1、第七章第七章 化工设备材料化工设备材料 化工设备材料种类主要有两大类：金属材料和非金属材料 从不同设备的要求来划分：有耐高低温、有耐腐蚀性、有良好的机械强度等。7.1 概概 述述 合理选用材料规格、性能、特点合理选用材料规格、性能、特点是化工设备设计的重要环节是化工设备设计的重要环节 不同要求需要不同的材质的材料不同要求需要不同的材质的材料7.2 碳钢和铸铁碳钢和铸铁碳钢合金碳钢合金是以铁为基础的合金，也是是以铁为基础的合金，也是钢和铁的统称钢和铁的统称含碳 0.02%2%钢含碳大于 2%铸铁（含碳 0.02%1.5%钢 含碳 1.5%2.5%半钢 含碳大于 2.5%铸铁）7.2.1 碳碳 钢
2、钢A碳及常存杂质对钢材性能的影响碳及常存杂质对钢材性能的影响 C、S、P、Mn、Si、对钢材的性能影响a碳（碳（C）b强度极限Ak 韧性 HB 硬度，塑性HBbAk0.9C(%)b硫（硫（S）（有害的）（有害的）S S是以是以FeSFeS的形式存在于碳钢中。因熔点的形式存在于碳钢中。因熔点低低(985)(985)，热加工时易使钢材开裂（热，热加工时易使钢材开裂（热脆）。脆）。高级优质钢 S 0.02%0.03%优质钢 S 0.03%0.04%普通钢 S 0.055%c磷（磷（P）（有害的）（有害的）磷在钢中能增加钢的强度、硬度，但引起塑性、韧性的显著降低，在低温时使钢材显著变脆（冷脆）。高级优
3、质钢P0.025%,优质钢P0.04%,普通钢P 0.60%）b优质碳素结构钢优质碳素结构钢因许多特殊的用途：因许多特殊的用途：在钢号末尾分别标上g 或R分别表示锅炉用钢和压力容器用钢。如 20g，22R。由铸造而得的碳钢件：由铸造而得的碳钢件：有ZG标注，如ZG200400。200表示屈服极限屈服极限，400表示强度极限强度极限（MPa）。7.2.2 铸铁铸铁 含碳量较高（2.5%4.0%）其优点是耐磨，切削加工好以及成本低。灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。A 灰铸铁灰铸铁 这种铸铁中的C以自由状态的片状石墨形式存在，断口灰色。适用于支架、阀体、泵体等。以HT加数字表示，如HT100，HT150
4、。HT 灰铁,数字 表示最低抗拉强度（MPa）,数字愈大，强度愈高。B 可煅铸铁（展性铸铁）可煅铸铁（展性铸铁）这种铸铁中C以团絮状存在，适用于低压阀门、管道配件等。以KT表示。有黑心（H），白心（B），珠光体（Z）的不同种类标记和数字。如 KTH30006 300最低抗拉强度（MPa）06 最低延伸率C球墨铸铁球墨铸铁 加入球化剂（Mg、Ca、稀土等元素）和石墨化剂（硅铁或硅钙合金）、使碳以球状石墨结晶存在.是目前新型材料之一，兼有普通铸钢及钢的优点。以QT表示7.3 钢的热处理钢的热处理 热处理热处理是指将钢材通过适当的加热与冷却过程，使钢材的内部组织按照一定的规律变化，以获得预期的机械性
