过程设备机械设计基础过程设备材料.ppt

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1、2023/11/5,1,7 过程设备常用材料,7.1 过程设备用材的基本要求7.2 过程设备常用材料7.3 钢材的热处理7.4 金属材料的腐蚀与防护7.5 过程设备材料的选择,2023/11/5,2,7.1.1 基本要求1.材料来源可靠,性能稳定,保证使用寿命2.力学性能满足使用要求3.介质有腐蚀性时的耐蚀要求4.良好的加工性能,如焊接性5.经济6.供货方便,稳定持续性,7.1 过程设备用材的基本要求,2023/11/5,3,7.1 过程设备用材的基本要求,7.1.2 力学性能,1.强度：确定许用应力的依据，S(0.2)，b,2.塑性：反映材料可塑性指标，5=1020%,3.韧性：抵抗缺陷扩展

2、能力指标，K=4060J/cm2,4.硬度：抵抗外物侵入的能力,5.材料在高温和低温下的力学性能,2023/11/5,4,7.1.2 力学性能,1.强度屈服强度抗拉/压强度屈强比蠕变强度持久极限,2023/11/5,5,屈强比,2023/11/5,6,2塑性延伸率,圆截面试样:L=10d,10 或 L=5d,5 5=1.2 10压力容器用钢要求5=16%塑性过低会导致构件开裂,脆断,7.1 过程设备用材的基本要求,2023/11/5,7,3韧性脆性表征:冲击值:缺口:梅氏U,V影响因素:化学成分,热处理,轧制方向,加工历史,实验方法,母材厚度;要求:50J/cm2试样:10 x10mm其他:低

3、温下韧性降低（30J/cm2）,7.1 过程设备用材的基本要求,2023/11/5,8,4硬度抵抗外物侵入的能力表征:用压痕的面积或深度，如布氏硬度，洛氏硬度等5.温度对性能的影响,7.1 过程设备用材的基本要求,2023/11/5,9,碳钢力学性能随温度的变化,2023/11/5,10,6蠕变性能(高温静载条件下),应力超过某一定值时,应力保持不变的情况下应变或塑性变形随着时间的延长而不断增加的现象.常温下,钛材也会发生类似的现象三个阶段：过渡蠕变阶段、稳定蠕变阶段、破坏阶段,7.1 过程设备用材的基本要求,2023/11/5,11,7.1.3 耐腐蚀性,抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。表,海水；

4、钛盐酸；涂层,抗氧化性 表面处理：电镀，磷化，发黑，发蓝等,2023/11/5,12,常用金属材料耐腐蚀性,2023/11/5,13,7.1.4 加工工艺性,1.可焊性：少的焊接缺陷,2.可锻性：不发生热脆,3.可塑性：优良的塑性加工性能,4.机械加工性能：保证好的切削性,2023/11/5,14,7.1.4 材料的物理性能,导热系数：设备要求传热,线膨胀系数：防止热应力,密度：决定设备的重量,熔点和导电性：,7.1.5 材料的经济性-价格表,2023/11/5,15,7.2 过程设备常用材料,7.2.1 碳钢,碳钢：碳含量在0.022之间的铁碳合金;,铸铁：碳含量大于2的铁合金。,1、碳及常

5、存杂质/微量元素对钢材性能的影响,硫(S):,锰(Mn):,硅(Si):,碳(C),磷(P),2023/11/5,16,碳含量对材料机械性能影响,2023/11/5,17,2、碳钢分类,普通碳素钢：保证机械性能或化学成分 甲类：保证机械性能，A1A7 乙类：保证化学成分，B1B7,Q235AGB700-1988,国标号,产品等级为A，共分A、B、C、D四级,材料屈服限的保证值，(厚度小于16mm),2023/11/5,18,普通碳素钢,特点质量分级，D质量最好，A质量最次；主要杂质为磷，P=0.045%,S=0.055%主要指标：力学性能，化学成分辅助指标：脱氧程度，最低使用温度，AKV钢号提

6、高，强度提高，塑性，韧性下降其他：炼钢工艺：F，Z，b常用钢：Q235-A，容器外壳，支架等,2023/11/5,19,除保证机械性能和化学成分外，还对磷、硫及非金属夹杂物控制较严。P,S=0.04%,低碳钢：0.25%，强度低，塑性好，冷冲压和焊接性能好，在石油化工设备中广泛应用。,中碳钢：0.250.55%：强度硬度高，塑性韧性差；多用于传动设备及高压设备头盖零件。,高碳钢：0.6%；强度硬度均较高，塑性差，常用于制造弹簧，刀具及耐磨零件。,分类,优质碳素结构钢,2023/11/5,20,屈服强度,强度限,锅炉和压力容器用钢有特殊性，在钢号后分别冠以“g”“R”,如 20g，20R,铸钢：

