1、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
2、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-
3、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0.054碳及1
4、左右杂质元素所组成合金。含碳量0.022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Fe(图 a);铁在910oc以下是具有体心立方结构的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。gFe变成aFe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
5、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。
6、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
7、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”
8、，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、
9、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。回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热
10、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”。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300450。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500680。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，
11、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：S0.0
12、55%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：P0.025%；优质钢：P0.04%；普通钢：P0.085%。（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
13、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。（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
14、 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%
15、)。45Mn，锰含量较高的优质非合金钢。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。（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）4mm6mm厚度间隔为0.5mm6mm30mm厚度间
16、隔为 lmm30mm60mm厚度间隔为2mm一般碳素钢板材有 Q235-A、Q235-AF、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
17、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。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sb值表示，如 HT
18、100，其中100表示sb100MPa。常用灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。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sb400MPa，18表示d=18%。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。合金钢在碳钢中添加适量的一种或多
19、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 合金钢的钢号表示方法：一种是汉字牌号，如35铬钼；另一种是用国际化学符号，如35CrMo。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36Mn2Si。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(M
20、o)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。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。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。4、硅提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S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H2S介质腐蚀有良好作
21、用。价格便宜，在耐热钢中常以它来代替铬。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。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。三、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20g、16MnR和15MnVHP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。四、特殊性能钢不锈钢
22、、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。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（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，Cr23C6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。0Cr13、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（2）奥氏体不锈钢优
23、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。在400800的温度范围内，碳从奥氏体中以碳化铬（Cr23C6）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。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00Cr19Nil0 2）稳定碳原子，加入Ti，Nb，
24、V，Mo稳定剂，广泛用，0Cr18Nil0Ti、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。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2、耐热钢和高温合金
25、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。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。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
26、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。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。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。16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNi
