压力容器材料选择

第二篇压力容器第八章化工设备材料•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。•熟悉化工设备中常用金属材料的机械性能指标和主要化学成分含量。•掌握化工设备材料选用的原则，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。•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。•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。•材料的性能:力学性能、物理性能、化学性能和加工性能。•力学性能:决定许用应力--强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。•物理性能：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。•化学性能：耐腐蚀性--金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力；抗氧化性--高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度，选耐热材料。•加工工艺性能：可铸性－收缩与偏析；可锻性；焊接性；可切削加工性。第一节金属的晶体结构一、金属原子结构特点与金属键•金属原子结构特点：最外层的电子数很少，一般只有一二个；而且这些最外层电子与原子核的结合力较弱，因此很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子。•金属键：在金属中，暂时摆脱原子核束缚的电子成为共有的自由电子，在所有的金属正离子之间穿梭运动，好像带负电的气体充满其间，把带正电的金属离子牢固地束缚在一起。这种金属原子之间的结合方式称为金属键。•二、金属的晶体结构•金属的结晶过程•金属的结晶过程第二节铁碳合金“铁碳合金”由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素所组成合金。•含碳量0.02％～2％称为钢；•含碳量大于2％称为铸铁；•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（一）铁铁在910oc以上是具有面心立方结构的γ－Fe(图a);铁在910oc以下是具有体心立方结构的α－Fe(图b)。a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。铁的同属异构转变是构成铁碳合金一系列性能的依据。•g－Fe变成a－Fe铁的同素异构转变（二）碳碳在铁碳合金中的存在形式有三种：•碳溶解到铁的晶格中形成固溶体•碳与铁形成化合物•混合物：碳以石墨状态单独存在。1、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。如碳原子挤到铁的晶格中间去又不破坏铁所具有的晶格结构。（1）铁素体碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（最大溶解度不超过0.02％），强度和硬度低，但塑性和韧性很好。低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。室温时，钢的组织中只有铁素体，没有奥氏体。（2）奥氏体碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。g-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比a-Fe中大得多，如在723℃时可溶解0.8％，在1147℃时可达最大值2.06％。奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。2、化合物－渗碳体•当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余的碳将与铁形成化合物－碳化铁（Fe3C），这种化合物称为渗碳体。•渗碳体的熔点约1600℃，硬度高，塑性几乎等于零。•铁碳合金含碳量小于2％时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。•含碳量大于2％时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。3、混合物－碳以石墨状态单独存在当铁碳合金中的碳含量较高，合金从液态以缓慢的速度冷却下来时，合金中没有溶入固溶体的碳将由极大部份以石墨状态存在。（4）珠光体铁素体与渗碳体的机械混合物。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。（5）莱氏体珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。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。（6）马氏体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。具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。二、铁碳合金状态图•铁碳合金状态图中主要点、线含义：•图中AC、CD两曲线称为“液相线”，合金在这两曲线以上均为液态，从这两曲线以下开始结晶。•AE、CF线称为“固相线”，合金在该线以下全部结晶为固态。•ECF水平线段，温度为1147℃，在这个温度时剩余液态合金将同时析出奥氏体和渗碳体的机械混合物-莱氏体。ECF线又称“共晶线”，其中C点称为“共晶点”。•ES（Acm）与GS（A3）分别为奥氏体的溶解度曲线，在ES线以下奥氏体开始析出二次渗碳体，在GS线以下析出铁素体。•PSK(A1)线为“共析线”，在723℃的恒温下，奥氏体将全部转变为铁素体和渗碳体的共析组织-珠光体。钢在加热时形成单一的奥氏体组织。所有生铁组织中都有莱氏体，多数碳以石墨状存在，用作铸件的生铁称为铸铁。三、钢的热处理钢、铁固态下加热、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，称为热处理。1、退火和正火•退火：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。目的：消除组织缺陷、降低硬度、提高塑性、便于冷加工、消除内应力、防止工件变形。•正火是把钢（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，置于空气中冷却。目的：细化晶粒，提高韧性，有比退火为高的强度与硬度。•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。铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。2、淬火和回火淬火是把钢（工件）放在炉中缓慢加热至淬火温度(临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。回火是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。•在150℃～250℃范围内的回火称“低温回火”。目的不降低硬度消除内应力。刃具、量具，要进行低温回火处理。•中温回火温度是300℃～450℃。目的消除内应力降低硬度提高弹性。弹簧、刀杆、轴套等进行中温回火。•高温回火温度为500℃～680℃。•调质处理：淬火后的高温回火。目的获得较高的综合机械性能。用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。时效热处理：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。3、表面淬火使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。4、化学热处理有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性；渗铝可提高耐热、抗氧化性；氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性；渗硅可提高耐酸性等。四、碳钢1、碳钢中的元素除铁外还含有碳、锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等，碳的含量与存在形式对碳钢的性能具有重要影响，其他杂质元素对钢材性能也有重要影响。（1）硫有害元素。FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。钢材热加工1150～1200℃，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。（2）磷有害元素。虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。使冷加工及焊接性变坏，高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。（3）锰脱氧剂。有益元素。MnS(1600℃)，部分消除硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。在0.5%～0.8%以下时，看成是常存杂质。优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；高锰结构钢可达0.7%～1.2%。（4）硅脱氧剂。有益的元素。硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量常在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。（5）氧有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。（6）氮长时间放置或在200～300℃加热氮以氮化物形式的析出，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。（7）氢氢脆、白点等缺陷。变脆：氢化物变形小白点：组织缺陷处扩散氢，时间长2、分类与编号按用途：建筑及工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）按含碳量：低碳钢、中碳钢和高碳钢按脱氧方式：镇静钢和沸腾钢按品质：普通钢、优质钢和高级优质钢（1）普通碳素钢Q235-A，屈服强度数值（MPa）质量等级A，B，C，D。脱氧方法为F，b，Z，TZ。化工压力容器用钢一般选用镇静钢。普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种。（2）优质碳素钢S＜0.03%～0.045%；P＜0.04%08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。平均含碳量的万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。45Mn，锰含量较高的优质非合金钢。优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、10、15、20、25；塑性好，焊接性能好，壳体、接管。优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50与55；45号钢搅拌轴优质高碳钢（含C＞0.6%），如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。（3）高级优质钢S＜0.02%～0.03%；P＜0.025%，均＜0.03%。它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。3、碳钢的品种及规格品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢（1）钢板（压力容器用热扎厚钢板）4mm～6mm厚度间隔为0.5mm6mm～30mm厚度间隔为lmm30mm～60mm厚度间隔为2mm一般碳素钢板材有Q235-A、Q235-A·F、08、10、15、20等。（2）钢管无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管有冷轧和热轧。普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。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。有缝管如水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。（3）型钢有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。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。（4）铸钢和锻钢铸钢用ZG表示，ZG25、ZG35等，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20、25等制作管板、法兰、顶盖等。五、铸铁含碳量2%以上，含有S、P、Si、Mn等杂质。脆性材料，抗拉强度较低，但