金属材料与钢的热处理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,二,章,金属材料,第一节 概 述,根据物料与适宜工作条件选材,物料腐蚀性：铸铁抗硫化氢,压力与温度,蠕变、氢腐蚀、低温脆性等,10/15/2024,1,第二节 材料的性能,力学性能、物理性能、化学性能和加工性能,一、力学性能,决定许用应力,强度、硬度、弹性、塑性、韧性等,10/15/2024,2,1、强度,是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力,10/15/2024,3,10/15/2024,4,常温强度指标：,屈服强度和抗拉(压)强度,屈强比适当,蠕变极限,n,疲劳极限,r,r,=,min,/,max,应力循环系数或应力比,-1,以10,6,-10,7,次不被破坏的应力,10/15/2024,5,2、硬度,局部抵抗能力,弹性、强度与塑性的综合性能指标,压入硬度：布氏硬度(,HB)、,洛氏硬度(,HRC、HRB),和维,氏硬度(,HV),低碳钢,b,=0.36,HB,高碳钢,b,=0.34,HB,灰铸铁,b,=0.1,HB,10/15/2024,6,3、塑性,延伸率,断面收缩率,化工设备材料一般要求,5,=10%-20%,10/15/2024,7,4、冲击韧性,冲击韧度,k,，,使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积,低温容器所用钢板,k,值不得低于30,J/cm,2,10/15/2024,8,二、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。,10/15/2024,9,三、化学性能,1、耐腐蚀性,金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力,2、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,10/15/2024,10,四、加工工艺性能,1、可铸性：收缩与偏析,2、可锻性,3、焊接性,4、可切削加工性,10/15/2024,11,第三节 碳钢与铸铁,“铁碳合金”由95以上铁和0.054碳及1左右杂质元素所组成合金,一般含碳量0.022称为钢；,大于2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,10/15/2024,12,一、铁碳合金的组织结构,1、金属的组织与结构,在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织,10/15/2024,13,电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构,不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格,体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。,10/15/2024,14,铸铁一般碳以石墨形式存在，有不同的组织形貌。,球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。,10/15/2024,15,2、纯铁的同素异构转变,体心立方晶格的纯铁称,a,-Fe，,面心立方晶格的铁称为,g,-Fe。,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”。,纯铁的同素异构转变是在910恒温下完成的。在固态下重新排列、结晶过程。是钢进行热处理的依据。,10/15/2024,16,3、碳钢的基本组织,碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。,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,这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。,10/15/2024,17,（,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（室温下0.006），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。,10/15/2024,18,（,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。,10/15/2024,19,（,3）渗碳体,碳和铁形成一种化合物（,Fe,3,C）,称渗碳体。,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。,10/15/2024,20,（,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。,10/15/2024,21,（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。,10/15/2024,22,（,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。,10/15/2024,23,二、铁碳合金状态图,10/15/2024,24,钢在加热时形成单一的奥氏体组织。,10/15/2024,25,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。,10/15/2024,26,三、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。,10/15/2024,27,1、退火和正火,退火：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。