化工设备机械基础教案课件.ppt

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1、1化工设备机械基础化工设备机械基础第一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2本课程将学些什么本课程将学些什么看看再说看看再说第二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。3化工设备储罐 换热设备塔设备反应釜第三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。4所有的设备都有一个外壳，这个外壳我所有的设备都有一个外壳，这个外壳我们把它叫做们把它叫做容器容器。化工中，这些外壳容器都需要承受一定化工中，这些外壳容器都需要承受一定的压力，我们把它叫做的压力，我们把它叫做压力容器压力容器。第四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。5压力容器一般由压力容器一般由筒体、封头、支座筒体、封头、支座（基本件）（基本件）接管、法兰接

2、管、法兰（对外连接件）（对外连接件）人孔、手孔、液面计人孔、手孔、液面计（附件）（附件）以及以及一些内构件等零部件一些内构件等零部件组成。组成。第五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。7.这些设备要满足什么样的工艺要求？结这些设备要满足什么样的工艺要求？结构如何？构如何？.用什么材料？如何制作？用什么材料？如何制作？.抵抗压力和温度的能力如何？抵抗压力和温度的能力如何？安安全性如何？全性如何？.经济性如何？经济性如何？第七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。8一一.主要内容：主要内容：1.化工设备常用材料化工设备常用材料 简介化工设备常用材料性能简介化工

3、设备常用材料性能、分类、分类、热处理方法；热处理方法；2.中、低压化工容器设计中、低压化工容器设计 薄膜理论；内、外压容器设计方法、薄膜理论；内、外压容器设计方法、容器零部件设计；容器零部件设计；3.典型化工设备机械设计典型化工设备机械设计 列管式换热器、塔设备以及反应列管式换热器、塔设备以及反应釜的结构及机械设计方法。釜的结构及机械设计方法。第八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。9二二.主要参考书及参考资料主要参考书及参考资料：n1.化工设备机械基础化工设备机械基础(第五版）第五版）刁玉玮刁玉玮 王立业编著；王立业编著；n2.压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程 1999；n3

4、.钢制压力容器钢制压力容器 GB150-1998；n4.管壳式换热器管壳式换热器 GB151-1999；n5.钢制塔式容器钢制塔式容器 JB4710-2002；第九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n学时：学时学时：学时n期末成绩：平时期末成绩：平时1，期中，期末，期中，期末。10第十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。11第一篇第一篇 化工设备材料化工设备材料第一章第一章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择1.1 概述概述1）.化工设备的化工设备的使用环境使用环境：n压力：真空压力：真空低压低压中压中压 高压高压超高压超高压n温度：低温温度：低温中温中温高温高温n介质：腐蚀性；易燃；

5、易爆；有毒；剧毒。介质：腐蚀性；易燃；易爆；有毒；剧毒。第十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。121.2 金属材料的性能金属材料的性能1.2.1 力学性能力学性能在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。第十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。补充材料力学基础知识补充材料力学基础知识13第十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。141.强度强度及其主要指标及其主要指标.固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。断裂的特性。例如：例如：容器爆裂；容器爆裂；管道破裂管道破裂;地脚螺栓拉断地脚螺栓拉断;炉管爆裂；炉管爆裂；.强度不够！强度不

6、够！第十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。15（1）.屈服点屈服点n屈屈服服现现象象：金金属属材材料料承承受受载载荷荷作作用用，当当载载荷荷不不再再增增加加时时，仍仍继续发生明显的塑性变形。继续发生明显的塑性变形。n屈服点：屈服点：（s）材料发生屈服时的应力材料发生屈服时的应力。单位：单位：MPa。一一些些合合金金没没有有明明显显的的屈屈服服点点,规规定定发发生生0.2%残残余余变变形形时时的的应应力力，作作为为“条条件件屈屈服服点点”。记作记作0.2。第十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。16（2）.抗拉强度抗拉强度(sb)n定义：金属材料在受力过程中，定义：金属材料在受力过程中，发

