過程設(shè)備機械設(shè)計基礎(chǔ)：7化工材料

7過程設(shè)備常用材料7.1過程設(shè)備用材的基本要求7.2過程設(shè)備常用材料7.3鋼的熱處理7.4金屬材料的腐蝕與防腐7.5過程設(shè)備金屬材料的選擇概述過程設(shè)備是過程工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障：材料是任何設(shè)備功能完成的物質(zhì)載體—設(shè)備材料的重要性

1915年，合成尿素新工藝進入中試階段，但無法克服熔融尿素對鋼材的腐蝕。1953年，才實現(xiàn)了尿素的規(guī)模化生產(chǎn)，前提是荷蘭科學(xué)家提高了鉻鎳不銹鋼對熔融尿素的腐蝕。過程工業(yè)的復(fù)雜性，材料選用具有的特點：復(fù)雜性、多樣性、高要求 神州六號返回艙的隔熱材料保證了從2000oC到40oC：飛船返回艙的降溫主要通過三種方法：一是吸熱式防熱，在返回艙的某些部位，采用導(dǎo)熱性能好、熔點高和熱容量大的金屬吸熱材料來吸收大量的氣動熱量；二是輻射式防熱，用具有輻射性能的鈦合金及陶瓷等復(fù)合材料，將熱量輻射散發(fā)出去；三是燒蝕防熱，利用高分子材料在高溫加熱時表面部分材料融化、蒸發(fā)、升華或分解汽化帶走大量熱量的方法散熱。

過程設(shè)備材料的分類金屬材料非金屬材料黑色金屬及其合金有色金屬及其合金無機非金屬材料有機非金屬材料材料中應(yīng)用最多的是什么類型？為什么？選材原則：安全、適用、經(jīng)濟1.材質(zhì)性能適用可靠，保證一定使用壽命；選材的基本要求：2.材料品種應(yīng)符合國家資源和供應(yīng)情況；3.經(jīng)濟上合算。

7.1過程設(shè)備用材的基本要求過程設(shè)備用材的性能要求力學(xué)性能1.強度

*

材料在高溫和低溫下的強度是確定材料許用應(yīng)力的依據(jù)，

S，b是材料抵抗塑性變形和破壞的能力屈強比高的鋼材，塑性儲備降低，缺口敏感性增加。碳鋼力學(xué)性能隨溫度的變化2.塑性：材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，即材料斷裂前塑性變形的能力，反應(yīng)材料可塑性的指標。

=10~20%3.韌性：指材料在塑性變形直至斷裂的全過程中吸收的能量，是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)能力。一般用沖擊韌性來評定。AK（J/cm2）4.硬度：指材料抵抗外物壓入的能力，有HB，HR。#

剛度：保證材料不產(chǎn)生過量彈性變形。彈性模量E、G；μ

化學(xué)性能耐腐蝕性：抵抗腐蝕性介質(zhì)侵蝕的能力。腐蝕：由于環(huán)境作用引起的破壞或變質(zhì)。分化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

抗氧化性：抵抗介質(zhì)中的自由氧、硫及其它雜質(zhì)對鋼的氧化腐蝕作用。加工工藝性1.可焊性：少的焊接缺陷2.可鍛性：不發(fā)生熱脆3.可塑性：優(yōu)良的塑性加工性能4.機械加工性能：保證良好的切削性5.可鑄性好：鑄造中收縮和偏析小

材料的物理性能導(dǎo)熱系數(shù)：設(shè)備要求傳熱線膨脹系數(shù)：防止熱應(yīng)力密度：決定設(shè)備的重量熔點和導(dǎo)電性：一)碳鋼碳鋼：碳含量在0.02～2％之間的鐵碳合金;鑄鐵：碳含量大于2％的鐵合金。1、碳及常存雜質(zhì)對鋼材性能的影響磷(P)硫(S)錳(Mn)硅(Si)碳(C)★鋼材獲得廣泛應(yīng)用,為什么？

