第四講教案續(xù)頁

第二節(jié)化工設備常用材料的特性工程上廣泛應用的金屬材料是鋼和鑄鐵，它們的總產量要比其他一切金屬產量的總和還要多幾百倍。鋼和鑄鐵由95%以上的鐵和0.05％-4％的碳及1％左右的其他雜質元素組成，因此鋼和鑄鐵又稱為“鐵碳合金”。一般含碳量在0.02％-2％的稱為鋼，含碳量大于2％的稱為鑄鐵。當含碳量小于0.02％時，稱為工程純鐵，極少使用；當含碳量大于4.3％時，鑄鐵太脆,沒有實際應用價值。一、鐵碳合金的組織結構工業(yè)上作為結構使用的金屬材料是固態(tài)。固態(tài)金屬都屬于晶體物質。各種鐵碳合金表面上看來似乎一樣，但其內部徽觀情況卻有著很大的差別。如果用金相分析的方法，在金相顯徽鏡下可以看到它們的差異。通常在低于1500倍的顯微鏡下觀察到的金屬的晶粒，稱為金屬的顯微組織，簡稱組織，如圖2-6所示。如果用X光和電子顯微鏡則可以觀察到金屬原子的各種規(guī)則排列，稱為金屬的晶體結構，簡稱結構這種金屬內部的微觀組織和結構的不同形式，影響著金屬材料的性質。圖2-7所示為灰鑄件中石墨的不同組織形式。1．純鐵的同素異構轉變上述體心立方晶格的純鐵稱為a-Fe，而面心立方晶格的純鐵稱為Y-Fe,a-Fe經(jīng)加熱可轉變?yōu)閅-Fe，反之高溫下的Y-Fe冷卻可變?yōu)閍-Fe。這種在固態(tài)下晶體構造隨溫度發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱為“同素異構轉變”。這一同素異構轉變是在910℃下恒溫完成的。如圖2-9所示，鐵的同素異構轉變，是固態(tài)下鐵原子重新排列的過程，實質上也是一種結晶過程。2.鐵與碳的相互關系和碳鋼的基本組織碳對鐵碳合金性能的影響極大，鐵中加入少量的碳以后，強度顯著增加，這是由于碳加入后引起了內部組織改變的緣故。碳在鐵中的存在形式有固溶體，化合物和混合物。(1)鐵素體(F)(2)奧氏體(A)(3)滲碳體(C)(4)珠光體(5)萊氏體(6)馬氏體鐵素體(F)和奧氏體(A)二、碳鋼1.碳鋼中雜質對其性能的影響（1）錳的影響：錳可脫氧和減輕硫的有害作用，是一種有益元素。（2）硅的影響：硅溶于鐵素體使鋼的強度、硬度提高，是一種有益元素。（3）硫的影響：硫以FeS的形式存在于鋼中，能和鐵形成低熔點的化合物（9850C）在熱加工時，可過早的熔化，而導致工件開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆性”。是一種有害元素。鋼中含硫量控制在007%以下。（4）磷的影響：磷溶于鐵素體使鐵素體在室溫的強度提高，而塑性、韌性下降，既產生所謂“冷脆性”。是一種有害元素。鋼中含磷量控制在0.07%以下。（5）氧的影響：氧在鋼中以等雜質形式存在，它們的熔點高并以顆粒存在于鋼中，從而破壞了鋼基體的連續(xù)性，而劇烈降低鋼的機械性能。（6）氮的影響：當鋼中溶有過量的氮，在加熱至2000C~2500C時，會發(fā)生氮化物的析出，稱為“時效”。使鋼的硬度、強度提高，塑性下降。（7）氫的影響：氫在鋼中的嚴重危害是造成“白點”。使用時會突然斷裂，造成事故。化工容器用鋼，不允許有白點存在。1、普通鋼：根據(jù)GB700-1988規(guī)定，普通碳素鋼鋼種以屈服強度的數(shù)值區(qū)分，屈服強度有五個級別，既Q195、Q215、Q235、Q275。