7、生断裂所达到的最大应力值发生断裂所达到的最大应力值，以以b 表示，单位表示，单位MPaMPa。是压力容器设计是压力容器设计常用的性能指标常用的性能指标。n屈强比：屈强比：s s/b b 屈强比小，表明材料具有较大屈强比小，表明材料具有较大的的塑性储备塑性储备。(希望屈强比大一希望屈强比大一些些)第十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。17（3）.蠕变强度（蠕变强度（n n）n“蠕变蠕变”现象：现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；漏；铅丝在常温下受重力作用而变长变细。铅丝在常温下受重力作用而变长变细。

8、第十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。18“蠕变蠕变”现象：在高温时现象：在高温时,在一定的应力在一定的应力下下,应变随时间而增加的现象应变随时间而增加的现象,或金属在或金属在高温和存在内应力情况下逐渐产生塑性变高温和存在内应力情况下逐渐产生塑性变形的现象形的现象.“蠕变强度蠕变强度”：材料在材料在高温高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的下，抵抗发生缓慢塑性变形的能能力力，以，以 n n 表示，单位表示，单位MPa MPa。第十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。19（4）.持久强度（持久强度（D D）n定义：在一定温度下，经过一定时间断裂定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以时的应

9、力，以 D D 表示，单位表示，单位MPa MPa。材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。n规定规定：化工设备设计寿命一般为十化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。时的应力作为持久强度。第十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。20（5）疲劳强度）疲劳强度n构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂小于屈服点就断裂 疲劳。疲劳。n“疲劳极限疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致断构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示

10、符号：裂的最大应力。表示符号：-1 (MPa)(MPa)。n例如：例如：频繁开、停车容器内压力或温度波动；活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动；离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成交变式。第二十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。212.塑性及其主要指标塑性及其主要指标n金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。不破坏的性质。n因塑性不足引起材料破坏的例子：因塑性不足引起材料破坏的例子：锻件裂纹;卷板裂纹;焊缝热影响区裂纹第二十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。22主要指标主要指标：(1)延伸率（延伸率（）第二十二页，编辑于星期六：十八点 四

11、十一分。23（2）断面收缩率（）断面收缩率（y y）如：如：纯铁的延伸率为纯铁的延伸率为50%50%，20 20R R的的d d5 5不小于不小于2525%；16 16MnRMnR的的d d5 5不小于不小于21%21%；1 1Cr18Ni9TiCr18Ni9Ti的的d d5 5不小于不小于40%40%。第二十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。24（3）冷弯性能）冷弯性能-是钢材塑性指标和冶金是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标质量的综合指标。室温下对试板以一定的内半径（室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚板厚）进行弯曲进行弯曲，是否出现裂纹或起层是否出现裂纹或起层。在试样被弯曲在试

12、样被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前受拉伸面出现第一条裂纹前,金属材料的变形越金属材料的变形越大大,塑性越好塑性越好第二十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。25塑性指标的实际意义：塑性指标的实际意义：n便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；n使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。压力容器及其零件都需要具备压力容器及其零件都需要具备这个性质这个性质。第二十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。263.硬度的概念硬度的概念n金属材料表面抵金属材料表面抵抗其它硬物压入抗其它硬物压入的能力。的能力。n硬度高材料强度硬度高材料强度也高，耐磨性较好也高，耐磨性较好；综合性能指标综合性能指标。布氏

13、硬度试验示意图第二十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。27 常用硬度指标：常用硬度指标：布氏硬度（布氏硬度（HBS);洛氏硬度洛氏硬度（HRA、HRB、HRC);维氏硬度维氏硬度（HV)等。硬度和强度间有一定关系：硬度和强度间有一定关系：如：低碳钢如：低碳钢 b36HBS;第二十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。284.冲击韧性及指标（冲击韧性及指标（A Ak k）材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。塑性变形，抵抗断裂的能力。第二十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。29n摆锤冲断试样所失去的位能为摆锤冲断