,目的：细化晶粒，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。,正火是置于空气中冷却。晶粒变细，韧性可显著提高。,铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,10/15/2024,28,2、淬火和回火,加热至淬火温度(临界点以上3050)，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。,10/15/2024,29,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150250范围内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量具，要进行低温回火处理。,10/15/2024,30,中温回火温度是300450。,有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。,轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。,高温回火温度为500680。,综合性能：强度、韧性、塑性等都较好,淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。,用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,10/15/2024,31,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。,10/15/2024,32,3、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。,10/15/2024,33,4、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。,10/15/2024,34,四、碳钢,1、常存杂质元素对钢材性能的影响,硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等,（1）硫,有害元素。,FeS,和,Fe,形成低熔点(985)化合物。钢材热加工11501200，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。,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。,10/15/2024,35,（,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：,P0.025%；,优质钢：,P0.04%；,普通钢：,P0.085%。,10/15/2024,36,（,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%。,10/15/2024,37,（,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。,10/15/2024,38,（,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,、SiO,2,、Al,2,O,3,，,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。,10/15/2024,39,（,6）氮,长时间放置或在200300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。,10/15/2024,40,（,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,10/15/2024,41,2、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,10/15/2024,42,（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。,10/15/2024,43,（,2）优质碳素钢,S0.03%0.045% ；P0.04%,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%)。,45,Mn,，,锰含量较高的优质非合金钢。,10/15/2024,44,优质低碳钢（含,C0.25%），,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,C0.6%），,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。,10/15/2024,45,（,3）高级优质钢,S0.02%0.03%； P0.025%，,均0.03%。,它的表示方法是在优质钢号后面加一个,A,字，如20,A。,10/15/2024,46,3、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）,4,mm6mm,厚度间隔为0.5,mm,6mm30mm,厚度间隔为,lmm,30mm60mm,厚度间隔为2,mm,一般碳素钢板材有,Q235-A、 Q235-AF、08、10、15、20,等。,10/15/2024,47,（,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、水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。,10/15/2024,48,（,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。,10/15/2024,49,（,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。