过程设备机械设计基础7过程设备材料.ppt

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1、7 过程设备常用材料 7.1 过程设备用材的基本要求 7.2 过程设备常用材料 7.3 钢材的热处理 7.4 金属材料的腐蚀与防护 7.5 过程设备材料的选择5/14/2023 5/14/2023 1 1 7.1.1基本要求1.材料来源可靠,性能稳定,保证使用寿命2.力学性能满足使用要求3.介质有腐蚀性时的耐蚀要求4.良好的加工性能,如焊接性5.经济6.供货方便,稳定持续性7.1 过程设备用材的基本要求5/14/2023 5/14/2023 2 27.1 过程设备用材的基本要求7.1.2力学性能1.强度：确定许用应力的依据，S(0.2)，b2.塑性：反映材料可塑性指标，5=1020%3.韧性：

2、抵抗缺陷扩展能力指标，K=4060J/cm24.硬度：抵抗外物侵入的能力5.材料在高温和低温下的力学性能5/14/2023 5/14/2023 3 37.1.2力学性能1.强度 屈服强度 抗拉/压强度 屈强比 蠕变强度 持久极限5/14/2023 5/14/2023 4 4屈强比5/14/2023 5/14/2023 5 52 塑性 延伸率,圆截面试样:L=10d,10或L=5d,5 5=1.210 压力容器用钢要求5=16%塑性过低会导致构件开裂,脆断7.1 过程设备用材的基本要求5/14/2023 5/14/2023 6 63 韧性脆性 表征:冲击值:缺口:梅氏U,V 影响因素:化学成分,

3、热处理,轧制方向,加工历史,实验方法,母材厚度;要求:50J/cm2 试样:10 x10mm 其他:低温下韧性降低（30J/cm2）7.1 过程设备用材的基本要求5/14/2023 5/14/2023 7 74 硬度 抵抗外物侵入的能力 表征:用压痕的面积或深度，如布氏硬度，洛氏硬度等5.温度对性能的影响7.1 过程设备用材的基本要求5/14/2023 5/14/2023 8 8碳钢力学性能随温度的变化5/14/2023 5/14/2023 9 96 蠕变性能(高温静载条件下),应力超过某一定值时,应力保持不变的情况下应变或塑性变形随着时间的延长而不断增加的现象.常温下,钛材也会发生类似的现象

4、 三个阶段：过渡蠕变阶段、稳定蠕变阶段、破坏阶段7.1 过程设备用材的基本要求5/14/2023 5/14/2023 10 107.1.3耐腐蚀性 抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。表海水；钛盐酸；涂层抗氧化性表面处理：电镀，磷化，发黑，发蓝等5/14/2023 5/14/2023 11 11常用金属材料耐腐蚀性5/14/2023 5/14/2023 12 127.1.4加工工艺性1.可焊性：少的焊接缺陷2.可锻性：不发生热脆3.可塑性：优良的塑性加工性能4.机械加工性能：保证好的切削性5/14/2023 5/14/2023 13 137.1.4材料的物理性能导热系数：设备要求传热线膨胀系数：防止热应

5、力密度：决定设备的重量熔点和导电性：7.1.5材料的经济性-价格表5/14/2023 5/14/2023 14 147.2过程设备常用材料7.2.1 碳钢碳钢：碳含量在0.022之间的铁碳合金;铸铁：碳含量大于2的铁合金。1、碳及常存杂质/微量元素对钢材性能的影响硫(S):锰(Mn):硅(Si):碳(C)磷(P)5/14/2023 5/14/2023 15 15碳含量对材料机械性能影响5/14/2023 5/14/2023 16 162、碳钢分类普通碳素钢：保证机械性能或化学成分 甲类：保证机械性能，A1A7 乙类：保证化学成分，B1B7Q235AGB700-1988国标号产品等级为A，共分A

6、、B、C、D四级材料屈服限的保证值，(厚度小于16mm)5/14/2023 5/14/2023 17 17普通碳素钢特点 质量分级，D质量最好，A质量最次；主要杂质为磷，P=0.045%,S=0.055%主要指标：力学性能，化学成分 辅助指标：脱氧程度，最低使用温度，AKV 钢号提高，强度提高，塑性，韧性下降 其他：炼钢工艺：F，Z，b 常用钢：Q235-A，容器外壳，支架等5/14/2023 5/14/2023 18 18除保证机械性能和化学成分外，还对磷、硫及非金属夹杂物控制较严。P,S=0.04%低碳钢：0.6%；强度硬度均较高，塑性差，常用于制造弹簧，刀具及耐磨零件。分类优质碳素结构钢

7、5/14/2023 5/14/2023 19 19屈服强度强度限锅炉和压力容器用钢有特殊性，在钢号后分别冠以“g”“R”如 20g，20R铸钢：ZG200400命名：含碳量的万分之几，如08，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，605/14/2023 5/14/2023 20 20 7.2.2合金钢1、合金结构钢压力容器用(低碳)低合金钢：含碳量0.10.25%主要牌号：16MnR,15MnVR,18MnMoNiR数 字 元素名称 数字合金元素含量(!1.5%)合金元素符号平均含碳量的万分数5/14/2023 5/14/2023 21 212、合金工具钢如 9CrSi数

