资源简介

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　　正确选择和使用材料是化工容器与设备机械设计的基础及重要环节。本篇主要内容如下：
　　1. 详细介绍化工设备用材料的基础知识，其主脉络是讲述材料的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能及加工工艺性能）、影响材料性能的因素（金属材料的组织、结构、化学成分等），以及通过改变金属材料的化学成分、进行热处理等方法和途径达到获得理想材料的目的。
　　2. 详细介绍我国最新金属材料标准，普通碳素钢、优质碳素钢和铸铁的牌号、性能及选用，以及化工设备应用最广泛的低合金钢和化工设备用的特种钢，如不锈钢、耐热钢、低温用钢等。
　　3. 简要介绍铝、铜、铅、钛及其合金，无机、有机非金属材料的种类及应用。
　　4. 简要讲述化工设备的腐蚀与防护措施 ,着重介绍氢腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀的机理及防腐措施。
　　通过本篇内容的学习，使大家初步学会正确合理地选用承压类化工容器和设备用材料。
第 1 篇　化工设备材料
　　1.1 概 述
　　1.2 材料的性能
　　1.3 金属材料的分类与牌号
　　1.4 碳钢与铸铁
　　1.5 低合金钢
　　1.6 有色金属材料
　　1.7 非金属材料
　　1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施
　　1.9 化工设备材料的选择
1
概 述
1.1 概 述
　　化学工业是多品种的基础工业 , 化工设备的种类很多 , 设备的操作条件也比较复杂 。 依据操作压力 , 有真空 、 常压 、 低压 、 中压 、 高压和超高压设备 ; 依据操作温度 , 有低温 、 常温 、 中温和高温设备 ; 处理的介质大多数有腐蚀性或易燃 、 易爆 、 有毒等 。 甚至对于某种具体设备来说 , 既有温度 、 压力要求 , 又有耐腐蚀要求 , 而且这些要求有时还互相制约 , 有时某些条件又经常变化 。
　　这种多样性的操作特点 , 为化工设备材料选用带来了复杂性 , 因此合理选用化工设备用材料是设计化工设备的重要环节 。 在选择材料时 , 必须根据材料的各种性能及其适用范围 ,综合考虑具体的操作条件 , 抓住主要矛盾 , 遵循适用 、 安全和经济的原则 。
1.1 概 述
选用材料的一般要求是 :
1.1 概 述
　　例如 , 对于压力容器用材料来说 , 经常在有腐蚀性介质的条件下工作 , 除了承受较高的介质压力以外 , 有时还会受到冲击和疲劳载荷的作用 ; 在制造过程中 , 材料还要经历各种冷 、热加工 ( 如下料 、 卷板 、 焊接 、 热处理等 ) 使之成型 , 因此 , 对压力容器用材料有较高的要求 。除了依据介质不同要有耐腐蚀要求以外 , 还应有较高的强度 , 良好的塑性 、 韧性和冷弯性能 ,低缺口敏感性 , 良好的加工和焊接性能 。 对低合金钢板材要注意是否有分层 、 夹渣 、 白点和裂纹等缺陷 , 尤其白点和裂纹是绝对不允许存在的 。 对中 、 高温容器 , 由于钢材在中 、 高温的长期作用下 , 金相组织和力学性能等将发生明显的变化 , 又由于化工用的中 、 高温容器往往都要承受一定的介质压力 , 故在选材时还必须考虑材料的组织稳定性和中 、 高温的力学性能 。 对于低温容器用钢 , 要着重考虑材料在低温下的脆性破坏问题 。
2
材料的性能
大连理工大学出版社
1.2.1 力学性能
　　构件在使用过程中受力 ( 载荷 ) 超过某一限度时 , 就会发生变形 , 甚至断裂 。 将材料抵抗力学性能外力 ( 或外加能量 ) 所表现的行为 , 包括变形和断裂 , 即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力 , 叫作材料的力学性能 ( 也称机械性能 )。 通常用材料在外力作用下表现出来的弹性 、 塑性 、 强度 、 硬度和韧性等特征指标来衡量 。
　　金属材料在外力作用下所引起的变形和断裂过程 , 大致可分为三个阶段 :
　　(1) 弹性变形阶段 ;
　　(2) 弹 - 塑性变形阶段 ;
　　(3) 断裂阶段 。
　　一般的断裂有两种形式 : 断裂之前没有明显塑性变形阶段 , 称为脆性断裂 ; 经过大量塑性变形之后才发生断裂 , 称为韧性断裂 。
1.2.1 力学性能
1 . 强度
　　强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性 。 常用的强度指标有：
屈服强度
抗拉强度
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
2 . 塑性
　　塑性是金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力 。 塑性指标是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力 。 常用的塑性指标有断后伸长率(A) 和断面收缩率 (Z)。