,10/15/2024,50,五、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，但有良好铸造性、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)中有相当好的耐腐蚀性能。,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。,10/15/2024,51,1、灰铸铁,2.7%4.0%，片状石墨形式，断面暗灰色。,有优良的铸造性、减振性能，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。,HT,和抗拉强度,s,b,值表示，如,HT100，,其中100表示,s,b,100MPa。,常用灰铸铁牌号有,HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。,10/15/2024,52,2、球墨铸铁,简称球铁。,在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。,用,QT、,抗拉强度值、延伸率表示，如,QT400-18，,其中400表示,s,b,400MPa，18,表示,d,=18%。,10/15/2024,53,3、高硅铸铁,有高的耐蚀性能，含硅量增加耐蚀性增加。,强度低、脆性大及内应力大，易于脆裂,热导率小，线膨胀系数大，不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。,常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器,牌号有：,STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R,等。,10/15/2024,54,第四节 合金钢,在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，得到或改善某些性能。,一、分类与编号,按合金元素总含量分：,合金含量10%，高合金钢,10/15/2024,55,按,用途分：,合金结构钢,调质结构钢、表面硬化钢,低碳马氏体钢、非调质结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,不锈钢和耐热钢等,10/15/2024,56,一种是汉字牌号，如35铬钼；,另一种是用国际化学符号，如35,CrMo,。,表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含,Cr、Mo,在1%左右。,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36,Mn2Si。,10/15/2024,57,二、合金元素对钢的影响,目前常用的合金元素有：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。,10/15/2024,58,1、铬,提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。,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。,提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但使塑性和韧性降低。,10/15/2024,59,2、锰,提高强度和提高低温冲击韧性。,3、镍,提高淬透性，有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。,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。,10/15/2024,60,4、硅,提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐,H,2,S,等介质的腐蚀性。,硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。,5、铝,强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。,提高抗氧化性和耐热性，对抵抗,H,2,S,介质腐蚀有良好作用。,价格便宜，在耐热钢中常以它来代替铬。,10/15/2024,61,6、钼,提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。,7、钒,于固溶体中提高高温强度，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。,10/15/2024,62,8、钛,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。,在不锈钢中稳定碳，防止晶间腐蚀,提高耐热性。,9、稀土元素,提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,10/15/2024,63,三、可焊接的低合金高强度钢,碳含量通常小于0.25%。,有较高的屈服强度（3001000,MPa,）,和屈强比（,s,s,/,s,b,=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。,10/15/2024,64,低合金高强度钢按性能和用途分,高强度钢、低温钢和耐蚀钢,1、高强度钢,350,MPa,强度级,，,典型牌号为16,Mn,；,400MPa,强度级,，,典型钢号为14,MnMoV,500,MPa,强度级,，,典型12,MnNiCrMoVCu,用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等的焊接结构件。