07-化工设备材料

第七章化工设备材料及其选择概述化工设备的使用环境化工设备处在极其复杂的操作条件下运行，合理的选用和使用材料是设计化工设备的重要环节。压力：真空—低压—中压—高压—超高压温度：低温—中温—高温介质：腐蚀性；有毒；易燃；剧毒。制造：经过冷、热加工成型；焊接。概述本章学习的要求掌握材料的性能，影响材料性能的因素以及改变材料性能的方法和途径；掌握金属材料的分类及牌号，化工设备常用金属材料：碳素钢、铸铁、低合金钢及特种钢的牌号、性能以及选用。了解有色金属材料、有机非金属材料的种类及应用。了解化工设备的腐蚀与防护措施。§7.1金属材料的性能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。低碳钢的拉伸试验abcdfθσpσeσsσboghδσ=P/A0ε=Δl/l0σ~ε曲线A0为试件的原始截面积l0为试件的初始标距材料强度的衡量指标以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来表示。材料在常温下的强度指标屈服极限σs强度极限σb屈强比：s/b屈强比小，表明材料具有较大的塑性储备。强度及其主要指标固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。例如：※容器爆裂；※管道破裂;※地脚螺栓拉断;※炉管爆裂；——强度不够！材料在高温下的强度指标蠕变极限σn持久强度σD“蠕变”现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；铅丝在常温下受重力作用而变长变细。“蠕变强度”：材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力，以n表示，单位MPa。持久强度（D）定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以D表示，单位MPa。----是一定温度和一定载荷下，材料抵抗断裂的能力。材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。疲劳强度构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂——疲劳。“疲劳极限”——构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：σ-1(MPa)。例如：频繁开、停车——容器内压力或温度波动；活塞式压缩机压缩气体——容器及管道内压力波动；离心泵频繁开停机或震动——泵轴受力成交变式。塑性及其主要指标金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。因塑性不足引起材料破坏的例子：◎锻件裂纹;◎卷板裂纹;◎焊缝热影响区裂纹主要指标(1)延伸率（δ）（2）断面收缩率（y）如：纯铁的延伸率为50%，20R的d5不小于25%；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。积。断裂后试件的最小截面试件的原始截面积；式中kkFFFF000F%100y（3）冷弯性能室温下对试板以一定的内半径（R=0.5～3板厚）进行弯曲，a=1200或1800，是否出现裂纹或起层。-----是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。塑性指标的实际意义：便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。——压力容器及其零件都需要具备这个性质。硬度的概念金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。硬度高材料强度也高，耐磨性较好；—综合性能指标。布氏硬度试验示意图常用硬度指标：布氏硬度（HBS);洛氏硬度（HRA、HRB、HRC);维氏硬度（HV)等。硬度和强度间有一定关系：如：低碳钢b≈36HBS;冲击韧性及指标（Ak）材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。冲击韧性值的试验确定摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）：Ak=G(H1-H2)焦耳！吸收功的高低取决于——材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性与塑性的区别：材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。——静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。——本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够迅速发生塑性变形，吸收冲击能量。脆性材料的αk值远低于塑性材料的αk值。塑性金属当温度达到冷脆温度时，αk值骤然下降，因此化工设备中，低温容器所用钢板的αk值不得低于30J/cm2。铜合金、铝合金及含镍较高的镍合金，无αk突变的临界温度。缺口敏感性——在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴——静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。冲击韧性？——是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。物理性能——密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：线膨胀系数异种钢焊接——收缩率不同，引起变形或损坏；复合钢板（如不锈钢与碳钢)——热变性不同,容器壳体将会？设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）——热变性不同时？固定管板式换热器的管子与壳体——线膨胀量相差过大，将会？碳钢表面电镀一层铜——升温后会？弹性模量E与泊桑比μ弹性模量E：金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的。随着温度升高而降低。泊桑比μ：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为μ=0.3。化学性能——金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。主要考虑的化学性能：1.耐腐蚀性——对介质侵蚀的抵抗能力；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。耐腐蚀性不是材料固有不变的特性,它随材料的工作条件而改变。