7.2過程設(shè)備常用材料碳含量對材料機械性能影響2碳鋼分類按含碳量分：低碳鋼中碳鋼高碳鋼按質(zhì)量等級分：普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼按用途分：碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：GB700-88Q235－A·F－GB700-88國標號產(chǎn)品質(zhì)量等級，共分A、B、C、D四級材料屈服限的保證值，(厚度小于16mm)F：沸騰鋼，Z：鎮(zhèn)靜鋼，b:半鎮(zhèn)靜鋼除保證機械性能和化學(xué)成分外，還對磷、硫及非金屬夾雜物控制較嚴:C%、P%<0.04%。它的牌號以含碳量的萬分之數(shù)而定。優(yōu)質(zhì)低碳鋼：<0.25%，強度低，塑性好，冷沖壓和焊接性能好，在石油化工設(shè)備中廣泛應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)中碳鋼：0.25~0.60%：強度硬度高，塑性韌性差；多用于傳動設(shè)備及高壓設(shè)備頭蓋零件。優(yōu)質(zhì)高碳鋼：>0.6%；強度硬度均較高，塑性差，常用于制造彈簧，刀具及耐磨零件。分類優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：鍋爐和壓力容器用鋼有特殊性，經(jīng)常采用專門用途的鍋爐用鋼和容器用鋼。在鋼號后分別以“

g”和“

R”來表示。如20g，20R，16MnR屈服限強度限鑄鋼：ZG200－400二)合金鋼壓力容器用低合金鋼：合金元素總含量小于5%主要牌號：16MnR，15MnVR，18MnMoNbR35CrMoA1、合金結(jié)構(gòu)鋼數(shù)字元素名稱數(shù)字合金元素含量合金元素符號平均含碳量的萬分數(shù)A如9SiCr（冷沖模具用鋼）數(shù)字元素名稱數(shù)字合金元素含量合金元素符號平均含碳量的千分數(shù)當含碳量大于1％則不表示W(wǎng)18Cr4V(高速鋼，如齒輪銑刀用鋼)2、合金工具鋼不銹鋼

鉻不銹鋼：1Cr13、0Cr13、9Cr18

；鉻鎳不銹鋼(18-8)：0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；節(jié)鎳不銹鋼：1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N分類00：C%0.03%；0：C%0.08%；1：0.08%C%0.12%3、特殊鋼耐大氣腐蝕鋼和耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕鋼的總稱。Cr對材料電極電位的影響鉻鎳不銹鋼：典型鋼號(18-8)

0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；

鉻不銹鋼：1Cr13、0Cr13、9Cr18

；調(diào)質(zhì)處理后有較強的強度和韌性；弱腐蝕介質(zhì)，溫度低于30

Ｃ，有良好的耐蝕性；在硫酸、鹽酸、熔融堿液中耐蝕性差；一般固溶處理；較高的強度，極好的塑性和韌性，焊接性能好；比鉻不銹鋼更好的耐蝕性；還原性介質(zhì)、clˉ不耐蝕；容易發(fā)生晶間腐蝕。晶間腐蝕★發(fā)生晶間腐蝕的原因是什么？★防止發(fā)生晶間腐蝕的方法：1固溶處理；2減少鋼中含碳量；3加入強親碳元素：Ti、Nb2）高溫用鋼抗氧化鋼：1Cr13Si3，1Cr23Ni13熱強鋼：15CrMo,12Cr2Mo1,1Cr5Mo,0Cr19Ni9,0Cr17Ni12Mo2等分為：和抗氧化鋼3）低溫用鋼以高鉻鎳鋼為主熱強鋼低碳鋼在538℃下的蠕變量與時間T的關(guān)系三）鑄鐵灰口鑄鐵：碳以自由態(tài)片狀石墨存在，抗拉強度低，擠壓強度高，用于制造耐壓件。

