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1、?2013/5/14?1第五章 化工设备用材料第五章 化工设备用材料一、概述一、概述二、材料的性能二、材料的性能三、金属材料的分类及牌号三、金属材料的分类及牌号四、钢铁的组织结构及热处理四、钢铁的组织结构及热处理五、普通低合金钢及化工设备用特种钢五、普通低合金钢及化工设备用特种钢六、非金属材料六、非金属材料七、化工设备材料的选择七、化工设备材料的选择?1一、概述一、概述1.化工设备的操作条件化工设备的操作条件化学工业是基础工业，化工设备的种类很多，操作条件复杂化学工业是基础工业，化工设备的种类很多，操作条件复杂苛刻：苛刻：操作压力操作压力：真空、常压、低压、中压以至高压和超高压；：真空、常压、
2、低压、中压以至高压和超高压；操作温度操作温度：低温、常温、中温和高温；：低温、常温、中温和高温；介质：介质：有腐蚀性、易燃、易爆、有毒等。有腐蚀性、易燃、易爆、有毒等。2.化工设备选材的一般要求化工设备选材的一般要求遵循遵循适用、安全和经适用、安全和经济济的的原则原则选择材料。选择材料。2选用材料的一般要求是：选用材料的一般要求是：材料材料品品种种应符应符合合我国资源我国资源和和供应情况供应情况；材质材质可靠可靠，能，能保证使保证使用用寿命寿命；要有要有足够足够的的强强度，一度，一定定的的塑塑性和性和韧韧性，性，对对腐蚀性介质腐蚀性介质能能耐耐腐蚀；腐蚀；便于制造加 便于制造加工，工，焊接焊接
3、性能性能良好良好；经经济上济上合合算算。3.压力压力容器容器的选材要求的选材要求压力压力容器容器用钢用钢板板：耐耐腐蚀，腐蚀，较较高的高的强强度，度，良好良好的的塑塑性、性、韧韧性和性和冷弯冷弯性能，性能，缺口敏感缺口敏感性要低，性要低，加加工和工和焊接焊接性能性能良好良好。中、高温中、高温容器容器：材料组织：材料组织稳定稳定性和中、高温的性和中、高温的机械机械性能。性能。低温设备低温设备：低温：低温脆脆性性破裂问题破裂问题。?3二、材料的性能二、材料的性能2.1 力学性能力学性能定义定义：材料：材料抵抗外抵抗外力力而不产生而不产生超超过允许过允许的的变形或不被破坏变形或不被破坏的的能力。能力
4、。弹弹性性变形变形 弹塑弹塑性性变形变形 断裂断裂2.1.1 强强度度强强度是度是固体固体材料材料在外在外力作用力作用下抵抗产生塑下抵抗产生塑性性变形变形和和断裂断裂的特性。的特性。屈服点（屈服点（s）发生屈服现象时发生屈服现象时的的应应力，力，即开始即开始出出现塑现塑性性变形时变形时的的应应力力称为称为“屈服点屈服点”，用，用s（MPa）表示表示，代表代表材料材料抵抗产生塑抵抗产生塑性性变形变形的能力。的能力。（退火退火、热、热轧轧的低的低碳碳钢和中钢和中碳碳钢有钢有明显明显的的屈服点）屈服点）条件条件屈服点屈服点0.2工工程程中中规规定发生定发生0.2%残余伸长残余伸长时时的的应应力力?4
5、 抗 抗拉拉强强度度（b）金属材料金属材料在在受受力力过过程程中，中，从从开始加开始加载到载到发生断裂发生断裂所所能能达到达到的的最最大大应应力力值值，叫做叫做抗抗拉拉强强度。以度。以b（MPa）表示表示。屈强屈强比比（s/b）。屈强屈强比愈小比愈小，就具就具有有较较大大的的塑塑性性储储备，备，愈愈不不容容易易发生发生危险危险的的脆脆性性破坏破坏；但但屈强屈强比太比太低，材料的低，材料的强强度度水平就水平就不不能能充充分分发发挥挥。反之反之，屈强屈强比愈大比愈大，材料的，材料的强强度度水平水平能能得到充得到充分分发发挥挥。?5 蠕蠕变强变强度度（n）蠕蠕变变：金属材料：金属材料在在高温和高温和
6、应应力作用力作用下下逐渐逐渐产生塑产生塑性性变形变形的的现象现象。蠕蠕变强变强度度n：在在一一定定工作温度工作温度下下，在在规规定定的的使使用用时时间内间内，使使试试件件发生发生一一定定量量的的总总变形变形的的应应力力值值。如如1/10000表示表示材料经材料经10000h发生发生1%的的总总变形时变形时的的蠕蠕变变强强度。度。表示表示材料材料在在高温条件高温条件下下，抵抗发生抵抗发生缓慢缓慢塑塑性性变形变形的能力。的能力。?6?2013/5/14?2 持久持久强强度度（D）持久强度：在给定温度下，促使试样经过一定时间发生断裂的持久强度：在给定温度下，促使试样经过一定时间发生断裂的应力。持久强