腐蚀裕量化工设计中，为弥补因工作期间被介质腐蚀掉的金属厚度，事先附加到设计尺寸上去，从而加大计算出来的零件直径或壁厚，这部分增加的量为腐蚀裕度。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。2.抗氧化性——在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2、SO2等。金属材料的工艺性能可焊性能—母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；铸造性能—流动性、凝固收缩率等；可锻性能—抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；切削加工性能热处理性能看容器加工工艺——制造压力容器的材料须具备什麽性能§7.2金属材料的分类及牌号分类黑色金属——生铁钢钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢钢普通钢优质钢高级优质钢按化学成分：按质量分：钢沸腾钢镇静钢半镇静钢钢建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性能钢按冶炼方法分：按用途分：有色金属铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金钢铁牌号及表示方法1.牌号的表示原则依据国家标准GB221-2000,牌号中化学元素——化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法——汉字或汉语拼音字母表示。例如：沸腾钢——F或沸灰口铸铁——HT或灰铁铸钢——ZG锅炉钢——g或锅容器钢——R或容2.钢号表示法例：优质碳素钢——普通碳素钢——Q235-A,F沸腾钢类别为A钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母沸腾钢含碳量为0.08%；容器钢含碳量为0.2%08F20R低合金钢——16MnR16——含碳量0.16%；Mn——合金元素；R——容器钢。特殊性能钢——1Cr18Ni91——含碳量0.1%（千分数）；Cr,Ni——主要合金元素；18——含铬量18%；9——含镍量9%。§7.3铁碳合金及金属的热处理概述铁碳合金是铁和碳组成的合金，是由95％以上的铁和0.05％～4％的碳及1％左右的杂质元素所组成。纯铁(工业纯铁)钢铸铁铸铁0.02％0.02％～2％2％4.3％铁碳合金的组织结构金属的组织结构在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织。用电子显微镜，可以观察到金属原子的各种规则排列。这种排列称为金属的晶体结构纯铁在不同温度下具有两种不同的晶体结构，即体心立方晶格与面心立方晶格。塑性较好强度较高铁碳合金的组织结构铁910℃以下，纯铁为体心立方晶格称a-Fe910℃以上，纯铁为面心立方晶格称为g-Fe910910((CCFeFeag。。加热冷却体心立方晶格）面心立方晶格）同素异构转变固态下铁原子重新排列铁碳合金的组织结构碳C在Fe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）、化合物和石墨三种。这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。C溶解在Fe的晶格中形成固溶体727~910C。铁素体奥氏体2%0.02%C溶解在g-Fe中C溶解在a-Fe中奥氏体铁素体塑性好，强度低韧性好，强度高铁碳合金的组织结构C与Fe形成化合物——渗碳体铁碳合金中的碳不能全部溶入a-Fe或g-Fe中，其余部分的碳和铁形成一种化合物（Fe3C），称为渗碳体。性质：硬，脆：Fe3C熔点约为1600℃，硬度高(约HB800)，塑性几乎等于零。在一定条件下可以分解：游离石墨+铁。渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量﹤2%）成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。铁碳合金的组织结构例如：碳钢碳含量0.1%~0.5%常温组织形态铁素体＋渗碳体C含量增加，渗碳体增加，强度增加，塑性降低。高温组织形态奥氏体，塑性增加，可进行锻压加工。当C2.11%时，加热到高温亦不能形成单一的奥氏体，不适于进行热压加工。通常，将C=2.11%作为钢和铸铁的分界。铁碳合金的组织结构C以石墨状态单独存在当C2.11%时，铸铁：铁素体＋渗碳体＋石墨石墨本身性软，且强度很低。分布在铸铁中的石墨，相当于在合金基体（铁素体＋渗碳体）中挖了许多孔洞，所以铸铁的抗拉强度和塑性都比碳钢低。但由于石墨的存在，使铸铁具有良好的切削加工性，耐磨性，消振性和铸造性，并具有较大的抗压强度，因此常作承压构件。铁碳合金的组织结构铸铁中石墨有不同的组织形貌，其中球状石墨的铸铁称球墨铸铁，它的强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。铁碳合金的组织结构碳钢的基本组织铁素体奥氏体渗碳体珠光体——珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。铁碳合金的组织结构莱氏体——莱氏体是珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。莱氏体具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。马氏体——马氏体是钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。马氏体具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。钢的热处理钢的性能取决于钢的组织结构，要改善钢的机械性能，必须改变钢的组织结构。钢的组织结构既和它的化学成分有关，又与钢材经历的加热和冷却过程有关。热处理——以消除钢材的某些缺陷或改善钢材的某些性能为目的，将钢材加热到一定温度，在此温度下保持一定时间，然后以不同的速度冷却下来的一种加工工艺。钢的热处理热处理工艺实例：※缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软；※建筑用铁线用火烧软；※泵轴调质—内韧外硬；※扁铲淬火—提高硬度和韧性；※容器焊后退火—消除内应力；……（1）常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后随炉冷却（曲线1）退火；空气中冷却（曲线2）正火；作用：①降低硬度，增加塑性，改善机械性能；②使组织均匀化，消除内应力。【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度)以上30～50