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
3 . 硬度
　　硬度是指金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力 ; 或称在外力作用下 , 材料抵抗局部变形 , 尤其是抵抗塑性变形 、 压痕或划痕的能力 。 硬度是衡量材料软硬的指标 , 它不是一个单纯的物理量 , 而是反映材料弹性 、 强度 、 塑性和韧性等的综合性能指标 。
　　常用的硬度测量方法是用一定的载荷 ( 压力 ) 把一定的压头压入金属表面 , 然后测定压痕的面积或深度 。 当压头和压力一定时 , 压痕越深或面积越大 , 硬度就越低 。 根据压头和压力的不同 , 常用的硬度指标可分为布氏硬度 (HBW)、 洛氏硬度 (HRA、HRB、HRC)、 维氏硬图 1 - 2 布氏硬度试验示意图度 (HV) 和肖氏硬度 (HS) 等 。
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
4 . 冲击吸收能量
　　冲击吸收能量是衡量材料韧性的一个指标 , 是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力 , 常以标准试样的冲击吸收能量KV2表示 。 目前工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属承受冲击载荷的能力 。 其试样的安放和试样原理如图 1 - 3 和图 1 - 4 所示 。
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
1.2.1 力学性能
5 . 缺口敏感性
　　缺口敏感性是指在带有一定应力集中的缺口条件下 , 材料抵抗裂纹扩展的能力 , 属于材料的韧性范畴 。 但缺口敏感性和冲击韧性不同 。 缺口敏感性是在静载荷下抵抗裂纹扩展的性能 , 而冲击韧性是指材料承受动载荷时抵抗裂纹扩展的能力 。一种常用缺口敏感性试验方法是 : 从垂直钢材轧制面方向开出带有 60° 角的 V 形缺口 ,缺口深度为 2 mm, 在油压机上进行弯曲试验 , 弯曲时支点的跨距为 40 mm,求得载荷 F 与挠度 f 的关系曲线 , 根据曲线的陡降程度判定缺口敏感性是否合格 。
1.2.2 物理性能
　　金属材料的物理性能有相对密度 ρr 、 熔点 tm 、 比热容 c、 导热系数 λ 、 线膨胀系数 α 、 电阻率 ρ 、 弹性模量 Ε 及泊松比 μ ( 有时也将弹性模量和泊松比归入材料的力学性能 )等 。
1.2.2 物理性能
1.线膨胀系数 α
1.2.2 物理性能
2.弹性模量 Ε 与泊松比 μ
　　材料在弹性范围内 , 应力和应变成正比 , 即 σ=Eε 。 比例系数 称为弹性模量 , 单位为MPa, 弹性模量表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系 。 弹性模量是金属材料对弹性变形抗力的指标 , 用以衡量材料产生弹性变形的难易程度的 。 材料的弹性模量越大 , 使它产生一定量的弹性变形的应力也越大 。 金属的弹性模量主要取决于金属原子结构 、 结晶点阵和温度等因素 , 而合金化 、 热处理和冷热加工等因素对它的影响很小 , 因此 , 弹性模量是金属材料最稳定的性能之一 。 对同一种材料 , 弹性模量 E 随温度的升高而降低 。
　　泊松比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比 , 以 μ 表示 。 对于各种钢材 , 泊松比近乎为常数 , 即 μ=0 . 3 。
1.2.2 物理性能
1.2.3 化学性能
　　金属材料的化学性能是指材料在所处介质中的化学稳定性 , 即材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀 。 金属的化学性能主要包括耐腐蚀性和抗氧化性 。
1.2.3 化学性能
1 . 耐腐蚀性
　　金属和合金对周围介质 , 如大气 、 水汽 、 各种电解液侵蚀的抵抗能力叫作耐腐蚀性 。 腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型 。 化学腐蚀一般在干燥气体及非电解质溶液中进行 , 腐蚀时没有电流产生 ; 电化学腐蚀是在电解液中进行 , 腐蚀时有微电流产生 。
　　根据介质侵蚀能力的强弱 , 对于不同介质中工作的金属材料的耐腐蚀性要求也不相同 。如海洋设备及船舶用钢 , 须耐海水及海洋大气腐蚀 ; 而贮存和运输酸的容器 、 管道等 , 则应具有较高的耐酸性能 。 一种金属材料在某种介质 、 某种条件下是耐蚀的 , 而在另一种介质或条件下就可以不耐蚀 。 如镍铬不锈钢在稀酸中耐蚀 , 而在盐酸中则不耐蚀 ; 铜及其合金在一般大气中耐蚀 , 但在氨水中却不耐蚀 。 常用金属材料在不同温度和浓度的酸碱盐类介质中的耐腐蚀性见表 1 - 5。