27、DR压力容器材料多种多样压力容器材料多种多样钢钢用的最多用的最多有色金属有色金属非金属非金属复合材料复合材料其他其他压力容器用钢压力容器用钢的基本要求的基本要求较高的强度较高的强度良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性改善钢材性能的途径改善钢材性能的途径化学成分的设计化学成分的设计组织结构的改变组织结构的改变零件表面改性零件表面改性一、化学成分一、化学成分钢材化学成分对其钢材化学成分对其性能性能和和热处理热处理有较大的影响。有较大的影响。1、碳、碳碳含量碳含量强度增加强度增加可焊性变差可焊性变差焊接时易在热影响区出现裂纹焊接时易在热影响区出现裂纹在钢中
28、加入钒、钛、铌等元素，在钢中加入钒、钛、铌等元素，可提高钢的强度和韧性。可提高钢的强度和韧性。2、钒、钛、铌等钒、钛、铌等3、S、P是钢中最主要的有害元素是钢中最主要的有害元素硫硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度大大提高钢材的纯净度可提高钢材的韧性、抗应可提高钢材的韧性、抗应变时效性能、抗回火脆化变时效性能、抗回火脆化性能、抗中子辐照脆化
29、能性能、抗中子辐照脆化能力和耐腐蚀性能。力和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。杂质元素含量的控制更加严格。例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.020%和和0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。以内。化学成分对热处理也有决定性的影响，化学成分对热处理也有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。热
30、处理效果。二、力学性能二、力学性能材料的力学行为材料的力学行为由于载荷（如载荷种类、作用方式等）和应力由于载荷（如载荷种类、作用方式等）和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下状态的不同，以及钢材在受力状态下它所处的它所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为行为，称为材料的力学行为。钢材的力学行为，钢材的力学行为，不仅与钢材的不仅与钢材的化学成分、组织结构化学成分、组织结构有关有关，而，而且与材料所处的且与材料所处的应力状态应力状态和和环境环境有密切的关系。有密切的关系。力学性能决定力学行为力学性能决定力学行为钢材的钢材的力学
31、性能力学性能主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的判据，是机械设计时选材和强度计算的主要依据。判据，是机械设计时选材和强度计算的主要依据。a、压力容器设计中，常用的强度判据压力容器设计中，常用的强度判据包括抗拉强度包括抗拉强度b屈服点屈服点s持久极限持久极限蠕变极限蠕变极限疲劳极限疲劳极限-1b、压力容器设计中，常用的塑性判据压力容器设计中，常用的塑性判据延伸率延伸率5断面收缩率断面收缩率c、压力容器设计中，常用的韧性判据压力容器设计中，常用的韧性判据冲击吸收功冲击吸收功Akv韧脆转变温度韧脆转变温度断裂韧性断裂韧性Dsns韧性韧性临界裂纹尺寸的大小主要临界裂
32、纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性取决于钢的韧性。如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高。全性也越高。为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材。的钢材。如如16MnR钢板，要求在钢板，要求在00C时的横向（指冲击试件的取样时的横向（指冲击试件的取样方向）方向）Akv不小于不小于31J。当使用温度低于或等于当使用温度低于或等于-200C时，时，需要考虑低温冲击韧性，并根据应力水平、设计温度和需要考虑低温冲击韧性，并根据应力水平、设计温度和厚度，确定
33、夏比厚度，确定夏比V型缺口冲击试验温度和型缺口冲击试验温度和Akv的指标。的指标。夏比夏比V型缺口冲击吸收功型缺口冲击吸收功Akv对温度很敏感对温度很敏感，能较好地反能较好地反映材料的韧性，与断裂韧性有较好的数值联系，世界各映材料的韧性，与断裂韧性有较好的数值联系，世界各国压力容器规范标准都对国压力容器规范标准都对Akv提出了要求。提出了要求。Akv三、制造工艺性能三、制造工艺性能制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率冷加工成型性能和塑性，其延伸率5应在应在1520%以上。为检以上。为检验钢板承
34、受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为的弯心直径，在常温下做弯曲角度为1800的弯曲实验。试样外的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。冷加工的要求冷加工的要求焊接的要求焊接的要求可焊性：指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的可焊性：指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。碳碳其中影响最大的是含碳量。含碳量愈低，愈不易产生裂其中影响最大的是含碳量。含碳
35、量愈低，愈不易产生裂 纹，可焊性愈好。纹，可焊性愈好。一般认为，一般认为，Ceq 小于小于0.4%时，可焊性优良；时，可焊性优良；Ceq 大大于于0.6%时，可焊性差。中国目前对压力容器用钢尚未时，可焊性差。中国目前对压力容器用钢尚未规定碳当量要求，但上述计算碳当量的公式对分析焊规定碳当量要求，但上述计算碳当量的公式对分析焊接裂缝的敏感性具有一定的参考价值。接裂缝的敏感性具有一定的参考价值。合金元素合金元素影响通常是用碳当量影响通常是用碳当量Ceq来表示。来表示。5156VMoCrCuNiMnCCeq式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量压力容器零件材
36、压力容器零件材料选择综合考虑料选择综合考虑压力容器的使用条件压力容器的使用条件零件的功能和制造工艺零件的功能和制造工艺材料性能材料性能材料使用经验（历史）材料使用经验（历史）材料价格材料价格规范标准规范标准3、压力容器常用钢材压力容器常用钢材一、钢材形状一、钢材形状钢材的形状包括钢材的形状包括板、管、棒、锻件、铸件板、管、棒、锻件、铸件等。压力容器用钢主要是等。压力容器用钢主要是板、管材板、管材和和锻件锻件（1）钢板钢板壳体、封头、板状构件等壳体、封头、板状构件等下料、卷板、焊接、热处理下料、卷板、焊接、热处理较高的强度、良好的塑性、韧性、较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能冷弯性
37、能和焊接性能主要用途主要用途加工要求加工要求性能要求性能要求（2）钢管钢管接管、换热管等接管、换热管等无缝钢管、卷制无缝钢管、卷制下料、焊接、热处理下料、焊接、热处理较高的强度、塑性和良好的较高的强度、塑性和良好的焊接性能焊接性能主要用途主要用途主要来源主要来源加工要求加工要求性能要求性能要求（3）锻件锻件高压容器的平盖、端部法兰与接高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等管法兰等、四个级别。级别越四个级别。级别越高，高，要求检验项目越多，越严格，要求检验项目越多，越严格，价格越高。价格越高。主要用途主要用途分分 级级二、钢材类型二、钢材类型碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢高合金钢高合金钢（按化学成分
38、分类）按化学成分分类）1、碳素钢碳素钢含碳量小于含碳量小于2.06的铁碳合金。以及少量的硫、磷、的铁碳合金。以及少量的硫、磷、硅、氧、硅、氧、氮等元素。氮等元素。压力容压力容器用钢器用钢碳素结构钢碳素结构钢压力容器专用钢板压力容器专用钢板Q235系列钢板；系列钢板；10、20钢钢管；钢钢管；20、35钢锻件。钢锻件。20R20R的特点的特点和应用场合和应用场合强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。也做垫板、支座等零部件材料。R-压力压力容器专用容器专用钢板钢板892、低合金钢低合金钢是
