《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（第8版）》全套教學(xué)課件

全套可編輯PPT課件第1章化工設(shè)備材料及其選擇第2章容器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)第3章內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析第4章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)第5章外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)第6章容器零部件第7章熱交換器的機(jī)械設(shè)計(jì)第8章塔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)第9章攪拌器的機(jī)械設(shè)計(jì)正確選擇和使用材料是化工容器與設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)及重要環(huán)節(jié)。本篇主要內(nèi)容如下：

1.詳細(xì)介紹化工設(shè)備用材料的基礎(chǔ)知識(shí)，其主脈絡(luò)是講述材料的性能（包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能及加工工藝性能）、影響材料性能的因素（金屬材料的組織、結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等），以及通過(guò)改變金屬材料的化學(xué)成分、進(jìn)行熱處理等方法和途徑達(dá)到獲得理想材料的目的。

2.詳細(xì)介紹我國(guó)最新金屬材料標(biāo)準(zhǔn)，普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和鑄鐵的牌號(hào)、性能及選用，以及化工設(shè)備應(yīng)用最廣泛的低合金鋼和化工設(shè)備用的特種鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、低溫用鋼等。

3.簡(jiǎn)要介紹鋁、銅、鉛、鈦及其合金，無(wú)機(jī)、有機(jī)非金屬材料的種類及應(yīng)用。

4.簡(jiǎn)要講述化工設(shè)備的腐蝕與防護(hù)措施,著重介紹氫腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕的機(jī)理及防腐措施。通過(guò)本篇內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使大家初步學(xué)會(huì)正確合理地選用承壓類化工容器和設(shè)備用材料。第1篇化工設(shè)備材料

1.1概述

1.2材料的性能

1.3金屬材料的分類與牌號(hào)

1.4碳鋼與鑄鐵

1.5低合金鋼

1.6有色金屬材料

1.7非金屬材料

1.8化工設(shè)備的腐蝕及防腐措施

1.9化工設(shè)備材料的選擇1概述1.1概述化學(xué)工業(yè)是多品種的基礎(chǔ)工業(yè),化工設(shè)備的種類很多,設(shè)備的操作條件也比較復(fù)雜。依據(jù)操作壓力,有真空、常壓、低壓、中壓、高壓和超高壓設(shè)備;依據(jù)操作溫度,有低溫、常溫、中溫和高溫設(shè)備;處理的介質(zhì)大多數(shù)有腐蝕性或易燃、易爆、有毒等。甚至對(duì)于某種具體設(shè)備來(lái)說(shuō),既有溫度、壓力要求,又有耐腐蝕要求,而且這些要求有時(shí)還互相制約,有時(shí)某些條件又經(jīng)常變化。這種多樣性的操作特點(diǎn),為化工設(shè)備材料選用帶來(lái)了復(fù)雜性,因此合理選用化工設(shè)備用材料是設(shè)計(jì)化工設(shè)備的重要環(huán)節(jié)。在選擇材料時(shí),必須根據(jù)材料的各種性能及其適用范圍,綜合考慮具體的操作條件,抓住主要矛盾,遵循適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。1.1概述選用材料的一般要求是:(1)材料品種應(yīng)符合我國(guó)資源和供應(yīng)情況;(2)材質(zhì)可靠,能保證使用壽命;(3)要有足夠的強(qiáng)度,良好的塑性和韌性;(4)對(duì)腐蝕性介質(zhì)具有良好的耐腐蝕性;(5)便于制造加工,焊接性能良好;(6)經(jīng)濟(jì)上合理。1.1概述例如,對(duì)于壓力容器用材料來(lái)說(shuō),經(jīng)常在有腐蝕性介質(zhì)的條件下工作,除了承受較高的介質(zhì)壓力以外,有時(shí)還會(huì)受到?jīng)_擊和疲勞載荷的作用;在制造過(guò)程中,材料還要經(jīng)歷各種冷、熱加工(如下料、卷板、焊接、熱處理等)使之成型,因此,對(duì)壓力容器用材料有較高的要求。除了依據(jù)介質(zhì)不同要有耐腐蝕要求以外,還應(yīng)有較高的強(qiáng)度,良好的塑性、韌性和冷彎性能,低缺口敏感性,良好的加工和焊接性能。對(duì)低合金鋼板材要注意是否有分層、夾渣、白點(diǎn)和裂紋等缺陷,尤其白點(diǎn)和裂紋是絕對(duì)不允許存在的。對(duì)中、高溫容器,由于鋼材在中、高溫的長(zhǎng)期作用下,金相組織和力學(xué)性能等將發(fā)生明顯的變化,又由于化工用的中、高溫容器往往都要承受一定的介質(zhì)壓力,故在選材時(shí)還必須考慮材料的組織穩(wěn)定性和中、高溫的力學(xué)性能。對(duì)于低溫容器用鋼,要著重考慮材料在低溫下的脆性破壞問(wèn)題。2材料的性能1.2.1力學(xué)性能構(gòu)件在使用過(guò)程中受力(載荷)超過(guò)某一限度時(shí),就會(huì)發(fā)生變形,甚至斷裂。將材料抵抗力學(xué)性能外力(或外加能量)所表現(xiàn)的行為,包括變形和斷裂,即在外力作用下不產(chǎn)生超過(guò)允許的變形或不被破壞的能力,叫作材料的力學(xué)性能(也稱機(jī)械性能)。通常用材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度和韌性等特征指標(biāo)來(lái)衡量。金屬材料在外力作用下所引起的變形和斷裂過(guò)程,大致可分為三個(gè)階段:

(1)彈性變形階段;

(2)彈-塑性變形階段;