5、能的一种工艺。目的目的是改善钢的加工性能和实用性能。7.3.1 金属结晶组织金属结晶组织固体金属内部的原子是按一定规律排列称晶体晶体（晶格、晶胞）金属的晶格型式最常见的有两种：(1)体心立方晶胞：立方体顶角上各有一个原子，立方体中心又有一个原子，如-Fe、Cr、W、Mo (2)面心立方晶胞：立方体八个顶角上也有一个原子，六个面中心也有一个原子，如-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni等。7.3.2 金属的结晶过程金属的结晶过程 结晶温度TC 与熔点温度Tm之差称为过冷度T=Tm-TC 温度时间TmTCT AB金属结晶过程就是从液态转变为金属晶体的过程，即原子重新排列过程。包括晶核形成和晶体成长二
6、个相互联系的过程。通过加快冷却速度，晶粒细化，提高金属质量。（图7-4）液态晶核成长中的晶粒新的晶核生成晶界7.3.3 铁的同素异构转变铁的同素异构转变 在固态下的金属由于加热或冷却而引在固态下的金属由于加热或冷却而引起晶格结构的转变起晶格结构的转变同素异构转变同素异构转变 （1）面心立方晶格(Fe）（2）体心立方晶格(Fe）910 CFe910 C Fe Fe （面心立方晶格）（体心立方晶格）Fe7.3.4 加热、冷却过程中铁加热、冷却过程中铁碳碳合金组织的转变合金组织的转变碳在铁中存在状态有2种（1）固溶体固溶体 碳溶解在铁中，碳原子在铁的晶格空隙处铁原子碳原子Fe的固溶体称 铁铁 素素
7、体（溶碳量小，体（溶碳量小，在在723 时最大时最大 0.025%）Fe的固溶体称 奥奥 氏氏 体（溶碳量大，体（溶碳量大，在在1146时最大时最大 2.06%。(2）渗碳体渗碳体 碳与铁形成化合物Fe3CFeFe温度时间下临界温度上临界温度 序号 含碳量（%）上临界温度（）下临界温度（）12345 6 00.40.81.21.6 2.06 910780-8701000 1147-723723723723 723 910 C时间温度图7-8(a)(b)(c)温度时间温度时间Fe0.40.81.21.62.06723PSKE40060080010001200温度时间温度时间G铁素体+奥氏体珠光体
8、=铁素体+渗碳体渗碳体+奥氏体奥氏体7.3.5 冷却速度对钢材组织及机冷却速度对钢材组织及机械性能的影响械性能的影响 慢速冷却慢速冷却：在平衡组织中生成的往往是粗片状的球光体。快速冷却快速冷却：生成球光体也就比较细密（机械性能好）。过冷度（大）过冷度（大）：碳来不及析出而转变为铁素体，形成过饱和固溶体马氏体（呈针状组织）。C原子充塞在Fe晶格间隙中，硬度极大而且脆。7.3.6 常 用 的 热 处 理 方 法常 用 的 热 处 理 方 法经多次加热和冷却过程所组成的一经多次加热和冷却过程所组成的一个复杂热处理个复杂热处理A退火退火 把钢件放在炉中缓慢加热，保温一定时间后，随炉缓慢冷却过程。包括完
9、全退火，再结晶退火，低温退火等方面。（a）完全退火完全退火将工件加热到GS线线上3050C（为什么？）保温后缓冷，从而获得接近平衡组织。Fe0.40.81.21.62.06723PSKE40060080010001200温度G（b）再结晶退火再结晶退火将钢件加热至再结晶温度600700C，保温后空冷。（c）低温退火低温退火 目的是消除锻造、焊接等造成铸件内存目的是消除锻造、焊接等造成铸件内存在的残余应力在的残余应力Fe0.41.21.62.060.8723PSKE40060080010001200温度GB正火正火 热处理工艺强度极限b/MPa延伸率s/%完全退火35023正火38028Fe0.