7、度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。应力。持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。?7 疲劳疲劳强强度度（-1）金属材料受到大小及方向变化的交变载荷作用发生断裂的现象金属材料受到大小及方向变化的交变载荷作用发生断裂的现象称为疲劳，往往断裂应力值远低于屈服点。称为疲劳，往往断裂应力值远低于屈服点。金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力，金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力，称为疲劳极限。往往把经称为疲劳极限。往往把经106108次循环试验所测得的材料次循环试验所测得的材料不发生断裂的最大应力作为疲劳强度。不发生断裂的最大应力作为疲劳强度。?82.1
8、.2 塑塑性性金属的金属的塑塑性，是性，是指指金属金属在外在外力作用力作用下产生塑下产生塑性性变形而不被破变形而不被破坏坏的能力。常用的的能力。常用的塑塑性性指标指标是是延伸率延伸率和和断断面收缩率面收缩率。延伸率延伸率（）试试件件受拉受拉力力拉拉断断后后，总伸长总伸长的的长长度度与与原始原始长长度度之比之比的的百百分分率率，称为延伸率称为延伸率（压力压力容器容器用钢用钢15%）。断 断面收缩率面收缩率（）试试件件受拉受拉力力拉拉断断后后，断断面缩小面缩小的的面面积同积同原始原始截截面面面面积积比值比值的的百百分分率率，叫做叫做断断面收缩率面收缩率。%100%100000=lllllkk%10
9、000=FFFk【提【提示示】材料材料良好良好的的塑塑性的性的优优点点：制造过制造过程程中中顺利进行顺利进行弯弯卷卷、锻锻压、压、冷冷冲冲、焊接焊接成型成型工工艺艺；设备；设备使使用中能用中能由由于塑于塑性性变形而变形而避免突然避免突然断裂断裂。2.1.3 硬硬度度硬硬度：金属材料度：金属材料抵抗抵抗其他更硬物其他更硬物体体压压入入表面表面的能力。的能力。硬硬度度是材料的是材料的重重要性能要性能指标之指标之一，一，可可反反映映材料材料弹弹性、性、强强度度与与塑塑性等的性等的综综合性能；合性能；硬硬度高度高强强度度也也高，高，耐耐磨磨性性较好较好。常用的常用的硬硬度度指标指标：布氏硬布氏硬度度（
10、HB）、洛氏硬洛氏硬度度（HR）、维氏硬维氏硬度度（HV）等。等。（主主要要区别区别为为压压头头形形状状和压力和压力载荷载荷）?92.1.4 冲击冲击韧韧性性（Akv）韧韧性是材料性是材料在外加在外加动动载荷载荷突然袭击突然袭击时时的一种及的一种及时时和和迅速迅速塑塑性性变形变形的能力。的能力。10冲击冲击韧韧性性测测定定试验示试验示意图意图【注意】【注意】韧韧性高的材料，一般性高的材料，一般都都有有较较高的高的塑塑性性指标指标；但但塑塑性性较较高的材料，高的材料，却却不不一一定定都都有高的有高的韧韧性。性。原原因因是是静静载荷载荷下下能能够够缓慢缓慢塑塑性性变形变形的材料，的材料，在在动动载
11、荷载荷下不下不一一定定能能迅速迅速塑塑性性变形变形。2.1.5 缺口敏感缺口敏感性性缺口敏感缺口敏感性是性是指指在在带带有一有一定应定应力力集集中的中的缺口缺口条件条件下下，材料，材料抵抗抵抗裂裂纹扩展纹扩展的能力，属的能力，属于于材料的材料的韧韧性性范畴范畴。但但和材料的和材料的冲击冲击韧韧性性不不同同，是，是在在静静载荷载荷下抵抗裂下抵抗裂纹扩展纹扩展的性能。的性能。而而冲击冲击韧韧性是性是指指材材料料承承受受动动载荷载荷时抵抗裂时抵抗裂纹扩展纹扩展的能力。的能力。?112.2 物物理性能理性能金属材料的金属材料的物物理性能有理性能有密密度、度、熔熔点点、热、热膨胀膨胀性、性、导导热性、热
12、性、导导电电性、性、磁磁性、性、弹弹性性模模量与量与泊松泊松比比等。等。2.2.1 热热膨胀膨胀性性金属及合金金属及合金受受热热时时，一般，一般说来说来体体积都积都要要胀胀大大，这这一特性一特性称为称为热热膨胀膨胀性。通常性。通常应应用的是用的是线膨胀系线膨胀系数数，以，以表示表示，量量纲纲为为mm/(mm)。钢材：钢材：=9.210.410-6mm/(mm)2.2.2 弹弹性性模模量与量与泊松泊松比比材料材料在弹在弹性性范围范围内内，应应力和力和应变应变成正成正比比，这个这个比比例系例系数称为数称为弹弹性性模模量量，以，以E表示表示。金属的。金属的弹弹性性模模量量主主要要取决取决于于金属金属
13、原原子子结构、结构、结结晶晶点点阵阵和温度等和温度等因素因素。E值值随随温度的温度的升升高高而而逐渐逐渐降降低。低。钢材：钢材：E=1.942.08105MPa泊松泊松比比是是试试件件单位单位横横向收缩与向收缩与单位单位纵纵向伸长之比向伸长之比，以，以表示表示，钢材钢材=0.3。?12?2013/5/14?31.耐耐腐蚀性腐蚀性金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵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。抗能力叫做耐腐蚀性。2.抗抗氧氧化性化性材料在高温、含氧工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程材料在高温、含氧工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐
