第五章-化工設備材料

第五章材料基礎知識鋼材生產基本知識

12材料的性能

鋼鐵是使用最多的金屬材料：

儲量大；

冶煉加工容易；

綜合性能好；

易改質處理。

鋼材仍將是21世紀用途最廣的結構材料和最主要功能材料。5.1.1鋼的介紹鋼材的定義：鋼材是一種以鐵為主要元素、含碳量大于0.025%,小于2.11%的鐵碳合金，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和錳Mn等)的材料；鋼材的優(yōu)點以及缺點：優(yōu)點：（1）抗拉、抗壓、抗沖擊性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和鉚接，裝配方便；缺點：易銹蝕；5.1.2煉鋼煉鋼的原料：生鐵、廢鋼、熔劑（石灰石等）、脫氧劑（硅鐵、錳鐵、鋁等）、合金料等。

煉鋼的主要任務包括以下幾項：（四脫、二去、二調整）

1）脫碳；2）脫磷；3）脫硫；4）脫氧；5）去氮、氫等；6）去除非金屬夾雜物；7）調整成分；8）調整溫度。

煉鋼工藝主要包括

1）鐵水預處理；2）轉爐或電弧爐煉鋼；3）爐外精煉（二次精煉）；4）連鑄。

煉鋼過程是個氧化過程，其去除雜質的主要手段是向熔池吹入氧氣并加入造渣劑形成熔渣出來。脫碳反應是煉鋼過程的主要手段，硅、錳、磷、硫等元素也通過氧化反應去除。鋼鐵生產工藝流程圖長流程短流程5.1.3鋼材分類—按冶煉方式分類三大類:（1）轉爐鋼（2）平爐鋼（3）電爐鋼；（1）轉爐鋼：以熔融的鐵水為原料、由轉爐的底部或側面向轉爐中吹入高壓熱空氣（或氧氣）進行冶煉而得到的鋼，叫做轉爐鋼；轉爐鋼的缺點：吹煉時易混入空氣中的氮、氫等雜質，故建筑中常用的是氧氣轉爐鋼；熔煉時間短，雜質含量不易控制，因此質量差；（2）平爐鋼：以固態(tài)或液態(tài)的生鐵、鐵礦石或廢鋼為原料、用煤氣或重油為燃料在平爐中冶煉而得到的鋼，叫做平爐鋼；平爐鋼的特點：熔煉時間長，易控制質量，因此質量好，但成本較轉爐鋼高；5.1.3鋼材分類—按冶煉方式（3）電爐鋼：用電熱進行高溫冶煉而得到的鋼；一般用高壓電弧作為熱源，故熔煉的溫度高，且溫度可以自由調節(jié)，清除雜質則容易得多，故電爐鋼的質量最好；電爐鋼的特點：熔煉溫度可自由調節(jié)，清除雜質徹底，因此質量最好，但成本最高；5.1.3鋼材分類—按冶煉方式（1）沸騰鋼；（2）鎮(zhèn)靜鋼；（3）半鎮(zhèn)靜鋼(1)沸騰鋼：

含雜質較多，質量較差，致密性差，但成本低；（2）鎮(zhèn)靜鋼結構致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，是質量較好的鋼種，但是產品率低，且成本較高；（3）半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度以及鋼的質量介于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼之間；

5.1.3鋼材分類—按脫氧程度(1）熱加工鋼材：

是將鋼錠加熱到一定溫度，使得鋼錠成呈塑性狀態(tài)進行的壓力加工，如熱軋、熱鍛（2）冷加工鋼材：指在常溫下進行加工的鋼材；壓力加工的目的：排掉冶煉、鑄錠過程中鋼材結構的不均勻、氣泡等缺點；5.1.3鋼材分類—按加工方式分類：（1）碳素鋼；（2）合金鋼（1）碳素鋼：

指含碳量小于2%的鋼，一般又分為以下三種：碳素鋼分為：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼（2）合金鋼：