7、ZG200400,命名：含碳量的万分之几，如08，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60,2023/11/5,21,7.2.2 合金钢1、合金结构钢,压力容器用(低碳)低合金钢：含碳量0.10.25%,主要牌号：16MnR,15MnVR,18MnMoNiR,数,字,元素名称,数字,合金元素含量(!1.5%),合金元素符号,平均含碳量的万分数,2023/11/5,22,2、合金工具钢,如 9CrSi,数字,元素名称,数字,合金元素含量,合金元素符号,平均含碳量的千分数当含碳量大于1则不表示,3、其他合金结构钢特殊钢,2023/11/5,23,1.不锈钢：耐大气腐蚀钢和耐

8、化学介质腐蚀钢的总称。耐酸等强腐蚀介质的合金钢称为不锈耐酸钢。,铬不锈钢：1Cr13；,铬镍不锈钢(18-8)：1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；,节镍不锈钢：1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N,分类,特殊钢,2023/11/5,24,1.不锈钢,特点耐蚀性与含铬量有关，11.7%，13%含碳量低,1Cr13，2Cr13等腐蚀介质：弱腐蚀介质，低温30硫酸，盐酸，热硝酸，熔融碱液用途：轴，活塞杆，阀体，螺栓和浮阀,2023/11/5,25,2 耐热钢,抗氧化钢：1Cr13Si3，1Cr23Ni13热强钢：15CrMo,12Cr2Mo1,1Cr5Mo,0C

9、r19Ni9,0Cr17Ni12Mo2等,可分为：,抗氧化钢和热强钢,耐热要求化学稳定性：抗氧化性热强性：蠕变过程缓慢,2023/11/5,26,3.低温用钢,普通碳钢低温下塑性降低，冲击韧性差；常用合金元素：Mn，Al，Ti，Nb，Cu，V主要材料：国外：高Cr，Ni钢，Cu,Al国内：无CrNi钢，Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V特点：合金元素少，含碳量低，正火供货,2023/11/5,27,7.2.3 铸 铁,1 灰口铸铁：HT150330,2 球墨铸铁：QT40015,强度、塑性、韧性好，可替代铸钢，石墨成球状,抗拉强度低，挤压强度高，用于制造耐压件，石墨成片状,抗弯强度，MPa,抗拉

10、强度，MPa,抗拉强度，MPa,延伸率,2023/11/5,28,7.2.3 铸 铁,3 可锻铸铁：KT30006 具有一定强度和塑性 用于有振动和冲击的场合 石墨成团球状,4 合金铸铁：如高硅铸铁，用于耐酸泵,2023/11/5,29,2023/11/5,30,2023/11/5,31,7.2.4 有色金属及合金,紫铜：T1，T2，T3，TU（P）锌/黄铜：H80，H68，H62锡铅铝/青铜：ZQSn6-6-3，ZQSn10-1,铝：L1,L2,L6硬铝：Al-Cu-Mg的合金,LY-1,LY-2防锈铝：AI-Mg的合金，LF21铸铝：AI-Si的合金，ZL107,铜及铜合金,铝及铝合金,2

11、023/11/5,32,作耐磨件：蒙乃尔合金作腐蚀件：Inconel合金 和哈氏合金,镍及镍合金,铅及铅合金：铅锑合金，PbSb4,7.2.4 有色金属及合金,钛及钛合金：TA0，TA1TA8，TB，TC 合金元素：Al，Mn，Cr，V,2023/11/5,33,2023/11/5,34,7.2.5 非金属材料,化工陶瓷：化学稳定性好玻璃：表面光洁、耐腐蚀（搪玻璃设备水泥：价廉天然耐酸材料：石墨、石棉等,耐酸酚醛塑料聚氯乙烯塑料聚乙烯聚四氟乙烯玻璃钢，人造石墨，,无机材料,有机材料,2023/11/5,35,用途耐蚀材料，化工搪瓷，耐酸陶瓷，四氟乙烯保温材料，石棉耐火材料，耐火砖密封材料，橡胶

12、，塑料，碳纤维等强度材料，玻璃钢，纤维缠绕,7.2.5 非金属材料,2023/11/5,36,7.3 钢材的热处理,将钢材通过适当的加热和冷却过程，使钢材的组织按一定的规律变化，以获得预期的机械性能，称钢的热处理。,定义,目的,获得预期的机械性能和加工性能,2023/11/5,37,一、金属的结晶组织,2023/11/5,38,钢的结晶过程,2023/11/5,39,Fe变成Fe,铁的同素异构转变,渗碳体：硬度高，强度低，塑性差,珠光体：铁素体与渗碳体 的混合物,2023/11/5,40,碳在铁中形成固溶体,钢的冷却曲线,2023/11/5,41,铁碳合金状态图,2023/11/5,42,退火