(3)斷裂階段。一般的斷裂有兩種形式:斷裂之前沒(méi)有明顯塑性變形階段,稱為脆性斷裂;經(jīng)過(guò)大量塑性變形之后才發(fā)生斷裂,稱為韌性斷裂。1.2.1力學(xué)性能1.強(qiáng)度強(qiáng)度是固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有：屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能2.塑性塑性是金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。塑性指標(biāo)是指金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率(A)和斷面收縮率(Z)。1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能3.硬度硬度是指金屬材料表面上不大的體積內(nèi)抵抗其他更硬物體壓入表面發(fā)生變形或破裂的能力;或稱在外力作用下,材料抵抗局部變形,尤其是抵抗塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是衡量材料軟硬的指標(biāo),它不是一個(gè)單純的物理量,而是反映材料彈性、強(qiáng)度、塑性和韌性等的綜合性能指標(biāo)。常用的硬度測(cè)量方法是用一定的載荷(壓力)把一定的壓頭壓入金屬表面,然后測(cè)定壓痕的面積或深度。當(dāng)壓頭和壓力一定時(shí),壓痕越深或面積越大,硬度就越低。根據(jù)壓頭和壓力的不同,常用的硬度指標(biāo)可分為布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、維氏硬圖1-2布氏硬度試驗(yàn)示意圖度(HV)和肖氏硬度(HS)等。1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能4.沖擊吸收能量沖擊吸收能量是衡量材料韌性的一個(gè)指標(biāo),是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力,常以標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收能量KV2表示。目前工程上常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬承受沖擊載荷的能力。其試樣的安放和試樣原理如圖1-3和圖1-4所示。1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能1.2.1力學(xué)性能5.缺口敏感性缺口敏感性是指在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下,材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力,屬于材料的韌性范疇。但缺口敏感性和沖擊韌性不同。缺口敏感性是在靜載荷下抵抗裂紋擴(kuò)展的性能,而沖擊韌性是指材料承受動(dòng)載荷時(shí)抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。一種常用缺口敏感性試驗(yàn)方法是:從垂直鋼材軋制面方向開(kāi)出帶有60°角的V形缺口,缺口深度為2mm,在油壓機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn),彎曲時(shí)支點(diǎn)的跨距為40mm,求得載荷F與撓度f(wàn)的關(guān)系曲線,根據(jù)曲線的陡降程度判定缺口敏感性是否合格。1.2.2物理性能金屬材料的物理性能有相對(duì)密度ρr、熔點(diǎn)tm、比熱容c、導(dǎo)熱系數(shù)λ、線膨脹系數(shù)α、電阻率ρ、彈性模量Ε及泊松比μ(有時(shí)也將彈性模量和泊松比歸入材料的力學(xué)性能)等。1.2.2物理性能1.線膨脹系數(shù)α1.2.2物理性能2.彈性模量Ε與泊松比μ材料在彈性范圍內(nèi),應(yīng)力和應(yīng)變成正比,即σ=Eε。比例系數(shù)稱為彈性模量,單位為MPa,彈性模量表示金屬材料在彈性變形階段的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。彈性模量是金屬材料對(duì)彈性變形抗力的指標(biāo),用以衡量材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度的。材料的彈性模量越大,使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越大。金屬的彈性模量主要取決于金屬原子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶點(diǎn)陣和溫度等因素,而合金化、熱處理和冷熱加工等因素對(duì)它的影響很小,因此,彈性模量是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。對(duì)同一種材料,彈性模量E隨溫度的升高而降低。泊松比是拉伸試驗(yàn)中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長(zhǎng)之比,以μ表示。對(duì)于各種鋼材,泊松比近乎為常數(shù),即μ=0.3。1.2.2物理性能1.2.3化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能是指材料在所處介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性,即材料是否會(huì)與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用而引起腐蝕。金屬的化學(xué)性能主要包括耐腐蝕性和抗氧化性。1.2.3化學(xué)性能1.耐腐蝕性金屬和合金對(duì)周?chē)橘|(zhì),如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力叫作耐腐蝕性。腐蝕包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種類型?；瘜W(xué)腐蝕一般在干燥氣體及非電解質(zhì)溶液中進(jìn)行,腐蝕時(shí)沒(méi)有電流產(chǎn)生;電化學(xué)腐蝕是在電解液中進(jìn)行,腐蝕時(shí)有微電流產(chǎn)生。根據(jù)介質(zhì)侵蝕能力的強(qiáng)弱,對(duì)于不同介質(zhì)中工作的金屬材料的耐腐蝕性要求也不相同。如海洋設(shè)備及船舶用鋼,須耐海水及海洋大氣腐蝕;而貯存和運(yùn)輸酸的容器、管道等,則應(yīng)具有較高的耐酸性能。一種金屬材料在某種介質(zhì)、某種條件下是耐蝕的,而在另一種介質(zhì)或條件下就可以不耐蝕。如鎳鉻不銹鋼在稀酸中耐蝕,而在鹽酸中則不耐蝕;銅及其合金在一般大氣中耐蝕,但在氨水中卻不耐蝕。常用金屬材料在不同溫度和濃度的酸堿鹽類介質(zhì)中的耐腐蝕性見(jiàn)表1-5。1.2.3化學(xué)性能1.2.3化學(xué)性能1.2.3化學(xué)性能2.抗氧化性抗氧化性是指金屬材料在高溫條件下抵抗氧化氣氛腐蝕作用的能力。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多設(shè)備,如各種工業(yè)鍋爐、熱加工設(shè)備、汽輪機(jī)及各種高溫化工設(shè)備等,它們?cè)诟邷毓ぷ鳁l件下,不僅有自由氧的氧化腐蝕過(guò)程,還有其他氣體介質(zhì),如水蒸氣、CO2、SO2等的氧化腐蝕過(guò)程,因此鍋爐給水中的氧含量和其他介質(zhì)中的硫及其他雜質(zhì)的含量對(duì)鋼的氧化是有一定影響的。1.2.4加工工藝性能金屬材料的加工工藝性能是指金屬材料適應(yīng)冷或熱加工的能力,即保證加工質(zhì)量的前提下加工過(guò)程的難易程度。加工工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能等。這些性能直接影響化工設(shè)備和零部件的制造工藝方法,也是選擇材料時(shí)必須考慮的重要因素之一。金屬材料的加工分為冷加工和熱加工。冷加工有冷卷、冷沖壓、冷鍛、冷擠壓及機(jī)械切削加工等;熱加工有熱卷、熱沖壓、鑄造、熱鍛、焊接及熱處理等。1.2.4加工工藝性能1.鑄造性能(可鑄性)指金屬材料能用鑄造的方法獲得合格鑄件的性能。鑄造性主要包括流動(dòng)性、收縮性和偏析。流動(dòng)性是指液態(tài)金屬充滿鑄模的能力,收縮性是指鑄件凝固時(shí),體積收縮的程度,偏析是指金屬在冷卻凝固過(guò)程中,因結(jié)晶先后差異而造成金屬內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻性。1.2.4加工工藝性能2.鍛造性能指金屬材料在壓力加工時(shí),能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。它包括在熱態(tài)或冷態(tài)下能夠進(jìn)行錘鍛、軋制、拉伸、擠壓等加工。可鍛性的好壞主要與金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)。1.2.4加工工藝性能3.焊接性能(可焊性)指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性能。主要是指在一定的焊接工藝條件下,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性能包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是結(jié)合性能,即在一定的焊接工藝條件下,一定的金屬形成焊接缺陷的敏感性;二是使用性能,即在一定的焊接工藝條件下,一定的金屬焊接接頭對(duì)使用要求的適用性。1.2.4加工工藝性能4.切削加工性(可切削性,機(jī)械加工性)指金屬材料被刀具切削加工后而成為合格工件的難易程度。切削加工性好壞常用加工后工件的表面粗糙度,允許的切削速度以及刀具的磨損程度來(lái)衡量。它與金屬材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性及加工硬化程度等諸多因素有關(guān)。通常用硬度和韌性大致判斷切削加工性的好壞。一般來(lái)說(shuō),金屬材料的硬度越高越難切削,硬度雖不高,但韌性大,切削也較困難。1.2.4加工工藝性能5.熱處理

(1)退火:指金屬材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?保持一定的時(shí)間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝。常見(jiàn)的退火工藝有:再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的主要是降低金屬材料的硬度,提高塑性,以利切削加工或壓力加工,減少殘余應(yīng)力,提高組織和成分的均勻化,或?yàn)楹蟮罒崽幚碜龊媒M織準(zhǔn)備等。1.2.4加工工藝性能

(2)正火:指將鋼材或鋼件加熱到Ac3或Acm(鋼的上臨界點(diǎn)溫度)以上30~50℃,保持適當(dāng)時(shí)間后,在靜止的空氣中冷卻的熱處理的工藝。正火的目的主要是提高低碳鋼的力學(xué)性能,改善切削加工性,細(xì)化晶粒,消除組織缺陷,為后道熱處理做好組織準(zhǔn)備等。1.2.4加工工藝性能

