材料的性能及金属的热处理.ppt

1,热处理安全技术,1材料的性能2金属材料的热处理,2,了解材料各项性能的意义、碳钢与铸铁、常用有色金属和非金属材料的分类。熟悉常用金属材料的机械性能指标和主要化学成分含量。掌握几种常用化工设备材料（普低钢和低合金钢）的牌号、性能、用途；掌握常用金属材料热处理的方法和作用。,3,、概述,化学工业是国民经济的基础产业，各种化学生产工艺的要求各不尽相同，如：压力从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温 以及腐蚀性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极其复杂的操作条件下运行。由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计化工设备的主要环节。,4,例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲劳等；而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。,5,二、材料的性能,材料的性能：材料的力学性能材料的物理性能材料的化学性能材料的加工性能,6,1、力学性能,力学性能是指金属材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。这些性能是化工设备设计中材料选择及计算时决定许用应力的依据。,7,强度,材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力。,8,一般来讲，材料强度仅指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，像弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限和蠕变极限等。材料在常温下的强度指标有屈服强度和抗拉（压）强度。,9,屈服强度表示材料抵抗开始产生大量塑性变形的应力。抗拉强度表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力。在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需要考虑屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比），根据不同的设备要求，其比值应适当。屈强比较小材料制造的零件具有较高的安全可靠性，因为在工作时万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻断裂。但如果屈强比太低，则材料强度的利用率会降低。因此，过大、过小的屈强比都是不适宜的。,10,在化工炼油设备中，很多零部件是长期在高温下工作的，对于制造这些零部件的金属材料的屈服限s、抗拉强度限b都会发生显著变化，必须考虑温度对力学性能的影响。通常随着温度升高，金属的强度降低而塑性增加。,11,另外，金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，会随着时间的延长缓慢地不断发生塑性变化的现象，称为“蠕变”现象。例如，高温高压蒸汽管道虽然其承受的应力远小于工作温度下材料的屈服点，但在长期的使用中则会产生缓慢而连续的变形使管径日趋增大，最后可能导致破裂。材料在高温条件下抵抗这种缓慢塑性变形的能力，用蠕变极限n表示。蠕变极限是指试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或第阶段的蠕变速度等于某规定值时的最大应力。,12,对于长期承受交变应力作用的金属材料，还有考虑“疲劳破坏”。所谓“疲劳破坏”是指金属材料在小于屈服强度极限的循环载荷长期作用下发生破坏的现象。疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此具有很大的危险性，常常造成严重的事故。,13,硬度,硬度是指固体材料对外界物体机械作用（如压陷、刻划）的局部抵抗能力。它是由采用不同的试验方法来表征不同的抗力。硬度不是金属独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。在工程技术中应用最多的是压入硬度，常用的指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV)等。所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗压入物体(钢球或锥体)所引起局部塑性变形的抗力大小。一般情况下，硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，而切削加工性能较差。,14,根据经验，大部分金属的硬度和强度之间有如下近似关系：低碳钢 sb0.36 HB高碳钢 sb0.34 HB灰铸铁 sb0.1 HB 因而可用硬度近似地估计抗拉强度。,15,（三）塑性,塑性是材料或物体受力时,当应力超过弹性极限后,应力与变形不再是线性关系,产生残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。工程上一般以延伸率或断面收缩率作为材料的塑性指标,通常以延伸率大于5%的材料划分为塑性材料。延伸率的大小与试件尺寸有关，为了便于进行比较，须将试件标准化。断面收缩率的大小与试件尺寸无关。,16,材料的延伸率与断面收缩率值愈大，材料塑性愈好。