14、试样所失去的位能为冲击功冲击功（试件（试件所吸收的功）：所吸收的功）：Ak=G(H1-H2)焦耳焦耳！吸收功的高低取决于！吸收功的高低取决于 材料能否迅速塑性变形的能力。材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的试验确定冲击韧性值的试验确定第二十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n冲击韧性冲击韧性:K=AK/F(J/cm2)30第三十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。31 材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。材料塑性高，其冲击韧性不一定高。静载荷下能够缓慢塑性变形的材静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑

15、性变形。料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。第三十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。325 缺口敏感性缺口敏感性在带有一定应力集中的在带有一定应力集中的缺口缺口条件下，材条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩展的静载荷下抵抗裂纹扩展的性能性能。冲击韧性？冲击韧性？是动载荷作用下抵抗是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。裂纹扩展的能力。第三十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。331.2.2 物理性能物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。率，弹性

16、模量，泊桑比等。化工设备设计与制造主要考虑的物理性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.线膨胀系数线膨胀系数 异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏；复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体将会？设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，将会？碳钢表面电镀一层铜升温后会？第三十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。342.弹性模量弹性模量E E与泊桑比泊桑比弹性模量弹性模量E E：金属材料对弹性变形抗力：金属材料对弹性变形抗力的指标，的指标，是衡量材料产生弹性变形难是衡量材料产生弹性变形难易程度的。易程度的。(随着温度升高而降低随着温度

17、升高而降低)泊桑比泊桑比：拉伸试件的单位横向收缩与：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为各种钢材近乎为 =0.3=0.3 。第三十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。351.2.3 化学性能化学性能金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。生化学或电化学反应，产生腐蚀。主要考虑的化学性能：主要考虑的化学性能：1.耐腐蚀性耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力；对介质侵蚀的抵抗能力；2.抗氧化性抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。

18、化的能力。氧化性介质氧化性介质如如水蒸气、水蒸气、CO2 CO2、SO2SO2等。等。热加工热加工如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。等等。第三十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。361.2.4.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能n指在保证加工质量的前提下指在保证加工质量的前提下,加工过程的难易程度加工过程的难易程度.n可焊性能可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；n铸造性能铸造性能流动性、凝固收缩率等；n可锻性能可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；n切削加工性能切削加工性能n热处理性能热处理性能第三十六页，编辑于星

19、期六：十八点 四十一分。37 1.3 金属材料的分类及牌号金属材料的分类及牌号1.3.1 分类分类1.黑色金属黑色金属 1）生铁）生铁 2）钢）钢钢普通钢优质钢高级优质钢按质量分：按质量分：第三十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。38钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢按化学成分：按化学成分：第三十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。39钢沸腾钢镇静钢半镇静钢按冶炼方法分：按冶炼方法分：第三十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。40按用途分：按用途分：钢建筑钢 结构钢 弹簧钢 轴承钢 工具钢特殊性能钢第四十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。412.有色金属有色金属

20、铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金第四十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。421.3.2 钢铁牌号及表示方法钢铁牌号及表示方法1.牌号的表示原则牌号的表示原则依据国家标准依据国家标准GB221-2000,牌号中牌号中 化学元素化学元素化学符号或汉字表示；化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼汉字或汉语拼音字母表示。音字母表示。例如：沸腾钢例如：沸腾钢F或沸或沸 灰口铸铁灰口铸铁HT或灰铁或灰铁 铸钢铸钢ZG 锅炉钢锅炉钢g或锅或锅 容器钢容器钢R或容或容第四十二页，

21、编辑于星期六：十八点 四十一分。432.2.钢号表示法钢号表示法例：例：优质碳素钢优质碳素钢08F 20 R 沸腾钢沸腾钢含碳量为含碳量为0.08%；容器钢容器钢含碳量为含碳量为0.2%普通碳素钢Q235-A,F沸腾钢沸腾钢类别为类别为A钢材屈服点钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母屈服点屈字的拼音首位字母第四十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。44 低合金钢低合金钢16MnR 16含碳量含碳量0.16%；Mn合金元素；合金元素；R 容器钢。容器钢。特殊性能钢特殊性能钢1Cr18Ni9 1含碳量含碳量0.1%（千分数）；（千分数）；Cr,Ni主要合金元素；主要合金元素；18含铬量含