(3)淬火:指將鋼件加熱到Ac3或Ac1(鋼的下臨界點(diǎn)溫度)以上某一溫度,保持一定的時(shí)間后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度,獲得馬氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝。常見(jiàn)的淬火工藝有鹽浴淬火、馬氏體分級(jí)淬火、貝氏體等溫淬火、表面淬火和局部淬火等。淬火的目的是使鋼件獲得所需的馬氏體組織,提高工件的硬度、強(qiáng)度和耐磨性,為后道熱處理做好組織準(zhǔn)備等。3金屬材料的分類與牌號(hào)1.3.1分類1.黑色金屬黑色金屬是對(duì)鐵、鉻和錳及其合金(尤其是合金鋼及鋼鐵)的統(tǒng)稱。三種金屬都是冶煉鋼鐵的主要原料。1.3.1分類(1)生鐵生鐵是碳含量2.11%~6.67%并含有非鐵雜質(zhì)較多的鐵碳合金。生鐵是高爐產(chǎn)品,按其用途分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵兩大類。習(xí)慣上煉鋼生鐵叫作生鐵,鑄造生鐵簡(jiǎn)稱鑄鐵。鑄造生鐵又可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和特種鑄鐵等品種。生鐵按化學(xué)成分分為普通生鐵和合金生鐵,普通生鐵是指不含其他合金元素的生鐵,如煉鋼生鐵和鑄造生鐵;合金生鐵是指含有共生金屬的鐵礦石或通過(guò)加入其他成分的元素?zé)挸珊卸喾N合金元素的特種生鐵,如錳鐵、硅鐵和鉻鐵等。1.3.1分類(2)鋼鋼是碳含量小于2.11%的鐵碳合金(理論上一般把碳含量小于2.11%的鐵碳合金稱為鋼)。為了保證其韌性和塑性,碳含量一般不超過(guò)1.7%。鋼的主要元素除了鐵、碳外,還有硅、錳、硫、磷等。鋼的分類方法多種多樣,主要分類方法有如下七種:①按品質(zhì)分類普通鋼(磷含量≤0.040%,硫含量≤0.040%)優(yōu)質(zhì)鋼(磷、硫含量均≤0.035%)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(磷含量≤0.030%,硫含量≤0.040%)特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(磷含量≤0.025%,硫含量≤0.020%)1.3.1分類②按化學(xué)成分分類碳素鋼:低碳鋼(碳含量≤0.25%)、中碳鋼(碳含量0.25%~0.60%)、高碳鋼(碳含量>0.60%)合金鋼:低合金鋼(合金元素總含量≤5%)、中合金鋼(合金元素總含量5%~10%)、高合金鋼(合金元素總含量>10%)1.3.1分類③按成形方法分類鍛鋼、鑄鋼、熱軋鋼、冷拉鋼。1.3.1分類④按金相組織分類退火狀態(tài):亞共析鋼(鐵素體+珠光體)、共析鋼(珠光體)、過(guò)共析鋼(珠光體+滲碳體)、萊氏體鋼(珠光體+滲碳體+萊氏體)正火狀態(tài):珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼無(wú)相變或部分發(fā)生相變的1.3.1分類⑤按用途分類建筑及工程用鋼:普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、鋼筋鋼結(jié)構(gòu)鋼:調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、表面硬化結(jié)構(gòu)鋼、冷塑性成形用鋼工具鋼:碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼特殊性能鋼:不銹耐酸鋼、耐熱鋼、低溫用鋼、耐磨鋼專業(yè)用鋼:橋梁用鋼、鍋爐壓力容器用鋼、船舶用鋼1.3.1分類⑥綜合分類普通鋼:碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、特定用途普通結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)鋼:結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼1.3.1分類⑦按冶煉方法分類

a.按爐種分類平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼

b.按脫氧程度和澆注制度分類沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼1.3.1分類2.有色金屬有色金屬又稱非鐵金屬,是指除黑色金屬外的金屬和合金。有色金屬分類方法各種各樣,按照比重來(lái)分,鋁、鎂、鋰、鈉、鉀等的比重小于4.5,稱作輕金屬;銅、鋅、鎳、汞、錫、鉛等的比重大于4.5,稱作重金屬。金、銀、鉑、鋨、銥等比較貴,稱作貴金屬;鐳、鈾、釷、釙等具有放射性,稱作放射性金屬;鈮、鉭、鋯、镥、金、鐳、鉿、鈾等因?yàn)榈貧ぶ泻枯^少,或者比較分散,故稱為稀有金屬。1.3.1分類按合金成分分類:1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法1.牌號(hào)表示原則鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)的表示,通常采用漢語(yǔ)拼音大寫(xiě)字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法。為了便于國(guó)際交流和貿(mào)易,也可采用大寫(xiě)英文字母或國(guó)際慣例表示符號(hào)。1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法

(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)通常由四部分組成:第一部分為前綴符號(hào)+強(qiáng)度值(單位:N/mm2或MPa),其中通用結(jié)構(gòu)鋼前綴符號(hào)為代表屈服強(qiáng)度的拼音字母“Q”;第二部分(必要時(shí))為鋼的質(zhì)量等級(jí),用英文字母A、B、C、D、E、F…表示;第三部分(必要時(shí))為脫氧方式表示符號(hào),即沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼分別用“F”“b”“Z”“TZ”表示,鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼表示符號(hào)通?？梢允÷?第四部分(必要時(shí))為鋼材產(chǎn)品用途、特性和工藝方法表示符號(hào),見(jiàn)表1-6。1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法

(2)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)通常由四部分組成:第一部分以兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均碳含量(以萬(wàn)分之幾計(jì))。第二部分為合金元素含量,以化學(xué)元素符號(hào)①及阿拉伯?dāng)?shù)字表示。平均含量小于1.50%時(shí),牌號(hào)中僅標(biāo)明元素,一般不標(biāo)明含量;平均含量為1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.49%…時(shí),在合金元素后相應(yīng)寫(xiě)成2、3、4、5…。第三部分為鋼材冶金質(zhì)量,即高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼、特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼分別以“A”“E”表示,優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示。第四部分(必要時(shí))為鋼材產(chǎn)品用途、特性和工藝方法表示符號(hào),見(jiàn)表1-6。1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法