塑性指标在化工设备设计中具有重要意义，有良好的塑性才能进行成型加工，如弯卷和冲压等；良好的塑性性能可使设备在使用中产生塑性变形而避免发生突然的断裂。承受静载荷的容器及零件，其制作材料都应具有一定塑性，一般要求d51020。过高的塑性常常会导致强度降低。,17,（四）韧性,对于承受波动或冲击载荷的零件及在低温条件下使用的设备，其材料性能仅考虑以上几种指标是不够的，必须考虑抗冲击性能。材料的抗冲击能力常以使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积来衡量，称为材料的冲击韧度，以k表示，单位J/cm2。,18,韧性可理解为材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时并迅速塑性变形的能力。韧性高的材料一般都有较高的塑性指标，但塑性指标较高的材料，却不一定具有较高的韧性，原因是在静载下能够缓慢塑性变形的材料，在动载下不一定能迅速地塑性变形。因此，冲击值的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。,19,材料力学性能的各因素之间是相互联系又相互制约的，有些材料强度较高，但它的伸长率及冲击韧性却很低。因此选材时不能只看其单一的性能指标，而应对材料力学性能的诸因素作全面分析。,20,2、物理性能,金属材料的物理性能有密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。单位质量的某种物质温度升高1吸收的热量叫做这种物质的比热容 热导率，或称“导热系数”，是物质导热能力的量度。线膨胀系数：温度每变化1度材料长度变化的百分率。,21,弹性模量：在比例极限内，材料所受应力（如拉伸，压缩，弯曲，扭曲，剪切等）与材料产生的相应应变之比 泊松比：在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值,22,熔点低的金属和合金，其铸造和焊接加工都较容易，工业上常用于制造熔断器等零件；熔点高的合金则可用于制造要求耐高温的零件。金属及合金受热时，一般都会有不同程度的体积膨胀，因此双金属材料的焊接，要考虑它们的线膨胀系数是否接近，否则会因膨胀量不等而使容器或零件变形或损坏。有些设备的衬里及其组合件，其线膨胀系数应和基本材料相同，以免受热后因热胀量不同而松动或破坏。,23,3、化学性能,金属的化学性能是指材料在所处介质中的化学稳定性，即材料是否会与周围介质发生 化学或电化学作用而引起腐蚀。金属的化学性能指标主要有耐腐蚀性和抗氧化性。,24,耐腐蚀性,金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。化工生产中所涉及的物料，常会有腐蚀性。材料的耐蚀性不强，必将影响设备使用寿命，有时还会影响产品质量。,25,抗氧化性,在化工生产中，有很多设备和机械是在高温下操作的，如氨合成塔、硝酸氧化炉、石油气制氢转化炉、工业锅炉、汽轮机等。在高温下，钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀，使钢铁表面形成结构疏松容易剥落的FeO氧化皮；还会与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气体产生高温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能下降，特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳强度。因此，高温设备必须选用耐热材料。,26,3、加工工艺性能,金属和合金的加工工艺性能是指可铸造性能、可锻造性能、可焊性能和可切削加工性能等。这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法和质量。故加工工艺性能是化工设备选材时必须考虑的因素之一。,27,可铸性,可铸造性主要是指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向(合金凝固时化学成分的不均匀析出叫偏析)。流动性好的金属能充满铸型，故能浇铸较簿的与形状复杂的铸件。铸造时，熔渣与气体较易上浮，铸件不易形成夹渣与气孔，且收缩小。铸件中不易出现缩孔、裂纹、变形等缺陷，偏析小，铸件各部位成分较均匀。这些都使铸件质量有所提高。合金钢与高碳钢比低碳钢偏析倾向大，因此，铸造后要用热处理方法消除偏析。常用金属材料中，灰铸铁和锡青铜铸造性能较好。,28,可锻性,可锻性是指金属承受压力加工(锻造)而变形的能力，塑性好的材料，锻压所需外力小，可锻性好。低碳钢的可锻性比中碳钢及高碳钢好；碳钢比合金钢可锻性好。铸铁是脆性材料，目前，尚不能锻压加工。,29,焊接性,这是指能用焊接方法使两块金属牢固地联接，且不发生裂纹，具有与母体材料相当的强度，这种能熔焊的性能称焊接性。焊接性好的材料易于用一般焊接方法与工艺进行焊接，不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接接头强度与母材相当。低碳钢具有优良的焊接性，而铸铁、铝合金等焊接性较差。化工设备广泛采用焊接结构，因此材料焊接性是重要的工艺性能。,30,可切削加工性,切削加工性是指金属是否易于切削。切削性好的材料，刀具寿命长，切屑易于折断脱落，切削后表面光洁。灰铸铁(特别是HT150、HT200)、碳钢都具有较好的切削性。,31,三、碳钢与铸铁,钢和铸铁是工程应用最广泛、最重要的金属材料。它们是由95以上的铁和0.054的碳及1左右的杂质元素所组成的合金，称“铁碳合金”。