化工設備基礎第一章第三講

化工設備基礎第一章第三講第一頁，共47頁。

三、金屬材料黑色金屬：如鋼、鑄鐵和鐵合金等；非鐵合金（舊稱有色金屬）:如銅及其合金、鋁及其合金、鉛及其合金等。鋼分為非合金鋼（舊稱碳鋼）、低合金鋼和合金鋼三類。第二頁，共47頁。

1．碳鋼碳鋼是含碳量小于2．11％的鐵碳合金（1）碳素結構鋼這類鋼的牌號由代表屈服極限的字母“Q”、屈服極限的數(shù)值（單位MPa）、質量等級符號、脫氧方法符號四個部分順序組成。質量等級按由低到高分為A、B、C、D四級；脫氧方法符號F、b．Z、TZ分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼，表示鎮(zhèn)靜鋼的Z一般省略不標。第三頁，共47頁。例如，Q235A表示碳素結構鋼，屈服極限為235MPa，A級質量，鎮(zhèn)靜鋼。碳素結構鋼有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五個鋼種，其中Q235A鋼在化工設備制造中應用廣泛。第四頁，共47頁。

（2）優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼的牌號以鋼中平均含碳量的萬分數(shù)（兩位數(shù)字）表示。如45表示優(yōu)質碳素結構鋼，平均含碳量為萬分之四十五，即0.45％。優(yōu)質碳素結構鋼有10、15、20、25、30、35．40、45、55、65、70等，常按含碳量不同分為三類。（1）低碳鋼，含碳量C＜0.25％，常用鋼號有10、15、20、25等。（2）中碳鋼，含碳量C＝0.25％～0.60％，。常用牌號有30、35、40、45、50、55、60等，其中以45鋼應用最廣。（3）高碳鋼，含碳量C＞0.60％，鋼的強度和硬度均較高，塑性差，常用來制造彈簧。常用的牌號有60、65、70鋼。第五頁，共47頁。

2．低合金鋼

低合金鋼與合金鋼是指在碳鋼基礎上有目的地加入某些元素所形成的鋼種。常加人的元素有Si、Mn、Cr、B、W、V、Ni、Ti、Nb、AI等。

目的：為了改善鋼的性能，滿足使用要求。

“低合金”是指鋼中含有合金元素總量＜5％.

有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460.

最常用的是Q345鋼.第六頁，共47頁。

3．合金鋼牌號組成：通常是由含碳量數(shù)字、合金元素符號、合金元素含量數(shù)字順序組成。各組成的含義：（1）含碳量數(shù)字為兩位數(shù)時表示平均含碳量的萬分數(shù)，為一位數(shù)時表示平均含碳量的千分數(shù)；（2）合金元素含量數(shù)字位于合金元素符號之后，通常表示合金元素平均含量的百分數(shù)，當合金元素平均含量＜1．5％時不標數(shù)字。第七頁，共47頁。例如40Cr鋼平均含碳量為萬分之四十，即0．4％、平均含Cr＜1.5％；

ICr18Ni9Ti鋼平均含碳量為千分之一，即0.1％、平均含Cr18％、Ni9％。Ti＜1.5％。第八頁，共47頁。（l）合金滲碳鋼：合金滲碳鋼是指經(jīng)過滲碳熱處理后使用的低碳合金結構鋼，具有外硬內韌的性能，主要應用于制造在摩擦力，交變接觸應力和沖擊條件工作的零件。如汽車、拖拉機中的變速齒輪，內燃機上的凸輪軸、活塞銷等。

滲碳鋼的含碳量為低碳（wC=0.10％～0.25％

）。滲碳鋼分為碳素滲碳鋼和合金滲碳鋼兩類。

碳素滲碳鋼為低碳鋼，常用牌號有15、20等;

合金滲碳鋼的常用牌號有20Cr、20CrMnTi、20MnVB等，其中20CrMnTi應用最為廣泛。第九頁，共47頁。合金滲碳鋼的應用第十頁，共47頁。（2）合金調質鋼：是指經(jīng)過調質處理（淬火+高溫回火）后使用的中碳合金結構鋼。對于某些受沖擊的表面耐磨零件，也可在調質后進行表面淬火并低溫回火，或調質后氮化處理。而對于大截面的碳素調質鋼零件，往往使用正火代替調質處理。

