第四讲教案续页

教案续页第二节化工设备常用材料的特性工程上广泛应用的金属材料是钢和铸铁，它们的总产量要比其他一切金属产量的总和还要多几百倍。钢和铸铁由95%以上的铁和0.05％-4％的碳及1％左右的其他杂质元素组成，因此钢和铸铁又称为“铁碳合金”。一般含碳量在0.02％-2％的称为钢，含碳量大于2％的称为铸铁。当含碳量小于0.02％时，称为工程纯铁，极少使用；当含碳量大于4.3％时，铸铁太脆,没有实际应用价值。一、铁碳合金的组织结构工业上作为结构使用的金属材料是固态。固态金属都属于晶体物质。各种铁碳合金表面上看来似乎一样，但其内部徽观情况却有着很大的差别。如果用金相分析的方法，在金相显徽镜下可以看到它们的差异。通常在低于1500倍的显微镜下观察到的金属的晶粒，称为金属的显微组织，简称组织，如图2-6所示。如果用X光和电子显微镜则可以观察到金属原子的各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构这种金属内部的微观组织和结构的不同形式，影响着金属材料的性质。图2-7所示为灰铸件中石墨的不同组织形式。教案续页1．纯铁的同素异构转变上述体心立方晶格的纯铁称为a-Fe，而面心立方晶格的纯铁称为Y-Fe,a-Fe经加热可转变为Y-Fe，反之高温下的Y-Fe冷却可变为a-Fe。这种在固态下晶体构造随温度发生改变的现象，称为“同素异构转变”。这一同素异构转变是在910℃下恒温完成的。如图2-9所示，铁的同素异构转变，是固态下铁原子重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程。教案续页2.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织碳对铁碳合金性能的影响极大，铁中加入少量的碳以后，强度显著增加，这是由于碳加入后引起了内部组织改变的缘故。碳在铁中的存在形式有固溶体，化合物和混合物。(1)铁素体(F)(2)奥氏体(A)(3)渗碳体(C)(4)珠光体(5)莱氏体(6)马氏体铁素体(F)和奥氏体(A)教案续页二、碳钢1.碳钢中杂质对其性能的影响（1）锰的影响：锰可脱氧和减轻硫的有害作用，是一种有益元素。（2）硅的影响：硅溶于铁素体使钢的强度、硬度提高，是一种有益元素。（3）硫的影响：硫以FeS的形式存在于钢中，能和铁形成低熔点的化合物（9850C）在热加工时，可过早的熔化，而导致工件开裂，这种现象称为“热脆性”。是一种有害元素。钢中含硫量控制在007%以下。（4）磷的影响：磷溶于铁素体使铁素体在室温的强度提高，而塑性、韧性下降，既产生所谓“冷脆性”。是一种有害元素。钢中含磷量控制在0.07%以下。（5）氧的影响：氧在钢中以等杂质形式存在，它们的熔点高并以颗粒存在于钢中，从而破坏了钢基体的连续性，而剧烈降低钢的机械性能。（6）氮的影响：当钢中溶有过量的氮，在加热至2000C~2500C时，会发生氮化物的析出，称为“时效”。使钢的硬度、强度提高，塑性下降。（7）氢的影响：氢在钢中的严重危害是造成“白点”。使用时会突然断裂，造成事故。化工容器用钢，不允许有白点存在。教案续页1、普通钢：根据GB700-1988规定，普通碳素钢钢种以屈服强度的数值区分，屈服强度有五个级别，既Q195、Q215、Q235、Q275。其钢号表示方法为：碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点字母、屈服点的数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成，例如Q235-A.F，其中：Q-钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；235-钢材屈服点的数值，单位为Mpa;A(B、C、D)-钢材质量等级；F(b、Z)-脱氧方法中沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母，（半镇静钢和镇静钢汉语拼音首位字母，在牌号组成表示方法中，“Z”符号予以省略）。这种钢含硫磷等有害杂质较多（含S＜0.055%,P＜0.045%).在化工容器与设备中用的最多的Q235A.F,Q235-A,Q235-B,Q235-C。2、优质钢:这种钢除保证钢材的化学成分和机械强度外，还对含硫、磷等杂质的量进行严格控制，（通常含S、P均≤0.004%），非金属夹杂教案续页物少，组织均匀，表面质量较好。按含锰量又分为正常含锰量和较高含锰量两种。它的牌号是按含碳量的万分之几来表示的。如含碳量在0.45%的优质碳素钢称为45号钢。正常含锰量的钢号有08、10、15、20、等。较高含锰量的钢号有30Mn、40Mn等。在化工容器与设备中应用最多的优质碳素钢有10、15、20、等。3、高级优质钢：高级优质钢:这种钢的特点是含硫、磷等杂质比优质碳素钢更少，均不高于≤0.003%。其表示方法是在优质钢钢号后面加一个A字，如20A4、碳素钢常按含碳量不同分为三类（1）低碳钢，含碳量0.25%，常用钢号有08、10、15、20、25。这种钢强度较低，但塑性最好。适合于制作冷压几焊接件，在石油化工设备中广泛应用。（2）中碳钢，含碳量0.25~0.6%，该钢种的强度和塑性适中，焊接性能较差，不适于制造设备壳体。多用于传动设备及高压设备封头零件。常用钢号有30、35、40、45、50、55、60，其中以45号钢应用最广泛。（3）高碳钢，含碳量＞0.6%，钢的强度和硬度均较高，塑性差，焊接性能差，常用于制造弹簧、刀具等。常用的钢号有60、65、70。三、铸铁工业上常用的铸铁一般含碳量为2.5%-4.0%，此外尚有Si、Mn、S、P等杂质。