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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
4
碳钢与铸铁
1.4 碳钢与铸铁
　　碳钢和铸铁统称为铁碳合金 , 是工业中应用最广的 合金 。 碳含量 为 0.021 8%~2.11% 的铁碳合金称为碳钢 , 碳含量大于 2.11% 的铁碳合金称为铸铁 。 当碳含量小于 0.02% 时 , 称为工程纯铁 , 工程纯铁极少使用 ; 当碳含量大于4.3% 时 , 称为铸铁 , 铸铁太脆 , 没有实际应用价值 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
1 . 金属的组织与结构
　　工业上作为结构使用的金属材料是固态的。 固态金属都属于晶体物质。 各种铁碳合金表面上看似乎一样 , 但其内部微观情况却有着很大的差别。 如果用金相分析的方法 , 在金相显微镜下可以看到它们的差异。 通常在低于 1 500 倍的显微镜下观察到的金属的晶粒 , 称为金属的显微组织 , 简称组织 , 如图1-7 所示 。 如果用 X 光和电子显微镜则可以观察到金属原子的各种规则排列, 称为金属的晶体结构 , 简称结构 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　这种金属内部的微观组织和结构的不同形式 , 影响着金属材料的性质 。 图 1 - 8 为灰铸铁中石墨存在的形式与分布 , 其中球状石墨的铸铁强度最好 , 细片状石墨次之 , 粗片状石墨最差 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　如图 1 - 9 所示为纯铁在不同温度下的晶体结构 。 其中 , 图 1 - 9(a) 为面心立方晶格 , 图 1 -9(b) 为体心立方晶格 , 前者的塑性好于后者 , 而后者的强度高于前者 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
2 . 纯铁的同素异构转变
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　如图 1 - 10 所示 , 铁的同素异构转变是固态下铁原子重新排列的过程 , 实质上也是一种结晶过程 , 纯 铁 塑 性 较 好 , 强 度 较 低 , 在 工 业 上 用 得 很少 , 常用的是铁碳合金 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
3 . 铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织
　　碳对铁碳合金性能的影响极大 , 铁中加入少量的碳以后 , 强度显著增加 , 这是由于碳加入后引起了内部组织改变的缘故 。
　　两种物质的相互关系基本上可以分为溶解 、 化合与混合几种 , 而铁和碳的关系也遵循这一普遍原则 。 碳在铁中的存在形式有固溶体 ( 两种或两种以上元素在固态下互相溶解 , 而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体叫作固溶体 )、 化合物和混合物 。 下面具体介绍铁和碳溶解 、 化合和混合所形成的各种基本组织 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　(1) 铁素体 (F)
　　碳溶解在 α - Fe 中所形成的固溶体叫作铁素体 , 用符号 “F” 表示 , 如图 1 - 11 所示 。 由于 α - Fe 的原子间隙很小 , 所以溶碳能力极低 , 在室温下仅能溶解 0 . 006% 的碳 。 所以铁素体强度和硬度低 , 但塑性和韧性很好 。 因而含铁素体的钢 ( 如低碳钢 ) 就表现出软而韧的性能 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　(2) 奥氏体 (A)
　　碳溶解在 γ - Fe 中所形成的固溶体叫作奥氏体 , 用符号 “A” 表示 , 如图 1 - 12 所示 。 由于 γ - Fe 原子间隙较大 , 所以碳在 γ-Fe 铁中的溶解度比在 α - Fe 中大得多 。 如在 727 ℃ 时可溶解 0 . 77%, 在 1 148 ℃ 时可达最大值 2 . 11%。 碳钢只有加热到 727 ℃( 称为临界点 ) 以上 , 组织发生转变时才存在奥氏体 。 奥氏体的性能特点是强度 、 硬度高 , 塑性低 , 韧性好 , 且没有磁性 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　 (3) 渗碳体 (C)