調質鋼的含碳量為中碳（WC＝0.25％～0.60％）。主要應用于制造受力復雜，要求綜合力學性能的重要零件。它是機械零件用鋼的主體。

分類調質鋼分為碳素調質鋼和合金調質鋼兩類。第十一頁，共47頁。40、45．50是常用而廉價的碳素調質鋼。

合金調質鋼的常用牌號有40Cr、35SiMn、35CrMO、40MnB等，最典型的鋼種是40Cr，用于制造一般尺寸的重要零件。40Cr鋼是應用最廣泛的合金調質鋼，主要用于較為重要的中小型調質件；如機床齒輪、主軸、花鍵軸、頂尖套等。35CrMo適用于制造截面較大、載荷較重的調質件和較為重要的中型調質件，如汽輪機的轉子、重型汽車的曲軸等。40CrNiMoAl適宜于制作重載、大截面的重要調質件，如挖掘機傳動軸、卷板機軸等。38CrMoAl是氮化鋼，主要用于制造尺寸精確、表面耐磨性要求很高的中小型調質件，如精密磨床主軸、精密鏜床絲杠等。第十二頁，共47頁。第十三頁，共47頁。（3）滾動軸承鋼：也叫軸承鋼。滾動軸承鋼具有高的抗壓強度和抗疲勞強度，有一定的韌性、塑性、耐磨性和耐蝕性，鋼的內部組織、成分均勻，熱處理后有良好的尺寸穩(wěn)定性。主要用來制造滾動軸承內外套圈、滾珠、滾粒、保持架等，但在量具、冷作模具、低合金刀具、柴油機高壓油泵件等方面也有廣泛應用。

第十四頁，共47頁。分類：軸承鋼種類較多有:高碳鉻、滲碳、不銹、高溫、無磁軸承鋼。牌號組成及含義：滾動軸承鋼的牌號以字母“G”后附鉻元素符號Cr及其含量的千分數(shù)表示，碳的含量不標出。高碳鉻不銹鋼用數(shù)字（含碳名義千分數(shù)）鉻之素符號及含量百分數(shù)和含其它元素符號表示。例如GCr15表示含Cr千分之十五，即1.5％的滾動軸承鋼。滾動軸承鋼的常用牌號有GCr9、GCr15、GCr15SiMn等，最有代表性的是GCr15。為了滿足軸承在不同工作情況下的使用要求，還發(fā)展了特殊用途的軸承鋼，如制造軋鋼機軸承用的耐沖擊滲碳軸承鋼、航空發(fā)動機軸承用的高溫軸承鋼和在腐蝕介質中工作的不銹軸承鋼等。

第十五頁，共47頁。（4）不銹鋼含義：耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼。又稱不銹耐酸鋼。實際應用中，常將耐弱腐蝕介質腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而將耐化學介質腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。由于兩者在化學成分上的差異，前者不一定耐化學介質腐蝕，而后者則一般均具有不銹性。

不銹的由來：不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素。鉻是使不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素，當鋼中含鉻量達到1.2％左右時，鉻與腐蝕介質中的氧作用，在鋼表面形成一層很薄的氧化膜（自鈍化膜），可阻止鋼的基體進一步腐蝕。

第十六頁，共47頁。Cr是不銹鋼獲得耐蝕性的基本合金元素，一般不銹鋼含Cr11.7％以上；大多數(shù)不銹鋼的含C量為0.1％～0.2％。除鉻外，常用的合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，以滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。

常見牌號：鉻不銹鋼的常用牌號有ICr13、2Cr13、3Cr134Cr13、ICrl7、8Crl7等。鉻鎳不銹鋼的常用牌號有OCr19Ni9、ICr19Ni9、ICrl8Ni9Ti等。第十七頁，共47頁。1、鐵素體不銹鋼。含鉻12％～30％。其耐蝕性、韌性和可焊性隨含鉻量的增加而提高，耐氯化物應力腐蝕性能優(yōu)于其他種類不銹鋼。

2、奧氏體不銹鋼。含鉻大于18％，還含有8％左右的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素。綜合性能好，可耐多種介質腐蝕。