其鋼號表示方法為：碳素結構鋼的牌號由代表鋼材屈服點字母、屈服點的數(shù)值、材料質量等級符號、脫氧方法符號等四個部分按順序組成，例如Q235-A.F，其中：Q-鋼材屈服點“屈”字漢語拼音首位字母；235-鋼材屈服點的數(shù)值，單位為Mpa;A(B、C、D)-鋼材質量等級；F(b、Z)-脫氧方法中沸騰鋼“沸”字漢語拼音首位字母，（半鎮(zhèn)靜鋼和鎮(zhèn)靜鋼漢語拼音首位字母，在牌號組成表示方法中，“Z”符號予以省略）。這種鋼含硫磷等有害雜質較多（含S＜0.055%,P＜0.045%).在化工容器與設備中用的最多的Q235A.F,Q235-A,Q235-B,Q235-C。2、優(yōu)質鋼:這種鋼除保證鋼材的化學成分和機械強度外，還對含硫、磷等雜質的量進行嚴格控制，（通常含S、P均≤0.004%），非金屬夾雜物少，組織均勻，表面質量較好。按含錳量又分為正常含錳量和較高含錳量兩種。它的牌號是按含碳量的萬分之幾來表示的。如含碳量在0.45%的優(yōu)質碳素鋼稱為45號鋼。正常含錳量的鋼號有08、10、15、20、等。較高含錳量的鋼號有30Mn、40Mn等。在化工容器與設備中應用最多的優(yōu)質碳素鋼有10、15、20、等。3、高級優(yōu)質鋼：高級優(yōu)質鋼:這種鋼的特點是含硫、磷等雜質比優(yōu)質碳素鋼更少，均不高于≤0.003%。其表示方法是在優(yōu)質鋼鋼號后面加一個A字，如20A4、碳素鋼常按含碳量不同分為三類（1）低碳鋼，含碳量<0.25%，常用鋼號有08、10、15、20、25。這種鋼強度較低，但塑性最好。適合于制作冷壓幾焊接件，在石油化工設備中廣泛應用。（2）中碳鋼，含碳量0.25~0.6%，該鋼種的強度和塑性適中，焊接性能較差，不適于制造設備殼體。多用于傳動設備及高壓設備封頭零件。常用鋼號有30、35、40、45、50、55、60，其中以45號鋼應用最廣泛。（3）高碳鋼，含碳量＞0.6%，鋼的強度和硬度均較高，塑性差，焊接性能差，常用于制造彈簧、刀具等。常用的鋼號有60、65、70。三、鑄鐵工業(yè)上常用的鑄鐵一般含碳量為2.5%-4.0%，此外尚有Si、Mn、S、P等雜質。鑄鐵是一種脆性材料，抗拉強度低，但耐磨性鑄造性、減振性和切削加工性能都很好。在一些介質中還具有相當好的耐腐蝕性能。另外價格低廉，因此在工業(yè)中大量應用。1、灰鑄鐵：灰鑄鐵中的石墨成片狀，且石墨的含量越多，石墨片越長。由于片狀石墨的存在決定了該材料具有較低的抗拉強度，常用于制作機械設備的外殼?；诣T鐵以“HT”表示，其后緊跟的數(shù)字表示材料的抗拉強度值，如牌號為HT200的灰鑄鐵，表示材料的抗拉強度值為200Mpa。2、可鍛鑄鐵：是將一定化學成分的白口鑄鐵胚件在高溫下經(jīng)長時間的石墨化退火和熱處理后得到的，石墨呈團絮狀?？慑戣T鐵的強度比灰鑄鐵要高，還具有較高的塑性和韌性。可用于制造曲軸、齒輪等零件?？慑戣T鐵以“KT”表示，其后緊跟兩個數(shù)字，一個表示材料的抗拉強度值，另一個表示材料的延伸率，如牌號為KT300-10的可鍛鑄鐵，表示材料的抗拉強度值為300Mpa，延伸率為10%。3、球墨鑄鐵：是將鐵水經(jīng)過球化處理和孕育處理后得到的，既在澆鑄前向鐵水中加入一定量的純鎂、鎳鎂、銅鎂等合金作為球化劑，并加入一定量的硅鐵或鐵合金作為孕育劑，以促進碳呈球狀石墨析出。球墨鑄鐵具有更高的力學性能，球墨鑄鐵不僅強度高，而且具有很好的鑄造性和切削加工性，因此常用于制造復雜的機械零件，可部分代替鑄鋼。球墨鑄鐵以“QT”表示，其后緊跟兩個數(shù)字，一個表示材料的抗拉強度值，另一個表示材料的延伸率，如牌號為QT400-15的球墨鑄鐵，表示材料的抗拉強度值為400Mpa，延伸率為15%。