HT100可鍛鑄鐵：石墨成團絮狀,具有一定強度和塑性，用于有振動和沖擊的場合

KTH300－06

球墨鑄鐵：石墨成球狀,強度、塑性、韌性好可替代鑄鋼

QT500－5

球化效果差，石墨形態(tài)為片狀和蠕蟲狀球墨鑄鐵的金相組織（１）石墨形態(tài)：球狀石墨、團狀、團絮狀、蠕蟲狀、片狀石墨大?。?~7級球墨鑄鐵的金相組織（２）球墨鑄鐵的金相組織（3）球墨鑄鐵基體組織：鐵素體+珠光體，珠光體含量≈65%球墨鑄鐵的金相組織（4）珠光體的片間距（粗細）球墨鑄鐵的金相組織（5）

球墨鑄鐵中的滲碳體形態(tài)四）有色金屬及合金紫銅：T1，T2，T3黃銅：H80，H68，H62鋁：L1,L2,………L6硬鋁：AI-Cu-Mg的合金,LY1L-1L-2防銹鋁：AI-Mg的合金，LF21鑄鋁：AI-Si的合金，ZL107作耐磨件：蒙乃爾合金作腐蝕件：Inconel合金和海氏合金銅及銅合金鋁及鋁合金鎳及鎳合金鉛及鉛合金：鉛銻合金，PbSb4,五）非金屬材料化工陶瓷：化學(xué)穩(wěn)定性好玻璃：表面光潔、耐腐蝕（搪玻璃設(shè)備〕水泥：價廉天然耐酸材料：花崗石、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鋼無機材料有機材料 將鋼材通過適當?shù)募訜岷屠鋮s過程，使鋼材的內(nèi)部組織按一定的規(guī)律變化，以獲得預(yù)期的機械性能，稱為鋼的熱處理。

7.3鋼的熱處理晶格晶胞體心立方面心立方一、金屬的結(jié)晶組織金屬的結(jié)晶過程金屬結(jié)晶過程晶核液態(tài)－Fe鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變－Fe910°C碳在鐵中形成固溶體(F、A、M)鋼的冷卻曲線化合物：滲碳體Fe3C混合物：珠光體P室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合金組織中基本組成物的機械性能名稱符號結(jié)合類型σb,MPaHBδAk,J鐵素體F(或α)固溶體2308050160滲碳體Fe3C化合物30800~0~0珠光體P機械混合物75018020~2524~32鐵碳合金狀態(tài)圖PAF+PP+Fe3C★鋼為什么可以進行熱處理？ 鋼的熱處理是將鋼材通過適當?shù)募訜?、保溫和冷卻過程，使鋼材的內(nèi)部組織按一定的規(guī)律變化，以獲得預(yù)期的機械性能?！锸裁词卿摰臒崽幚恚俊锸裁词卿摰耐禺悩?gòu)現(xiàn)象？★常用的熱處理方法及應(yīng)用有哪些？熱處理車間普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理火焰加熱感應(yīng)加熱滲碳氮化碳氮共滲及其它二、常用熱處理方法方法：把鋼材加熱到一定溫度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻的過程。目的：強度、硬度降低，塑性、韌性提高；消除組織缺陷、消除內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)用：消除鑄件、焊件、鍛件、熱軋件、冷拉件等的內(nèi)應(yīng)力，冷作硬化退火(annealing)高速鋼的退火曲線方法：把鋼件加熱到GS或ES線以上30~50