3、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，并具有超塑性。

4、馬氏體不銹鋼。強度高，但塑性和可焊性較差。

5、沉淀硬化型不銹鋼。具有有很好的成形性能和良好的焊接性，可作為超高強度的材料在核工業(yè)、航空和航天工業(yè)中應用。

第十八頁，共47頁。（5）耐熱鋼：在高溫條件下，具有抗氧化性和足夠的高溫強度以及良好的耐熱性能的鋼稱作耐熱鋼。

耐熱鋼分為抗氧化鋼和熱強鋼兩類。在高溫下有較好的抗氧化性又有一定強度的鋼稱為抗氧化鋼，常用牌號有OCrl9Ni93Cr18Mn12Si2N等。抗氧化鋼一般要求較好的化學穩(wěn)定性，但承受的載荷較低。

高溫下有一定抗氧化能力和較高強度以及良好組織穩(wěn)定性的鋼稱為熱強鋼，常用牌號有1Cr13、1Cr18Ni9Ti、1Cr5M。1CrllMoV等。

熱強鋼則要求較高的高溫強度和相應的抗氧化性。耐熱鋼常用于制造鍋爐、汽輪機、動力機械、工業(yè)爐和航空、石油化工等工業(yè)部門中在高溫下工作的零部件。這些部件除要求高溫強度和抗高溫氧化腐蝕外，根據(jù)用途不同還要求有足夠的韌性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的組織穩(wěn)定性。

第十九頁，共47頁。

耐熱鋼和不銹耐酸鋼在使用范圍上互有交叉，一些不銹鋼兼具耐熱鋼特性，既可用作為不銹耐酸鋼，也可作為耐熱鋼使用。

第二十頁，共47頁。

4．有色金屬定義：狹義的有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統(tǒng)稱。

廣義的有色金屬還包括有色合金。有色合金是以一種有色金屬為基體（通常大于50%），加入一種或幾種其他元素而構成的合金。

這64種有色金屬包括：鋁、鎂、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇、銅、鉛、鋅、錫、鈷、鎳、銻、汞、鎘、鉍、金、銀、鉑、釕、銠、鈀、鋨、銥、鈹、鋰、銣、銫、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鎢、鉬、鎵、銦、鉈、鍺、錸、鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔、硅、硼、硒、碲、砷、釷。

第二十一頁，共47頁。特性：有色合金的強度和硬度一般比純金屬高，電阻比純金屬大、電阻溫度系數(shù)小，具有良好的綜合機械性能。常用的有色合金有鋁合金、銅合金、鎂合金、鎳合金、錫合金、鉭合金、鈦合金、鋅合金、鉬合金、鋯合金等。

重要性：有色金屬是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎材料，航空、航天、汽車、機械制造、電力、通訊、建筑、家電等絕大部分行業(yè)都以有色金屬材料為生產(chǎn)基礎。隨著現(xiàn)代化工、農業(yè)和科學技術的突飛猛進，有色金屬在人類發(fā)展中的地位愈來愈重要。它不僅是世界上重要的戰(zhàn)略物資，重要的生產(chǎn)資料，而且也是人類生活中不可缺少的消費資料的重要材料。

第二十二頁，共47頁。（1）鋁及其合金

工業(yè)純鋁的牌號有1070、1060、1050等（對應的原牌號為LI、L2．L3），數(shù)字越小則純度越低。

鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩類。其牌號由四位數(shù)字組成。如5A02．3A21、ZAlSi12等。特性：

鋁的耐腐蝕性好，鋁的導熱性能好，不易產(chǎn)生火花，鋁不污染物品和不改變物品顏色等。第二十三頁，共47頁。第二十四頁，共47頁。（2）銅及其合金工業(yè)純銅按雜質含量可分為T1、T2、T3、T4四個牌號，純度依次降低。

以錫以外的其他元素為主要合金元素的青銅稱為無錫青銅。按主要合金元素的種類分為黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合鋅金；青銅是以鋅以外的其他元素為主要合金元素的銅合金。以錫為主要合金元素的青銅稱為錫青銅第二十五頁，共47頁。按成形方法分為壓力加工銅合金:鑄造銅合金：牌號組成由Z，Cu，合金元素符號及其含量百分數(shù)，如：ZCuZn38表示平均含Sn38％、其余為銅的鑄造黃銅；如：ZCuSn10Zn2表示平均含Sn10％、Zn2％、其余銅的鑄造錫青銅。

加工黃銅:牌號由H后附含銅量的百分數(shù)表示：如H80表示平均含銅80％、其余為鋅的黃銅加工青銅：牌號由Q后附主要合金元素的符號及平均含量百分數(shù)如QSn4-3表示含Sn4％，含Zn3%第二十六頁，共47頁。