一般含碳量在0.022者称为钢；大于2者称为铸铁；当含碳量小于0.02时，称纯铁(工业纯铁)；含碳量大于4.3的铸铁极脆，后二者的工程应用价值都很小。,32,1、铁碳合金的组织结构,金属的组织与结构 纯铁的同素异构转变 碳钢的基本组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、马氏体,33,碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳，强度显著增加。这是由于碳引起了铁内部组织的变化，从而引起碳钢的力学性能的相应改变。碳在铁中的存在形式有固溶体（两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体）、化合物和混合物三种。这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。,34,2、钢的热处理,钢、铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，这种加工工艺称为热处理。热处理工艺不仅应用于钢和铸铁，亦广泛应用于其它材料。根据热处理加热和冷却条件的不同，钢的热处理可以分为很多种类：,35,与热处理有关的名词解释,金属具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。金属合金由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。相指金属或合金中化学成分相同、晶格结构相同，或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分。,组织组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。固溶体固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。固溶强化由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。,化合物合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。珠光体机械混合物由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。铁素体碳在-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。,奥氏体碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。渗碳体碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）。珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物（Fe+Fe3C 含碳0.77%）莱氏体渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）,40,退火和正火,退火是把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来的一种热处理工艺。退火的目的在于调整金相组织，细化晶粒，促进组织均匀化，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。正火与退火不同之处，在于正火是将加热后的工件从炉中取出置于空气中冷却。正火和退火作用相似，由于正火的冷却速度要比退火快一些，因而晶粒变细，钢的韧性可显著提高。铸、锻件在切削加工前一般要进行退火或正火。,41,淬火和回火,淬火是将工件加热至淬火温度(临界点以上3050)，并保温一段时间，然后投入淬火剂中冷却的一种热处理工艺。淬火后得到的组织是马氏体。为了保证良好的淬火效果，针对不同的钢种，淬火剂有空气、油、水、盐水，其冷却能力按上述顺序递增。碳钢一般在水和盐水中淬火，合金钢导热性能比碳钢差，为防止产生过高应力，一般在油中淬火。淬火可以增加零件的硬度、强度和耐磨性。淬火时冷却速度太快，容易引起零件变形或裂纹。冷却速度太慢则达不到技术要求。因此，淬火常常是产品质量的关键所在。,42,回火是零件淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性；使金相组织趋于稳定，并获得技术上需要的性能。,43,回火处理有以下几种：,低温回火:淬火后的零件在150250范围内的回火称“低温回火”。低温回火后的组织主要是回火马氏体。它具有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。当要求零件硬度高、强度大、耐磨时，如刃具、量具，一般要进行低温回火处理。,44,中温回火:当要求零件具有一定的弹性和韧性，并有较高硬度时，可采用中温回火。中温回火温度是300450。要求强度高的轴类、刀杆、轴套等一般进行中温回火。,45,高温回火:要求零件具有强度、韧性、塑性等都较好的综合性能时，采用高温回火。高温回火温度为500680。这种淬火加高温回火的操作，习惯上称为调质处理。由于调质处理比其它热处理方法能更好地改善综合力学性能，故广泛应用于各种重要零件的加工中，如各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,46,45号钢经正火与调质两种不同热处理后的力学性能比较。,47,此外，生产上还采用时效热处理工艺。所谓时效是指材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。