10、41.21.62.060.8723PSKE40060080010001200温度GC淬火淬火 Fe0.41.21.62.060.8723PSKE40060080010001200温度GD回火回火 回火回火是淬火之后的一道工序，是零件最后的热处理 回火回火是把已淬火的钢件重新加热到PSK线以下某一温度，使较长时间保温后，在油中或空气中冷却。低温回火（低温回火（150250 C）中温回火（中温回火（350500 C）高温回火（高温回火（500650 C）下面列出45#钢的正火处理后与调质处理后的机械性能比较热处理工艺机械性能组织b/MPa/%Ak/JHB正火70080015204064163220
11、珠光体+铁素体调质75085020256496210250铁素体+粒状渗碳体E化学热处理化学热处理 目的是改变表层化学成分和组织目的是改变表层化学成分和组织渗碳用渗碳剂，加热到高温 900950C.目的是使零件表面具有高硬度和耐磨性目的是使零件表面具有高硬度和耐磨性氮化使氮原子渗入表面 目的是提高硬度、抗腐蚀性等目的是提高硬度、抗腐蚀性等氰化碳、氮同时渗入零件表面渗金属有渗铬、铝、硅等原子7.4 合金钢合金钢 为了改善钢的性能，在炼钢过程中，特意地向钢中加入一种或几种金属元素，这种钢称合金钢合金钢。合金元素常有：铬、锰、镍、硅、铝、硼、钨、钼、钒、钛及稀土元素等。7.4.1合金元素合金元素 固
12、溶强化铁素体固溶强化铁素体（固溶强化铁素体）如：16Mn（由屈服极限235MPa提高到350MPa）,Si、Mn、Ni 对铁素体效果明显。弥散强化铁素体弥散强化铁素体（合金元素与碳形成碳化物，并以极小的质点析出呈弥散状分布于铁素体上，提高强度），稳定性次序：钛、钒、钨、钼、铬、锰。如：15MnV。在15MnTi中用0.4%0.12%V代替0.12%0.2%Ti,V与C化合成V4C3,细化颗粒。细化晶粒细化晶粒 除锰外，几乎所有的合金元素都不同程度第阻碍奥氏体晶粒的长大，从而细化，提高韧性 改善热处理性能改善热处理性能 Mn、Cr、Al、Si、Ni、B、P等都能使钢在较缓慢冷却速度下，就能得到淬
13、火组织马氏体7.4.2合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号A 分类分类按用途按用途：结构钢（零件）、工具钢（刀具量具）、特殊钢（不锈钢，耐热钢）三类按合金元素含量按合金元素含量：低合金钢 10%B 编号编号原则：原则：（1）合金结构钢左边数字（两位数字）表示钢的平均含碳量（万分之一的碳表示）。35CrMo，表示含碳0.35%，Cr、Mo分别1%左右 合金工具钢以千分之一的碳作为一个数字（一位数字）。9CrSi，表示含碳0.9%，Cr、Si分别1%。当超过1.0%的含碳 量，在 钢 号 中 不 表 示 其 含 碳 量。CrWMn，表示含碳超过1.0%（2）表示含碳量数字后面，某一元素的上限含量超
14、过1.5%时，在该元素后面注出近似百分比。如09Mn2V 碳0.09%Mn2%V 1.6%（3）不锈钢中当含碳量低于或等于0.03%及0.08%时，在钢号前分别冠以“00”及“0”。如00Cr18Ni10，0Cr18NiTi。（4）高级优质钢（含S,P较低），钢号末尾加上“A”字，如35CrMoA。7.4.3 合金结构钢合金结构钢A机械制造结构钢。机械制造结构钢。渗碳钢，调质钢，弹簧钢、滚动轴钢因含碳量不同热处理不同。牌号化学成分%厚度mm机械性能用途CSiMn其他BMPasMPas/%16MnR0.120.200.200.601.201.60-6-165106553452115MnV0.18