8、字元素名称 数字合金元素含量合金元素符号平均含碳量的千分数当含碳量大于1则不表示3、其他合金结构钢特殊钢5/14/2023 5/14/2023 22 221.不锈钢：耐大气腐蚀钢和耐化学介质腐蚀钢的总称。耐酸等强腐蚀介质的合金钢称为不锈耐酸钢。铬不锈钢：1Cr13；铬镍不锈钢(18-8)：1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9；节镍不锈钢：1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N分类特殊钢5/14/2023 5/14/2023 23 231.不锈钢特点 耐蚀性与含铬量有关，11.7%，13%含碳量低,1Cr13，2Cr13等 腐蚀介质：弱腐蚀介质，低温30 硫酸，盐

9、酸，热硝酸，熔融碱液 用途：轴，活塞杆，阀体，螺栓和浮阀5/14/2023 5/14/2023 24 242耐热钢 抗氧化钢：1Cr13Si3，1Cr23Ni13 热强钢：15CrMo,12Cr2Mo1,1Cr5Mo,0Cr19Ni9,0Cr17Ni12Mo2等可分为：抗氧化钢和热强钢耐热要求化学稳定性：抗氧化性热强性：蠕变过程缓慢5/14/2023 5/14/2023 25 253.低温用钢 普通碳钢低温下塑性降低，冲击韧性差；常用合金元素：Mn，Al，Ti，Nb，Cu，V 主要材料：国外：高Cr，Ni钢，Cu,Al 国内：无CrNi钢，Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V 特点：合金元素少，含

10、碳量低，正火供货5/14/2023 5/14/2023 26 267.2.3 铸 铁1 灰口铸铁：HT150330 2 球墨铸铁：QT40015强度、塑性、韧性好，可替代铸钢，石墨成球状抗拉强度低，挤压强度高，用于制造耐压件，石墨成片状抗弯强度，MPa抗拉强度，MPa抗拉强度，MPa延伸率5/14/2023 5/14/2023 27 277.2.3 铸 铁3 可锻铸铁：KT30006 具有一定强度和塑性 用于有振动和冲击的场合 石墨成团球状4 合金铸铁：如高硅铸铁，用于耐酸泵5/14/2023 5/14/2023 28 285/14/2023 5/14/2023 29 295/14/2023

11、5/14/2023 30 307.2.4有色金属及合金紫铜：T1，T2，T3，TU（P）锌/黄铜：H80，H68，H62锡铅铝/青铜：ZQSn6-6-3，ZQSn10-1铝：L1,L2,L6硬铝：Al-Cu-Mg的合金,LY-1,LY-2防锈铝：AI-Mg的合金，LF21铸铝：AI-Si的合金，ZL107铜及铜合金铝及铝合金5/14/2023 5/14/2023 31 31作耐磨件：蒙乃尔合金作腐蚀件：Inconel合金 和哈氏合金镍及镍合金铅及铅合金：铅锑合金，PbSb4,7.2.4有色金属及合金钛及钛合金：TA0，TA1TA8，TB，TC 合金元素：Al，Mn，Cr，V5/14/2023

12、5/14/2023 32 325/14/2023 5/14/2023 33 337.2.5非金属材料化工陶瓷：化学稳定性好玻璃：表面光洁、耐腐蚀（搪玻璃设备水泥：价廉天然耐酸材料：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钢，人造石墨，无机材料有机材料5/14/2023 5/14/2023 34 34 用途 耐蚀材料，化工搪瓷，耐酸陶瓷，四氟乙烯 保温材料，石棉 耐火材料，耐火砖 密封材料，橡胶，塑料，碳纤维等 强度材料，玻璃钢，纤维缠绕7.2.5非金属材料5/14/2023 5/14/2023 35 357.3钢材的热处理 将钢材通过适当的加热和冷却过程，使钢材的组织按一定的规

13、律变化，以获得预期的机械性能，称钢的热处理。定义目的 获得预期的机械性能和加工性能5/14/2023 5/14/2023 36 36 一、金属的结晶组织5/14/2023 5/14/2023 37 37 钢的结晶过程5/14/2023 5/14/2023 38 38 Fe变成Fe铁的同素异构转变 渗碳体：硬度高，强度低，塑性差 珠光体：铁素体与渗碳体的混合物5/14/2023 5/14/2023 39 39碳在铁中形成固溶体钢的冷却曲线5/14/2023 5/14/2023 40 40 铁碳合金状态图5/14/2023 5/14/2023 41 41 退火 正火 淬火 回火常用热处理方法5/1

14、4/2023 5/14/2023 42 42退火 目的：消除组织缺陷、降低硬度、消除内应力。常用热处理方法方法：把钢材加热到一定温度，保温一段 时间后，随炉缓慢冷却的过程。5/14/2023 5/14/2023 43 43高速钢的退火曲线5/14/2023 5/14/2023 44 44 正火 把钢材加热到一定温度，保温一段时间后，在空气中冷却的过程。目的 时间短，晶粒细化 改善组织结构 力学综合性能较好 最终热处理5/14/2023 5/14/2023 45 45淬 火目的：细化晶粒、提高表面硬度、提高强度和耐磨性。组织：淬火马氏体方法：把钢材加热到一定温度，保温一 段时间后，快速冷却的过程