14、蚀过程，还有其他气体介质如水蒸汽、还有其他气体介质如水蒸汽、CO2、SO2等的氧化腐蚀作用。等的氧化腐蚀作用。132.3 化学性能化学性能金属的化学性能是指材料在所处的介质中的化学稳定性，即金属的化学性能是指材料在所处的介质中的化学稳定性，即材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀。材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀。2.4 制造加制造加工工工工艺艺性能性能金属和合金的工金属和合金的工艺艺性能是性能是指指铸铸造造性、性、可可锻锻性、性、可焊可焊性、性、切削切削加加工性、热处理性能和工性、热处理性能和冷弯冷弯性能等，性能等，影响影响化工设备和化工设备和零部零部件件的的制造制造工
15、工艺艺方方法法。2.5 其他其他性能性能2.5.1 组织组织稳定稳定性性比比较较典典型型的是的是珠光珠光体体球球化和化和石墨石墨化，化，造造成成强强度度降降低，低，韧韧性性下下降降，脆脆性性增增加加。2.5.2 抗抗松松弛弛性性材料材料在在高温和高温和应应力力状状态态下下，如如维维持总持总变形不变变形不变，随随着着时时间间的的延长延长自自发发地减地减低低应应力的力的现象现象称为称为松松弛弛。14【工工程程实实例】例】法兰法兰的的连连接接螺栓拧紧螺栓拧紧加上加上初初应应力力后后，在在高温高温下下经经过过一一段段时时间间发生发生松松弛弛，总总变形变形中的一中的一部部分分弹弹性性变形变形转转变变为为
16、塑塑性性变形变形，紧紧固固件中的件中的应应力力便便降降低低了了一一部部分，分，致致使使法兰垫片法兰垫片的压的压紧紧力力下下降降而而泄漏泄漏。此此时时紧紧固固件中件中所所剩剩下下的的应应力力叫做叫做剩剩余余应应力。力。如如果剩果剩余余应应力力愈愈高，高，则则称称材料的材料的抗抗松松弛弛性能性能愈愈好好。2.5.3 应变时应变时效效敏感敏感性性应变时应变时效效是金属及是金属及其其合金合金在冷加在冷加工工变形变形后后，由由于在于在室室温温或较或较高温度高温度下下的的内内部脱溶沉淀部脱溶沉淀，会会使使各各种性能种性能（主主要是要是冲击冲击韧韧性性）随随时时间延长间延长而发生变而发生变化。化。15三、金
17、属材料的分类及牌号三、金属材料的分类及牌号3.1分类分类工工程程上上将将金属材料分金属材料分为为黑色黑色金属和有金属和有色色金属金属两两大大类类3.1.1 黑色黑色金属金属 生 生铁铁：可可分分为为炼炼钢钢生生铁、铁、铸铸造生造生铁铁（简简称称铸铸铁铁）和合金和合金生生铁铁 钢钢分类分类标标准准 类类 别别 平炉钢 酸性钢 沸腾钢 转炉钢 镇静钢 冶炼方法 电炉钢 碱性钢 半镇静钢 低碳钢 C%0.6%低合金钢 合金元素含量10%普通钢 优质钢 质 量 高级优质钢?16 镇镇静静钢、钢、半镇半镇静静钢钢与与沸腾沸腾钢钢镇镇静静钢：钢：在在浇浇注注前前用用Si、A1等等把把钢钢液完液完全全脱氧脱
18、氧，把把FeO中的中的氧氧还还原原出出来来，生生成成SiO2和和A12O3，使使得得钢中钢中含氧含氧量量不不超超过过0.01，锭锭模模上上大大下下小小。压力压力容器容器一般一般都都要选用要选用镇镇静静钢钢。沸腾沸腾钢：钢：冶炼冶炼时时只只用用弱脱氧剂弱脱氧剂Mn脱氧脱氧，是，是脱氧脱氧不不完完全的钢，全的钢，含含氧氧量为量为0.030.07，其其锭锭模模上上小小下下大大，浇浇注注后后钢钢液液在在锭锭模模中中发生发生沸腾沸腾现象现象，组织，组织疏疏松松，质，质量量较较差差。半镇半镇静静钢：钢：介介于于镇镇静静钢钢与与沸腾沸腾钢钢之间之间，浇铸前浇铸前在在盛盛钢钢桶桶内内或或钢钢锭锭模模内内加加入
19、入脱氧剂脱氧剂，锭锭模也模也是是上上小小下下大大，钢，钢锭锭的特的特征征是是具具有有薄薄的的紧紧密密外外壳壳，头头部还部还有有缩缩孔孔，钢，钢锭锭内内部部结构结构下下半部半部好好像沸腾像沸腾钢，钢，上上半部半部好好像镇像镇静静钢。钢。?17【特特殊殊说说明明】锅炉锅炉钢和钢和容器容器钢是钢是采采用用优优质质碳碳素素钢，钢，但但要求钢要求钢的质的质地均匀地均匀，无无时时效效倾倾向向，都都为为杂质及有杂质及有害害气气体体含含量量较较低的低的低低碳碳镇镇静静钢。钢。锅炉锅炉专专用钢用钢：钢号：钢号后面后面加加g（锅锅汉语拼音首字母汉语拼音首字母）如如10g，20g，22g，16Mng等等压力压力容器