銅及其合金的特性和用途

黃銅：含鋅低於36％的黃銅合金由固溶體組成﹐具有良好的冷加工性能﹐為了改善普通黃銅的性能﹐常添加其他元素﹐如鋁﹑鎳﹑錳﹑錫﹑硅﹑鉛等。

鋁能提高黃銅的強度﹑硬度和耐蝕性﹐但使塑性降低﹐適合作海輪冷凝管及其他耐蝕零件。

錫能提高黃銅的強度和對海水的耐腐性﹐故稱海軍黃銅﹐用作船舶熱工設備和螺旋槳等。

鉛能改善黃銅的切削性能﹔這種易切削黃銅常用作鐘表零件。黃銅鑄件常用來制作閥門和管道配件等。

第二十七頁，共47頁。青銅

錫青銅的鑄造性能﹑減摩性能好和機械性能好﹐適合於制造軸承﹑蝸輪﹑齒輪等。

鉛青銅是現(xiàn)代發(fā)動機和磨床廣泛使用的軸承材料。鋁青銅強度高﹐耐磨性和耐蝕性好﹐用於鑄造高載荷的齒輪﹑軸套﹑船用螺旋槳等。鈹青銅和磷青銅的彈性極限高﹐導電性好﹐適於制造精密彈簧和電接觸元件﹐鈹青銅還用來制造煤礦﹑油庫等使用的無火花工具。

白銅以鎳為主要添加元素的銅合金。工業(yè)用白銅分為結構白銅和電工白銅兩大類。

結構白銅的特點是機械性能和耐蝕性好﹐色澤美觀。這種白銅廣泛用於制造精密機械﹑化工機械和船舶構件。

電工白銅一般有良好的熱電性能。錳銅﹑康銅﹑考銅是含錳量不同的錳白銅﹐是制造精密電工儀器﹑變阻器﹑精密電阻﹑應變片﹑熱電偶等用的材料。第二十八頁，共47頁。黃銅青銅第二十九頁，共47頁。白銅第三十頁，共47頁。（3）鉛及其合金

鉛在許多介質中，特別是在硫酸中，具有很高的耐腐蝕性。鉛強度和硬度都低、不耐磨、非常軟、比重大等，不適宜單獨做化工設備，只適于做設備的襯里

。

鉛與銻的合金稱為硬鉛，強度和硬度都比純鉛高。硬鉛的主要牌號為PbSb4、PbSb6、PbSb8和PbSb10

用途：鉛和硬鉛在硫酸、化肥、化纖、農藥、電器設備中可用來做加料管、鼓泡器、耐酸泵和閥門等零件。由于鉛具有耐輻射的特點，在工業(yè)上用作X射線和γ射線的防護材料。鉛合金的自潤性、磨合性和減振性好，噪音小，是良好的軸承合金。鉛合金還用于鉛蓄電池極板、鑄鐵管口、電纜封頭的鉛封等。第三十一頁，共47頁。

（4）滑動軸承合金

滑動軸承合金用來制造滑動軸承的軸瓦及其內襯（稱為軸承襯）。分類組成舉例錫基軸承合金以錫為基體，再加入銻及銅等合金元素的合金ZSnSb11Cu6表示平均含Sb11％Cu6％、其余為錫的錫基軸承合金。鉛基軸承合金以鉛為基體，再加人銻、錫及銅等合金元素的合金ZPbSb16Sn16Cu2表示平均含Sb16％、Sn16％、Cu2％、余為鉛的鉛基軸承合金。銅基軸承合金有ZCuPb30、ZCuSn10Pb1、ZCuAl10Fe3鋁基軸承合金ZAlSn6CuNi1第三十二頁，共47頁。四、非金屬材料分無機材料和有機材料如陶瓷、搪瓷、玻璃；塑料、橡膠、涂料等非金屬材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，資源豐富，成形工藝簡單，應用廣泛。還可單獨用作結構材料或作密封、保溫材料。第三十三頁，共47頁。第五節(jié)金屬材料的腐蝕與防護