22、铬量18%；9 含镍量含镍量9%。第四十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。451.41.4 碳钢与铸铁碳钢与铸铁n钢铁的组成钢铁的组成=95%以上铁以上铁+（0.054%）碳碳+1%杂质杂质 铁碳合金铁碳合金n含碳量含碳量0.022%为钢；为钢；n含碳量含碳量2%为铸铁；为铸铁；n含碳量含碳量0.02%为工业纯铁；为工业纯铁；n含碳量含碳量 4.3%无实用价值。无实用价值。第四十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。461.4.1 铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构1.金属的组织与结构金属的组织与结构n在在1500倍显微镜下观察倍显微镜下观察到的显微组织，即金属到的显微组织，即金属的金相

23、组织。的金相组织。n金相组织结构直接影响金相组织结构直接影响金属材料的性质金属材料的性质。如，铸铁中的石墨形式不同，其性质也不同。细片状石墨：次之粗片状石墨：差球状石墨：强度最好第四十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n用用X光和电子显微镜可以观察到金属原子光和电子显微镜可以观察到金属原子的各种规则排列的各种规则排列,称为金属的晶体结构称为金属的晶体结构,简简称结构称结构.47第四十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。48纯铁在不同温度下的晶体结构：纯铁在不同温度下的晶体结构：第四十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。49第四十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。502.纯铁的同素异

24、构转变：纯铁的同素异构转变：-Fe -Fe 910（面心立方晶格）（体心立方晶格）固态下铁原子重新排列固态下铁原子重新排列第五十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。513.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁碳关系：铁碳关系：固溶态，化合态，混合态固溶态，化合态，混合态固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。格原来形式。（1）铁素体（）铁素体（F）体心立方晶格（体心立方晶格（-Fe）+C铁素体铁素体 （固溶体）（固溶体）塑性好，强度低。第五十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。52（2）奥氏体（）奥氏体（A）面心立

25、方晶格面心立方晶格+C奥氏体奥氏体 （固溶体）（固溶体）塑性低，强度高。第五十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。53铁碳关系之二：铁碳关系之二：化合态化合态 C+Fe Fe3C Fe3C 称为称为渗碳体渗碳体。性能特点性能特点:.硬，脆硬，脆,塑性几乎为塑性几乎为0；.在一定条件下可以分解在一定条件下可以分解（3）渗碳体（）渗碳体（C）碳碳+铁。铁。渗碳体的作用渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含含c量量2%）成为碳素钢。提高了强度和硬度，成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。可轧制成钢材。第五十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。54 铁碳合

26、金中含碳量铁碳合金中含碳量2%时，部分碳以时，部分碳以石墨形式存在于其中，即所谓石墨形式存在于其中，即所谓铸铁铸铁。组织结构特点组织结构特点性能特点：性能特点：石墨性软、强度极低，相当于铸石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。铁中存在许多孔洞。铁碳关系之三铁碳关系之三游离态游离态 第五十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。55（4）珠光体（）珠光体（P）铁素体和渗碳体两者的机械混合物铁素体和渗碳体两者的机械混合物性能特点性能特点:介于两者之间介于两者之间,强度和硬度比强度和硬度比F高高,塑性和韧性比塑性和韧性比F差差,但比但比C好；好；第五十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。56

27、性能特点性能特点:具有较高的硬度具有较高的硬度（5）莱氏体（）莱氏体（L）珠光体和初次渗碳体的共晶混合物珠光体和初次渗碳体的共晶混合物第五十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。57(6)马氏体马氏体(M)从高温奥氏体急冷下来从高温奥氏体急冷下来,得到碳原子在得到碳原子在-Fe中过饱和中过饱和的固溶体的固溶体.性能特点性能特点:硬度高硬度高,很脆很脆,不能承受冲击载荷不能承受冲击载荷.第五十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。581.4.2 铁碳合金状态图图图1-121.1.碳钢在常温下的组织碳钢在常温下的组织2.2.临界点及其意义临界点及其意义(1)A1(1)A1线线 (2)A3(2)A3