20、容器专专用钢用钢：钢号：钢号后面后面加加R（容（容的的汉语拼音首字母汉语拼音首字母）20R，16MnR等。等。低温用钢低温用钢：钢号：钢号后面后面加加D（低的低的汉语拼音首字母汉语拼音首字母）16MnDR低温低温容器容器用钢等。用钢等。3.1.2 有有色色金属金属化工设备用的有化工设备用的有色色金属金属主主要有要有铜铜及及铜铜合金、合金、铝铝、钛钛、镍镍及及其其合金等，合金等，但但用用量量不不多，多，只只是是在在特特殊殊场场合合利利用。用。?18?2013/5/14?43.2 钢的牌号及表示方法钢的牌号及表示方法3.2.1 牌号牌号表示表示原则原则国家标准规定，牌号中的化学元素用化学符号或汉字
21、表示，产品国家标准规定，牌号中的化学元素用化学符号或汉字表示，产品的用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则。的用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则。3.2.2 钢号的钢号的表示方表示方法法 普通普通碳碳素素钢钢用代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法用代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法等等4个部分按顺序组成。个部分按顺序组成。【举举例】例】Q235-AF钢材，钢材，Q屈服强度，屈服强度，235指材料的屈服强度指材料的屈服强度数值数值s=235 MPa，A钢材质量等级（共钢材质量等级（共A、B、C、D四个等四个等级）。级）。F(b,Z)沸
22、腾钢，沸腾钢，b：半沸腾钢，：半沸腾钢，Z：镇静钢，：镇静钢，Z可忽略。可忽略。?19 优优质质碳碳素素结构钢结构钢含含碳量碳量以以平平均含均含量量万万分分之之几几表示表示；含含Mn量量较较高的钢高的钢应应标出标出Mn；浇浇注注方方法法如为如为镇镇静静钢钢不不标标符符号；号；专门专门用用途途的钢牌号的钢牌号末末尾尾用用符符号号标明标明。【举举例】例】20g(R)：碳碳含含量量0.2%，锅炉锅炉（容器）（容器）专专用钢；用钢；40Mn：碳碳含含量量0.4%，Mn含含量量较较高。高。普通低合金钢及合金结构钢普通低合金钢及合金结构钢含含碳量碳量以以平平均含均含量量万万分分之之几几表示表示；主主要的合
23、金要的合金元元素素应应标出标出，含含量小量小于于1.5%时可不时可不标标含含量量，若若标标含含量量以以百百分分数表示数表示；Mo，V，Ti，B一般一般含含量量很很少少，系系有有意意加加入入时时，标出标出元元素素符符号；号；?20两两种钢种钢除除一种一种主主要要元元素素外外其其余余均均相相同同，且且这这些些主主要要元元素素的的含含量量均均在在1.5%以以下下，则则含含量量较较高的高的加加注注1以以相互相互区别区别。高高级级优优质钢牌号质钢牌号末末加加A。【举举例】例】16MnR：C-0.16%，Mn1.5%，容器容器专专用钢；用钢；15MnVR：C-0.15%，Mn1.5%，用，用V细细化化晶晶
24、粒粒，提提高高强强度；度；容器容器专专用；用；12CrMoV与与12Cr1MoV：只只是是前前者者Cr0.4%0.6%，后后者者Cr=0.9%1.3%。?21 特特殊殊性能钢性能钢含含碳量碳量很低，以很低，以千千分分之之几几表示表示，“0”表示表示C0.08%，“00”表示表示C0.03%，“000”表示表示C0.01%；主主要合金要合金元元素素含含量量以以百百分分数表示数表示。【举举例】例】1Cr18Ni9Ti：C0.1%；Cr18%；Ni9%；Ti防防晶晶间间腐蚀。腐蚀。0Cr18Ni9Ti：C0.08%；Cr18%；Ni9%；Ti防防晶晶间间腐蚀。腐蚀。其其它它如如：00Cr17Ni14
25、Mo2（316L），1Cr19Ni9（304），00Cr19Ni11（304L）。?22四、钢铁的组织结构及热处理四、钢铁的组织结构及热处理工工程程纯纯铁：铁：C 2金属金属晶晶体体-Fe：体体心立心立方方晶晶格格（910）-Fe：面面心立心立方方晶晶格格（9101390）?23-Fe：体体心立心立方方晶晶格格-Fe：面面心立心立方方晶晶格格4.1 钢铁的基钢铁的基本本组织结构组织结构(1)铁铁素素体体(F)碳碳溶解溶解在在-Fe中中所所形形成成的的固固溶溶体体，由由于于-Fe的的原原子子间间隙隙很很小小，所所以以溶溶碳碳能力能力极极低，低，在在室室温温下下仅仅能能溶解溶解0.006%的的碳碳