1.2.3 化学性能
1.2.3 化学性能
1.2.3 化学性能
2 . 抗氧化性
　　抗氧化性是指金属材料在高温条件下抵抗氧化气氛腐蚀作用的能力 。 现代工业生产中的许多设备 , 如各种工业锅炉 、 热加工设备 、 汽轮机及各种高温化工设备等 , 它们在高温工作条件下 , 不仅有自由氧的氧化腐蚀过程 , 还有其他气体介质 , 如水蒸气 、CO 2 、SO 2 等的氧化腐蚀过程 , 因此锅炉给水中的氧含量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的 。
1.2.4 加工工艺性能
　　金属材料的加工工艺性能是指金属材料适应冷或热加工的能力 , 即保证加工质量的前提下加工过程的难易程度 。 加工工艺性能包括铸造性能 、 锻造性能 、 焊接性能 、 切削加工性能 、 热处理工艺性能等 。 这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法 , 也是选择材料时必须考虑的重要因素之一 。
　　金属材料的加工分为冷加工和热加工 。 冷加工有冷卷 、 冷冲压 、 冷锻 、 冷挤压及机械切削加工等 ; 热加工有热卷 、 热冲压 、 铸造 、 热锻 、 焊接及热处理等 。
1.2.4 加工工艺性能
1 . 铸造性能(可铸性)
　　指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能 。 铸造性主要包括流动性 、 收缩性和偏析 。 流动性是指液态金属充满铸模的能力 , 收缩性是指铸件凝固时 , 体积收缩的程度 , 偏析是指金属在冷却凝固过程中 , 因结晶先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性 。
1.2.4 加工工艺性能
2 . 锻造性能
　　指金属材料在压力加工时 , 能改变形状而不产生裂纹的性能 。 它包括在热态或冷态下能够进行锤锻 、 轧制 、 拉伸 、 挤压等加工 。 可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关 。
1.2.4 加工工艺性能
3 . 焊接性能(可焊性)
　　指金属材料对焊接加工的适应性能 。 主要是指在一定的焊接工艺条件下 , 获得优质焊接接头的难易程度 。 焊接性能包括两个方面的内容 : 一是结合性能 , 即在一定的焊接工艺条件下 , 一定的金属形成焊接缺陷的敏感性 ; 二是使用性能 , 即在一定的焊接工艺条件下 , 一定的金属焊接接头对使用要求的适用性 。
1.2.4 加工工艺性能
4 . 切削加工性(可切削性,机械加工性)
　　指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度 。 切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度 , 允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量 。 它与金属材料的化学成分 、 力学性能 、 导热性及加工硬化程度等诸多因素有关 。 通常用硬度和韧性大致判断切削加工性的好坏 。 一般来说 , 金属材料的硬度越高越难切削 , 硬度虽不高 , 但韧性大 , 切削也较困难 。
1.2.4 加工工艺性能
5 . 热处理
　　(1) 退火 : 指金属材料加热到适当的温度 , 保持一定的时间 , 然后缓慢冷却的热处理工艺 。 常见的退火工艺有 : 再结晶退火 、 去应力退火 、 球化退火 、 完全退火等 。 退火的目的主要是降低金属材料的硬度 , 提高塑性 , 以利切削加工或压力加工 , 减少残余应力 , 提高组织和成分的均匀化 , 或为后道热处理做好组织准备等 。
1.2.4 加工工艺性能
　　(2) 正火 : 指将钢材或钢件加热到 Ac3 或 Acm ( 钢的上临界点温度 ) 以上 30~50 ℃, 保持适当时间后 , 在静止的空气中冷却的热处理的工艺 。 正火的目的主要是提高低碳钢的力学性能 , 改善切削加工性 , 细化晶粒 , 消除组织缺陷 , 为后道热处理做好组织准备等 。
1.2.4 加工工艺性能
　　(3) 淬火 : 指将钢件加热到 Ac3 或 Ac1 ( 钢的下临界点温度 ) 以上某一温度 , 保持一定的时间后以适当的冷却速度 , 获得马氏体 ( 或贝氏体 ) 组织的热处理工艺 。 常见的淬火工艺有盐浴淬火 、 马氏体分级淬火 、 贝氏体等温淬火 、 表面淬火和局部淬火等 。 淬火的目的是使钢件获得所需的马氏体组织 , 提高工件的硬度 、 强度和耐磨性 , 为后道热处理做好组织准备等 。

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