制药设备与工程设计 第3章 设备材料及防腐蚀

66
C.碳钢的品种及规格
a. b. c.
d.
钢板 钢管 型钢 铸钢和锻钢
a.钢 板
薄钢板：0.2mm~4mm 厚钢板： 4mm~6mm;6mm~30mm;30mm~60mm

冷轧、热轧
b.钢 管
无缝钢管 有缝钢管


水、煤气管分镀锌（白铁管）和不镀锌（黑铁 管）。
c.型 钢
圆钢：轴 方钢：轴、梁 扁钢：桨叶 角钢：支架 工字钢：梁 槽钢：限位梁
4）.氢(H) 来源——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 产生高压力，在钢材内产生“白点”。
“白点”——裂纹源
有害元素！
54
钢的热处理 热处理工艺实例： ※缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软； ※泵轴调质—内韧外硬； ※扁铲淬火—提高硬度和韧性 ； 热处理工艺曲线： ※容器焊后退火—消除内应力； ……
（面心立方晶格）
910℃
α-Fe
（体心立方晶格）
固态下铁原子重新排列
48
铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织
铁碳关系：固溶态，化合态，混合态
固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。
（1）铁素体（F） 体心立方晶格
（α-Fe ）+C
铁素体 （固溶体）
塑性好，强度低。
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（2）奥氏体（A）
面心立方晶格+C
80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机
疲劳对工程技术的影响

工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学 破坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见
形式。

因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳
断裂问题。
B.按材料所处环境温度分
常温下抵抗外力的常温强度 高温下抵抗外力的高温强度
低温下抵抗外力的低温强度
如 QT450-10. QT---球墨铸铁 450---抗拉强度（MPa)


10----延伸率（%）
特点：碳以球状石墨存在，可铸性好，易切削； 强度高，较好的塑性和韧性。
二.奥氏体不锈钢
不锈---耐大气腐蚀； 耐酸---耐酸及强腐蚀性介质的腐蚀。 常用品种： 铬不锈钢---如1Cr13, 2Cr13, 0Cr13等。 第一个数字---含碳量的千分数； Cr13---含铬13%。 组织成分:铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶 体。
b)碳钢的编号
① ②
普通碳素钢 优质碳素钢
③
高级优质钢
铁碳合金的组织结构
金属的组织与结构

球状石墨：强度最好
在1500倍显微镜下观察 到的显微组织，即金属 的金相组织。
细片状石墨：次之

金相组织结构直接影响
粗片状石墨：差
金属材料的性质。
45
纯铁在不同温度下的晶体结构
46
纯铁的同素异构转变
γ-Fe
材料的塑性是指材料受力时，当应力超
过屈服点后，能产生显著的变形而不即
行断裂的性质。
塑性∝可加工性﹠避免突然断裂
4.冲击韧性
材料的抗冲击能力常以使其破坏所消耗
的功或吸收的能除以试件的截面面积来
衡量，以αk表示，单位j/c㎡。
理解：材料在外加动载荷突然袭击时的
一种及时并迅速塑性变形的能力。
奥氏体
（固溶体）
—韧性好，强度高。
（3）渗碳体（C）
——铁碳关系之二：化合态
C+Fe→ Fe3C Fe3C 称为渗碳体。 性能特点: .硬，脆； 游离石墨+铁。 .在一定条件下可以分解
渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量 ﹤2%）成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢 材。
•
铁碳关系之三——游离态
疲劳破坏
指金属材料在小于屈服极限的循环载荷
长期作用下发生破坏的现象。
在疲劳断裂时，不产生明显的塑性变形，
断裂是突然发生的，具有很大的危险性。
疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织
(ICAO)发表的“涉及金属 疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 毁人亡重大事故，平均每年100次。 Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 2004
A.按材料所抵抗外力作用的形式分
抵抗静止外力的静强度 抵抗冲击外力的冲击强度
抵抗交变外力的疲劳强度
低碳钢拉伸应力—应变曲线
F