為改善鋼的某些性質而特意加入的一定量的一種或幾種合金元素；如硅、錳和鎳等；合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼。5.1.3鋼材分類—按化學成分（1）普通質量鋼；（2）優(yōu)質鋼；（3）高級優(yōu)質鋼；（4）特級優(yōu)質鋼碳素結構鋼：(1)普通鋼（P≤0.045%，S≤0.055%）(2)優(yōu)質鋼（P、S均≤0.040%）(3)高級優(yōu)質鋼（P、S均≤0.030%）(3)特級優(yōu)質鋼（P、S均≤0.025%）5.1.3鋼材分類—按主要質量等級(1)建筑及工程用鋼；（2）結構鋼；（3）工具鋼；（4）特殊性能鋼；（5）專業(yè)用鋼(1)建筑及工程用鋼：a.普通碳素結構鋼；b.低合金結構鋼；c.鋼筋鋼。

(2)結構鋼：a.機械制造用鋼：(a)調質結構鋼；(b)表面硬化結構鋼：包括滲碳鋼、滲氨鋼、表面淬火用鋼；(c)易切結構鋼；(d)冷塑性成形用鋼：包括冷沖壓用鋼、冷鐓用鋼。

b.彈簧鋼

c.軸承鋼

(3)工具鋼：a.碳素工具鋼；b.合金工具鋼；c.高速工具鋼。

(4)特殊性能鋼：a.不銹耐酸鋼；b.耐熱鋼：包括抗氧化鋼、熱強鋼、氣閥鋼；c.電熱合金鋼；d.耐磨鋼；e.低溫用鋼；f.電工用鋼。

(5)專業(yè)用鋼——如橋梁用鋼、船舶用鋼、鍋爐用鋼、壓力容器用鋼、農機用鋼等。5.1.3鋼材分類—按用途5.1.4鋼鐵牌號及表示方法牌號的表示原則依據國家標準GB/T221-2008,牌號中采用大寫漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法表示鋼號表示法優(yōu)質碳素鋼——08F20R沸騰鋼含碳量為0.08%；容器鋼含碳量為0.2%例：普通碳素鋼——Q235-AF沸騰鋼類別為A鋼材屈服點(MPa)屈服點屈字的拼音首位字母低合金鋼——16MnR16——含碳量0.16%；

Mn——合金元素；

R——容器鋼。特殊性能鋼——1Cr18Ni91——含碳量0.1%（千分數）；

Cr,Ni——主要合金元素；

18——含鉻量18%；

9——含鎳量9%。

5.1.4鋼的熱處理

定義：鋼的熱處理是指在固態(tài)下通過對鋼進行不同的加熱、保溫、冷卻來改變鋼的組織結構，從而獲得所需要性能的一種工藝熱處理工藝曲線：金屬材料中的金相組織發(fā)生變化！鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體

常用熱處理工藝緩慢加熱，保溫一定時間后

※隨爐冷卻（曲線1）--退火；※空氣中冷卻（曲線2）--正火；

作用：①降低硬度，增加塑性，改善機械性能；②使組織均勻化，消除內應力?！咀ⅰ考訜釡囟葹榕R界點（鋼的內部組織發(fā)生轉變的溫度)以上30～50℃。Ac1：加熱時珠光體向奧氏體轉變的開始溫度;

Ac3：加熱時先共析鐵素體全部轉變成奧氏體的終了溫度。緩慢加熱，保溫一定時間

淬火劑中冷卻（曲線3）；淬火劑:

水，鹽水---用于碳鋼；油---用于合金鋼。

作用：提高硬度、強度和耐磨性。

淬火淬火后再進行一次較低溫度的加熱與冷卻。作用：消除內應力，穩(wěn)定組織，滿足技術要求。回火又分為：低溫回火（150～250℃）；中溫回火（300～450℃）；高溫回火（500～680℃）。

※淬火+高溫回火稱為調質處理。效果：強度、塑性、韌性均提高?；鼗饖W氏體不銹鋼加熱到1000~1100℃，保溫一定時間后快速冷卻，獲得單相奧氏體組織的工藝方法稱為固溶處理。作用：處理的奧氏體不銹鋼具有一定強度、很高的韌性和優(yōu)良的耐蝕性。固溶5.1.5材料的性能力學性能在外力作用下不產生超過允許的變形或不被破壞的能力。如彈性、塑性、強度、硬度和韌性等指標。1.強度及其主要指標.