15、0.200.601.201.600.040.12V6-165306703901815MnVNR0.120.200.200.601.301.700.100.20V0.0100.020N6-165907354401818MnMoNbR0.170.230.170.371.351.650.450.65Mo0.0250.050Nb6-3863578551017表7-2B压力容器用低合金结构钢。压力容器用低合金结构钢。含碳量在0.1%-0.25%，含少量的合金元素。表7-27.4.4 不锈钢不锈钢A金属腐蚀的基本知识金属腐蚀的基本知识化学腐蚀化学腐蚀 指金属表面直接与介质发生纯化学 作用，过程不产生电流，
16、结果形成膜覆盖金 属表面。电化学腐蚀电化学腐蚀 是金属与介质（酸、碱、盐电解 质）发生电化学作用而产生腐蚀。具有微电 池作用。如Zn,Cu在稀硫酸中产生腐蚀。Zn 被腐蚀，而Cu被保护（原因是Zn电位低于Cu）Zn Zn+2e 2H+2e H2 Zn+2H+Zn+H2ZnCu稀硫酸Zn+Zn+Zn+H+H+H+H2B提高抗腐蚀措施提高抗腐蚀措施金属抗腐蚀性能与化学成分、金相组织、设备结构有关。三相措施：（1）提高电极电位。（2）金属呈单一相组织。避免形成腐蚀电池。因此珠光体组织是不耐，而单一的奥氏体是耐蚀。（3）设计合理的设备结构。机械应力、热应力等。如焊缝，死角C不锈钢的品种及性能不锈钢的品
17、种及性能1.铬不锈钢（含碳较低 Cr23C6）2.铬镍不锈钢 （为了扩大耐蚀范围）晶间腐蚀 在500-800 C时，在晶间上析出碳化物使晶界附近的铬含量降低到抵于抗蚀需要的最低11.7%的含铬量。因此沿着晶界附近产生的腐蚀现象称晶间腐蚀，导致钢材发生脆性破坏。为了防止该现象加入Ti,Nb等元素。如0Cr18Ni11Ti3.无镍不锈钢(考虑到我国镍资源短缺）以铬为主，形成稳定的奥氏体的元素有Mn,N 代替Ni.7.4.5 耐热钢耐热钢适应高温设备的材料应具备良好的化学稳定性和热强性。表7-3 抗氧化性 抗蠕变7.4.6 低温钢A 低温钢B抗氢腐蚀C抗氮腐蚀晶界7.5 有 色 金 属 及 其 合
18、金 属有 色 金 属 及 其 合 金 属A钢及其合金（高导电性、导热性、塑钢及其合金（高导电性、导热性、塑性、冷韧性）性、冷韧性）a纯铜 T1,T2,T3,T4 b黄铜（铜锌合金）H80,H68,H62 c青铜（与其他金属合金）高强度高硬度，优良的铸造性和化学性能。如锡青铜（ZQSn10）B铝及其合金铝及其合金 a工业纯铝 L1,L2,L3,.L6.编号大纯度低，用于要耐蚀不要求强度的化工设备制造。b硬铝(LY,Al-Cu-Mg).低合金硬铝，LY1,标准硬铝，LY11,高合金硬铝，LY12 c防锈铝(LF)d铸铝(铝硅合金，ZL107)C铅及其合金铅及其合金D镍及其合金镍及其合金7.6 非金
19、属材料非金属材料一、无机一、无机 A化工陶瓷 B玻璃 C水泥 D无机耐酸二、有机二、有机 A工程塑料 耐酸酚醛，聚氯乙烯/聚乙烯，聚四氟乙烯，玻璃钢、聚酰氨等 B不透性石墨：各种树脂浸渍石墨消除空隙而得。C涂料：包括油漆、环氧树脂漆等。7-5Q235A-F表示屈服极限为235MPaA类沸腾钢20R表示含碳量在0.20%优质低碳容器用钢10 表示含碳量在0.10%优质低碳(结构)钢20 表示含碳量在0.20%优质低碳(结构)钢20g表示含碳量在0.20%优质低碳锅炉用钢45表示含碳量在0.45%优质中碳(结构)钢ZG200-400表示屈服极限为200MPa、强度极限为400MPa的铸钢08F表示