,48,3、碳钢,常存杂质元素对钢材性能的影响 普通碳素钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。,49,硫：硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和 Fe形成低熔点(985)化合物。而钢材的热加工温度一般在11501200以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S0.02%0.03%；优质钢：S0.03%0.045%；普通钢：S0.055%0.7%以下。,50,磷：磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称“冷脆”。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢：P0.025%；优质钢：P0.04%；普通钢：P0.085%。,51,锰：锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5%0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%1.2%。,52,硅：硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0.03%0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。,53,氧：氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。,54,氮：铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200300加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。,55,氢：钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。,56,分类与编号,根据实际生产和应用的需要，可将碳钢进行分类和编号。分类方法有多种:,57,普通碳素钢普通碳素钢钢号冠以“Q”，代表钢材屈服强度，后面的数字表示屈服强度数值（MPa）。如Q235钢，其屈服强度值为235MPa。必要时钢号后面可标出表示质量等级和冶炼时脱氧方法的符号。质量等级符号分为 A，B，C，D。脱氧方法符号分为F，b，Z，TZ。,58,脱氧方法符号F是指只用弱脱氧剂 Mn脱氧，脱氧不完全的沸腾钢。这种钢在钢液往钢锭中浇注后，钢液在锭模中发生自脱氧反应，钢液中放出大量 CO气体，出现“沸腾”现象，故称为沸腾钢；若在熔炼过程中加入硅、铝等强氧化剂，钢液完全脱氧，则称镇静钢，以Z表示,一般情况Z省略不标；脱氧情况介于以上二者之间时，称半镇静钢，用符号b；采用特殊脱氧工艺冶炼时脱氧完全，称特殊镇静钢，以符号TZ表示。化工压力容器用钢一般选用镇静钢。,59,普通碳素钢有 Q195、Q215、Q235、Q255及 Q275五个钢种。其中屈服强度为235MPa的Q235-A有良好的塑性、韧性及加工工艺性，价格比较便宜，在化工设备制造中应用极为广泛。Q235-A板材用作常温低压设备的壳体和零部件，Q235-A棒材和型钢用作螺栓、螺母、支架、垫片、轴套等零部件，还可制作阀门、管件等等。,60,优质碳素钢：优质钢含硫、磷有害杂质元素较少，其冶炼工艺严格，钢材组织均匀，表面质量高，同时保证钢材的化学成分和力学性能，但成本较高。,61,优质碳素钢的编号仅用两位数字表示，钢号顺序为08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。钢号数字表示钢中平均含碳量的万分之几。如45号钢表示钢中含碳量平均为0.45%(0.42%0.50%)。锰含量较高的优质非合金钢，应将锰元素标出，如45Mn。依据含碳量的不同，可分为优质低碳钢（含C0.25%），如08、10、15、20、25；优质中碳钢（含C量0.3%0.60%）,如30、35、40、45、50与55；优质高碳钢（含C0.6%），如60、65、70、80。,62,优质低碳钢的强度较低，但塑性好，焊接性能好。在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮(08、10)。优质中碳钢的强度较高、韧性较好，但焊接性能较差，不适宜做化工设备的壳体。但可作为换热设备管板，强度要求较高的螺栓螺母等。45号钢常用作化工设备中的传动轴(搅拌轴)。优质高碳钢的强度与硬度均较高。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。,63,高级优质钢：高级优质钢比优质钢中含硫、磷量还少（均0.03%）。它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A,64,碳钢的品种及规格,钢板钢板厚度4mm6mm厚度间隔为0.5mm钢板厚度6mm30mm厚度间隔为 lmm钢板厚度30mm60mm厚度间隔为2mm,65,钢管：钢管有无缝钢管和有缝钢管两类。无缝钢管有冷轧和热轧，冷轧无缝钢管外径和壁厚的尺寸精度均较热轧为高。普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。另外，还有专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有缝管、水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。