28、线线 (3)Acm(3)Acm线线(4)(4)ACDACD线线 (5)AECF(5)AECF线线第五十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第五十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n常温下碳钢的性能分析常温下碳钢的性能分析(如图如图1-13):n塑性、韧性逐渐减小；塑性、韧性逐渐减小；n硬度逐渐增大；硬度逐渐增大；n强度先增后减强度先增后减60第六十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。61 1.4.3 碳钢碳钢1.碳钢中杂质对其性能的影响碳钢中杂质对其性能的影响1）.锰锰(Mn)来源来源在冶炼过程中加入锰铁。在冶炼过程中加入锰铁。作用作用钢材中锰含量高于钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金

29、元素存在，可溶时，即为合金元素存在，可溶于于F中中提高强度。是提高强度。是有益元素有益元素。2）.硫硫(S)n来源来源矿石和焦炭。矿石和焦炭。n存在形式：存在形式：FeS。n作用作用FeS 的熔点低于钢材热加工开始温度，的熔点低于钢材热加工开始温度，它过早熔化，导致工件开裂，称为它过早熔化，导致工件开裂，称为热脆性热脆性。有害元素有害元素！第六十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n 3）.硅硅(Si)来源来源冶炼。冶炼。作用作用以脱氧化物以脱氧化物SiO2的形式存在的形式存在 可溶于可溶于F中，提高强度、硬度，中，提高强度、硬度，是是有益元素有益元素。62第六十二页，编辑于星期六：十八点

30、四十一分。63 4).磷磷(P)n来源来源矿石矿石。n作用作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓性、韧性下降，即所谓“冷脆性冷脆性”。有害元素！有害元素！5）.氢氢(H)来源来源钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生高压力，在钢材内产生“白点白点”。“白点白点”裂纹源裂纹源 有害元素！有害元素！第六十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n（6）氮（）氮（N）n钢中有过量的氮，加热到一定的温度时会析出，钢

31、中有过量的氮，加热到一定的温度时会析出，称为称为“时效时效”n作用作用硬度、强度提高，塑性下降。硬度、强度提高，塑性下降。n处理处理加入加入Al，Ti进行固氮处理，形成进行固氮处理，形成 AlN和和TiN64第六十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n（7）氧（）氧（O）n以夹杂物、颗粒状形式存在。以夹杂物、颗粒状形式存在。n作用作用破坏连续性，降低冲击性能，破坏连续性，降低冲击性能，疲劳强度等。疲劳强度等。65第六十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。662.碳钢的分类、牌号碳钢的分类、牌号（1）.普通碳钢普通碳钢n含含P、S等等有害杂质较多有害杂质较多（S0.055%P0.045%)n

32、常用有：常用有：Q215-A,Q235-A,Q235-A.F#Q235-B,#Q235-C,Q275 (参见表参见表1-6）式中式中 Q普通碳钢，普通碳钢，“屈服屈服”的拼音首位字母。的拼音首位字母。235材料屈服点（材料屈服点（MPa)A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。钢材质量等级，越后越高。F沸腾钢沸腾钢#GB150-98规定使用材料规定使用材料第六十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。67（2）.优质碳素钢优质碳素钢 特点：特点：含硫含硫、磷等杂质较少磷等杂质较少，均，均0.04%0.04%，杂质少，组织均匀，杂质少，组织均匀，表面质量好。表面质量好。常用有：常用有：08,08,1

