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1、7 过程设备常用材料,7.1 过程设备用材的基本要求7.2 过程设备常用材料7.3 钢材的热处理7.4 金属材料的腐蚀和防护7.5 过程设备材料的选用原则,7.1 过程设备用材的基本要求,一)力学性能,1.强度：确定许用应力的依据，S，b,2.塑性：反映材料可塑性指标，5=1020%,3.韧性：抵抗缺陷扩展能力指标，K=4060J/cm2,4.硬度：抵抗外物侵入的能力,5.材料在高温和低温下的力学性能,强度要求,塑性和韧性要求,材料的不连续性。,硬度要求,高速流体和流体中夹带的固体颗粒易导致材料的磨损。,碳钢力学性能随温度的变化,耐温要求,二)耐腐蚀性,抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。,腐蚀,1）高
2、温使材料的强度降低，低温使材料变脆。,2）高温可使材料发生蠕变。,3）高温下材料易产生化学腐蚀（氧化、硫化）。,三）加工工艺性,过程设备的加工包括热加工、冷加工和焊接。,1.可焊 性：少的焊接缺陷;,2.可锻性：不发生热脆;,3.可塑性：优良的塑性加工性能;,4.机械加工性能：保证好的切削性。,四）、材料的物理性能,导热系数：设备要求传热,线膨胀系数：防止热应力,密度：决定设备的重量,熔点和导电性：,Steel must be at least 50%iron and must contain one or more alloying elements.,7.2 过程设备常用材料,Iron:p
3、ure ferrite.Carbon content is less than 0.02%.,7.2 过程设备常用材料,7.2.1 碳钢,碳钢：碳含量在0.022之间的铁碳合金;,铸铁：碳含量大于2的铁合金。,1）碳及常存杂质对钢材性能的影响,硫(S):,锰(Mn):,硅(Si):,碳(C),磷(P),碳含量对材料机械性能影响,Titanic号的故事历史的悲剧,Titanic was an Olympic-class passenger liner owned by British shipping company White Star Line.For her time,she was th
4、e largest passenger steamship in the world.Shortly before midnight on 14 April 1912,four days into the ships maiden voyage,Titanic hit an iceberg and sank two hours and forty minutes later,early on 15 April 1912.The sinking resulted in the deaths of 1,517 of the 2,223 people on board,making it one o
5、f the deadliest peacetime maritime disasters in history.The Titanic used some of the most advanced technology available at the time and was popularly believed to have been described as“unsinkable”.It was a great shock to many that,despite the extensive safety features and experienced crew,the Titani
6、c sank.,The pieces of steel were found to have very high content of phosphorus and sulphur(4 and 2 respectively,compared with modern steel),with manganese-sulphur ratio of 6.8:1(compared with over 200:1 ratio for modern steels).The recovered samples were found to be undergoing ductile-brittle transi
7、tion in temperatures of 32for longitudinal samples and 56 for transversal samples,compared with transition temperature of 27 common for modern steels:modern steel would only become so brittle in between(60 and 70).,2）碳钢分类,普通碳素结构钢：钢种按屈服强度区分。,Q235AGB700-2006,国标号,产品等级为A，共分A、B、C、D四级,材料屈服限的保证值，(厚度小于16mm)
8、,分为：普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。,优质碳素结构钢（GB/T699-1999）：除保证机械性能和化学成分外，还对磷、硫及非金属夹杂物控制较严。,低碳钢：0.25%，强度低，塑性好，冷冲压和焊接性能好，在石油化工设备中广泛应用。,中碳钢：0.250.55%：强度硬度高，塑性韧性差；多用于传动设备及高压设备头盖零件。,高碳钢：0.6%；强度硬度均较高，塑性差，常用于制造弹簧，刀具及耐磨零件。,分类,屈服限,强度限,锅炉和压力容器用钢有特殊性，在钢号后分别冠以“g”“R”,如 20g，20R,铸钢：ZG200400,7.2.2 合金钢,压力容器用低合金钢：含碳量0.10.25%,主要牌号：16