腐蝕的危害

材料腐蝕是全世界面臨的一個嚴重問題。腐蝕不僅消消耗了人們創(chuàng)造的寶貴財富，而且破壞了生產(chǎn)、生活等許多活動的正常運行。腐蝕和環(huán)境污染的關系也越來越引起人們的關注。據(jù)報道，全世界每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失大約在7000億美元，是地震、水災、臺風等自然災害總和的6倍，占各國國民生產(chǎn)總值（GNP）的2%～4%。我國腐蝕損失占國民生產(chǎn)總值（GNP）4%，鋼鐵因腐蝕而報廢的數(shù)量約占當年產(chǎn)量的25%～30%。生產(chǎn)設備的腐蝕經(jīng)常導致工廠停產(chǎn)停車，勞動生產(chǎn)率低、成本上升，甚至發(fā)生火災、爆炸等安全事故。美國挑戰(zhàn)者航天飛機在升空幾分鐘后爆炸，原因就在于燃燒管腐蝕，這是一個很慘痛的教訓。第三十四頁，共47頁。一、腐蝕基本概念1、含義：金屬材料在周圍介質作用下發(fā)生破壞稱為腐蝕?；どa(chǎn)的特點要求我們要認真學習金屬的腐蝕以及防止腐蝕的一些知識。第三十五頁，共47頁。二、腐蝕機理及類型所有的材料尤其是金屬，都存在著腐蝕與防護的問題。鋼鐵的腐蝕原理與其它金屬有許多共性，所以在討論金屬腐蝕原理及其防護時，往往以鋼鐵為主要研究對象。根據(jù)腐蝕因素、腐蝕環(huán)境和腐蝕表面狀態(tài)、金屬腐蝕的機理可以分為化學腐蝕電化學腐蝕多因素腐蝕。

第三十六頁，共47頁。

金屬的化學腐蝕是金屬在干燥氣體（如氧、氯、硫化氫等）和非電解質溶液中進行化學反應的結果?；瘜W反應作用引起腐蝕，在腐蝕過程中不產(chǎn)生電流。金屬的化學腐蝕只在特定的情況下發(fā)生，不具普遍性。例如：金屬的氧化M+O→MO。

第三十七頁，共47頁。金屬和介質發(fā)生電化學反應而引起的腐蝕，在腐蝕過程中有陽極和陰極區(qū)，電流可以通過金屬在一定的距離中流動，如金屬在各種電介質溶液（如海水、酸、堿、鹽溶液、潮濕大氣等）中的腐蝕。在一般情況下，電化學腐蝕主要為微電池腐蝕和濃差電池腐蝕。

第三十八頁，共47頁。

這是多因素引起的腐蝕。由于各種因素的相互作用，往往產(chǎn)生非常激烈的腐蝕，一般包括應力腐蝕、腐蝕疲勞、空蝕腐蝕等。應力腐蝕：材料在應力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的破壞叫應力腐蝕。這里需強調的是應力和腐蝕的共同作用。

腐蝕疲勞：材料或零件在交變應力和腐蝕介質的共同作用下造成的失效叫做腐蝕疲勞?？瘴g腐蝕：運動物體受到空化沖擊后表面出現(xiàn)的變形和材料剝蝕現(xiàn)象，又稱空蝕或氣蝕，空蝕和腐蝕的共同作用叫空蝕腐蝕第三十九頁，共47頁。腐蝕分類：按破壞特征分：1、均勻腐蝕

腐蝕發(fā)生在金屬表面的全部或大部，也稱全面腐蝕。多數(shù)情況下，金屬表面會生成保護性的腐蝕產(chǎn)物膜，使腐蝕變慢。有些金屬,如鋼鐵在鹽酸中,不產(chǎn)生膜而迅速溶解。通常用平均腐蝕率（即材料厚度每年損失若干毫米）作為衡量均勻腐蝕的程度，也作為選材的原則,一般年腐蝕率小于1～1.5mm,可認為合用（有合理的使用壽命）。

2、局部腐蝕腐蝕只發(fā)生在金屬表面的局部。其危害性比均勻腐蝕嚴重得多，它約占化工機械腐蝕破壞總數(shù)的70％,而且可能是突發(fā)性和災難性的,會引起爆炸、火災等事故。

第四十頁，共47頁。三、防腐措施1、隔離腐蝕介質2、電化學保護陰極保護：犧牲陽極保護法；外加電流保護法；陽極保護3、緩蝕劑保護（1）陽極型緩蝕劑（2）陰極型緩蝕