　　铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物 , 称为渗碳体 , 用符号 “C” 表示 。 其中铁原子与碳原子之比为 3∶1, 即 Fe 3 C。 其碳含量高达 6 . 69%。Fe 3 C 的性能既不同于铁 , 也不同于碳 。 其硬度高 (HBW 为 784), 塑性几乎为零 , 熔点约为 1 600 ℃。 由于 Fe 3 C 又硬又脆 , 纯粹的 Fe 3 C 在工业上并无用处 。Fe 3 C 以不同的大小 、 形状与分布出现在组织中 , 对钢的组织与性能影响很大 。
　　渗碳体在一定条件下可以分解为铁和碳 , 这种游离的碳是以石墨形式存在的 。 铁碳合金中碳含量小于 2% 时 , 其组织是在铁素体中散布着渗碳体 , 这就是碳素钢 ; 当碳含量大于2% 时 , 部分碳就以游离石墨的形式存在于合金中 , 这就是铸铁 。 石墨本身的性质是质软 , 强度低 。 石墨分布在铸铁中相当于对铸铁挖了许多孔洞 , 因而铸铁的抗拉强度和塑性都比钢的低 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　 (4) 珠光体 (P)
　　珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物 , 用符号 “P” 表示 。 碳素钢中珠光体组织的平均碳含量约为 0 . 77%。 它的力学性能介于铁素体和渗碳体之间 , 即其强度 、 硬度比铁素体显著增高 , 塑性 、 韧性比铁素体要差 , 但比渗碳体要好得多 。
　　 (5) 莱氏体 (L)
　　莱氏体是珠光体和初次渗碳体共晶混合物 , 用符号 “L” 表示 。 它存在于高碳钢和白口铁中 。 莱氏体具有较高的硬度 (HBW>686), 是一种较粗而硬的组织 。
1.4.1 铁碳合金的组织结构
　　(6) 马氏体 (M)
　　钢和铁从高温奥氏体状态急冷 ( 淬火 ) 下来 , 得到一种碳原子在 α-Fe 中过饱和的固溶体 , 称为马氏体 , 用符号 “M” 表示 。 马氏体组织有很高的硬度 , 而且硬度随着碳含量的增大而提高 。 但马氏体很脆 , 延展性很低 , 几乎不能承受冲击载荷 。 马氏体由于碳原子过饱和 ,所以不稳定 , 加热后容易分解或转变为其他组织 。
1.4.2 铁碳合金状态图
1.4.2 铁碳合金状态图
1 . 碳钢在常温下的组织
　　由图 1 - 13 可以看出 , 碳含量 0 . 77% 的钢 , 由单一的珠光体所组成 , 称为共析钢 ; 碳含量小于 0 . 77% 的 钢 , 由铁素体加珠光体所组成 , 称为亚共 析 钢 ; 碳含量大于 0 . 77% 而小于2 . 11% 的钢 , 由珠光体加渗碳体所组成 , 称为过共析钢 。 碳含量 2 . 11%~4 . 3% 的铸铁 , 由珠光体加渗碳体加莱氏体所组成 。 碳含量 4 . 3% 的 铸铁为单一的莱氏体组织 。 碳含量在4 . 3% 以上的铸铁的平衡组织 , 则由莱氏体加渗碳体所组成 。
1.4.2 铁碳合金状态图
2 . 临界点及其意义
　　钢在加热或冷却过程中 , 其内部组织发生转变的温度叫作临界温度 , 或称临界点 。 在状态图中的临界点有A1 (PSK线 )、A3 (GS线 ) 和Acm ( ES 线 ), 各临界点的组织转变情况如下 。
1.4.2 铁碳合金状态图
　　A 1 ——— 在图中是一条水平线 , 温度为 727 ℃, 它表示各种钢在加热到 727 ℃ 时 , 珠光体开始转变成奥氏体 。 反之 , 从高温冷却至 727 ℃ 时 , 奥氏体转变为珠光体 。
　　A 3 ——— 表示亚共析钢加热到A3时 , 其组织中的铁素体全部转变为奥氏体 。 反之 , 当冷却到A3时 , 奥氏体开始转变为铁素体 。
　　A cm ——— 表示过共析钢加热到A cm 时 , 其组织中的渗碳体全部溶解到奥氏体中 。 反之 , 当冷却到A cm 时 , 奥氏体中开始析出渗碳体 。A cm 和 A 3 点一样 , 都是随着碳含量的变化而变化 。
　　状态图中的ACD线为液相线 , 即液态合金开始结晶时温度的连线 。AECF线为固相线 , 即液态合金结晶终了时温度的连线 。