,66,型钢：型钢主要有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。各种型钢的尺寸和技术参数可参阅附录和有关标准。圆钢与方钢主要用来制造各类轴件；扁钢常用作各种桨叶；角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。,67,铸钢和锻钢：铸钢用 ZG表示，牌号有 ZG25、ZG35等铸钢用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。锻钢有08、10、15、50等牌号。石油化工容器用锻件一般采用20、25等材料，用以制作管板、法兰、顶盖等。,68,四、铸铁,工业上常用的铸铁，其含碳量（质量分数）一般在2%以上，并含有 S、P、Si、Mn等杂质。铸铁是脆性材料，抗拉强度较低，但具有良好的铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中具有相当好的耐腐蚀性能。铸铁生产成本低廉，因此在工业中得到普遍应用。铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。,69,灰铸铁,灰铸铁中的碳大部或全部以自由状态的片状石墨形式存在，断面呈暗灰色，一般含碳量在2.7%4.0%。灰铸铁的抗压强度较大，抗拉强度很低，冲击韧性低，不适于制造承受弯曲、拉伸、剪切和冲击载荷的零件。但它的耐磨性、耐蚀性较好，与其它钢材相比，有优良的铸造性、减振性能，较小的缺口敏感性和良好的可加工性，可制造承受压应力及要求消振、耐磨的零件，如支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、联碱生产中的碳化塔及淡盐水泵等。GB/T9439-1988中，灰铸铁的牌号用名称HT（灰铁二字的汉语拼音第一个字母）和抗拉强度b值表示，如 HT100，其中100表示b 100MPa。常用灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。,70,球墨铸铁,球墨铸铁简称球铁，是大体上为球状的石墨颗粒，分布在以铁为主要成分的金属基体中而构成的铸铁材料。球墨铸铁在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。在酸性介质中，球墨铸铁耐蚀性较差，但在其它介质中耐腐蚀性比灰铸铁好。它的价格低于钢。由于它兼有普通铸铁与钢的优点，从而成为一种新型结构材料。过去用碳钢和合金钢制造的重要零件，如曲轴、连杆、主轴、中压阀门等，目前不少改用球墨铸铁。球墨铸铁的牌号（GB/T1348-1988）用QT、抗拉强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示b 400MPa，18表示=18%。,71,高硅铸铁,高硅铸铁是特殊性能铸铁中的一种，是往灰铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素硅等熔炼而成的。高硅铸铁具有很高的耐蚀性能，且随含硅量的增加耐蚀性能增加。高硅铸铁强度低、脆性大及内应力形成倾向大，在铸造加工、运输、安装及使用过程中若处之不当易于脆裂。高硅铸铁热导率小，线膨胀系数大，故不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。它常用于制作各种耐酸泵、冷却排管和热交换器等。高硅铸铁的牌号有：STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等,72,五、合金钢,随着现代工业和科学技术的不断发展，对设备零件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及物理、化学性能的要求也愈来愈高，碳钢已不能完全满足需要。合金钢是为得到或改善某些性能，在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素所制成的钢。,73,合金钢的分类与编号,通常按合金元素总含量分为：低合金钢合金元素含量5%中合金钢合金元素含量5%10%高合金钢合金元素含量10%按用途分为：,74,我国国家标准规定，合金钢牌号的表示方法有两种：汉字牌号，如35铬钼；用国际化学符号，如35CrMo。其中数字表示平均含碳量（质量分数）的万分之几，合金元素符号后面的数字表示合金元素含量的百分数。含量小于1.5%时，可不标含量。如35CrMo表示这种钢的含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含 Cr、Mo在1%左右。但在特殊情况下易混淆者，在元素符号后亦可表以数字“1”；当平均质量分数1.5%、2.5%，3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。,75,合金元素对钢的影响,目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。,76,铬是合金结构钢主加元素之一，在化学性能方面它不仅能提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。当其含量达到13时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。铬能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但它使钢的塑性和韧性降低。