26、。铁铁素素体强体强度和度和硬硬度低，度低，塑塑性和性和韧韧性很性很好好。(2)奥奥氏氏体体(A)碳碳溶解溶解在在-Fe中中所所形形成成的的固固溶溶体体，-Fe原原子子间间隙隙较较大大，碳碳在在其其中的中的溶解溶解度度也也较较大大。727时可时可溶解溶解0.77，1148时可时可达达2.11。碳碳钢钢只只有有加加热热到到727(临界临界点点)以以上上，组织，组织发生发生转转变时变时才存才存在在奥奥氏氏体体。奥奥氏氏体强体强度、度、硬硬度高，度高，塑塑性低，性低，韧韧性性好好且没且没有有磁磁性性。24碳碳溶溶于于-Fe中中示示意图意图碳碳溶溶于于-Fe中中示示意图意图?2013/5/14?5(3)
27、渗渗碳碳体体(C)铁和碳以铁和碳以化合化合物物形态出现的碳化铁，称为渗碳体。其中铁原子形态出现的碳化铁，称为渗碳体。其中铁原子与碳原子之比为与碳原子之比为3：1，即，即Fe3C。其含碳量高达。其含碳量高达6.69。硬度高。硬度高(HBW为为784)，塑性几乎为零，熔点约为，塑性几乎为零，熔点约为1600。由于。由于Fe3C又硬又硬又脆，它以不同的大小、形状与分布出现在组织中，对钢的组又脆，它以不同的大小、形状与分布出现在组织中，对钢的组织与性能影响很大。织与性能影响很大。(4)珠光珠光体体(P)珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的机械机械混混合合物物，碳素钢中珠，碳
28、素钢中珠光体组织的平均含碳量约为光体组织的平均含碳量约为0.77。力学性能介于铁素体和渗。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著增高，塑性、韧性比碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著增高，塑性、韧性比铁素体要差，但比渗碳体要好得多。铁素体要差，但比渗碳体要好得多。25(5)莱莱氏氏体体(L)莱莱氏氏体体是是珠光珠光体体和和初初次次渗渗碳碳体体共共晶晶混混合合物物，以，以L表示表示。它存它存在在于于高高碳碳钢和钢和白白口口铁中。铁中。莱莱氏氏体体具具有有较较高的高的硬硬度度(HBW686)，是，是一种一种较较粗粗而而硬硬的组织。的组织。(6)马马氏氏体体(M)钢和铁钢和铁从从
29、高温高温奥奥氏氏体体状状态态急急冷冷(淬淬火火)下下来来，得到得到一种一种碳碳原原子子在在-Fe铁中铁中过过饱饱和的和的固固溶溶体体，称为称为马马氏氏体体，以，以M表示表示。马马氏氏体体组组织有很高的织有很高的硬硬度，度，而而且且硬硬度度随随着含着含碳量碳量的的增增大大而而提提高。高。马马氏氏体体很很脆脆，延延展展性很低，性很低，几乎几乎不不能能承承受受冲击冲击载荷载荷。马马氏氏体体由由于于碳碳原原子子过过饱饱和，和，所所以以不稳定不稳定，加加热热后后容容易分易分解解或或转转变变为为其他其他组织。组织。264.2 铁铁碳碳合金合金相相图图铁铁碳碳合金合金状状态态图图是是描绘描绘铁铁碳碳合金合金
30、内内部部组织、组织、成成分分(含含碳量碳量)与与温温度度关关系系的的图图形形。它它能能显示出显示出不不同同含含碳量碳量的钢和的钢和铸铸铁铁在在缓慢缓慢加加热热或冷或冷却却过过程程中组织中组织变变化的化的规规律律，是，是研究研究钢铁组织钢铁组织与与性能的基础。性能的基础。?274.3 钢的热处理钢的热处理钢铁钢铁在固在固态态下下通通过加过加热、热、保保温和温和不不同同的的冷冷却却方方式式，以，以改改变变其其组组织，织，满满足足所所要求的要求的物物理、化学理、化学与与力学性能，力学性能，这这样样的的加加工工工工艺艺称称为为热处理。热处理。退火退火：是是把把工件工件加加热热到到一一定定温度，温度，保
31、保温一温一段段时时间间，然然后后随随炉炉一一起缓慢起缓慢冷冷却却下下来来，以，以得到得到接接近近平平衡衡状状态态组织的一种热处理组织的一种热处理方方法法（压力压力容器制造容器制造完完成成后后常用常用来来消除消除焊接焊接残余残余应应力力）正正火火：正正火火是是将将工件工件加加热至热至临界临界点点以以上上3050，并并保保温一温一段段时时间间，然然后后将将工件工件从从炉炉中中取取出出置置于于空空气气中中冷冷却却下下来来。正正火火的的冷冷却速却速度要度要比退火比退火的的快快一一些些，因因而而晶晶粒粒更更细细化。化。【说【说明明】退火退火和和正正火火的作用的作用相似相似，可可以以降降低低硬硬度，度，提
32、提高高塑塑性；性；调整调整组织，组织，部部分分改善改善力学性能；力学性能；使使组织组织均匀均匀化，化，消除消除部部分分内内应应力。力。?28淬淬火火：淬淬火火是是将将钢钢加加热至热至淬淬火火温度温度临界临界点点以以上上3050，并并保保温一温一定时定时间间，然然后后在在淬淬火火剂剂中中冷冷却却以以得到得到马马氏氏体体组织的热处组织的热处理工理工艺艺。回回火火：回回火火是是在在零零件件淬淬火后火后再再进行进行一一次次较较低温度的低温度的加加热热与与冷冷却却处理工处理工艺艺。回回火火处理处理可可分分为为：低温：低温回回火火，150250，可可消除消除钢件的钢件的部部分分内内应应力和力和脆脆性，性，