(3)不銹鋼和耐熱鋼不銹鋼和耐熱鋼的牌號(hào)由碳含量和合金元素含量?jī)刹糠纸M成。①碳含量用兩位或三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示最佳控制值(以萬(wàn)分之幾或十萬(wàn)分之幾計(jì))。具體表示方法如下:規(guī)定碳含量上限者,當(dāng)碳含量上限不大于0.10%時(shí),以其上限的3/4表示碳含量;當(dāng)碳含量上限大于0.10%時(shí),以其上限的4/5表示碳含量。例如,碳含量上限為0.08%,其牌號(hào)中的碳含量以06表示;碳含量上限為0.20%,其牌號(hào)中的碳含量以16表示;碳含量上限為0.15%,其牌號(hào)中的碳含量以12表示。1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法對(duì)超低碳不銹鋼(即碳含量不大于0.030%),用三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示碳含量最佳控制值(以十萬(wàn)分之幾計(jì))。例如,碳含量上限為0.030%時(shí),其牌號(hào)中的碳含量以022表示;碳含量上限為0.020%時(shí),其牌號(hào)中的碳含量以015表示。規(guī)定上、下限者,以平均碳含量×100表示。例如,碳含量為0.16%~0.25%時(shí),其牌號(hào)中的碳含量以20表示。1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法②合金元素含量合金元素含量以化學(xué)元素符號(hào)及阿拉伯?dāng)?shù)字表示,表示方法同合金結(jié)構(gòu)鋼第二部分。鋼中有意加入的鈮、鈦、鋯、氮等合金元素,雖然含量很低,也應(yīng)在牌號(hào)中標(biāo)出。例如:碳含量不大于0.08%,鉻含量為18.00%~20.00%,鎳含量為8.00%~11.00%的不銹鋼,牌號(hào)為06Cr19Ni10。碳含量不大于0.030%,鉻含量為16.00%~19.00%,鈦含量為0.10%~1.00%的不銹鋼,牌號(hào)為022Cr18Ti。碳含量為0.15%~0.25%,鉻含量為14.00%~16.00%,錳含量為14.00%~16.00%,鎳含量為1.50%~3.00%,氮含量為0.15%~0.30%的不銹鋼,牌號(hào)為20Cr15Mn15Ni2N。碳含量不大于0.25%,鉻含量為24.00%~26.00%,鎳含量為19.00%~22.00%的耐熱鋼,牌號(hào)為20Cr25Ni20。1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法2.鋼號(hào)表示方法1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法3.鋼牌號(hào)新舊對(duì)照1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法1.3.2鋼鐵牌號(hào)及表示方法4.鑄鐵、鑄鋼牌號(hào)表示方法4碳鋼與鑄鐵1.4碳鋼與鑄鐵碳鋼和鑄鐵統(tǒng)稱為鐵碳合金,是工業(yè)中應(yīng)用最廣的合金。碳含量為0.0218%~2.11%的鐵碳合金稱為碳鋼,碳含量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。當(dāng)碳含量小于0.02%時(shí),稱為工程純鐵,工程純鐵極少使用;當(dāng)碳含量大于4.3%時(shí),稱為鑄鐵,鑄鐵太脆,沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)1.金屬的組織與結(jié)構(gòu)工業(yè)上作為結(jié)構(gòu)使用的金屬材料是固態(tài)的。固態(tài)金屬都屬于晶體物質(zhì)。各種鐵碳合金表面上看似乎一樣,但其內(nèi)部微觀情況卻有著很大的差別。如果用金相分析的方法,在金相顯微鏡下可以看到它們的差異。通常在低于1500倍的顯微鏡下觀察到的金屬的晶粒,稱為金屬的顯微組織,簡(jiǎn)稱組織,如圖1-7所示。如果用X光和電子顯微鏡則可以觀察到金屬原子的各種規(guī)則排列,稱為金屬的晶體結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)這種金屬內(nèi)部的微觀組織和結(jié)構(gòu)的不同形式,影響著金屬材料的性質(zhì)。圖1-8為灰鑄鐵中石墨存在的形式與分布,其中球狀石墨的鑄鐵強(qiáng)度最好,細(xì)片狀石墨次之,粗片狀石墨最差。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)如圖1-9所示為純鐵在不同溫度下的晶體結(jié)構(gòu)。其中,圖1-9(a)為面心立方晶格,圖1-9(b)為體心立方晶格,前者的塑性好于后者,而后者的強(qiáng)度高于前者。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)2.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)如圖1-10所示,鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是固態(tài)下鐵原子重新排列的過(guò)程,實(shí)質(zhì)上也是一種結(jié)晶過(guò)程,純鐵塑性較好,強(qiáng)度較低,在工業(yè)上用得很少,常用的是鐵碳合金。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)3.鐵與碳的相互關(guān)系和碳鋼的基本組織碳對(duì)鐵碳合金性能的影響極大,鐵中加入少量的碳以后,強(qiáng)度顯著增加,這是由于碳加入后引起了內(nèi)部組織改變的緣故。兩種物質(zhì)的相互關(guān)系基本上可以分為溶解、化合與混合幾種,而鐵和碳的關(guān)系也遵循這一普遍原則。碳在鐵中的存在形式有固溶體(兩種或兩種以上元素在固態(tài)下互相溶解,而仍然保持溶劑晶格原來(lái)形式的物體叫作固溶體)、化合物和混合物。下面具體介紹鐵和碳溶解、化合和混合所形成的各種基本組織。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)

(1)鐵素體(F)碳溶解在α-Fe中所形成的固溶體叫作鐵素體,用符號(hào)“F”表示,如圖1-11所示。由于α-Fe的原子間隙很小,所以溶碳能力極低,在室溫下僅能溶解0.006%的碳。所以鐵素體強(qiáng)度和硬度低,但塑性和韌性很好。因而含鐵素體的鋼(如低碳鋼)就表現(xiàn)出軟而韌的性能。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)

(2)奧氏體(A)碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶體叫作奧氏體,用符號(hào)“A”表示,如圖1-12所示。由于γ-Fe原子間隙較大,所以碳在γ-Fe鐵中的溶解度比在α-Fe中大得多。如在727℃時(shí)可溶解0.77%,在1148℃時(shí)可達(dá)最大值2.11%。碳鋼只有加熱到727℃(稱為臨界點(diǎn))以上,組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)才存在奧氏體。奧氏體的性能特點(diǎn)是強(qiáng)度、硬度高,塑性低,韌性好,且沒(méi)有磁性。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)

(3)滲碳體(C)鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物,稱為滲碳體,用符號(hào)“C”表示。其中鐵原子與碳原子之比為3∶1,即Fe3C。其碳含量高達(dá)6.69%。Fe3C的性能既不同于鐵,也不同于碳。其硬度高(HBW為784),塑性幾乎為零,熔點(diǎn)約為1600℃。由于Fe3C又硬又脆,純粹的Fe3C在工業(yè)上并無(wú)用處。Fe3C以不同的大小、形狀與分布出現(xiàn)在組織中,對(duì)鋼的組織與性能影響很大。滲碳體在一定條件下可以分解為鐵和碳,這種游離的碳是以石墨形式存在的。鐵碳合金中碳含量小于2%時(shí),其組織是在鐵素體中散布著滲碳體,這就是碳素鋼;當(dāng)碳含量大于2%時(shí),部分碳就以游離石墨的形式存在于合金中,這就是鑄鐵。石墨本身的性質(zhì)是質(zhì)軟,強(qiáng)度低。石墨分布在鑄鐵中相當(dāng)于對(duì)鑄鐵挖了許多孔洞,因而鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和塑性都比鋼的低。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)

(4)珠光體(P)珠光體是鐵素體和滲碳體二者組成的機(jī)械混合物,用符號(hào)“P”表示。碳素鋼中珠光體組織的平均碳含量約為0.77%。它的力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間,即其強(qiáng)度、硬度比鐵素體顯著增高,塑性、韌性比鐵素體要差,但比滲碳體要好得多。

(5)萊氏體(L)萊氏體是珠光體和初次滲碳體共晶混合物,用符號(hào)“L”表示。它存在于高碳鋼和白口鐵中。萊氏體具有較高的硬度(HBW>686),是一種較粗而硬的組織。1.4.1鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)

(6)馬氏體(M)鋼和鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急冷(淬火)下來(lái),得到一種碳原子在α-Fe中過(guò)飽和的固溶體,稱為馬氏體,用符號(hào)“M”表示。馬氏體組織有很高的硬度,而且硬度隨著碳含量的增大而提高。但馬氏體很脆,延展性很低,幾乎不能承受沖擊載荷。馬氏體由于碳原子過(guò)飽和,所以不穩(wěn)定,加熱后容易分解或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織。1.4.2鐵碳合金狀態(tài)圖1.4.2鐵碳合金狀態(tài)圖1.碳鋼在常溫下的組織由圖1-13可以看出,碳含量0.77%的鋼,由單一的珠光體所組成,稱為共析鋼;碳含量小于0.77%的鋼,由鐵素體加珠光體所組成,稱為亞共析鋼;碳含量大于0.77%而小于2.11%的鋼,由珠光體加滲碳體所組成,稱為過(guò)共析鋼。碳含量2.11%~4.3%的鑄鐵,由珠光體加滲碳體加萊氏體所組成。碳含量4.3%的鑄鐵為單一的萊氏體組織。碳含量在4.3%以上的鑄鐵的平衡組織,則由萊氏體加滲碳體所組成。1.4.2鐵碳合金狀態(tài)圖2.臨界點(diǎn)及其意義鋼在加熱或冷卻過(guò)程中,其內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度叫作臨界溫度,或稱臨界點(diǎn)。在狀態(tài)圖中的臨界點(diǎn)有A1(PSK線)、A3(GS線)和Acm(ES線),各臨界點(diǎn)的組織轉(zhuǎn)變情況如下。1.4.2鐵碳合金狀態(tài)圖

A1———在圖中是一條水平線,溫度為727℃,它表示各種鋼在加熱到727℃時(shí),珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變成奧氏體。反之,從高溫冷卻至727℃時(shí),奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。

A3———表示亞共析鋼加熱到A3時(shí),其組織中的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。反之,當(dāng)冷卻到A3時(shí),奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。