常用拉伸试样(圆截面):
标距长度：l=10d或5d

施加拉伸载荷F，记录 F—
l曲线;或(=F/A)—(=l /l )
d
l
曲线。
F
材料的力学性能实验室
CO2 、SO2等。
四.加工工艺性能
1. 2.
可铸性 可锻性
3.
4.
焊接性
可切削加工性
1.可 铸 性
指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和
偏析倾向。
偏析：合金凝固时化学成分的不均匀析出。 常用金属材料中，灰铸铁和锡青铜铸造性较
好。
2.可 锻 性
指金属承受压力加工而变形的能力，塑
高镍铸铁
A.灰铸铁

如 HT150-330,HT200-400 HT---灰铸铁 第一个数字---抗拉强度（MPa) 第二个数字---抗弯强度（MPa) 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；吸音减振， 某些介质中耐腐蚀性好。
B.球墨铸铁

2）.硫(S) 来源——矿石和焦炭。 存在形式：FeS。 作用——FeS 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，称为热脆性。
有害元素！
53
3). 磷(P) 来源——矿石。 作用——溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加， 塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。
有害元素！
电子拉力试验机
实验过程
实验过程分解
实验结果
实验结果分析
低碳钢拉伸应力—应变曲线:

弹性 屈服 强化 颈缩

b
y e p 颈缩 s k

o
k'


四个阶段： 弹性阶段：卸载后变形 可恢复。 屈服阶段：变形迅速增 大，材料似乎失去抵抗 变形的能力。 强化阶段：恢复抵抗变 形的能力。 颈缩阶段：到k点发生断 裂。
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①普通碳素钢
含P、S等有害杂质较多（S≤0.055% P≤0.045%) 常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F #Q235-B, # Q235-C, Q275

式中:Q—普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。 235——材料屈服点（MPa) A,B,C,D——钢材质量等级，越后越高。 F——沸腾钢
第2节 黑色金属材料
一. 二.
碳钢与铸铁 奥氏体与不锈钢
一.碳钢与铸铁
铁碳合金 碳 (0.05%~4%) 杂质元素 (1%左右)
铁(95%~)
一.碳钢与铸铁
含碳量
纯铁(~0.02%)
钢 (0.02%~2%)
铸铁 (2%~)
一.碳钢与铸铁
1. 2.
碳钢 铸铁
1.碳 钢
A. B.
碳钢的耐腐蚀性能 碳钢的分类与编号



例：优质碳素钢—— 08F 20 R 沸腾钢
含碳量为0.08%；
容器钢 含碳量为0.2%
③高级优质钢
磷硫杂质极少
P,s含量≤0.03%。 表示法：如20A
低合金钢—— 16MnR 16——含碳量0.16%； Mn——合金元素； R ——容器钢。 特殊性能钢—— 1Cr18Ni9 1——含碳量0.1%（千分数）； Cr,Ni——主要合金元素； 18——含铬量18%； 9 ——含镍量9%。
②
选用其他材料必须耐腐蚀、不生锈。
第1节 材料的性能
一. 二.
Hale Waihona Puke Baidu
力学性能 物理性能
三.
四.
化学性能
加工工艺性能
一.力学性能
1. 2.
强度 硬度
3.
4.
塑性
冲击韧性
1.强 度
① ②
强度的定义 强度的分类
①强度的定义
材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不
致失效破坏的能力。
②强度的分类
A. B.
按材料所抵抗外力作用的形式分 按材料所处环境温度分
C.
碳钢的品种及规格
A.碳钢的耐腐蚀性能
碳钢在大气和水中易生锈,但它对诸多环
境,如碱性溶液、各类气体、液态金属、
有机液体等的耐腐蚀性良好。
B.碳钢的分类与编号
a) b)
碳钢的分类 碳钢的编号
a)碳钢的分类
按用途分 • • • • • • 建筑钢 结构钢 弹簧钢 轴承钢 工具钢 特殊性能钢 按含碳量分 • 低碳钢 • 中碳钢 • 高碳钢 按脱氧方式分 • 镇静钢 • 沸腾钢 按品质分 • 普通钢 • 优质钢 • 高级优质钢
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（1）常用热处理工艺
缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1） -- 退火； 空气中冷却（曲线2）--正火 ； 作用：①降低硬度，增加塑性，改善机械性能； ②使组织均匀化，消除内应力。