33、但但不不会会降降低钢的低钢的硬硬度；中温度；中温回回火火，350450，可可减减少少内内应应力，力，降降低低硬硬度和度和提提高高弹弹性；高温性；高温回回火火，500650，由由于加于加热温度热温度过过高，高，所所以以内内应应力力消除消除较好较好，可可获获得得塑塑性、性、韧韧性和性和强强度度均均较较高的高的优优良良综综合性能。合性能。回回火火是是决决定定元元件件最最终终性能的热处理工性能的热处理工艺艺。?29五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢5.1合金合金元元素素对对钢性能的钢性能的影响影响铬铬。合金结构钢。合金结构钢主主加加元元素素之之一，一，在在化学性能
34、化学性能方面方面它它不不仅仅能能提提高金高金属属耐耐腐蚀性能，腐蚀性能，也也能能提提高高抗抗氧氧化性能。化性能。Cr12时时钢钢具具有有良好良好的的钝钝化特性化特性而耐而耐腐蚀。腐蚀。锰锰。提提高钢的高钢的强强度，度，增增加加锰锰含含量量对对提提高低温高低温冲击冲击韧韧性有性有好好处。处。镍镍。镍镍对对钢铁性能有钢铁性能有良好良好的作用。能的作用。能提提高钢的高钢的强强度，度，而而又又保保持持良良好好的的塑塑性和性和韧韧性。性。镍镍能能提提高高耐耐腐蚀性和低温腐蚀性和低温冲击冲击韧韧性。性。镍镍基合金基合金具具有有更更高的热高的热强强性能。性能。镍镍被被广泛广泛应应用用于不于不锈锈钢和钢和耐耐
35、热钢中。热钢中。我国我国贫贫镍镍。硅硅。提提高高强强度、高温度、高温疲劳疲劳强强度、度、耐耐热性及热性及耐耐H2S等介质的腐蚀性。等介质的腐蚀性。硅硅含含量量增增加加会会降降低钢的低钢的塑塑性和性和冲击冲击韧韧性。性。?30?2013/5/14?6铝铝。细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。铝还能提高钢。细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性，对抵抗的抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。介质腐蚀有良好作用。钼钼。提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钒钒。提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬
36、钢中加。提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加一点钒，在保持钢的强度的情况下，能改善钢的塑性。一点钒，在保持钢的强度的情况下，能改善钢的塑性。钛钛。为强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小。为强脱氧剂，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。在不锈钢中起稳定碳的作用，铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中起稳定碳的作用，减少铬与碳化合的机会，防止晶间腐蚀，还可提高耐热性。减少铬与碳化合的机会，防止晶间腐蚀，还可提高耐热性。稀土稀土元元素素。可提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及。可提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。焊接性能。?315.2
37、普通低合金钢普通低合金钢普通低合金钢普通低合金钢（亦亦称称低合金高低合金高强强度钢度钢）简简称称普低钢。普低钢普低钢。普低钢是是在在碳碳素素钢的基础钢的基础上加上加入入少少量量Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，P等等合金合金元元素素构构成成的，的，含含碳量碳量较较低，多低，多数数均均小小于于0.2，其其组织多组织多数数仍仍为为铁铁素素体体和和珠光珠光体体组织。组织。典典 型型 钢 种钢 种：16MnR、15MnVR、15MnVNbR、18MnMoNbR、07MnCrMoVR5.3锅炉锅炉和和容器容器钢钢锅炉锅炉和压力和压力容器容器作作为为特种设备，工作条件苛刻，特种设备，工作条件苛刻，受受温度