Acm———表示過(guò)共析鋼加熱到Acm時(shí),其組織中的滲碳體全部溶解到奧氏體中。反之,當(dāng)冷卻到Acm時(shí),奧氏體中開(kāi)始析出滲碳體。Acm和A3點(diǎn)一樣,都是隨著碳含量的變化而變化。狀態(tài)圖中的ACD線為液相線,即液態(tài)合金開(kāi)始結(jié)晶時(shí)溫度的連線。AECF線為固相線,即液態(tài)合金結(jié)晶終了時(shí)溫度的連線。1.4.2鐵碳合金狀態(tài)圖1.4.2鐵碳合金狀態(tài)圖1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響目前工業(yè)上使用的鋼鐵材料中,碳鋼占有很重要的地位。碳鋼不僅價(jià)格低廉,而且在許多情況下,其性能已能夠滿足使用要求。碳鋼在化工設(shè)備中應(yīng)用也很普遍。普通碳鋼中除碳以外,還含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等元素。這些元素往往并非為改善鋼材質(zhì)量而有意加入的,而是由于礦石及冶煉等原因引入鋼中的,通稱為雜質(zhì)。它們對(duì)碳鋼的性能有一定的影響。1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響1.錳(Mn)的影響錳的含量在0.8%以下時(shí),一般認(rèn)為是常存的雜質(zhì);錳的含量在0.8%以上時(shí),可認(rèn)為是合金元素。前者是冶煉中引入的,可脫氧和減輕硫的有害作用,是一種有益元素。后者當(dāng)錳含量較高時(shí),錳能溶解于鐵素體,起強(qiáng)化鐵素體的作用。按技術(shù)條件規(guī)定,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中錳含量是0.5%~0.8%,而較高錳含量碳鋼中,錳含量是0.8%~1.2%。1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響2.硅(Si)的影響硅的含量小于0.5%時(shí),認(rèn)為是常存的雜質(zhì)。它也是煉鋼過(guò)程中為了脫氧而引入的。脫氧不完全的鋼(如沸騰鋼),其中的硅含量小于0.3%。硅在鋼中或者溶于鐵素體內(nèi),或者以脫氧生成物SiO2的形式殘存于鋼中。溶于鐵素體的硅,可提高鋼的強(qiáng)度、硬度,所以硅算是一種有益元素。1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響3.硫(S)的影響碳鋼中的硫來(lái)源于礦石和冶煉中的焦炭,硫以硫化亞鐵(FeS)的形態(tài)存在于鋼中,FeS和Fe能形成低熔點(diǎn)的化合物(熔點(diǎn)為985℃),其熔點(diǎn)低于鋼材熱加工開(kāi)始溫度(1150~1200℃)。在熱加工時(shí),由于低熔點(diǎn)化合物的過(guò)早熔化而導(dǎo)致工件開(kāi)裂,這種現(xiàn)象稱為“熱脆性”。硫含量越高,熱脆性越強(qiáng),所以硫是一種有害元素,鋼中硫的含量應(yīng)控制在0.07%以下。1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響4.磷(P)的影響磷來(lái)源于礦石。磷在鋼中能溶于鐵素體內(nèi),使鐵素體在室溫時(shí)的強(qiáng)度提高,而塑性、韌性下降,即產(chǎn)生所謂的“冷脆性”,使鋼的冷加工及焊接性能變壞,所以磷是一種有害元素。磷含量越高,冷脆性越強(qiáng),故鋼中磷的含量控制較嚴(yán),一般應(yīng)小于0.06%。1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響5.氧(O)的影響煉鋼以后,氧在鋼中常以MnO、SiO2、FeO、Al2O3等夾雜物形式存在,它們的熔點(diǎn)高,并以顆粒狀存在于鋼中,從而破壞了鋼基體的連續(xù)性,大大降低了鋼的力學(xué)性能,如沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響6.氮(N)的影響鐵素體的溶氮能力很低。當(dāng)鋼中溶有過(guò)量的氮,加熱至200~250℃時(shí),會(huì)析出氮化物,這種現(xiàn)象稱為“時(shí)效”,使鋼的硬度、強(qiáng)度提高,塑性下降。在鋼液中加入Al、Ti進(jìn)行固氮處理,使氮固定在AlN和TiN中,就可以消除鋼的時(shí)效傾向。1.4.3碳鋼中元素對(duì)其性能的影響7.氫(H)的影響氫在鋼中的嚴(yán)重危害是造成“白點(diǎn)”。氫常常存在于軋制的厚板或大鍛件中,在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn),在橫斷面上則表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了“白點(diǎn)”,使用時(shí)會(huì)突然斷裂,造成事故?；毫θ萜饔娩?不允許有“白點(diǎn)”存在。氫產(chǎn)生“白點(diǎn)”冷裂,主要是因?yàn)殇撚筛邷貖W氏體冷卻至較低溫度時(shí),氫在鋼中的溶解度急劇下降。當(dāng)冷卻較快時(shí),氫原子來(lái)不及擴(kuò)散到鋼的表面逸出,留在鋼中一些缺陷處,由原子狀態(tài)氫變成分子狀態(tài)氫。氫分子不能擴(kuò)散,在積聚的局部地區(qū)產(chǎn)生幾百大氣壓的巨大壓力,使該處局部應(yīng)力超過(guò)了鋼的抗拉強(qiáng)度而在該處形成“白點(diǎn)”———裂紋源。1.4.4鋼的熱處理1.4.4鋼的熱處理1.退火與正火退火是把工件加熱到一定溫度,保溫一段時(shí)間,然后隨爐一起緩慢冷卻下來(lái),以得到接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理方法。正火是將工件加熱至臨界點(diǎn)以上30~50℃,并保溫一段時(shí)間,然后將工件從爐中取出置于空氣中冷卻下來(lái)。正火的冷卻速度要比退火的快一些,因而晶粒更細(xì)化。如圖1-16所示為各種退火、正火的加熱溫度及冷卻速度。1.4.4鋼的熱處理1.4.4鋼的熱處理2.淬火與回火淬火是將鋼加熱至淬火溫度———臨界點(diǎn)以上30~50℃(圖1-17),并保溫一定時(shí)間,然后在淬火劑中冷卻以得到馬氏體組織的一種熱處理工藝。1.4.4鋼的熱處理

(1)低溫回火零件經(jīng)淬火后,再加熱至150~250℃,保溫1~3h,然后在空氣中冷卻,得到一種叫作回火馬氏體的組織,硬度比淬火馬氏體稍低,但殘余應(yīng)力得到部分消除,脆性有所降低。一般對(duì)需要硬度高、強(qiáng)度大、耐磨的零件進(jìn)行低溫回火處理。

(2)中溫回火當(dāng)零件具有較高的韌性、彈性和屈服強(qiáng)度時(shí),可采用中溫回火,中溫回火的加熱溫度為350~500℃。1.4.4鋼的熱處理