1.4.2 铁碳合金状态图
1.4.2 铁碳合金状态图
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
　　目前工业上使用的钢铁材料中 , 碳钢占有很重要的地位 。 碳钢不仅价格低廉 , 而且在许多情况下 , 其性能已能够满足使用要求 。 碳钢在化工设备中应用也很普遍 。
　　普通碳钢中除碳以外 , 还含有少量锰 、 硅 、 硫 、 磷 、 氧 、 氮 、 氢等元素 。 这些元素往往并非为改善钢材质量而有意加入的 , 而是由于矿石及冶炼等原因引入钢中的 , 通称为杂质 。 它们对碳钢的性能有一定的影响 。
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
1.锰 ( Mn ) 的影响
　　锰的含量在 0 . 8% 以下时 , 一般认为是常存的杂质 ; 锰的含量在 0 . 8% 以上时 , 可认为是合金元素 。 前者是冶炼中引入的 , 可脱氧和减轻硫的有害作用 , 是一种有益元素 。 后者当锰含量较高时 , 锰能溶解于铁素体 , 起强化铁素体的作用 。 按技术条件规定 , 优质碳素结构钢中锰含量是 0 . 5%~0 . 8%, 而较高锰含量碳钢中 , 锰含量是 0 . 8%~1 . 2%。
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
2.硅 ( Si ) 的影响
　　硅的含量小于 0 . 5% 时 , 认为是常存的杂质 。 它也是炼钢过程中为了脱氧而引入的 。 脱氧不完全的钢 ( 如沸腾钢 ), 其中的硅含量小于 0 . 3%。 硅在钢中或者溶于铁素体内 , 或者以脱氧生成物 SiO 2 的形式残存于钢中 。 溶于铁素体的硅 , 可提高钢的强度 、 硬度 , 所以硅算是一种有益元素 。
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
3.硫 ( S ) 的影响
　　碳钢中的硫来源于矿石和冶炼中的焦炭 , 硫以硫化亚铁 (FeS) 的形态存在于钢中 ,FeS 和 Fe 能形成低熔点的化合物 ( 熔点为 985 ℃), 其熔点低于钢材热加工开始温度 (1 150~1 200 ℃)。 在热加工时 , 由于低熔点化合物的过早熔化而导致工件开裂 , 这种现象称为 “ 热脆性 ”。 硫含量越高 , 热脆性越强 , 所以硫是一种有害元素 , 钢中硫的含量应控制在 0 . 07% 以下 。
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
4.磷 ( P ) 的影响
　　磷来源于矿石 。 磷在钢中能溶于铁素体内 , 使铁素体在室温时的强度提高 , 而塑性 、 韧性下降 , 即产生所谓的 “ 冷脆性 ”, 使钢的冷加工及焊接性能变坏 , 所以磷是一种有害元素 。磷含量越高 , 冷脆性越强 , 故钢中磷的含量控制较严 , 一般应小于 0 . 06%。
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
5.氧 ( O ) 的影响
　　炼钢以后 , 氧在钢中常以 MnO、SiO 2 、FeO、Al 2 O 3 等夹杂物形式存在 , 它们的熔点高 ,并以颗粒状存在于钢中 , 从而破坏了钢基体的连续性 , 大大降低了钢的力学性能 , 如冲击韧性 、 疲劳强度等 。
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
6.氮 ( N ) 的影响
　　铁素体的溶氮能力很低 。 当钢中溶有过量的氮 , 加热至 200~250 ℃ 时 , 会析出氮化物 ,这种现象称为 “ 时效 ”, 使钢的硬度 、 强度提高 , 塑性下降 。在钢液中加入 Al、Ti 进行固氮处理 , 使氮固定在 AlN 和 TiN 中 , 就可以消除钢的时效倾向 。
1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响
7.氢 ( H ) 的影响
　　氢在钢中的严重危害是造成 “ 白点 ”。 氢常常存在于轧制的厚板或大锻件中 , 在纵断面中可看到圆形或椭圆形的银白色斑点 , 在横断面上则表现为细长的发丝状裂纹 。 锻件中有了 “ 白点 ”, 使用时会突然断裂 , 造成事故 。 化工压力容器用钢 , 不允许有 “ 白点 ” 存在 。