38、、压温度、压力、介质腐蚀等力、介质腐蚀等，因因此此要求要求采采用用优优质、低质、低碳碳镇镇静静钢钢，且且质质地地均匀均匀，无无时时效效倾倾向向，杂质及有，杂质及有害害气气体体含含量量低。低。325.4 不不锈锈耐耐酸酸钢钢不不锈锈耐耐酸酸钢是钢是不不锈锈钢和钢和耐耐酸酸钢的钢的总称总称。严严格格讲讲不不锈锈钢是钢是指指耐耐大大气气腐蚀的钢；腐蚀的钢；耐耐酸酸钢是钢是指指能能抵抗抵抗酸酸和和其他其他强强烈烈腐蚀性介质腐蚀性介质的钢。的钢。而耐而耐酸酸钢一般钢一般都都具具有有不不锈锈的性能。的性能。不不锈锈钢中钢中同同时加时加入入铬铬和和镍镍，可形可形成单成单一的一的奥奥氏氏体体组织。组织。5.4
39、.1 铬铬不不锈锈钢钢在在铬铬不不锈锈钢中，钢中，起起耐耐腐蚀作用的腐蚀作用的主主要要元元素素是是铬铬，铬铬能能固固溶溶于于铁的铁的晶晶格格中中形形成成固固溶溶体体。在在氧氧化性介质中化性介质中,铬铬能能生生成成一一层层稳定稳定而而致致密密的的氧氧化化膜膜，对对钢材钢材起起保保护护作用作用而而且且耐耐腐蚀。腐蚀。但但这这种种耐耐腐蚀作用的腐蚀作用的强强弱弱常常与与钢中的钢中的含含碳碳、含含铬铬量量有有关关。当当含含铬铬量大量大于于11.7时时，钢的，钢的耐耐蚀蚀就就有有显显著著的的提提高，高，而而且且含含铬铬量愈量愈多多则则愈愈耐耐蚀。蚀。典典型型钢种：钢种：0Cr13、1Cr13、2Cr13
40、制制作作螺栓螺栓、塔盘浮阀塔盘浮阀等。等。335.4.2铬铬镍镍不不锈锈钢钢铬铬镍镍不不锈锈钢的钢的典典型型钢号是钢号是1Cr18Ni9，其其中中含含C0.14，Cr1719，Ni811，故故常以常以其其Cr，Ni平平均含均含量量“18-8”来来标标志志这这种钢的种钢的代代号。号。因因钢中钢中含含有有形形成成奥奥氏氏体体元元素素的的镍镍量量较较多，多，故故18-8钢钢加加热至热至11001150，并并在在水水中中淬淬火后火后，常温，常温下下也也能能得到得到单单一的一的奥奥氏氏体体组织，钢中的组织，钢中的C，Cr，Ni都都全全部部固固溶溶于于奥奥氏氏体体晶晶格格中。中。经经这这种热处理种热处理后
41、后奥奥氏氏体体188不不锈锈钢，钢，具具有有较较高的高的抗抗拉拉强强度、度、较较低的低的屈服点屈服点、极极好好的的塑塑性和性和韧韧性，性，它它的的焊接焊接性能和性能和冷弯冷弯成成型型等工等工艺艺性性也也很很好好。典典型型钢种：钢种：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、304、316、316L等等?345.5 耐耐热钢热钢5.5.1 高温设备高温设备对对钢材的要求钢材的要求 化学化学稳定稳定性：性：指指钢材钢材抵抗抵抗高温高温气气体（体（如如O2、H2S、SO2等等)腐腐蚀的能力，蚀的能力，对对一般一般耐耐热钢热钢来说来说，高温，高温气气体体主主要是要是指指O2，所所以，以，耐耐热钢的热热钢
42、的热稳定稳定性性主主要是要是抗抗氧氧性。性。热热强强性：性：在在一一定定热热稳定稳定性的性的前前提提下下，钢材的高温，钢材的高温强强度度愈愈高，高，蠕蠕变过变过程愈缓慢程愈缓慢，即即说说明明其其热热强强性性愈愈好好。提提高钢的热高钢的热强强性常性常采采用用下下面面三种三种办办法法：强强化化固固溶溶体体。稳定稳定金金相相组织。组织。提提高钢的高钢的再再结结晶晶温度。温度。355.5.2常用常用耐耐热钢热钢抗抗氧氧化钢化钢：主主要能要能抗抗高温高温氧氧化，化，强强度度并并不不高，常用作高，常用作直直接接受火受火但受但受力力不不大大的的零部零部件，件，如如炉炉管托架管托架。常用的。常用的如如Cr13
43、SiAl，Cr25Ti，Cr17Ti，Cr25Ni12等。等。热热强强钢钢：主主要能要能抗抗蠕蠕变变，但但也也有一有一定定的的抗抗氧氧化能力，常用作高化能力，常用作高温温下下受受力的力的零部零部件，件，如如炉炉管管、反反应器应器等，有等，有12CrMo，Cr5Mo，1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20，Cr25Ni35等。等。5.6 低温用钢低温用钢在在化工化工生产生产中，有中，有些些设备设备（如如深深冷冷分分离离、空、空气气分分离离、润滑油润滑油脱脱脂脂、液液化化天天然然气气贮贮存存等等）常处常处于于低温低温状状态态下下工作，工作，因因而而其其零部零部件件必须必须采采用能用能承承受受低温金
44、属材料低温金属材料制造制造。普通。普通碳碳钢钢在在低温低温下（下（零零下下20以以下）变脆下）变脆，冲击冲击韧韧性性显显著著下下降降。?36?2013/5/14?7对对低温用钢的基低温用钢的基本本要求是要求是：具有良好的韧性，良好的加工工艺性：具有良好的韧性，良好的加工工艺性和可焊性。为了保证这些性能，低温钢的含碳量应尽可能降低，和可焊性。为了保证这些性能，低温钢的含碳量应尽可能降低，以形成单相铁素体组织，再加入适量的以形成单相铁素体组织，再加入适量的Mn，Al，Ti，Nb，Cu，V，N等元素以改善钢的综合机械性能。等元素以改善钢的综合机械性能。典典型型钢种钢种：16MnDR、06AlNbCu