9、MnR,15MnVR,18MnMoNiR,数,字,元素名称,数字,合金元素含量,合金元素符号,平均含碳量的万分数,1)合金结构钢（GB/T3077-1999）,2)合金工具钢(GB/T1299-2000),如 9CrSi,数字,元素名称,数字,合金元素含量,合金元素符号,平均含碳量的千分数当含碳量大于1则不表示,（1）不锈钢：耐大气腐蚀钢和耐化学介质腐蚀钢的总称。(GB/T 20878-2007),In metallurgy,stainless steel,also known as inox steel or inox from French inoxydable,is defined as
10、 a steel alloy with a minimum of 10.5 or 11%chromium content by mass.(www.wikipedia.org),以不锈，耐蚀为主要特征，且铬含量至少为10.5%，碳含量不大于1.2%的钢。,3）特殊钢,铬不锈钢：1Cr13；,铬镍不锈钢(18-8)：1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；,节镍不锈钢：1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N,按组织结构分：奥氏体不锈钢（Austenitic）铁素体不锈钢（Ferritic）马氏体不锈钢（Martensitic）沉淀硬化型不锈钢（Precipitati
11、on-hardening martensitic）双相不锈钢（Duplex）,（2）耐热钢,抗氧化钢：1Cr13Si3，1Cr23Ni13热强钢：15CrMo,12Cr2Mo1,1Cr5Mo,0Cr19Ni9,0Cr17Ni12Mo2等,可分为：,和 热强钢,抗氧化钢,7.2.3 铸 铁,灰口铸铁：HT100 抗拉强度低，挤压强度高 用于制造耐压件 石墨成片状,可锻铸铁：KT30006 具有一定强度和塑性 用于有振动和冲击的场合 石墨成团球状,球墨铸铁：QT5005 强度、塑性、韧性好 可替代铸钢 石墨成球状,7.2.4 有色金属及合金,有色金属及其合金的种类很多。常用的有铝、铜、铅、镍、钛等
12、。在石油化工中，由于腐蚀、低温、高温、高压等特殊工艺条件的要求，设备的材料也经常采用有色金属及其合金。有色金属具有很多优越性，例如铜有良好的导电性和低温韧性，铝的相对密度小，铅能防辐射、耐稀硫酸等多种介质的腐蚀。,铜及铜合金,铜及其合金具有很高的导电、导热性能，有足够的强度、弹性和耐磨性，特别是在低温下因强度提高，冲击韧性好，常用来制作低温设备。,紫铜（纯铜）：T1，T2，T3黄铜（铜锌合金）：H80，H68，H62青铜（锡、铝、铅等元素的合金）：ZQSn6-6-3和ZQSnl0-1,铜在大气、水中及中性盐中、苛性碱中都相当稳定。在不浓的硫酸、亚硫酸、醋酸、氢氟酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、
13、氢氰酸和其他非氧化性酸中也有较高的稳定性。,铝以比重小，导电导热性能好而著称。它的塑性好，强度低，因而压力加工性能良好，可以焊接和切削。,铝及铝合金,铝合金的分类,镍具有较高的强度和塑性，良好的延展性和可锻性。镍的熔点较高，有良好的抗高温氧化性能。镍在许多介质中有良好的耐蚀性。镍在室温、非氧化性的稀酸中，如小于15的盐酸、小于70硫酸和许多有机酸中相当稳定，但在存在氧化剂的条件下，腐蚀速率显著增加。,镍及镍合金,Nominal Chemical Composition of Nickel Alloy(wt%),钛的相对密度不大（仅4.5），比钢轻43，但钛的强度比铁高一倍，比纯铝几乎高5倍。这
14、种高的强度与不大的相对密度相结合的特性，使得钛在技术上占有极重要的地位。,钛及钛合金,工业纯钛按杂质含量的多少分为四级：TA0、TA1、TA2、TA3,钛中添加钯、镍、钼等金属元素能获得性能优异的钛合金。,五）非金属材料,化工陶瓷：化学稳定性好玻璃：表面光洁、耐腐蚀（搪玻璃设备）水泥：价廉天然耐酸材料：花岗石、石墨、石棉等,耐酸酚醛塑料聚氯乙烯塑料聚乙烯聚四氟乙烯玻璃钢,无机材料,有机材料,7.3 钢材的热处理,将钢材通过适当的加热和冷却过程，使钢材的组织按一定的规律变化，以获得预期的机械性能，称钢的热处理。,一、金属的结晶组织,晶体的结构,体心立方,面心立方,铁的同素异构转变,Fe变成Fe,
15、碳在铁中形成固溶体,铁素体：碳溶解在铁中形成的固溶体；奥氏体：碳溶解在铁中形成的固溶体；渗碳体：碳与铁形成化合物，Fe3C；珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物。,钢的冷却曲线,铁碳合金状态图的由来,铁 碳 相 图,1）GS线由G点（A3点）演变而来，称A3线，是和的转变线。2）ES线碳在中的溶解曲线。冷却后形成二次渗碳体。3）PQ线碳在铁中的溶解曲线。冷却后形成二次渗碳体。,Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳质量分数及含义,退火和正火,目的：消除组织缺陷；降低硬度；消除内应力。,常用热处理方法,方法：把钢材加热到一定温度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却的过程。,高速钢的退火曲线,淬 火,目的：细化晶粒、提高表面硬度、提高强度和耐磨性。,方法：把钢材加热到一定温度，保温一段时间后，快速冷却的过程。,40Cr钢的淬火曲线,回 火,目的：降低脆性，消除和减少内应力；稳定组织和工件尺寸；获得要求的机械性能。,方法：把钢材加热到一定温度，保温一段时间后，随炉慢速冷却的过程。,化学热处理,目的：不仅改变材料表层的硬度、耐没磨性。疲劳性能和耐腐蚀性能，而且能够保证工件心部具有强韧性。,定义：通过改变材料表面的化学成分和组织，从而达到改变表层性能的目的。,方法：渗碳 渗氮 渗金属元素,