,10/15/2024,65,2、低温钢,主要有09,Mn2V(-70)、06MnNb(-90),3、,耐蚀钢,10,MnPNbRE,钢耐海洋大气及海水腐蚀，,12,MnAlV,钢制造炼油厂耐高温硫化氢设备。,10/15/2024,66,大型化工容器16,MnR,，,质量比碳钢轻,l/3；,与碳钢相比，用15,MnV,制造球形贮罐可节省钢材约45%。,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,10/15/2024,67,四、专业用钢,锅炉用钢，压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。,在钢号后面分别加注,g、 R,或,HP,等，如20,g、16MnR,和15,MnVHP,等。,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。,10/15/2024,68,五、特殊性能钢,不锈钢、耐热钢和高温合金及低温用钢,1、不锈钢,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。,10/15/2024,69,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,10/15/2024,70,（,1）铁素体不锈钢,含碳0.15，铬量在1230。有些钢种还含有钼、钛等元素。,不锈纲中的含碳量都较低，,Cr,23,C,6,而消耗了铬。都在13以上。,对晶间腐蚀比较敏感；铬含量高时，脆性转变温度高，可焊性较差。,lCr13、2Cr13、,受冲击载荷较大的零件,0,Cr13、0Cr17Ti,耐氧化性酸和硫化氢气体的腐蚀，部分代替高铬镍型不锈钢,10/15/2024,71,（,2）奥氏体不锈钢,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。,含氯离子，发生晶间腐蚀的倾向。,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。,10/15/2024,72,在400800的温度范围内，碳从奥氏体中以碳化铬（,Cr,23,C,6,）,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。,10/15/2024,73,防止晶间腐蚀的方法：,1）降低含碳量 0.06%时不易产生，0.03%时可靠地克服，超低碳不锈钢，如00,Cr19Nil0,2）,稳定碳原子，加入,Ti，,Nb,，V，Mo,稳定剂，广泛用，0,Cr18Nil0Ti、 0Cr18NillNb,3）,形成双相组织，加入铁素体促成元素,Ti，Al，,Si,，Mo，,铁素体含铬高、补充快，5%以内，阻断腐蚀通路。,10/15/2024,74,防止晶间腐蚀的方法：,4）控制热规范，快速加热和冷却，或非常缓慢。,5）补充热处理,稳定化退火（免疫处理）：850度保温2小时，充分扩散,高温淬火水冷（固熔） ：1100度左右加热后淬火，单相奥氏体,10/15/2024,75,加入,Mo,提高对氯离子,Cl,-,的耐蚀能力，,lCr18Nil2Mo3Ti。,0Cr18Nil8Mo2Cu2Ti。,同时加入,Mo、 Cu，,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,10/15/2024,76,2、耐热钢和高温合金,例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等，温度往往达到1000以上。,300350即需选用耐热钢，一般耐热钢工作温度都在700以下，,7001000用高温合金。,10/15/2024,77,耐热钢,Cr、 Al、,Si,铁素体形成元素，被高温气体氧化后生成一种致密的氧化膜。,Ni、,Mn,奥氏体形成元素，,提高高温强度和改善抗渗碳性。,V、,Nb,、Ti,形成强碳化物提高高温强度。,C,和,N,扩大和稳定奥氏体提高高温强度,B,和,Re,均为耐热钢中添加的微量元素，可以显著提高钢材的抗氧化性，并改善其热塑性。,10/15/2024,78,耐热钢,按特性和用途可分为抗氧化钢（又称高温不起皮钢）和热强钢。,抗氧化钢是指高温下具有较好的抗氧化性，并有适当强度的钢种。,热强钢高温下有较好的抗氧化性和耐腐蚀能力，且有较高的强度。常用来高温工作下的汽缸、螺栓及锅炉的过热器等。,10/15/2024,79,高温合金,铁基合金、镍基合金、钴基合金。,铁基耐热合金工作温度在700以下，含有相当高的铬、镍成分和其他强化元素。,镍基耐热合金是目前在700900范围内使用得最广泛的一种高温合金。这类合金的镍含量通常在50%以上。,钴基耐热合金的高温强度主要靠固溶强化获得。钴价格昂贵，应用受到很大的限制，一般在1000以上才用。,10/15/2024,80,3、低温用钢,深冷分离、空气分离等。 （温度-20）,目前国外低温设备用的钢材主要是以高铬镍钢为主，也有使用镍钢、铜和铝等。,我国无铬镍的低温钢材系列。,16,MnDR,、07,MnNiCrMoVDR,、15,MnNiDR,、09Mn2VDR、09,MnNiDR,10/15/2024,81,第五节 有色金属,铜,T,黄铜,H,青铜,Q,铝,L,铅,Pb,铸造合金,Z,轴承合金,Ch,10/15/2024,82,一、铝及其合金,浓硝酸以及干氯化氢、氨气中耐腐蚀,卤素离子的盐类、氢氟酸以及碱溶液都会破坏铝表面的氧化膜。,铝不会产生火花，常用于制作含易挥发性介质的容器；,铝不会使食物中毒，不沾污物品，不改变物品颜色，在食品工业中代替不锈钢。,铝的导热性能好，适合于作换热设备,10/15/2024,83,变形铝合金（工业纯铝和防锈铝）和铸造铝合金,1、变形铝合金,（1）工业纯铝,工业高纯铝1,A85、1A90，,抗硫腐蚀，浓硝酸设备，高压釜、槽车、贮槽、阀门、泵。,工业纯铝8,A06，,耐硫腐蚀、防污染而不要求强度的设备，例如：反应器、热交换器、深冷设备、塔器等。