45、N等等375.7 钢材的品种和规格钢材的品种和规格钢材的品种有钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢等。钢材的品种有钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢等。5.7.1 钢钢板板冶金部供应的板材分冷轧与热轧薄钢板冶金部供应的板材分冷轧与热轧薄钢板(厚度厚度4mm)和热轧厚和热轧厚钢板钢板(厚度厚度4mm)两种，冷轧薄钢板的尺寸精度两种，冷轧薄钢板的尺寸精度(指厚度允许指厚度允许偏差偏差)比热轧钢板高比热轧钢板高5.7.2 无无缝缝钢钢管管无无缝缝钢钢管管有有冷冷轧轧和热和热轧轧的。的。冷冷轧无轧无缝缝钢钢管管外外径径和和壁厚壁厚的的尺寸精尺寸精度度均均较较热热轧轧管管为为高。普通高。普通无无缝缝钢钢管管常用材料有
46、常用材料有10，15，20，16Mn等，等，另另外外还还有有专门专门用用途途的的无无缝缝钢钢管管，例例如如热热交交换换器器用钢用钢管管、化化肥肥高压高压无无缝缝钢钢管管、石石油油裂裂化用化用无无缝缝钢钢管管和和锅炉锅炉用用无无缝缝钢钢管管等。等。5.7.3 型型钢钢型型钢有钢有圆圆钢和钢和方方钢、钢、扁扁钢、等钢、等边角边角钢、钢、不不等等边角边角钢、工钢、工字字钢、钢、槽槽钢。钢。?38六、非金属材料六、非金属材料非金属材料非金属材料具具有有良好良好的的耐耐腐蚀性能，腐蚀性能，因因此此应应用用比比较较广泛广泛，既既可可以以单单独独做做结构材料，结构材料，在在化工设备设化工设备设计计中中更更多
47、的是用作金属设备的多的是用作金属设备的保保护衬里护衬里、密密封封材料、材料、保保温材料和温材料和耐耐火火材料。常用的非金属材料有材料。常用的非金属材料有以以下下几几种：种：6.1 无无机机非金属材料非金属材料化工化工陶瓷陶瓷、化工、化工搪瓷搪瓷、玻璃玻璃等等6.2 有有机机非金属材料非金属材料工工程程塑塑料料（聚乙烯聚乙烯、玻璃玻璃钢钢）、涂涂料、料、不不透透性性石墨石墨?39七、化工设备材料的选择七、化工设备材料的选择7.1 选材选材考虑考虑的的因素因素容器容器的操作条件的操作条件设设计计压力、设压力、设计计温度、介质特性和操作特温度、介质特性和操作特点点材料的材料的使使用性能用性能力学性能
48、、力学性能、物物理性能、理性能、耐耐腐蚀性能腐蚀性能材料的材料的加加工工工工艺艺性能性能焊接焊接性能、热处理性能、性能、热处理性能、冷弯冷弯性能及性能及其他其他冷冷热热加加工性能工性能经经济济合理性及合理性及容器容器结构结构材料材料价价格格、制造制造费费用和用和使使用用寿命寿命?407.2 选材的一般选材的一般原则原则（1）压力压力容器容器用钢材用钢材应符应符合合GB150-1998钢钢制制压力压力容器容器的的要求，材料适用要求，材料适用于于设设计计压力压力不不大大于于35MPa的压力的压力容器容器；（2）压力压力容器容器承承压构件压构件使使用的普通低用的普通低碳碳钢、低合金钢的钢、低合金钢的
49、使使用用场场合和合和使使用用状状态态符符合合标标准准要求；要求；（3）选材的经选材的经济济性性原则原则：依据依据设设计计条件和条件和主主要设要设计目计目的的从从碳碳素素钢、低合金钢、钢、低合金钢、珠光珠光体耐体耐热热（抗（抗氢氢）钢、钢、不不锈锈钢钢中合理选中合理选取取。碳碳素素钢钢：腐蚀性：腐蚀性不强不强的常、低压的常、低压容器容器，厚厚度度不不大大的中压的中压容器容器，锻锻件、件、承承压钢压钢管管、非、非受受压压元元件及件及由由刚刚性和结构性和结构因素决因素决定定厚厚度的度的场场合；合；低合金钢低合金钢：介质腐蚀性介质腐蚀性不强不强、厚厚度度8mm的的受受压压容器容器；?41珠光珠光体耐体
50、耐热钢热钢：抗抗高温、高温、氢氢、硫硫化化氢氢腐蚀腐蚀或或设设计计温度温度为为350-650压力压力容器容器；不不锈锈钢钢：介质腐蚀性：介质腐蚀性较强较强及及防防止止铁铁离离子子污染污染的的耐耐腐蚀钢及腐蚀钢及设设计计温度温度大大于于500或或低低于于-100的的耐耐热热或或低温低温容器容器。（4）压力压力容器容器零部零部件的材料要件的材料要符符合合相关相关国国家家标标准准、行行业业标标准准的要求；的要求；（5）普通钢材的普通钢材的使使用温度用温度下下限为限为-20，低温，低温下使下使用要用要进进行行低温低温冲击冲击韧韧性性试验试验；奥奥氏氏体在体在高高于于-196可不可不做做此此项项试试验验