固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變形或斷裂的特性。例如：※容器爆裂；※管道破裂;※地腳螺栓拉斷;※爐管爆裂；..——強度不夠?。?）屈服點屈服現(xiàn)象：金屬材料承受載荷作用，當載荷不再增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形。屈服點：（

s）——材料發(fā)生屈服時的應力。單位：MPa?！恍┖辖饹]有明顯的屈服點,規(guī)定發(fā)生0.2%殘余變形時的應力，作為“條件屈服點”。記作σ0.2（2）抗拉強度(sb)定義：金屬材料在受力過程，發(fā)生斷裂所達到的最大應力值，以σb

表示，單位MPa。是壓力容器設計常用的性能指標。屈強比：

s/σb

屈強比小，表明材料具有較大的塑性儲備。（3）蠕變極限（sn）蠕變現(xiàn)象：高溫時，在一定的應力下，應變隨時間而增加的現(xiàn)象；或者金屬在高溫和存在內應力情況下逐漸產生塑性變形的現(xiàn)象；蠕變極限：材料在高溫下，抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力，以σn表示，單位MPa。（4）持久強度（sD）定義：在一定溫度下，經過一定時間斷裂時的應力，以σD表示，單位MPa。----是一定溫度和一定載荷下，材料抵抗斷裂的能力。材料抵抗斷裂的能力越大，在相同的條件下，能支持的時間越久。規(guī)定：化工設備設計壽命一般為十萬小時，所以用試件在十萬小時斷裂時的應力作為持久強度。設備的設計壽命?。?）疲勞強度構件或零件受到大小和方向變化的交變載荷作用，應力遠小于屈服點就斷裂--疲勞。疲勞極限---構件或零件在交變載荷作用下不致斷裂的最大應力。表示符號：σ-1(MPa)。例如：

頻繁開、停車--容器內壓力或溫度波動；活塞式壓縮機壓縮氣體--容器及管道內壓力波動；離心泵頻繁開停機或震動--泵軸受力成交變式。

2.塑性金屬的塑性：金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。納米銅的室溫超塑性—盧柯院士塑性指標的實際意義：意義：便于成型加工和焊接。如彎卷、鍛壓、冷沖、焊接等；使構件在承載后由于變形而避免發(fā)生斷裂?！獕毫θ萜骷捌淞慵夹枰邆溥@個性質。塑性指標：

延伸率、斷面收縮率、冷彎性能3.硬度的概念金屬材料表面抵抗其它硬物壓入的能力。硬度高材料強度也高，耐磨性較好；—綜合性能指標。

布氏硬度試驗示意圖4.沖擊韌性材料在外加動載荷作用下的一種吸收機械能，迅速塑性變形，抵抗斷裂的能力。材料的沖擊韌性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其沖擊韌性不一定高。

頭盔抵抗子彈5.缺口敏感性——在帶有一定應力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴展的能力。

韌性范疇——靜載荷下抵抗裂紋擴展的性能。沖擊韌性？

——是動載荷作用下抵抗裂紋擴展的能力。物理性能——密度，熔點，線膨脹系數，導熱系數，比熱容，電阻率，磁導率，彈性模量，泊桑比等。化工設備設計與制造主要考慮的物理性能：線膨脹系數異種鋼焊接——收縮率不同，引起變形或損壞；復合鋼板（如不銹鋼與碳鋼)——熱變性不同,容器殼體將會？設備襯里（如碳鋼殼體內噴涂鋁）——熱變性不同時？固定管板式換熱器的管子與殼體——線膨脹量相差過大，將會？碳鋼表面電鍍一層銅——升溫后會？彈性模量E：金屬材料對彈性變形抗力的指標，是衡量材料產生彈性變形難易程度的。隨著溫度升高而降低。泊松比μ：拉伸試件的單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。各種鋼材近乎為μ=0.3?；瘜W性能