,10/15/2024,84,（,2）防锈铝,由铝锰系或铝镁组成的铝合金，5,A02、5A03、5A05、5A06,等。强度比纯铝高,5,A02、5A03,用于中等强度的零件或设备；,5,A05,制造油箱、管道、低压容器、铆钉,5,A06,用于受力零件及焊制容器。,由于熔焊的铝材在低温(0-196)下冲击韧性不下降，很适合做低温设备。,10/15/2024,85,2、铸造铝合金,是铝、硅合金。,Al-,Si,系，俗称硅铝明，典型牌号,ZAlSi7Mg，,合金号为,ZL101；,Al-Cu,系，应用最早，热强性高，300，耐腐蚀性较差。典型牌号,ZAlCu5Mn，,合金号为,ZL201；,Al-Mg,系，室温力学性能高，耐腐蚀性能好，但热强性低。铸造性能差，典型牌号,ZAlMg10，,合金号为,ZL301；,10/15/2024,86,Al-Zn,系，,Zn,在,Al,中溶解度大，再加入硅及少量镁、铬等元素，具有良好的综合性能，典型牌号,ZAlZn11Si17，,合金号为,ZL401。,铝的铸造性、流动性好，铸造时收缩率和生成裂纹的倾向性都很小。,耐蚀性好，且密度小，广泛用来铸造形状复杂的耐蚀零件，如管件、泵、阀门、汽缸、活塞等。,10/15/2024,87,二、铜及其合金,半,贵重金属,1、纯铜（紫铜）,低温时可保持较高的塑性和冲击韧性，用于制作深冷设备和高压设备垫片。,耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸等介质的腐蚀，对淡水、大气、碱类溶液的耐蚀能力很好。,不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。,10/15/2024,88,变形纯铜的牌号,Tl,、T2、T3、TU1、TU2、TP1、TP2,等。,T1、T2,是高纯度铜，用于制造电线，配制高纯度合金。,T3,杂质含量和含氧量比,T1、T2,高，主要用于一般材料，如垫片、铆钉等。,TU1、TU2,为无氧铜，纯度高，主要用作真空器件。,TP1、TP2,为磷脱氧铜，多以管材供应，主要用于冷凝器、蒸发器、换热器、热交换器的零件等。,10/15/2024,89,2、铜合金,黄铜：铜与锌的合金称黄铜,白铜：镍的质量分数含量低于50%的铜镍合金称为简单（普通）白铜，再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂（特殊）白铜。,青铜：其它合金。铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、铍、锰等组成的合金称无锡青铜。,10/15/2024,90,（,1）黄铜,铜与锌的合金称黄铜。,铸造性能好，力学性能比纯铜高，耐蚀性能与纯铜相似，在大气中耐腐蚀性比纯铜好，价格便宜，应用较广。,在黄铜中加入锡、铝、硅、锰等元素，特种黄铜。,锰、铝能提高强度；铝、锰和硅提高抗蚀性和减磨性；铝能改善切削加工性。,10/15/2024,91,常用的黄铜牌号有,H80、H68、H62,等,H80,大气、淡水及海水中有较高耐腐蚀性、加工性能优良，可作薄壁管和波纹管。,H68,塑性好，可在常温下冲压,H62,在室温下塑性较差，但机械强度较高，易焊接，价格低廉，可做深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。,锡黄铜,HSn70-l,含有1%的锡，能提高在海水中的耐蚀性。称海军黄铜。,10/15/2024,92,（2）白铜,镍含量低于50%的铜镍合金称为简单（普通）白铜，,再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂（特殊）白铜。,白铜是工业铜合金中耐腐蚀性能最优者，抗冲击腐蚀、应力腐蚀性能亦良好，是海水冷凝管的理想材料。,10/15/2024,93,（3）青铜,铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、被、锰等组成的合金称无锡青铜。,锡青铜分铸造锡青铜和压力加工锡青铜。,锡青铜典型牌号,ZQSn10-1，,有高强度和硬度，能承受冲击载荷，耐磨性很好，具有优良的铸造性，比纯铜耐腐蚀。,锡青铜用来铸造耐腐蚀和耐磨零件，如泵壳、阀门、轴承、蜗轮、齿轮、旋塞等。,无锡青铜力学性能好,10/15/2024,94,三、钛及其合金,钛的密度小（4.507,g/cm,3,）、,强度高、耐腐蚀性好、熔点高。,工业纯钛牌号有,TA0、TA2、TA3(,编号愈大、杂质含量愈多)。,纯钛加工性能良好；有良好的耐蚀性。钛也是很好的耐热材料。,在钛中添加锰、铝或铬钼等元素，可获得性能优良的钛合金。,10/15/2024,95,四、镍及其合金,高强度和塑性，好的延伸性和可锻性。好的耐腐蚀性，用于制造处理碱介质的化工设备。,牌号为,NCu28-2.5-1.5,的蒙乃尔耐蚀合金应用最广。蒙乃尔合金能在500时保持高的力学性能，能在750以下抗氧化，在非氧化性酸、盐和有机溶液中比纯镍、纯铜更具耐蚀性。,10/15/2024,96,五、铅及其合金,硬度低、强度小，不宜单独作为设备材料，只适于做设备的衬里。,热导率小；纯铅不耐磨，非常软。但在许多介质中，特别是在硫酸(80%的热硫酸及92%的冷硫酸)中铅具有很高的耐蚀性。,铅与锑合金称为硬铅，硬度、强度都比纯铅高，在硫酸中的稳定性也比纯铅好。硬铅的主要牌号为,PbSb4、 PbSb6、 PbSb8,和,PbSb10。,10/15/2024,97,铅和硬铅在硫酸、化肥、化纤、农药、电器设备中可用来做加料管、鼓泡器、耐酸泵和阀门等零件。,由于铅具有耐辐射的特点，在工业上用作,X,射线和,g,射线的防护材料。,铅合金的自润性、磨合性和减振性好，噪音小，是良好的轴承合金。,铅合金还用于铅蓄电池极板、铸铁管口、电缆封头的铅封等。,10/15/2024,98,第六节 非金属材料,既可用作结构材料，又能作设备的保护衬里、涂层，还可做设备的密封材料、保温材料和耐火材料。