(3)高溫回火當(dāng)零件的強(qiáng)度、韌性、塑性都較好時(shí),可采用高溫回火。高溫回火的加熱溫度為500~650℃。這種淬火加高溫回火的操作,習(xí)慣上稱為“調(diào)質(zhì)處理”,它可以大大改善零件的力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)處理廣泛地應(yīng)用于各種重要的零件。例如,45鋼經(jīng)正火與調(diào)質(zhì)兩種不同熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表1-12。1.4.4鋼的熱處理3.化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是指將零件放在某種化學(xué)介質(zhì)中,通過(guò)加熱、保溫、冷卻等過(guò)程,使介質(zhì)中的某些元素滲入零件表面,改變表面層的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu),從而使零件表面具有某些性能?；瘜W(xué)熱處理有滲碳、滲氮、滲鉻、滲硅、滲鋁、氰化等。其中,滲碳或碳與氮共滲(氰化)可提高零件的耐磨性;滲鋁可提高抗高溫氧化性;滲氮、滲鉻可顯著提高耐腐蝕性;滲硅可提高耐腐蝕性。1.4.5鑄鐵鑄鐵是鐵、碳和硅等組成的合金的總稱,工業(yè)上常用的鑄鐵一般碳含量為2%~4%,碳在鑄鐵中多以石墨形態(tài)存在,有時(shí)也以滲碳體形態(tài)存在。除碳外,鑄鐵中還含有1%~3%的硅,以及錳、磷、硫等元素。鑄鐵是一種脆性材料,抗拉強(qiáng)度低,但耐磨性、鑄造性、減振性和切削加工性能都很好。鑄鐵在一些介質(zhì)(濃硫酸、醋酸鹽溶液、有機(jī)溶劑等)中還具有相當(dāng)好的耐腐蝕性能。另外,鑄鐵的價(jià)格低廉,因此在工業(yè)中被大量應(yīng)用。1.4.5鑄鐵1.鑄鐵的分類與性能鑄鐵分為球墨鑄鐵、灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、高硅耐腐蝕鑄鐵及合金鑄鐵等?；铱阼T鐵牌號(hào)為HT200、HT250、HT300和HT350,球墨鑄鐵牌號(hào)為QT400-18R。表1-13給出了45鋼、球墨鑄鐵和灰口鑄鐵的力學(xué)性能比較,可見(jiàn),球墨鑄鐵的一些力學(xué)性能指標(biāo)接近45鋼,但遠(yuǎn)高于灰口鑄鐵。1.4.5鑄鐵1.4.5鑄鐵2.壓力容器用鑄鐵的應(yīng)用限制鑄鐵不得用于盛裝毒性程度為極度、高度或中度的危害介質(zhì),以及設(shè)計(jì)壓力不小于0.15MPa的易爆介質(zhì)壓力容器的受壓元件,也不得用于管殼式余熱鍋爐中的受壓元件。除上述壓力容器之外的元件選用以下鑄鐵材料:

(1)球墨鑄鐵的設(shè)計(jì)壓力不大于1.6MPa,設(shè)計(jì)溫度為0~300℃;

(2)QT400-18L的設(shè)計(jì)壓力不大于1.6MPa,設(shè)計(jì)溫度為-10~300℃;

(3)灰口鑄鐵的設(shè)計(jì)壓力不大于0.8MPa,設(shè)計(jì)溫度為10~200℃。5低合金鋼1.5低合金鋼隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)設(shè)備及零件的強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性、耐磨性、耐腐蝕性以及各種物理、化學(xué)性能的要求也越來(lái)越高。而碳素鋼與合金鋼相比,有強(qiáng)度與屈強(qiáng)比低(表1-14)、淬透性差、高溫強(qiáng)度低(表1-15)以及特殊物理、化學(xué)性能差等缺點(diǎn),已不能完全滿足要求,故只有各種合金鋼才能勝任。1.5低合金鋼1.5低合金鋼1.5.1合金元素對(duì)鋼性能的影響為了改善鋼材的性能,在碳鋼中特意加入一些合金元素,即為合金鋼。目前常用的合金元素有鉻(Cr)、錳(Mn)、鎳(Ni)、硅(Si)、硼(B)、鎢(W)、鋁(Al)、鉬(Mo)、釩(V)、鈦(Ti)和稀土元素(RE)等。1.5.1合金元素對(duì)鋼性能的影響鉻是合金鋼主加元素之一,在化學(xué)性能方面,它不僅能提高耐腐蝕性能,也能提高抗氧化性能。當(dāng)其含量達(dá)到13%時(shí),能使鋼的耐腐蝕能力顯著提高。鉻能提高鋼的淬透性,顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性,但會(huì)降低鋼的塑性和韌性。錳可提高鋼的強(qiáng)度。錳含量增加有利于提高鋼的低溫沖擊韌性。1.5.1合金元素對(duì)鋼性能的影響鎳鎳對(duì)鋼鐵性能有良好的作用。它能提高淬透性,使鋼具有很高的強(qiáng)度,而又保持良好的塑性和韌性。鎳能提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性。鎳基合金具有更高的熱強(qiáng)性能。鎳被廣泛應(yīng)用于不銹鋼和耐熱鋼中。硅可提高強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度、耐熱性及耐H2S等介質(zhì)的腐蝕性。硅含量增加會(huì)降低鋼的塑性和沖擊韌性。1.5.1合金元素對(duì)鋼性能的影響硼提高鋼的淬透性、高溫強(qiáng)度,強(qiáng)化晶界。鎢提高鋼的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、抗氫性能,增加淬火鋼回火穩(wěn)定性,使鋼具有熱硬性。鋁為強(qiáng)脫氧劑,能顯著細(xì)化晶粒,提高沖擊韌性,降低冷脆性。鋁還能提高鋼的抗氧化性和耐熱性,對(duì)抵抗H2S介質(zhì)腐蝕有良好作用。鋁的價(jià)格比較便宜,所以在耐熱合金鋼中常以鋁來(lái)代替鉻。1.5.1合金元素對(duì)鋼性能的影響鉬能提高鋼的高溫強(qiáng)度、硬度,細(xì)化晶粒,防止回火脆性。含鉬小于0.6%時(shí)可提高塑性。鉬能抗氫腐蝕。釩可提高鋼的高溫強(qiáng)度,細(xì)化晶粒,提高淬透性。鉻鋼中加一點(diǎn)釩,在保持鋼的強(qiáng)度的同時(shí),能改善鋼的塑性。1.5.1合金元素對(duì)鋼性能的影響鈦為強(qiáng)脫氧劑,可提高強(qiáng)度,細(xì)化晶粒,提高韌性,減小鑄錠縮孔和焊縫裂紋等傾向,在不銹鋼中起穩(wěn)定碳的作用,減少鉻與碳化合的機(jī)會(huì),防止晶間腐蝕,還可提高耐熱性。稀土元素可提高強(qiáng)度,改善塑性、低溫脆性、耐腐蝕性及焊接性能。1.5.1合金元素對(duì)鋼性能的影響1.5.2低合金鋼低合金鋼,亦稱低合金高強(qiáng)度鋼,是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb、低合金鋼P(yáng)等合金元素構(gòu)成的,它的碳含量較低,多數(shù)都小于0.2%,其組織多數(shù)仍為鐵素體和珠光體組織。少量合金元素的加入可以大大提高鋼材的強(qiáng)度,并改善鋼材的耐腐蝕性能和低溫性能。低合金鋼可軋制成各種鋼材,如板材、管材、棒材和型材等。它廣泛用于制造遠(yuǎn)洋輪船、大跨度橋梁、高壓鍋爐、大型容器、汽車(chē)、礦山機(jī)械及農(nóng)業(yè)機(jī)械等。采用Q345R制造的大型化工容器,其重量比采用碳鋼制造的輕1/3;用14Cr1MoR制造的球形貯罐,與碳鋼制造的相比可節(jié)省鋼材45%;用12Cr2Mo1R代替Q245R制造的氨合成塔,每臺(tái)可節(jié)省30~40t鋼材。低合金鋼具有耐低溫性能,這對(duì)北方高寒地區(qū)使用的車(chē)輛、橋梁、容器等具有十分重要的意義。1.5.3不銹耐酸鋼不銹耐酸鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。嚴(yán)格地講,不銹鋼是指耐大氣腐蝕的鋼;耐酸鋼是指能抵抗酸和其他強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。耐酸鋼一般都具有不銹的性能。不銹鋼中同時(shí)加入鉻和鎳,可形成單一的奧氏體組織。根據(jù)所含主要合金元素的不同,不銹鋼常分為以鉻為主的鉻不銹鋼和以鉻、鎳為主的鉻鎳不銹鋼。目前,還有我國(guó)自行研制的節(jié)鎳(無(wú)鎳)不銹鋼。1.5.3不銹耐酸鋼(1)鉻不銹鋼在鉻不銹鋼中,起耐腐蝕作用的主要元素是鉻,鉻能固溶于鐵的晶格中形成固溶體。在氧化性介質(zhì)中,鉻能生成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜,對(duì)鋼材起保護(hù)作用而且耐腐蝕。這種耐腐蝕作用的強(qiáng)弱常與鋼中的碳含量、鉻含量有關(guān)。當(dāng)鉻含量大于11.7%時(shí),鋼的耐腐蝕性會(huì)顯著地提高,而且鉻含量越多越耐腐蝕。但由于碳是鋼中必須存在的元素,它能與鉻形成鉻的碳化物(如Cr23C6等),因而可能消耗大量的鉻,致使鐵固溶體中的有效鉻含量減少,使鋼的耐腐蝕性降低,故不銹鋼中碳含量越少越耐腐蝕。為了使鐵固溶體中的鉻含量不低于11.7%,以保證耐腐蝕性能,就要將不銹鋼的鉻含量適當(dāng)?shù)靥岣?所以實(shí)際應(yīng)用的不銹鋼,其鉻含量都在13%以上。常用的鉻不銹鋼有:1.5.3不銹耐酸鋼①1Cr13(碳含量不大于0.15%)和2Cr13(平均碳含量為0.2%)等鋼種經(jīng)調(diào)質(zhì)后有較高的強(qiáng)度與韌性,并對(duì)弱腐蝕介質(zhì)(如鹽水溶液、稀硝酸、濃度不高的某些有機(jī)酸等)在溫度低于30℃時(shí),有良好的耐腐蝕性。在淡水、海水、蒸氣、潮濕大氣條件下,也具有足夠的耐腐蝕性,但在硫酸、鹽酸、熱硝酸、熔融堿中耐腐蝕性低,故多用作化工設(shè)備中受力大的耐腐蝕零件,如軸、活塞桿、閥件、螺栓、浮閥(塔盤(pán)零件)等。1.5.3不銹耐酸鋼②0Cr13和Cr17Ti等鋼種因含形成奧氏體的碳元素量少(都小于0.1%),鉻含量多,且鉻、鈦(少量)都是形成鐵素體的元素,故在高溫與常溫下都是鐵素體組織,因而常在退火狀態(tài)下使用。它們具有較好的塑性,而且耐氧化性酸(如稀硝酸)和硫化氫氣體腐蝕,故常用來(lái)部分代替高鉻鎳18-8不銹鋼用于化工設(shè)備上,如用于維尼綸生產(chǎn)中耐冷醋酸和防鐵銹污染產(chǎn)品的耐腐蝕設(shè)備上。1.5.3不銹耐酸鋼(2)鉻鎳不銹鋼鉻鎳不銹鋼的典型鋼號(hào)是S30408(0Cr18Ni9),其中含C≤0.08%,Cr17%~19%,Ni8%~11%,故常以其Cr、Ni平均含量“18-8”來(lái)表示這種鋼的代號(hào)。因鋼中含有形成奧氏體的鎳元素量較多,故18-8鋼加熱至1100~1150℃,并在水中淬火后,常溫下也能得到單一的奧氏體組織,鋼中的C、Cr、Ni都固溶于奧氏體晶格中。經(jīng)這種熱處理后,奧氏體18-8不銹鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度、較低的屈服強(qiáng)度、極好的塑性和韌性,其焊接性能和冷彎成型等工藝性能也很好,是目前用來(lái)制造各種貯槽、塔器、反應(yīng)釜、閥件等化工設(shè)備使用最廣泛的一類不銹鋼。1.5.3不銹耐酸鋼