20、含碳量为0.08%优质低碳沸腾钢16Mng表示含碳量0.16%、Mn含量在1%左右的优质低碳锅炉用（合金）钢16MnR表示含碳量0.16%、Mn含量在1%左右的优质低碳容器用（合金）钢15MnVR表示含碳量0.15%、Mn含量在1%左右、V含量在1%左右的低碳优质容器用（合金）钢0Cr13表示含碳量小于或等于0.08%、Cr含量在13%左右的微碳铬不锈钢0Cr19Ni9 0Cr19Ni9表示含碳量小于或等于0.08%、Cr含量在19%左右、Ni含量在9%左右的微碳铬镍不锈钢0Cr18Ni9Ti表示含碳量小于或等于0.08%、Cr含量在18%左右、Ni含量在9%左右、Ti含量在1%左右的微碳铬镍
21、不锈钢1Cr13表示含碳量在0.1%左右、Cr含量在13%左右的低碳铬不锈钢1Cr17Ti表示含碳量在0.1%左右、Cr含量在17%左右、Ti含量在1%左右的的低碳铬不锈钢7-6普通碳钢Q235A-F优质碳钢20R、10、20、20g、45、08F容器用钢20R、16MnR、15MnVR铬不锈钢0Cr13、1Cr13、1Cr17Ti铬镍不锈钢0Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti铸钢ZG200-400锅炉用钢20g、16Mng7-10种类牌号表示显微组织机械性能特点用途举例灰口铸铁HT片状石墨抗压 不抗拉支架 泵体 机座等可锻铸铁KT团状石墨有一定的强度和较高的塑性韧性低压阀门 管道配件 运输
22、机 升降机球墨铸铁QT球状石磨在强度塑性和韧性方面大大超过灰铸铁研磨机 等7-11HT200-表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁KT300-06-表示最低抗拉强度为300MPa，06表示最低延伸率。7-13退火是 把钢件放在炉中缓慢加热，保温一 定时间后随炉缓慢冷却的过程。其目的是消除组织缺陷，降低硬度，消除内应力。正火是把钢件加热到GS或ES线以上3050 C，经适当保温后从炉中取出在空气中冷却。其目的是均匀组织，细化晶粒，消除内应力。淬火是把钢件加热到GS或PSK线以上，保温后快速冷却。其目的是增加工件的硬度、强度和耐磨度。低温回火是淬火后在150250 C 范围内的回火。其目的是降低
23、钢件的内应力和脆性。中温回火是淬火后在350500 C 范围内的回火。其目的是增加韧性。调质处理是淬火加高温回火。其目的是提高钢件的机械性能。7-18答：由于碳是钢中必须存在的元素，它能与铬形成铬的碳化物，使得晶界附近的铬含量降低，从而降低其耐腐蚀性，因此铬镍不锈钢中的碳含量都很低。可在钢中加入与碳亲和力比Cr更强的Ti、Nb等元素以形成稳定的TiC、NbC。7-19答：不是因为耐腐蚀的强弱常与钢的含碳、含铬量有关，当含铬量大于11.7%时，钢的耐腐蚀就有显著提高，而且含铬量愈多则愈耐腐蚀。但由于碳是钢中必须存在的元素，它能与铬形成铬的碳化物，1Cr13 和0Cr19Ni9等不锈钢中的碳都会与
24、铬在晶界形成铬的碳化物，形成碳化物使得晶界附近的铬含量降低到低于抗腐蚀所需要的最低含量11.7%以下，从而使腐蚀集中在晶界附近的贫铬区。耐腐蚀只是相对而言，1Cr13 和0Cr19Ni9等不锈钢并不能在任何一种腐蚀介质中都能耐蚀。7-20 答：由于在晶界上析出碳化物，形成碳化铬（C23Cr6）,使晶界附近的铬含量降低到低于抗蚀需要的最低11.7%的含铬量。从而使腐蚀集中在晶界附近的贫铬区，这种沿晶界产生的腐蚀现象称晶间腐蚀，结果是导致钢材发生脆性破坏。1Cr18Ni9不锈钢在500 800范围内极易引起晶界腐蚀。为了防止晶界腐蚀，可在钢中加入与碳亲和力比Cr更强的Ti、Nb等元素以形成稳定的TiC、NbC，把碳固定住，从而大大减少晶界腐蚀。7-21答：1Cr13中Cr含量11.7%40Cr中Cr含量11.7%