15、。5/14/2023 5/14/2023 46 4640Cr钢的淬火曲线5/14/2023 5/14/2023 47 47 回火 低温回火：150250：回火马氏体 中温回火：350450 高温回火:450650 调质处理:淬火+高温回火 调质钢含碳量较高,适合作调质处理5/14/2023 5/14/2023 48 48表面淬火提高零件表面硬度和耐磨性方法：火焰加热，（高频）感应加热特点：处理过程短，不易氧化和变形5/14/2023 5/14/2023 49 49新唐-复兴 第一部：起点 第一卷 第六章：科技之光（中）李复点点头，道：“这就是要大家将所掌握的技法和经验进行充分交流的原因。”顿了

16、一下，继续道：“再说淬火之技，一直以来，大家一般都是用水来淬火，可是诸位师傅想过没有，用不同的水来淬火，可以得到不同性能的刀？”有人应道：“听说过不用水而用马尿的，淬出的刀会更硬些。”李复道：“不错，用动物尿来淬火，钢会更为坚硬，但这是为何？”看无人能答，继续道：“这是因为动物尿中含有盐分，冷却速度比水快，用它作淬火冷却，淬火后的钢比用水淬火的钢就更坚硬。相反，若是用动物油脂来淬火，其冷却速度则比水慢，淬火后的钢则比用水淬火的钢更有韧性。”众人这才明白，不禁纷纷点头，都道原来如此。5/14/2023 5/14/2023 50 50 其他 时效 化学热处理 在化学介质中加热，同时改变表面化学成分

17、和组织性能，以满足构件的特殊性能。方法：渗碳，氮化，氰化（碳氮共渗）5/14/2023 5/14/2023 51 51 腐蚀分类 全面腐蚀均匀腐蚀 局部腐蚀区域腐蚀点腐蚀晶间腐蚀缝隙腐蚀应力腐蚀7.4金属材料的腐蚀与防护5/14/2023 5/14/2023 52 527.4金属材料的腐蚀与防护7.4.1金属材料的化学腐蚀与电化学腐蚀 化学腐蚀：定义：金属在干燥的气体和非电解质溶液中发生的化学作用所引起的腐蚀。特点：化学反应，材料表面，无电流 钝化作用：致密的反应物阻止反应的进一步进行，保护基体遭受腐蚀 活化作用：反应物易损坏，有利于腐蚀的进一步扩展，促进基体腐蚀速度。5/14/2023 5/

18、14/2023 53 53 常见化学腐蚀 高温脱碳和氧化氨合成塔，硫酸氧化炉，石油裂解炉 氢腐蚀石油裂解炉存在起始压力和温度，表7-2 防止措施 降低含碳量，加入合金元素。5/14/2023 5/14/2023 54 54 电化学腐蚀 电化学腐蚀概念:金属与电解质溶液之间发生电化学作用而引起的腐蚀，破坏 原电池作用 微电池和电化学腐蚀原理 电化学腐蚀三个环节：阳极的氧化反应，电子流动和阴极反应；5/14/2023 5/14/2023 55 55 电化学腐蚀条件 同一构件上有电位不同的金属 阴极与阳极相连 阴极与阳极同处于电解质溶液中5/14/2023 5/14/2023 56 567.4.2影

19、响腐蚀的因素合金元素的影响与n/8定律腐蚀介质酸碱性的影响温度和压力的影响应力对腐蚀的影响5/14/2023 5/14/2023 57 577.4.3腐蚀评定与防护7.4.3.1金属腐蚀的评定方法1根据金属质量的变化-称重法2根据腐蚀深度-减薄量5/14/2023 5/14/2023 58 58金属腐蚀破坏的形式，图7.7均匀腐蚀局部腐蚀点腐蚀晶间腐蚀缝隙腐蚀表面下腐蚀5/14/2023 5/14/2023 59 597.4.3.3防腐蚀措施涂覆保护层电化学防护：阴极保护，阳极保护添加缓蚀剂：延缓腐蚀速度合理的结构设计：应力集中，焊接消除应力处理：退火，时效5/14/2023 5/14/202

20、3 60 607.5过程设备材料选择1根据要求的工况按标准选取2材料的质量保证书3合理选材4仅受刚度控制的设备，不宜选择强度过高的材料5腐蚀介质存在的场合，优先采用无NiCr铁素体钢6优先采用低合金钢5/14/2023 5/14/2023 61 617低温用钢8中温用钢5/14/2023 5/14/2023 62 62重要通知 下周以班级为单位到机械工程学院做实验，班长负责组织。实验室联系人：张凯老师 电话号码：64252251 实验室地址：实验十楼三楼 实验内容：热处理和硬度测定5/14/2023 5/14/2023 63 63今日作业思考:7预习:第八章5/14/2023 5/14/2023 64 645/14/2023 5/14/2023 65 655/14/2023 5/14/2023 66 66