18-8鋼具有鉻不銹鋼的氧化鉻薄膜的保護(hù)作用,且因鎳能使鋼得到單一的奧氏體組織,故在很多介質(zhì)中比鉻不銹鋼具有更高的耐腐蝕性。18-8鋼對(duì)65%以下、溫度低于70℃,或60%以下、溫度低于100℃的硝酸,以及苛性堿(熔融堿除外)、硫酸鹽、硝酸鹽、硫化氫、醋酸等都很耐腐蝕,并且有良好的抗氫、氮性能,而對(duì)還原性介質(zhì),如鹽酸、稀硫酸等則是不耐腐蝕的。18-8鋼在含有氯離子的溶液中易遭受腐蝕,嚴(yán)重時(shí)往往引起鋼板穿孔腐蝕。另外,18-8鋼容易產(chǎn)生一種所謂“晶間腐蝕”的現(xiàn)象。當(dāng)18-8鋼加熱到400~850℃,或自高溫緩慢冷卻(如焊接)時(shí),碳會(huì)從過(guò)飽和奧氏體中以碳化鉻(Cr23C6)的形式沿晶界析出,使奧氏體晶界附近的鉻含量降低至不銹鋼耐腐蝕所需要的最低含量(12%)以下,從而使腐蝕集中在晶界附近的貧鉻區(qū),這種沿晶界附近產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象,稱為晶間腐蝕。1.5.3不銹耐酸鋼1.5.3不銹耐酸鋼1.5.4耐熱鋼在原油加熱、裂解、催化設(shè)備中,常用到許多能耐高溫的鋼材,例如裂解爐管,在工作時(shí)就要求能承受650~800℃的高溫。在這樣高的溫度下,一般碳鋼是無(wú)法承受的,必須采用耐熱鋼。從強(qiáng)度與抗氧化腐蝕兩方面來(lái)考慮,一般碳鋼大多只能用于400℃以下的溫度。當(dāng)使用溫度要求更高時(shí),就應(yīng)選用其他更耐熱的鋼種。1.5.4耐熱鋼1.高溫設(shè)備對(duì)鋼材的要求化學(xué)穩(wěn)定性熱強(qiáng)性1.5.4耐熱鋼

(1)化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性又稱熱穩(wěn)定性,主要是指鋼材抵抗高溫氣體(如O2、H2S、SO2等)腐蝕的能力,但對(duì)一般耐熱鋼來(lái)說(shuō),高溫氣體主要是指O2,所以,耐熱鋼的熱穩(wěn)定性主要是指抗氧化性。在鋼中加入Cr、Al、Si等合金元素,可以提高鋼的熱穩(wěn)定性,這主要是由于鋼中的Cr(或Al、Si)被氧化后能生成一層致密的氧化膜,保護(hù)鋼的表面,從而避免氧的繼續(xù)侵蝕。1.5.4耐熱鋼

(2)熱強(qiáng)性在一定熱穩(wěn)定性的前提下,鋼材的高溫強(qiáng)度越高,蠕變過(guò)程越緩慢,說(shuō)明其熱強(qiáng)性越好。為了提高鋼的熱強(qiáng)性,通常采用三種方法:

①?gòu)?qiáng)化固溶體。②穩(wěn)定金相組織。③提高鋼的再結(jié)晶溫度。1.5.4耐熱鋼2.常用耐熱鋼1.5.5低溫用鋼目前低溫設(shè)備用鋼材,主要是以高鉻鎳鋼為主,其次是使用鎳鋼、銅、鋁等。結(jié)合我國(guó)的資源情況,近年我國(guó)研制成功了無(wú)鉻鎳的低溫鋼系列,并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。例如,使用溫度為-40~-110℃的低溫鋼都屬于低合金鋼,這些低溫鋼的組織均為鐵素體;使用溫度為-196~-253℃的低溫鋼是Fe-Mn-Al系新鋼種,它是單相奧氏體組織。常用低溫鋼的主要化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)及力學(xué)性能見(jiàn)表1-19。1.5.5低溫用鋼1.5.6鍋爐和壓力容器用鋼1.壓力容器用鋼材品種1.5.6鍋爐和壓力容器用鋼2.壓力容器用鋼材標(biāo)準(zhǔn)

(1)鋼板

GB/T150.2—2011引用的壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鋼板標(biāo)準(zhǔn)分別為GB713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》、GB/T3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》和GB/T19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》。1.5.6鍋爐和壓力容器用鋼