33、010,15,15,2020,20,20g,g,2020R R,30Mn,40Mn,30Mn,40Mn等。等。式中式中 数字数字-含含c c量的万分数量的万分数;g-g-锅炉钢；锅炉钢；R -R -容器钢；容器钢；Mn-Mn-含锰元素约含锰元素约1%1%。（3 3）.高级优质钢高级优质钢 磷硫杂质极少磷硫杂质极少 P,s P,s含量含量0.03%0.03%。表示法：如表示法：如2020A A 第六十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。68 1.4.4.钢的热处理钢的热处理热处理工艺实例：热处理工艺实例：缝纫用钢针在火上烧，再慢缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软；慢冷下来后变软；建筑用铁线

34、用火烧软；建筑用铁线用火烧软；泵轴调质泵轴调质内韧外硬；内韧外硬；扁铲淬火扁铲淬火提高硬度和韧性提高硬度和韧性；容器焊后退火容器焊后退火消除内应力；消除内应力；热处理工艺曲线：热处理工艺曲线：第六十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。69（1 1）常用热处理工艺）常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后缓慢加热，保温一定时间后 随随炉冷却（曲线炉冷却（曲线1 1）-退火；退火；空气中冷却（曲线空气中冷却（曲线2 2）-正火正火 ；作用：降低硬度，增加塑性，改善机械性能；使组织均匀化，消除内应力。【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度)以上3050。第六十九页，编辑于星期六：十八点

35、四十一分。70 缓慢加热，保温一定时间缓慢加热，保温一定时间 淬淬火剂火剂中冷却（曲线中冷却（曲线3 3）；）；淬火剂淬火剂:水，盐水水，盐水-用于用于 碳钢；碳钢；油油-用于合金钢。用于合金钢。作用：提高硬度、强度和耐磨作用：提高硬度、强度和耐磨性。性。淬火淬火第七十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。71 淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。要求。回火又分为：回火又分为：低温回火（低温回火（150150250 250 ）；）；中温回火（中温回火（300300450 450

36、）；）；高温回火（高温回火（500500680680）。）。淬火淬火+高温回火高温回火 称为称为调质处理。调质处理。效果：强度、塑性、韧性均提高效果：强度、塑性、韧性均提高 。回火回火第七十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。72（2 2）化学热处理）化学热处理-将零件放在化学介质中进行将零件放在化学介质中进行 加热加热-保温保温-冷却冷却的过程。的过程。使零件表面改性。使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。第七十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。73 1.4.5.铸铁铸铁 铁铁+(2.54.0%)碳碳+Si、Mn、P、S 等杂质等杂质 铸铁铸铁

37、1）灰铸铁灰铸铁 如如 HT150-330,HT200-400 HT-灰铸铁灰铸铁 第一个数字第一个数字-抗拉强度（抗拉强度（MPa)第二个数字第二个数字-抗弯强度（抗弯强度（MPa)特点：断口呈灰色，石墨呈片状；特点：断口呈灰色，石墨呈片状；质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；吸音减振，某些介质中耐腐蚀性好。吸音减振，某些介质中耐腐蚀性好。第七十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。742）球墨铸铁球墨铸铁 如 QT450-10.QT-球墨铸铁球墨铸铁 450-抗拉强度（抗拉强度（MPa)10-延伸率（延伸率（%）特点：碳以球状石墨存在，可铸性

38、好，易切削；强度高，较好的塑性和韧性。第七十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。75 性能指标性能指标材料材料 b(MPa)s(MPa)d d (%)(%)a ak(N.m/cm2)HBS(MPa)45(正火）正火）61036016 5024.1 球墨铸铁球墨铸铁40090025060021815301336 灰铸铁灰铸铁150400 1427 4545号钢、球墨铸铁、灰铸铁的机械性能比较号钢、球墨铸铁、灰铸铁的机械性能比较第七十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。763）高硅铸铁）高硅铸铁n如：如：STSi15R,STSi11Cu2CrR,STSi17R式中式中 ST-高硅耐蚀铸铁，高硅