56
淬火 缓慢加热，保温一定时间 淬 火剂中冷却（曲线3）； 淬火剂: 水，盐水---用于 碳钢； 油---用于合金钢。 作用：提高硬度、强度和耐磨 性。

d.铸钢和锻钢
具有较好的铸造性和锻压性， 方便铸、锻成型。
符号：ZG
2.铸 铁
铁+
(2.5～4.0%)碳+Si、Mn、P、S 等杂质
典型的脆性材料，抗拉强度低，但具有良好
的铸造性、耐磨性、减震性和切削加工性。
价格便宜
2.铸 铁
A. B.
灰铸铁 球墨铸铁
C.
D.
高硅铸铁
铁碳合金中含碳量﹥2%时，部分碳
以石墨形式存在于其中，即所谓铸
铁。
组织结构特点—— 性能特点：石墨性软、强度 极低，相当于铸铁中存在许 多孔洞。
碳钢中杂质对其性能的影响
1）.锰(Mn) 来源——在冶炼过程中加入锰铁。 作用——钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金元素存在— —提高强度。是有益元素。
二.物理性能
密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀
系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松
比。
三.化学性能
1. 2.
耐腐蚀性 抗氧化性
1.耐腐蚀性
金属和合金对周围介质，如大气、水气、
各种电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀
性。
2.抗氧化性
在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质
氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、
回火
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 足技术要求。
回火又分为： 低温回火（150～250 ）； 中温回火（300～450 ）； 高温回火（500～680。 淬火+高温回火 称为调质处理。 效果：强度、塑性、韧性均提高 。
（2）化学热处理 --将零件放在化学介质中进行 加热-保温-冷却的过程。 使零件表面改性。 方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。
温度的影响及“蠕变”
通常随着温度升高，金属的强度降低而
塑性增加。
金属材料在高温长期工作时，在一定应
力下，会随着时间的延长，缓慢并且不 断地发生塑性变形，称为“蠕变”现象。
2.硬 度
硬度是指固体材料对外界物体机械作用
的局部抵抗能力。
硬度是反映材料弹性、强度与塑性等的
综合性能指标。
3.塑 性
第3章 设备材料及防腐蚀
第1节
材料的性能 第2节 黑色金属材料 第3节 有色金属材料 第4节 非金属材料 第5节 设备材料的腐蚀与防护 第6节 设备材料的选择
第1节 材料的性能

GMP对设备及管路材质的要求
①
凡是水、气系统中的管路、管件、过滤器、
喷针等都应采用优质奥氏体不锈钢材料；
沸腾钢 类别为A 钢材屈服点(MPa) 屈服点屈字的拼音首位字母
②优质碳素钢

含硫、磷等杂质较少，均0.04%，杂质少，组 织均匀，表面质量好。 常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 数字--含c量的万分数; g --锅炉钢； R --容器钢； Mn ---含锰元素约1%。
——了解材料
第3章 设备材料及防腐蚀
更正

Antonie van Leeuwenhoek, 1632.10.24－ 1723.08.26 荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者，生卒均 于代尔夫特。 Robert Hooke，1635.7.18—1703.3.3 出生于英格兰南部威特岛的弗雷施瓦特。他在 力学、光学、天文学等诸多方面都有重大成就。
性好的材料，锻压所需外力小，可锻性
好。
可缎性↑∝碳的含量↓ 铸铁是脆性材料，不能锻压加工。
3.焊 接 性
指能用焊接方法使两块金属牢固的连接，
且不发生裂纹，具有与母体材料相当的
强度，这种能熔焊的性能称焊接性。
低碳钢具有优良的焊接性。
4.可切削加工性
指金属易于刀具的切削。 灰铸铁和碳钢都易于切削。
①普通碳素钢
依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素——化学符号或汉字表示； 产品用途、冶炼和浇铸方法——汉字或汉语拼 音字母表示。

例如：沸腾钢——F或沸
灰口铸铁——HT或灰铁 铸钢——ZG 锅炉钢——g或锅 容器钢——R或容
①普通碳素钢
普通碳素钢—— Q235-A,F