四、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼1、鎮(zhèn)靜鋼：在澆注前用Si,Al等把鋼液完全脫氧，把FeO中的氧還原出來，生成Si0：和A1203，使得鋼中含氧量不超過0.01％（通常是0.002%-0.003%)。鋼錠模上大下小，澆注后鋼液從底部向上、向中心順序地凝固，在鋼錠上部形成集中縮孔，鍛壓時將這一部分截去，因而成材率較低，成本較高。但這種方法鑄成的鋼錠內部緊密堅實，因此重要用途的優(yōu)質碳鋼和合金鋼大都是鎮(zhèn)靜鋼。化工壓力容器一般都要選用鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼的鋼錠如圖2-122、沸騰鋼冶煉時只用弱脫氧劑Mn脫氧，是脫氧不完全的鋼，含氧量為0.03%-0.07%,其錠模上小下大，澆注后鋼液在錠模中發(fā)生「Fe0]+[C]=C0+[Fe]的自脫氧反應，放出大量的CO氣體，造成沸騰現(xiàn)象。沸騰鋼錠中沒有縮孔，凝固收縮后氣體分散為很多形狀不同的氣泡，布滿全錠之中，因而內部結構疏松。但是，這個缺點通過輾壓時的壓合作用可以得到克服。沸騰鋼錠由于沒有縮孔處的廢棄部分，所以成材率高，成本低。但沸騰鋼的鋼錠含碳量常有一些偏析。3、半鎮(zhèn)靜鋼：半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間，澆鑄前在盛鋼桶內或鋼錠模內加入脫氧劑，錠模也是上小下大，鋼錠的特征是具有薄的緊密外殼，頭部還有縮孔，鋼錠內部結構下半部像沸騰鋼，上半部像鎮(zhèn)靜鋼。由于此種鋼經(jīng)部分脫氧，能早期消除模內沸騰，所以鋼錠的偏析發(fā)展得較弱。這是生產這種鋼錠的主要原因。同時這種鋼錠頭部切除較小，成材率也較高。五、鋼的熱處理鋼鐵在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，以改變其組織，滿足所要求的物理、化學與機械性能，這樣的加工工藝稱為熱處理。1、退火與正火：退火是把工件加熱到臨界點以上的一定溫度，保溫一段時間，然后隨爐一起緩慢冷卻下來，以得到接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理方法。正火是將加熱后的工件從爐中取出置于空氣中冷卻下來，它的冷卻速度要比退火快一些，因而晶粒細化。退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提離塑性；調整組織，部分改穆機械性能；使組織均勻化，消除部分內應力。2、淬火與回火：淬火是將鋼加熱至淬火溫度—臨界點以上300C-500C，并保溫一定時間，然后在淬火劑中冷卻以得到馬氏體組織的一種熱處理工藝。淬火劑的冷卻能力按以下次序遞增：空氣、油、水、鹽水。合金鋼導熱性比碳鋼差，為防止產生過高應力，一般都在油中淬火；碳鋼可在水和鹽水中淬火。淬火可以增加工件的硬度、強度和耐磨性。淬火時冷卻速太快，容易引起變形和裂紋；冷卻速度慢，又達不到技術要求，因此，淬火常常是產品質量關鍵所在?；鼗鹗窃诹慵慊鸷笤龠M行一次較低溫度的加熱與冷卻處理工藝?；鼗鹂梢越档突蛳ぜ慊鸷蟮膬葢?，使組織趨于穩(wěn)定，并獲得技術上所需要的性能。回火處理有以下幾種：（1）低溫回火（2）中溫回火（3）高溫回火1）低溫回火：零件經(jīng)淬火后，再加熱至1500C-2500C，保溫1~3小時，然后在空氣中冷卻，得到一種叫做回火馬氏體的組織，硬度比淬火馬氏體稍