39、耐蚀铸铁，Si15-含硅含硅15%左右，左右，Cu2-含铜含铜2%左右左右 R-混合稀土元素（混合稀土元素（0.1%）。）。特点：特点：耐腐蚀性好（见书表耐腐蚀性好（见书表1-151-15）；）；质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造；质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造；导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助阳极、用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助阳极、管道配件等。管道配件等。第七十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。771.5 低合金钢及特殊性能钢低合金钢及特殊性能钢1.5.1 合金元素对钢的影响合金元素对

40、钢的影响为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例如：为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例如：铬：铬：耐腐蚀抗氧化；耐腐蚀抗氧化；提高了强度硬度和耐磨性；提高了强度硬度和耐磨性；使钢材的韧性和塑性降低。使钢材的韧性和塑性降低。锰：锰：提高强度和低温冲击韧性。提高强度和低温冲击韧性。镍：镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高热强性能提高热强性能。硅：硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H H2 2S S腐蚀；腐蚀；降低了塑性和冲击韧性。降低了塑性和冲

41、击韧性。第七十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。78 1.成分特点：成分特点：由碳素钢由碳素钢+Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb等元素组成；等元素组成；含碳量均较低，含碳量均较低，0.2%；合金元素总含量合金元素总含量5%。2.相对于碳素钢，其相对于碳素钢，其性能特点性能特点：强度提高；强度提高；耐腐蚀性能提高；耐腐蚀性能提高；低温性能提高。低温性能提高。1.5.2 低合金钢低合金钢第七十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。79 碳素钢与低合金钢比较碳素钢与低合金钢比较 类别 品种 sb (MPa)ss(MPa)S/b使用温度（）碳素钢Q235-A 20 400 400 240 250

42、0.6 0.630350-19475低合金钢 16Mn 15MnV 520 540 360 400 0.69 0.74-40475-45450第七十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。803.常用材料：板，管，圆钢等型材。常用材料：板，管，圆钢等型材。4.用途：用途：广泛用于造船，压力容器，桥梁，高广泛用于造船，压力容器，桥梁，高压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械等。压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械等。5.常用材料：常用材料：16MnR，15MnVR,18MnMoNbR,16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR.第八十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。811.5.3 锅炉钢和容器钢锅炉

43、钢和容器钢1.工作环境：工作环境：锅炉：中温或高温；中压或高压。锅炉：中温或高温；中压或高压。容器：压力；温度；介质腐蚀；操作特点。容器：压力；温度；介质腐蚀；操作特点。2.对材质要求：对材质要求：1）较高的强度；）较高的强度；2）良好的塑性、韧性和冷弯性能；）良好的塑性、韧性和冷弯性能；3）较低的缺口敏感性；）较低的缺口敏感性；4）良好的焊接性能和其他工艺性能；）良好的焊接性能和其他工艺性能；5）良好的冶金质量。）良好的冶金质量。第八十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。823.常用的材料：常用的材料：锅炉钢锅炉钢 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。容器钢容

44、器钢（GB150-1998 钢制压力容器钢制压力容器推荐）推荐）Q235-B，Q235-C;20R;16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。4.标准：标准：压力容器用钢板压力容器用钢板GB6654-1996 压力容器用碳素钢和低合金厚钢板压力容器用碳素钢和低合金厚钢板YB/T40-87第八十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。83 1.5.4 不锈耐酸钢不锈耐酸钢不锈不锈-耐大气腐蚀；耐大气腐蚀；耐酸耐酸-耐酸及强腐蚀性介质的腐蚀。耐酸及强腐蚀性介质的腐蚀。常用品种：常用品种：1）铬不锈钢）铬不锈钢-如如1Cr13,2Cr13,0Cr13等。等。第一个数字第一个数字-

45、含碳量的含碳量的千分数千分数见表见表1-5(1-41-5(1-4）；Cr13-含铬含铬13%。组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体。第八十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。84“不锈不锈”的原因的原因：在氧化性介质中，铬能生成一层稳定在氧化性介质中，铬能生成一层稳定而致密的而致密的氧化膜氧化膜，对钢材起保护作用。，对钢材起保护作用。性能特点性能特点：n 碳的作用碳的作用-与铬生成碳化铬与铬生成碳化铬(Cr23C6)，消耗大量的铬。为保证耐消耗大量的铬。为保证耐腐蚀性能，不锈钢中腐蚀性能，不锈钢中碳含量越低越好。碳含量越低越好。第八十四页，编辑