C，經(jīng)適當保溫后，從爐中取出在空氣中冷卻。目的：細化P晶粒、減少鋼件內(nèi)應(yīng)力、均勻組織。可作為最終熱處理。應(yīng)用：廣。如鍛造的法蘭與換熱器的管板的最終熱處理。正火(normalising)方法：把鋼材加熱到一定溫度，保溫一段時間后，快速冷卻的過程。目的：得到馬氏體組織、提高表面硬度、提高強度和耐磨性。硬而脆。淬火(harding)40Cr鋼的淬火曲線方法：將淬火后的鋼件重新加熱到PSK線以下的某一溫度，經(jīng)較長時間的保溫后，在油中或空氣中冷卻。調(diào)質(zhì)處理：淬火后高溫回火的熱處理。提高綜合機械性能。用于重載零件。目的：降低或消除鋼件的內(nèi)應(yīng)力，并可通過控制回火溫度，獲得不同的機械性能。回火(tempering)表面淬火方法：將鋼件放在一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表面，改變表面化學(xué)成分以獲得預(yù)期的組織和性能的一種熱處理過程。化學(xué)熱處理根據(jù)滲入元素的不同，可分為滲碳、滲氮等。材料及熱處理的應(yīng)用分析電廠中的汽輪機汽輪機是一臺在高溫（540

600℃）、高壓（16

25MPa）蒸汽作用下高速旋轉(zhuǎn)（3000r/min）、長期連續(xù)運行的機器。由于工作條件苛刻，因此對其零部件所采用的材料要求很高。一些主要部件要求高強度、耐高溫、耐腐蝕，不同的部件還有一些不同的特殊性能要求。焊接結(jié)構(gòu)的低壓外缸高中壓內(nèi)缸（鑄鋼件）電廠檢修中的汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子汽輪機葉片摩擦壓力機模鍛葉片葉片自由鍛出坯自由鍛出坯的毛坯葉片★葉片的材料有哪些要求？ 在工作條件下必須承受較大的離心力和彎應(yīng)力：材料必須具有的基本的強度和韌性，還須具有耐蝕性、抗氧化性、足夠的疲勞強度，良好的剛度、減振性能等等；

高壓級的動葉片工作于高溫蒸汽介質(zhì)中，還應(yīng)考慮蠕變強度、持久極限等高溫性能；

低壓級動葉片尤其是末級葉片，由于工作在濕蒸汽區(qū)，葉片更長，離心力更大，故需考慮材料具有更高的強度，抗水滴沖蝕和應(yīng)力腐蝕等問題。汽輪機葉片材料主要為不銹鋼：1Cr13、2Cr13、1Cr12Mo、2Cr12MoV、2Cr12NiMo1W1V、2Cr11NiMoNbVN、0Cr17Ni4Cu4Nb等★

汽輪機葉片選什么材料？葉片材料的熱加工:鋼中0.1~1%的碳，具有較高的強度；2~17%的鉻，具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性；鉬、釩、鈮、鋁、銅等元素的添加，提高鋼的回火抗力或產(chǎn)生沉淀硬化作用，使鋼在高溫下仍保持足夠的強度。調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用低壓外缸裝焊低壓外缸裝焊 低壓缸由于體積較大，承受的溫度、壓力均比較低，因此一般采用低碳結(jié)構(gòu)鋼（碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A）鋼板焊接結(jié)構(gòu)?！锏蛪浩椎牟牧嫌心男┮?？如何選材？鋼板下料——成形——拼裝——焊接——除應(yīng)力熱處理——噴丸清理——探傷檢驗。

★低壓外缸怎樣熱加工？

參考書◆腐蝕工程M.G.方坦納,N.D.格林著左景伊譯◆腐蝕電化學(xué)原理曹楚南編著◆金屬腐蝕學(xué)朱日彰等編寫

◆金屬腐蝕理論及應(yīng)用魏寶明主編

7.4金屬材料的腐蝕與防腐國內(nèi)主要專業(yè)雜志中國腐蝕與防護學(xué)報腐蝕與防護腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)四川化工與腐蝕控制全面腐蝕控制表面技術(shù)材料保護