39、一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超 过过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐 腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。特点及优点特点及优点采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运 输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难，以输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难，以16Mn
40、R代代替碳素钢制造设备可以节省钢材替碳素钢制造设备可以节省钢材13，以，以15MnVR代替碳代替碳素钢制造设备可以节省钢材素钢制造设备可以节省钢材45。16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR;压力容器常用低合金钢：压力容器常用低合金钢：16Mn、09MnD;16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、12Cr1MoV。钢板钢板钢管钢管锻件锻件D-低温低温用钢用钢应用介绍应用介绍1、16MnRss屈服点屈服点 为为340MPa 级的压力容器专用钢板级的压力容器专用钢板我国压力容器行业使用量最大的钢板我国压力容器行业使用量最大的钢板具有良好的综合力学性
41、能、制造工艺性能具有良好的综合力学性能、制造工艺性能主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器应用介绍应用介绍2、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR低温压力容器用钢，工作在低温压力容器用钢，工作在-20及更低温度的压力容器专用钢板及更低温度的压力容器专用钢板16MnDR可用于可用于-40 的钢种的钢种液氨储罐等设备液氨储罐等设备（降低碳含量，并加镍和微量钒）降低碳含量，并加镍和微量钒）15MnNiDR提高了低温韧性提高了低温韧性-40 级低温球形容器级低温球形容器09MnNiDR-70 级低温压力容器用钢级低温压力容器用钢用于制造液丙烯（用于
42、制造液丙烯（-47.7）、液硫化氢（）、液硫化氢（-61 ）等设备）等设备应用介绍应用介绍3、15CrMoR低合金珠光体热强钢低合金珠光体热强钢中温抗氢钢板中温抗氢钢板用于制造壁温不超过用于制造壁温不超过560 的压力容器的压力容器应用介绍应用介绍4、20MnMo、09MnNiD20MnMo常制造使用温度为常制造使用温度为-40470 的重要大中型锻件的重要大中型锻件良好的热加工和焊接良好的热加工和焊接工艺性能工艺性能09MnNiD良好的低温韧性良好的低温韧性常制造使用温度为常制造使用温度为-4045 的低温容器的低温容器3、高合金钢高合金钢压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是压力容器中
43、采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀耐腐蚀、耐高温钢耐高温钢铬钢铬钢铬镍钢铬镍钢铬镍钼钢铬镍钼钢（1）铬钢）铬钢但不耐硫酸、盐酸、热但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀磷酸等介质的腐蚀0Cr13是常用的铁是常用的铁素体不锈钢素体不锈钢有较高的强度、塑性、韧性和有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能良好的切削加工性能在室温的稀硝酸以及弱在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐有机酸中有一定的耐腐蚀性蚀性（2）铬镍钢铬镍钢0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10三种钢均属于三种钢均属于奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢。但长期在水及蒸汽中工作时，但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr
44、18Ni9有有倾向，并且在氯化物溶液中易发生倾向，并且在氯化物溶液中易发生开裂。开裂。具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196600温温度范围内长期使用。度范围内长期使用。为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。0Cr18Ni9在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳0Cr18Ni10Ti00Cr19Ni10（3）铬镍钼钢铬镍钼钢耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造
45、介质中含氯离子的设备。用于制造介质中含氯离子的设备。00Cr18Ni5Mo3Si2奥氏体奥氏体-铁素体双相铁素体双相不锈钢不锈钢复合板复合板基层基层：与介质不接触，主要起承载作用，：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。通常为碳素钢和低合金钢。复层复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般 为基层厚度的为基层厚度的1/101/3。复合板应用特点复合板应用特点用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐
46、蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。不用复合板。3.2、有色金属和非金属有色金属和非金属一、有色金属一、有色金属使用状态使用状态在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用下使用选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号压力容器常用压力容器常用有色金属：有色金属：铜及其合金
47、铜及其合金铝及其合金铝及其合金镍和镍合金镍和镍合金钛和钛合金钛和钛合金 在没有氧存在的情况下，铜在许多在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性非氧化性酸酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，是制造在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，是制造深深冷设备冷设备的良好材料。的良好材料。1、铜及其合金铜及其合金特性特性：3.3、有色金属和非金属有色金属和非金属半贵重金属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，
48、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。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。（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。常用的黄铜牌号有H80、H68、H62等H80大气
49、、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。（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。（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
50、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2、铝及其合金铝及其合金特性特性：铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；在低温下具有良好的塑性和韧性；在低温下具有良好的塑性和韧性；使用温度范围为使用温度范围为-269200；有良好的成型和焊接性能。有良好的成型和焊接性能。应用应用：可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止可用来制作压力较低的贮罐