46、于星期六：十八点 四十一分。85 铬的作用：铬的作用：能提高耐腐蚀性能能提高耐腐蚀性能。实际铬不锈。实际铬不锈钢的平均含铬量钢的平均含铬量13%。能提高钢的淬透性，显著提高钢能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性降低。性降低。n 用作受载荷大的耐蚀零件，如用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等。第八十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。86 2）铬镍不锈钢铬镍不锈钢n常用铬镍不锈钢型号常用铬镍不锈钢型号:0Cr18Ni9 0Cr18Ni10Ti 式中式中 0-含碳量的含碳量的千分数千分数；（见表；

47、（见表1-5）Cr18-含铬量含铬量18%左右；左右；Ni9-含镍量含镍量9%左右。左右。通常以铬镍平均含量通常以铬镍平均含量“18-8”标志这种钢。标志这种钢。n组织特征组织特征：C、Cr、Ni固溶于奥氏体晶格中，固溶于奥氏体晶格中，是是单一的奥氏体组织单一的奥氏体组织。第八十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。87 性能特点性能特点:耐腐蚀性好耐腐蚀性好 Cr含量含量13%，表面形成，表面形成氧化膜氧化膜；组织为组织为单一的奥氏体单一的奥氏体，在电解液中不能形，在电解液中不能形成微电池，避免了电化学腐蚀。成微电池，避免了电化学腐蚀。力学性能优异力学性能优异。见见P300P300附录五附录

48、五 在在400850期间，碳生成碳化铬在期间，碳生成碳化铬在晶界析出，使晶界附近贫铬（铬含量低于晶界析出，使晶界附近贫铬（铬含量低于12%）导致）导致晶间腐蚀晶间腐蚀。！不能反复施焊，否则必须进行热处理！不能反复施焊，否则必须进行热处理。不耐氯离子腐蚀。不耐氯离子腐蚀。第八十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。88 1.5.5 耐热钢耐热钢n 高温环境高温环境-原油加热、裂解、催化等。如转化炉炉原油加热、裂解、催化等。如转化炉炉管，管，工作温度为工作温度为650650800800。碳钢使用温度一般在碳钢使用温度一般在400以下以下。如如20钢钢 500时屈服点只有时屈服点只有50MPa,变得

49、很软，钢中的变得很软，钢中的Fe3C分解出石墨碳（分解出石墨碳（石墨化过程石墨化过程）；同时钢表面生）；同时钢表面生成氧化皮，层层剥落。成氧化皮，层层剥落。碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。第八十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。89 高温设备对材料的要求：高温设备对材料的要求：化学稳定性化学稳定性。抵抗高温气体（抵抗高温气体（O2、H2S、SO2 等等)腐蚀的能力。钢的表面能生成腐蚀的能力。钢的表面能生成致密的致密的氧化膜氧化膜。抗氧化钢抗氧化钢抗高温氧化，强度不高。抗高温氧化，强度不高。Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr25Ni12等。等。热强性热强

50、性。抗抗高温蠕变高温蠕变能力。能力。热强钢热强钢抗蠕变，有一定抗氧化能力。抗蠕变，有一定抗氧化能力。12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。等。第八十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。90元素元素 Cr提高提高抗氧化抗氧化性，强化并稳定金相组织。性，强化并稳定金相组织。Mo提高提高高温强度高温强度，强化并稳定金相组，强化并稳定金相组织，提高再结晶温度。织，提高再结晶温度。Ni形成形成奥氏体组织奥氏体组织，提高高温强度和耐，提高高温强度和耐腐蚀性。腐蚀性。Ti稳定金相组织，不锈钢中能稳定金相组织，不锈钢中能减少铬与减少铬与碳的化合。碳的化合。Al,Si提高提高高温