國外主要專業(yè)雜志◆Corrosion◆MaterialPerformanceNationalAssociationofCorrosionEngineersNACE（美國腐蝕工程師協(xié)會）◆CorrosionScience◆BritishCorrosionJournal★什么是腐蝕和金屬材料的腐蝕？定義：金屬材料和周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)的作用而變質(zhì)和破壞。工程材料和周圍環(huán)境發(fā)生相互作用而變質(zhì)和破壞。三個基本要素腐蝕的對象腐蝕的性質(zhì)腐蝕的后果舉例◆1975年美國芝加哥一個大的煉油廠一根15cm的不銹鋼彎管腐蝕破裂引起爆炸和火災(zāi)，停車6周，這次腐蝕事故總維修費50萬美元，停車造成的稅收損失高達500萬美元。美國：1949年55億美元

1960～1969年150～200億美元

1975年700億美元

1982年1269億美元

1995年8000億美元英國：1969年13.65億英鎊（27.3億美元）腐蝕的危害3.造成巨大的經(jīng)濟損失5.造成金屬資源和能源的浪費4.造成設(shè)備的破壞事故2.阻礙新技術(shù)的發(fā)展1.危及人身安全經(jīng)濟損失包括直接損失和間接損失◆直接損失：指采用防護技術(shù)的費用和發(fā)生腐蝕破壞以后的維修、更換費用和勞務(wù)費用?！糸g接損失：指設(shè)備發(fā)生腐蝕破壞造成停工、停產(chǎn)；跑、冒、滴、漏造成物料流失；腐蝕使產(chǎn)品污染，質(zhì)量下降，設(shè)備效率降低，能耗增加；在計算壁厚時需增加腐蝕裕度，造成鋼材浪費等?！裟臀g性指材料抵抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕的能力◆腐蝕性指環(huán)境介質(zhì)腐蝕材料的強弱程度◆腐蝕過程的本質(zhì)金屬→金屬化合物△G﹤0自發(fā)過程不可逆過程★研究和控制腐蝕具有重要意義腐蝕的分類按環(huán)境分類：大氣腐蝕土壤腐蝕海水腐蝕高溫氣體腐蝕化工介質(zhì)腐蝕按破壞形態(tài)分類：全面腐蝕局部腐蝕按相互作用的性質(zhì)：化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕★腐蝕的常見形式★腐蝕速度的表示方法失重腐蝕速度V-

單位：g∕m2.hV-與Vp之間的換算年腐蝕深度Vp

單位：mm/y

定義：金屬在干燥的氣體和非電解質(zhì)溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的腐蝕破壞叫化學(xué)腐蝕。腐蝕過程無電流產(chǎn)生，腐蝕產(chǎn)物存在于金屬表面。例如：金屬的高溫氧化及脫碳，氫腐蝕★化學(xué)腐蝕★鋼在高溫中的氧化570C以下Fe3O4Fe2O3570C以上Fe2O3Fe3O4FeO金屬及其合金與電解質(zhì)接觸時發(fā)生電化學(xué)作用而引起的腐蝕。Zn在稀硫酸中溶解示意圖★電化學(xué)腐蝕宏觀異種金屬接觸形成電偶電池金屬處于不同濃度的介質(zhì)中形成濃差電池金屬處于溫度不同的介質(zhì)中形成溫差電池微觀化學(xué)性質(zhì)不均勻微觀組織不均勻物理狀態(tài)不均勻表面膜不完整★腐蝕原電池的類型金屬在電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起的腐蝕破壞。腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。1.同一金屬上有不同電位的部分存在或是存在電位差的不同金屬或合金；2.陰極和陽極互相連接，并處于互相連通的電解質(zhì)溶液中。電化學(xué)腐蝕的條件：★電化學(xué)腐蝕3.溫度和壓力的影響4.應(yīng)力對腐蝕的影響2.腐蝕介質(zhì)酸堿性的影響1.合金元素的影響★影響腐蝕的因素★金屬設(shè)備的防腐蝕措施3.添加緩蝕劑4.合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.電化學(xué)保護1.涂復(fù)保護層