锰可提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。镍钢铁性能有良好的作用。它能提高淬透性，使钢具有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍能提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。,77,硅可提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。铝为强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。铝的价格比较便宜，所以在耐热合金钢中常以它来代替铬钼能提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。钒用于固溶体中可提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。钛为强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中起稳定碳的作用，减少铬与碳化合的机会，防止晶间腐蚀，还可提高耐热性。稀土元素可提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,78,可焊接的低合金高强度结构钢,可焊接的低合金高强度钢碳含量通常小于0.25%。它比碳钢有较高的屈服强度（3001000MPa）和屈强比（ss/sb=0.650.95），较好的冷热加工性能、良好的焊接性能，较低的冷脆倾向以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。,79,（1）高强度钢,按强度级别大致分为350MPa强度级（s为300MPa450MPa），典型牌号为16Mn；400MPa强度级（s为500MPa550MPa），典型钢号为14MnMoV和500MPa。强度级（s为600MPa1000MPa），典型钢号为12MnNiCrMoVCu。这类钢用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等的焊接结构件。,80,（2）低温钢,由于钢的高强度而有较低的韧-脆转变温度。主要钢号有09Mn2V（-70）、06MnNb（-90）等，用于制造低温设备的零部件。,81,（3）耐蚀钢,对大气、海水、硫化氢等环境有一定的耐蚀性，如10MnPNbRE钢能耐海洋大气及海水腐蚀，12MnAlV钢适于制造炼油厂用的耐高温硫化氢设备。低合金高强度钢可轧制成各种钢材，如板材、管材、棒材、型材等。大型化工容器采用16MnR制造，质量比用碳钢减轻 l/3；与碳钢相比，用15MnV制造球形贮罐可节省钢材约45%。用15MnTi代替20g制造合成塔，也可节省钢材。化工设备用低合金高强度钢，除要求强度外，还要求有较好的塑性和焊接性能，以利于设备加工。强度较高者，其塑性与焊接性便有所降低。这是由于含较多合金元素产生过大硬化作用造成的。因此，必须根据容器的具体操作条件(温度、压力)和制造加工(卷板、焊接)要求，选用适当强度级别的钢种。,82,专业用钢,为适应各种条件用钢的特殊要求，对低合金钢的成分、工艺及性能作了相应的调整和补充规定，发展了许多专门用途的钢材，如锅炉用钢，压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。它们的编号方法是在钢号后面分别加注 g、R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。这类钢质地均匀、杂质含量低，能满足某些力学性能的特殊检验项目要求。,83,特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊物理性能或化学性能的钢。不锈钢耐热钢和高温合金低温用钢,84,不锈钢,不锈钢通常是不锈钢和耐酸钢的统称，也称不锈耐酸钢。一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不锈钢，称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质的钢为耐酸钢。不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般均有良好的不锈性能。对不锈钢最重要的性能要求是良好的耐蚀性，合适的力学性能，优良的冷热加工和成型性，以及焊接性能。不锈钢种类繁多，性能各异，通常按钢的金相组织分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢和马氏体不锈钢等。,85,铁素体不锈钢,以铬为主要合金元素，一般含碳0.15，铬量在1230。有些钢种还含有钼、钛等元素。在铬不锈钢中，起耐腐蚀作用的主要元素是铬。当钢中铬的质量分数达到12%左右时，能使钢的表面形成一层极薄且致密的铬氧化膜，阻止了钢基体被继续侵蚀，使钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性上升。,86,铬不锈钢耐蚀性的强弱取决于钢中的含碳量和含铬量，而且含铬量愈多耐蚀性愈好。但是由于钢中碳元素的存在，使其与铬形成铬的碳化物(如 Cr23C6等)而消耗了铬，致使钢中的有效铬含量减少，降低了钢的耐蚀性，故不锈纲中的含碳量都是较低的。为了确保不锈钢具有耐腐蚀性能，使其含铬量大于12%，实际应用的不锈钢中的平均含铬量都在13以上。此类钢的不足之处是，对晶间腐蚀比较敏感；当铬含量高时，脆性转变温度高，可焊性较差。