè)備設(shè)計壽命一般為十萬小時，所以用試件在十萬小時斷裂時的應(yīng)力作為持久強(qiáng)度。設(shè)備的設(shè)計壽命?。?）疲勞強(qiáng)度構(gòu)件或零件受到大小和方向變化的交變載荷作用，應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服點就斷裂--疲勞。疲勞極限---構(gòu)件或零件在交變載荷作用下不致斷裂的最大應(yīng)力。表示符號：σ-1(MPa)。例如：

頻繁開、停車--容器內(nèi)壓力或溫度波動；活塞式壓縮機(jī)壓縮氣體--容器及管道內(nèi)壓力波動；離心泵頻繁開停機(jī)或震動--泵軸受力成交變式。

2.塑性金屬的塑性：金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。納米銅的室溫超塑性—盧柯院士塑性指標(biāo)的實際意義：意義：便于成型加工和焊接。如彎卷、鍛壓、冷沖、焊接等；使構(gòu)件在承載后由于變形而避免發(fā)生斷裂?！獕毫θ萜骷捌淞慵夹枰邆溥@個性質(zhì)。塑性指標(biāo)：

延伸率、斷面收縮率、冷彎性能3.硬度的概念金屬材料表面抵抗其它硬物壓入的能力。硬度高材料強(qiáng)度也高，耐磨性較好；—綜合性能指標(biāo)。

布氏硬度試驗示意圖4.沖擊韌性材料在外加動載荷作用下的一種吸收機(jī)械能，迅速塑性變形，抵抗斷裂的能力。材料的沖擊韌性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其沖擊韌性不一定高。

頭盔抵抗子彈5.缺口敏感性——在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

韌性范疇——靜載荷下抵抗裂紋擴(kuò)展的性能。沖擊韌性？

——是動載荷作用下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。物理性能——密度，熔點，線膨脹系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容，電阻率，磁導(dǎo)率，彈性模量，泊桑比等?；ぴO(shè)備設(shè)計與制造主要考慮的物理性能：線膨脹系數(shù)異種鋼焊接——收縮率不同，引起變形或損壞；復(fù)合鋼板（如不銹鋼與碳鋼)——熱變性不同,容器殼體將會？設(shè)備襯里（如碳鋼殼體內(nèi)噴涂鋁）——熱變性不同時？固定管板式換熱器的管子與殼體——線膨脹量相差過大，將會？碳鋼表面電鍍一層銅——升溫后會？彈性模量E：金屬材料對彈性變形抗力的指標(biāo)，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的。隨著溫度升高而降低。泊松比μ：拉伸試件的單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。各種鋼材近乎為μ=0.3?；瘜W(xué)性能