,非金属材料分为无机非金属材料（陶瓷、搪瓷、岩石、玻璃等）及有机非金属材料（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）。,10/15/2024,99,一、无机非金属材料,1、化工陶瓷,好的耐腐蚀性、耐热性和一定机械强度。,导热性差，热膨胀系数较大，受碰击或温差急变而易破裂。,10/15/2024,100,2、化工搪瓷,由含硅量高的瓷釉通过900左右的高温煅烧，使瓷釉密着在金属表面。,具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和电绝缘性能，但易碎裂。,热导率不到钢的1/4，热膨胀系数大。不能直接用火焰加热，以免损坏搪瓷表面，可以用蒸汽或油浴缓慢加热。使用温度为-30270。,10/15/2024,101,3、 辉绿岩铸石,用辉绿岩熔融后制成，可制成板、砖等材料作设备衬里，也可做管材。,铸石除对氢氟酸和熔融碱不耐腐蚀外，对各种酸、碱、盐都具有良好的耐腐蚀性能。,10/15/2024,102,4、玻璃,化工用的玻璃不是一般的钠钙玻璃，而是硼玻璃（耐热玻璃）或高铝玻璃，它们有好的热稳定性和耐腐蚀性。,有耐腐蚀性、清洁、透明、阻力小、价格低等特点，但质脆、耐温度急变性差，不耐冲击和振动。,目前已成功采用在金属管内衬玻璃或用玻璃钢加强玻璃管道，来弥补其不足。,10/15/2024,103,二、有机非金属材料,1、工程塑料,是用高分子合成树脂为主要原料，加入添加剂以改善产品性能。,热塑性材料遇热软化或熔融，冷却后又变硬，可反复多次。聚氯乙烯、聚乙烯等。,热固性塑料固化后不能用加热的方法使之再软化，酚醛树脂、氨基树脂等。,有良好的耐腐蚀性能、一定机械强度、良好的加工性能和电绝缘性能，价格较低,10/15/2024,104,（,1）硬聚氯乙烯（,PVC）,塑料,使用温度为-10+55。当温度在6090时，强度显著下降。,（2）聚乙烯（,PE）,塑料,在室温下，除硝酸外，对各种酸、碱盐溶液均稳定，对氢氟酸特别稳定。,（3）耐酸酚醛塑料（,PF）,使用温度为-30+130。这种塑料性质较脆、冲击韧性较低。,10/15/2024,105,（4）聚四氟乙烯（,PTFE）,塑料,耐强腐蚀性介质腐蚀。甚至超过贵重金属金和银，有塑料王之称。,常用作耐腐蚀、耐高温密封元件及高温管道。,有良好的自润滑性，还可以用作无油润滑压缩机的活塞环。,有突出的耐热和耐寒性，使用温度范围为-200250。,10/15/2024,106,（5）玻璃钢,又称玻璃纤维增强塑料。,用合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维为增强材料，按一定成型方法制成。,具有优良的耐腐蚀性能，强度高和良好的工艺性能，是一种新型非金属材料。,树脂不同而差异很大。,环氧玻璃钢（常用）、酚醛玻璃钢（耐酸性好）、呋喃玻璃钢（耐腐蚀性好）、聚酯玻璃钢（施工方便）等。,10/15/2024,107,2、涂料,品种多，选择范围广、适应性强、使用方便、价格低、适于现场施工等。,涂层较薄容易脱落，应用受到了限制。,防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及某些塑料涂料，如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。,用静电喷涂。涂料利用率高，容易进行机械化、自动化的大型生产，减少溶剂和涂料的挥发和飞溅，涂膜质量稳定。,10/15/2024,108,3、不透性石墨,由各种树脂浸渍石墨消除孔隙后得到,有较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度急变性好；不污染介质，能保证产品纯度；加工性能良好。,机械强度较低、性脆。,常被用来作腐蚀性强介质的换热器，如氯碱生产中应用的换热器和盐酸合成炉，,10/15/2024,109,第七节 化工设备的腐蚀及防腐措施,10/15/2024,110,常见的金属腐蚀破坏的形态有均匀腐蚀和局部腐蚀（区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、表面下腐蚀等）,10/15/2024,111,第八节 化工设备材料选择,从设备结构、制造工艺、使用条件和寿命等方面考虑，,而且还要从设备工作条件下材料的物理性能、力学性能、耐腐蚀性能及材料价格与来源、供应等方面综合考虑。,10/15/2024,112,一、材料的物理、力学性能方面,一般中、低压设备屈服限235到345,MPa,级。,直径较大、压力较高，最好采用普低钢，强度级别宜用400,MPa,级或以上。,操作温度超过400，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。,压力容器用钢材，,d,5,不得低于14%。当钢材延伸率,d,5,18%,时，加工应特别注意。,钢管不宜强度级别过高，弯管率很关键，要求塑性好。,10/15/2024,113,二、材料的耐腐蚀性,某磷肥厂需设计一个40,m,3,浓硫酸贮罐，,可选灰铸铁、高硅铸铁、碳钢、铬镍不锈钢和碳钢用瓷砖衬里等。,灰铸铁、高硅铸铁抗拉强度低、质脆，不能铸造大型设备，故不宜采用。,碳钢的机械强度高、质韧，焊接性能好，但稀硫酸腐蚀严重，故也不能采用。,不锈钢价格比较贵，焊接加工要求较高。,碳钢做罐壳内衬非金属较合适,10/15/2024,114,三、材料的经济性,碳钢与普低钢的价格比较低廉，应优先选用。,考虑国家生产与供应情况，因地制宜选取，品种应尽量少而集中，以便于采购与管理。,10/15/2024,115,四、其他方面,压力容器的材料选择应根据容器的操作条件、腐蚀情况及制造加工要求，依照国家标准,GB150-1998,的规定，并按,GB6654-1996,压力容器用钢板与,JB 4726-94,压力容器用碳素钢和低合金钢锻件的规定选用。,为了节省材料，中、高压容器应优先选用普通低合金钢（16,MnR,、15MnVR）。,10/15/2024,116,