　　氢产生 “ 白点 ” 冷裂 , 主要是因为钢由高温奥氏体冷却至较低温度时 , 氢在钢中的溶解度急剧下降 。 当冷却较快时 , 氢原子来不及扩散到钢的表面逸出 , 留在钢中一些缺陷处 , 由原子状态氢变成分子状态氢 。 氢分子不能扩散 , 在积聚的局部地区产生几百大气压的巨大压力 , 使该处局部应力超过了钢的抗拉强度而在该处形成 “ 白点 ”——— 裂纹源 。
1.4.4 钢的热处理
1.4.4 钢的热处理
1 . 退火与正火
　　退火是把工件加热到一定温度 , 保温一段时间 , 然后随炉一起缓慢冷却下来 , 以得到衡状态组织的一种热处理方法 。正火是将工件加热至临界点以上 30~50 ℃, 并保温一段时间 , 然后将工件从炉中取出置于空气中冷却下来 。 正火的冷却速度要比退火的快一些 ,因而晶粒更细化 。 如图 1 - 16 所示为各种退火 、 正火的加热温度及冷却速度 。
1.4.4 钢的热处理
1.4.4 钢的热处理
2 . 淬火与回火
　　淬火是将钢加热至淬火温度 ——— 临界点以上 30~50 ℃( 图 1-17), 并保温一定时间 , 然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺 。
1.4.4 钢的热处理
　　(1) 低温回火
　　零件经淬火后 , 再加热至 150~250 ℃, 保温 1~3 h, 然后在空气中冷却 , 得到一种叫作回火马氏体的组织 , 硬度比淬火马氏体稍低 , 但残余应力得到部分消除 , 脆性有所降低 。 一般对需要硬度高 、 强度大 、 耐磨的零件进行低温回火处理 。
　　(2) 中温回火
　　当零件具有较高的韧性 、 弹性和屈服强度时 , 可采用中温回火 , 中温回火的加热温度为350~500 ℃。
1.4.4 钢的热处理
　　(3) 高温回火
　　当零件的强度 、韧性 、塑性都较好时 , 可采用高温回火 。高温回火的加热温度为 500~650 ℃。这种淬火加高温回火的操作 , 习惯上称为“ 调质处理”, 它可以大大改善零件的力学性能。调质处理广泛地应用于各种重要的零件。例如 ,45 钢经正火与调质两种不同热处理后的力学性能见表 1-12。
1.4.4 钢的热处理
3 . 化学热处理
　　化学热处理是指将零件放在某种化学介质中 , 通过加热 、 保温 、 冷却等过程 , 使介质中的某些元素渗入零件表面 , 改变表面层的化学成分和组织结构 , 从而使零件表面具有某些性能 。 化学热处理有渗碳 、 渗氮 、 渗铬 、 渗硅 、 渗铝 、 氰化等 。 其中 , 渗碳或碳与氮共渗 ( 氰化 ) 可提高零件的耐磨性 ; 渗铝可提高抗高温氧化性 ; 渗氮 、 渗铬可显著提高耐腐蚀性 ; 渗硅可提高耐腐蚀性 。
1.4.5 铸 铁
　　铸铁是铁 、 碳和硅等组成的合金的总称 , 工业上常用的铸铁一般碳含量为 2%~4%, 碳在铸铁中多以石墨形态存在 , 有时也以渗碳体形态存在 。 除碳外 , 铸铁中还含有 1%~3% 的硅 , 以及锰 、 磷 、 硫等元素 。
　　铸铁是一种脆性材料 , 抗拉强度低 , 但耐磨性 、 铸造性 、 减振性和切削加工性能都很好 。铸铁在一些介质 ( 浓硫酸 、 醋酸盐溶液 、 有机溶剂等 ) 中还具有相当好的耐腐蚀性能 。 另外 ,铸铁的价格低廉 , 因此在工业中被大量应用 。
1.4.5 铸 铁
1 . 铸铁的分类与性能
　　铸铁分为球墨铸铁 、 灰口铸铁 、 可锻铸铁 、 高硅耐腐蚀铸铁及合金铸铁等 。 灰口铸铁牌号为 HT200、HT250、HT300 和 HT350, 球墨铸铁牌号为 QT400-18R。
　　表 1-13 给出了 45 钢 、 球墨铸铁和灰口铸铁的力学性能比较 , 可见 , 球墨铸铁的一些力学性能指标接近 45 钢 , 但远高于灰口铸铁 。
1.4.5 铸 铁
1.4.5 铸 铁
2 . 压力容器用铸铁的应用限制
　　铸铁不得用于盛装毒性程度为极度 、 高度或中度的危害介质 , 以及设计压力不小于 0.15 MPa 的易爆介质压力容器的受压元件 , 也不得用于管壳式余热锅炉中的受压元件 。 除上述压力容器之外的元件选用以下铸铁材料 :
　　(1) 球墨铸铁的设计压力不大于 1.6 MPa, 设计温度为 0~300 ℃;
　　(2)QT400-18L 的设计压力不大于 1.6 MPa, 设计温度为 -10~300 ℃;
　　(3) 灰口铸铁的设计压力不大于 0.8 MPa, 设计温度为 10~200 ℃。

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