13、正火淬火回火,常用热处理方法,2023/11/5,43,退 火,目的：消除组织缺陷、降低硬度、消除内应力。,常用热处理方法,方法：把钢材加热到一定温度，保温一段 时间后，随炉缓慢冷却的过程。,2023/11/5,44,高速钢的退火曲线,2023/11/5,45,正火把钢材加热到一定温度，保温一段时间后，在空气中冷却的过程。目的时间短，晶粒细化改善组织结构力学综合性能较好最终热处理,2023/11/5,46,淬 火,目的：细化晶粒、提高表面硬度、提高强度和耐磨性。组织：淬火马氏体,方法：把钢材加热到一定温度，保温一 段时间后，快速冷却的过程。,2023/11/5,47,40Cr钢的淬火曲线,20

14、23/11/5,48,回火低温回火：150250：回火马氏体中温回火：350450高温回火:450650调质处理:淬火+高温回火调质钢含碳量较高,适合作调质处理,2023/11/5,49,表面淬火提高零件表面硬度和耐磨性方法：火焰加热，（高频）感应加热特点：处理过程短，不易氧化和变形,2023/11/5,50,新唐-复兴 第一部：起点 第一卷 第六章：科技之光（中）,李复点点头，道：“这就是要大家将所掌握的技法和经验进行充分交流的原因。”顿了一下，继续道：“再说淬火之技，一直以来，大家一般都是用水来淬火，可是诸位师傅想过没有，用不同的水来淬火，可以得到不同性能的刀？”有人应道：“听说过不用水而

15、用马尿的，淬出的刀会更硬些。”李复道：“不错，用动物尿来淬火，钢会更为坚硬，但这是为何？”看无人能答，继续道：“这是因为动物尿中含有盐分，冷却速度比水快，用它作淬火冷却，淬火后的钢比用水淬火的钢就更坚硬。相反，若是用动物油脂来淬火，其冷却速度则比水慢，淬火后的钢则比用水淬火的钢更有韧性。”众人这才明白，不禁纷纷点头，都道原来如此。,2023/11/5,51,其他时效化学热处理在化学介质中加热，同时改变表面化学成分和组织性能，以满足构件的特殊性能。方法：渗碳，氮化，氰化（碳氮共渗）,2023/11/5,52,腐蚀分类全面腐蚀均匀腐蚀局部腐蚀区域腐蚀点腐蚀晶间腐蚀缝隙腐蚀应力腐蚀,7.4 金属材料

16、的腐蚀与防护,2023/11/5,53,7.4 金属材料的腐蚀与防护,7.4.1 金属材料的化学腐蚀与电化学腐蚀化学腐蚀：定义：金属在干燥的气体和非电解质溶液中发生的化学作用所引起的腐蚀。特点：化学反应，材料表面，无电流钝化作用：致密的反应物阻止反应的进一步进行，保护基体遭受腐蚀活化作用：反应物易损坏，有利于腐蚀的进一步扩展，促进基体腐蚀速度。,2023/11/5,54,常见化学腐蚀高温脱碳和氧化氨合成塔，硫酸氧化炉，石油裂解炉氢腐蚀石油裂解炉存在起始压力和温度，表7-2防止措施降低含碳量，加入合金元素。,2023/11/5,55,电化学腐蚀电化学腐蚀概念:金属与电解质溶液之间发生电化学作用而

17、引起的腐蚀，破坏原电池作用微电池和电化学腐蚀原理电化学腐蚀三个环节：阳极的氧化反应，电子流动和阴极反应；,2023/11/5,56,电化学腐蚀条件同一构件上有电位不同的金属阴极与阳极相连阴极与阳极同处于电解质溶液中,2023/11/5,57,7.4.2 影响腐蚀的因素 合金元素的影响与n/8定律 腐蚀介质酸碱性的影响 温度和压力的影响 应力对腐蚀的影响,2023/11/5,58,7.4.3 腐蚀评定与防护7.4.3.1 金属腐蚀的评定方法1 根据金属质量的变化-称重法2 根据腐蚀深度-减薄量,2023/11/5,59,金属腐蚀破坏的形式，图7.7均匀腐蚀局部腐蚀点腐蚀晶间腐蚀缝隙腐蚀表面下腐蚀

18、,2023/11/5,60,7.4.3.3 防腐蚀措施涂覆保护层电化学防护：阴极保护，阳极保护添加缓蚀剂：延缓腐蚀速度合理的结构设计：应力集中，焊接消除应力处理：退火，时效,2023/11/5,61,7.5 过程设备材料选择,1 根据要求的工况按标准选取2 材料的质量保证书3 合理选材4 仅受刚度控制的设备，不宜选择强度过高的材料5 腐蚀介质存在的场合，优先采用无NiCr铁素体钢6 优先采用低合金钢,2023/11/5,62,7低温用钢8中温用钢,2023/11/5,63,重 要 通 知,下周以班级为单位到机械工程学院做实验，班长负责组织。实验室联系人：张凯老师电话号码：64252251实验室地址：实验十楼三楼实验内容：热处理和硬度测定,2023/11/5,64,今日作业,思考:7预习:第八章,2023/11/5,65,周末快乐！,2023/11/5,66,