铸铁是一种脆性材料，抗拉强度低，但耐磨性铸造性、减振性和切削加工性能都很好。在一些介质中还具有相当好的耐腐蚀性能。另外价格低廉，因此在工业中大量应用。教案续页1、灰铸铁：灰铸铁中的石墨成片状，且石墨的含量越多，石墨片越长。由于片状石墨的存在决定了该材料具有较低的抗拉强度，常用于制作机械设备的外壳。灰铸铁以“HT”表示，其后紧跟的数字表示材料的抗拉强度值，如牌号为HT200的灰铸铁，表示材料的抗拉强度值为200Mpa。2、可锻铸铁：是将一定化学成分的白口铸铁胚件在高温下经长时间的石墨化退火和热处理后得到的，石墨呈团絮状。可锻铸铁的强度比灰铸铁要高，还具有较高的塑性和韧性。可用于制造曲轴、齿轮等零件。可锻铸铁以“KT”表示，其后紧跟两个数字，一个表示材料的抗拉强度值，另一个表示材料的延伸率，如牌号为KT300-10的可锻铸铁，表示材料的抗拉强度值为300Mpa，延伸率为10%。3、球墨铸铁：是将铁水经过球化处理和孕育处理后得到的，既在浇铸前向铁水中加入一定量的纯镁、镍镁、铜镁等合金作为球化剂，并加入一定量的硅铁或铁合金作为孕育剂，以促进碳呈球状石墨析出。球墨铸铁具有更高的力学性能，球墨铸铁不仅强度高，而且具有很好的铸造性和切削加工性，因此常用于制造复杂的机械零件，可部分代替铸钢。球墨铸铁以“QT”表示，其后紧跟两个数字，一个表示材料的抗拉强度值，另一个表示材料的延伸率，如牌号为QT400-15的球墨铸铁，表示材料的抗拉强度值为400Mpa，延伸率为15%。四、镇静钢、半镇静钢和沸腾钢1、镇静钢：在浇注前用Si,Al等把钢液完全脱氧，把FeO中的氧还原出来，生成Si0：和A1203，使得钢中含氧量不超过0.01％（通常是0.002%-0.003%)。钢锭模上大下小，浇注后钢液从底部向上、向中心顺序地凝固，在钢锭上部形成集中缩孔，锻压时将这一部分截去，因而成材率较低，成本较高。但这种方法铸成的钢锭内部紧密坚实，因此重要用途的优质碳钢和合金钢大都是镇静钢。化工压力容器一般教案续页都要选用镇静钢。镇静钢的钢锭如图2-122、沸腾钢冶炼时只用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢，含氧量为0.03%-0.07%,其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生「Fe0]+[C]=C0+[Fe]的自脱氧反应，放出大量的CO气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。但是，这个缺点通过辗压时的压合作用可以得到克服。沸腾钢锭由于没有缩孔处的废弃部分，所以成材率高，成本低。但沸腾钢的钢锭含碳量常有一些偏析。3、半镇静钢：半镇静钢介于镇静钢与沸腾钢之间，浇铸前在盛钢桶内或钢锭模内加入脱氧剂，锭模也是上小下大，钢锭的特征是具有薄教案续页的紧密外壳，头部还有缩孔，钢锭内部结构下半部像沸腾钢，上半部像镇静钢。由于此种钢经部分脱氧，能早期消除模内沸腾，所以钢锭的偏析发展得较弱。这是生产这种钢锭的主要原因。同时这种钢锭头部切除较小，成材率也较高。五、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，以改变其组织，满足所要求的物理、化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。1、退火与正火：退火是把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织的一种热处理方法。正火是将加热后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来，它的冷却速度要比退火快一些，因而晶粒细化。退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提离塑性；调整组织，部分改穆机械性能；使组织均匀化，消除部分内应力。2、淬火与回火：淬火是将钢加热至淬火温度—临界点以上300C-500C，并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火剂的冷却能力按以下次序递增：空气、油、水、盐水。合金钢导热性比碳钢差，为防止产生过高应力，一般都在油中淬火；碳钢可在水和盐水中淬火。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。淬火时冷却速太快，容易引起变形和裂纹；冷却速度慢，又达不到技术要求，因此，淬火常常是产品质量关键所在。回火是在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。回火可以降低或消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所需要的性能。回火处理有以下几种：（1）低温回火（2）中温回火教案续页（3）高温回火1）低温回火：零件经淬火后，再加热至1500C-2500C，保温1~3小时，然后在空气中冷却，得到一种叫做回火马氏体的组织，硬度比淬火马氏体稍低，但残余应力得到部分消除，脆性有所降低。一般对需要硬度高、强度大、耐磨的零件进行低温回火处理。2）中温回火：要求零件具有较高硬度、弹性和一定韧性时，可采用中温回火，中温回火温度在3000C-4500C3）高温回火：要求零件的强度、韧性、塑性都较好的综合性能时，采用高温回火。高温回火的温度为5000C～6800C.这种淬火加高温回火的操作，习惯上称为“调质处理”。它可以大大改善零件的机械性能。调质处理广泛他应用于各种重要的零件。