(2)鋼管

GB/T150.2—2011規(guī)定壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鋼管標(biāo)準(zhǔn)有GB/T8163—2018《輸送流體用無(wú)縫鋼管》、GB/T5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》、GB/T9948—2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》、GB/T6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》。高合金鋼鋼管標(biāo)準(zhǔn)有GB13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》、GB/T21833—2020《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼無(wú)縫鋼管》等。1.5.6鍋爐和壓力容器用鋼

(3)鍛件

GB/T150.2—2011規(guī)定壓力容器用鍛件標(biāo)準(zhǔn)有NB/T47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和低合金鋼鍛件》、NB/T47009—2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》、NB/T47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》。6有色金屬材料1.6有色金屬材料有色金屬及其合金的種類很多,常用的有鋁、銅、鉛、鈦等及其合金。在石油化工中,由于耐腐蝕、低溫、高溫、高壓等特殊工藝條件的要求,設(shè)備的材質(zhì)也經(jīng)常采用有色金屬及其合金。有色金屬具有很多優(yōu)越性能,例如,銅有良好的導(dǎo)電性和低溫韌性;鋁的相對(duì)密度小,耐硝酸腐蝕;鉛能防輻射,耐稀硫酸等多種介質(zhì)的腐蝕。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹幾種常用的有色金屬及其合金的性能和用途。1.6.1鋁及其合金1.工業(yè)純鋁鋁的密度為2.72kg/m3,約為鐵密度的1/3。鋁的熔點(diǎn)與其純度有關(guān),并隨鋁的純度的提高而升高。當(dāng)鋁的純度達(dá)到99.996%時(shí),熔點(diǎn)為660.24℃。鋁具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性,其導(dǎo)電性僅次于銀和銅,在所有金屬中居第三位。由于鋁和氧有較強(qiáng)的親和力,在室溫下能與空氣中的氧發(fā)生化合并生成致密的氧化膜牢固地附著于基體金屬表面,從而阻止氧進(jìn)一步與基體金屬化合,因此鋁在大氣中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。鋁為面心立方晶格,因此較容易發(fā)生滑移變形,所以具有塑性高而強(qiáng)度低的力學(xué)性能特點(diǎn)。工業(yè)純鋁的力學(xué)性質(zhì)與純度有關(guān),純度越高則塑性越好、強(qiáng)度越低。容器中常用的純鋁牌號(hào)有5083、5086等。1.6.1鋁及其合金2.鋁合金在鋁中適當(dāng)添加銅、鋅、鎂、硅、錳及稀土元素等構(gòu)成的合金稱為鋁合金。所添加的合金元素在固態(tài)鋁中的溶解度一般都是有限的,因此在鋁合金的組織中除了會(huì)形成鋁基固溶體外,還會(huì)有第二相———金屬間化合物。鋁合金保持了純鋁的相對(duì)密度小、耐腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn),其力學(xué)性能大幅度提高。經(jīng)過(guò)熱處理的鋁合金的力學(xué)性能完全可以和鋼鐵材料相媲美。鋁合金的上述特性,使其在航空工業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)在化工、石油化工行業(yè)的應(yīng)用也在逐漸增加。另外,由于鋁及鋁合金具有面心立方晶格,在低溫時(shí)無(wú)脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,因此非常適用于制造深冷設(shè)備中的容器、貯罐及管道等。1.6.1鋁及其合金3.鋁合金牌號(hào)表示方法鋁合金牌號(hào)按GB/T16474—2011《變形鋁及鋁合金牌號(hào)表示方法》執(zhí)行。

1000系列為純鋁板,如1100、1145,這類鋁板鋁含量為99%以上。

2000系列為以銅為合金元素的鋁板,銅含量為2%~5%,常用于航空航天工業(yè),又稱航空鋁材。

3000系列為以錳為合金元素的鋁板,錳含量為2%~5%,具有一定防銹性能,廣泛用于空調(diào)、冷箱等潮濕環(huán)境。

4000系列為以硅為合金元素的鋁板,目前應(yīng)用不太廣泛。1.6.1鋁及其合金

5000系列為以鎂為合金元素的鋁板,主要有5052、5083等牌號(hào),具有比重輕、抗拉強(qiáng)度高、延伸性良好、耐腐蝕性能良好等特性,主要用于焊接結(jié)構(gòu)、貯槽、壓力器皿、運(yùn)輸槽罐等。

6000~8000系列目前不常用。鋁制化工設(shè)備具有鋼所沒(méi)有的優(yōu)越性能,它在化工生產(chǎn)中有許多特殊用途。如鋁的導(dǎo)熱性能好,適于制作換熱設(shè)備;鋁不會(huì)產(chǎn)生火花,可用來(lái)制作貯存易揮發(fā)性介質(zhì)的容器;鋁不會(huì)使食物中毒,不污染物品,不改變物品顏色,在食品工業(yè)中可廣泛用以代替不銹鋼制作有關(guān)設(shè)備;高純鋁可用來(lái)制作高壓釜、漂白塔設(shè)備及濃硝酸貯槽、槽車(chē)、管道、泵、閥門(mén)等。鋁及鋁合金用于壓力容器受壓元件時(shí)的使用規(guī)定:設(shè)計(jì)壓力不大于16MPa;鎂含量大于或等于3%的鋁合金(如5083、5086),設(shè)計(jì)溫度為-269~65℃,其他牌號(hào)的鋁和鋁合金,設(shè)計(jì)溫度為-269~200℃。1.6.2銅及其合金1.銅純銅又稱紫銅。純銅塑性好,導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性很高,在低溫下可保持較高的塑性和沖擊韌性,多用來(lái)制作深冷設(shè)備和高壓設(shè)備的墊片。銅耐稀的硫酸、亞硫酸,稀的和中等濃度的鹽酸、醋酸、氫氟酸及其他非氧化性酸的腐蝕。銅不耐各種濃度的硝酸。在氨和銨鹽溶液中,會(huì)形成可溶性的銅氨離子[Cu(NH3)4]2+,故不耐腐蝕。銅用于深度冷凍分離氣體的裝置中,也用于有機(jī)合成及有機(jī)酸工業(yè)。銅可用來(lái)制作蒸發(fā)器、蒸餾釜、蒸餾塔、蛇管、管子、離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓等?；ど铣Ｓ玫募冦~有T2、T3、T4、TUP(用磷脫氧的無(wú)氧純銅)4種,供應(yīng)品種有板材和管材等。銅板的牌號(hào)、化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1-20。1.6.2銅及其合金1.6.2銅及其合金2.銅合金銅的強(qiáng)度較低,雖然可以通過(guò)加工硬化提高其強(qiáng)度和硬度,但其塑性急劇下降。為了改善銅的性能,在銅中加入鋅、錫等元素,構(gòu)成銅合金。

(1)黃銅銅與鋅的合金稱為黃銅。它的鑄造性能良好,強(qiáng)度比純銅高,價(jià)格也便宜。為了改善黃銅的性能,在黃銅中加入錫、錳、鋁等構(gòu)成特殊黃銅?；ど铣Ｓ玫狞S銅有H80、H68、H62等。H80、H68塑性好,可在常溫下沖壓成型,可用來(lái)制作容器的零件。H62在室溫下塑性較差,但強(qiáng)度較高,價(jià)格低廉,可用來(lái)制作深冷設(shè)備的筒體、管板、法蘭及螺母等。1.6.2銅及其合金

(2)青銅銅與鋅以外的元素組成的合金稱為青銅。銅與錫的合金稱為錫青銅。它具有良好的耐腐蝕性、耐磨性,主要用來(lái)制作耐腐蝕及耐磨零件,如泵殼、閥門(mén)、軸承、渦輪、齒輪及旋塞等。錫青銅分為鑄造和壓力加工兩種,其中以鑄造錫青銅用得最多。用于壓力容器受壓元件的銅及銅合金應(yīng)為退火狀態(tài)。1.6.3鉛及其合金