铁素体不锈钢的应用广泛性仅次于奥氏体不锈钢，常用的钢种有 lCr13、2Cr13、0Cr13、0Cr17Ti等。,87,lCr13(含碳量015)、2Cr13(含碳量平均为02)等钢铸造性能良好，经调质处理后有较高的强度与韧性，焊接性能尚好。耐蒸汽、潮湿大气、淡水和海水的腐蚀，对弱腐蚀性介质(如盐水溶液、硝酸、低浓度有机酸等)温度较低（30）时也有较好的耐蚀性。在硫酸、盐酸、热硝酸、熔融碱中耐蚀性较低。主要用在化工机器中制造受冲击载荷较大的零件，如阀、阀件、塔盘中的浮阀、石油裂解设备、高温螺栓、导管及轴与活塞杆等。0Cr13、0Cr17Ti等钢种含C量少(含碳量 C008时，标注0；含碳量 C0.03%时，标注00)含Cr量较多。它们具有较好的塑性，但韧性较差。它们能耐氧化性酸(如稀硝酸)和硫化氢气体的腐蚀，所以可部分代替高铬镍型不锈钢。如可制作硝酸厂和维尼纶厂耐冷醋酸和防铁锈污染产品的耐蚀设备。,88,奥氏体不锈钢,以铬镍为主要合金元素的奥氏体不锈钢是应用最为广泛的一类不锈钢,此类钢包含Cr18Ni8系不锈钢以及在此基础上发展起来的含铬镍更高,并含钼、硅、铜等合金元素的奥氏体类不锈钢。这类钢的特点是，具有优异的综合性能，包括优良的力学性能，冷、热加工和成型性，可焊性和在许多介质中的良好耐蚀性，是目前用来制造各种贮槽、塔器、反应釜、阀件等化工设备最广泛的一类不锈钢材。,89,铬镍不锈钢除像铬不锈钢一样具有氧化铬薄膜的保护作用外，还因镍能使钢形成单一奥氏体组织而得到强化，使得在很多介质中比铬不锈钢更具耐蚀性。如对浓度65%以下，温度低于70或浓度60%以下、温度低于100的硝酸，以及对苛性碱(熔融碱除外)、硫酸盐、硝酸盐、硫化氢、醋酸等都很耐蚀。但对还原性介质如盐酸、稀硫酸则是不耐蚀的。在含氯离子的溶液中，有发生晶间腐蚀的倾向，严重时往往引起钢板穿孔腐蚀。,90,晶间腐蚀:在400800的温度范围内，碳从奥氏体中以碳化铬（Cr23C6）形式沿晶界析出，使晶界附近的合金元素（铬与镍）含铬量降低到耐腐蚀所需的最低含量（12%）以下，腐蚀就在此贫铬区产生。这种沿晶界的腐蚀称为晶间腐蚀。发生晶间腐蚀后，钢材会变得脆、强度很低，破坏无可挽回。为了防止晶间腐蚀，可采取以下几种方法。,91,（1）在钢中加入与碳亲合力比铬更强的钛、铌等元素，以形成稳定的TiC、NbC等，将碳固定在这些化合物中，可大大减少产生晶间腐蚀的倾向。如0Cr18Nil0Ti、0Cr18NillNb等钢种，它们具有较高的抗晶间腐蚀能力。（2）减少不锈钢中的含碳量以防止产生晶间腐蚀。当钢中的含碳量降低后，铬的析出也将减少，如0Cr18Ni9钢。当含碳量0.02%时，即使在缓冷条件下，也不会析出碳化铬，这就所谓的超低碳不锈钢，如00Cr19Nil0。超低碳不锈钢冶炼困难、价格很高。（3）对某些焊接件可重新进行热处理，使碳、铬再固溶于奥氏体中。另外，为了提高对氯离子 Cl-的耐蚀能力，可在铬镍不锈钢中加入合金元素Mo。如lCr18Nil2Mo3Ti。同时加入 Mo、Cu元素，则在室温、浓度为50%以下的硫酸中也具有较高的耐蚀性，也可提高在低浓度盐酸中的抗腐蚀性，如0Cr18Nil8Mo2Cu2Ti。,92,奥氏体类不锈钢的品种很多，以0Cr18Ni9为代表的普通型奥氏体不锈钢用量最大。我国原以1Cr18Ni9Ti为主，近几年正逐步被低碳或超低碳的0Cr18Ni9或00Cr18Ni10所取代。奥氏体不锈钢产品以板材、带材为主。它在石油、化工、食品、制糖、酿酒、医药、油脂及印染工业中得到广泛应用，使用范围在-196600。由于钢含镍量高，因而价格较高。为节约镍并使钢种仍具有奥氏体组织，以用容易得到的锰和氮代替不锈钢中的镍，发展出了铬锰镍氮系和铬锰氮系不锈钢。例如 Cr18Mn8Ni5、Cr18Mn10Ni5Mo3N。而用于制造尿素生产设备的0 Cr17Mn13Mo2N比从国外进口的lCr18Nil2Mo2Ti及l Cr18Nil2Mo3Ti在耐蚀性能上更强。,93,六、有色金属材料,铁以外的金属称非铁金属，也称有色金属。有色金属及其合金的种类很多，常用的有铝、铜、铅、钛等。在石油、化工生产中，由于腐蚀、低温、高温、高压等特殊工艺条件，许多化工设备及其零部件经常采用有色金属及其合金。有色金属有很多优越的特殊性能，例如良好的导电性，导热性，密度小，熔点高，有低温韧性，在空气、海水以及一些酸、碱介质中耐腐蚀等，但有色金属价格比较昂贵。,94,铝及其合金铜及其合金钛及其合金镍及其合金铅及其合金,95,七、非金属材料,非金属材料具有优良的耐腐蚀性，原料来源丰富，品种多样，适合于因地制宜，就地取材，是一种有着广阔发展前途的化工材料。非金属材料既可以用作单独的结构材料，又能作金属设备的保护衬里、涂层，还可做设备的密封材料、保温材料和耐火材料。应用非金属材料做化工设备，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，渗透性、孔隙及吸水性要小，热稳定性好，加工制造容易，成本低以及来源丰富。非金属材料分为无机非金属材料（主要包括陶瓷、搪瓷、岩石、玻璃等）及有机非金属材料（主要包括塑料、涂料、橡胶等）及近2030年来发展的复合材料（玻璃钢、不透性石墨等）。,96,无机非金属材料,化工陶瓷化工陶瓷具有良好的耐腐蚀性，足够的不透性、耐热性和一定的机械强度。它的主要原料是粘土、瘠性材料和助熔剂。用水混合后经过干燥和高温焙烧，形成表面光滑、断面像细密石质的材料。陶瓷导热性差，热膨胀系数较大，受碰击或温差急变而易破裂。目前化工生产中，化工陶瓷设备和管道的应用越来越多。化工陶瓷产品有：塔、贮槽、容器、泵、阀门、旋塞、反应器、搅拌器和管道、管件等。,97,化工搪瓷化工搪瓷由含硅量高的瓷