_化工设备材料
化工设备常用材料
8
磷（P） 来源：炼钢原料和燃料。（有害元素）
有益作用
少量能溶入铁素体（F）中 ，使强度、硬度显著提高 。
有害影响
引起钢的塑性和韧性急剧下 降，尤其在低温时脆性更大 ，这种现象称为冷脆性。含 量﹤0.045％
9
硫（S） 来源：炼钢原料和燃料。（有害元素）
在钢中形成FeS , FeS与Fe形成低熔点（985℃） 共晶体 分布在晶界上，使得对钢进行热加工时 容易脆化开裂，这种现象称为热脆性。含量＜ 0.05％
10
氢（H） 来源：炼钢原料和燃料。（有害元素）
造成氢脆、白点等缺陷
11
杂质元素总结
Mn Si
PSH
元素有益与有害是相对的：硅锰虽有益，但也 不是多多益善；硫磷虽有害，但炼铁过程中又 不可避免其存在，因此应严格控制其含量。
12
牌号
普通碳素钢
屈服极限代号Q 屈服极限数值（MPa）（强度指标） 质量等级符号（A、B、C、D） 脱氧方法（F、b、Z、TZ）
三、化工设备常用材料
1
黑色金属（钢、铸铁）
碳素钢
合金钢
有色金属（铜、铝、铅及其合 金等）
2
1.碳素钢
碳素钢简称碳钢，是最基本的铁碳合 金。它是指在冶炼时没有特意加入合 金元素，且含碳量小于2.11％的铁碳 合金。
3
按含碳 量
碳素钢的分类
按质量按用途ຫໍສະໝຸດ 按脱氧 程度4（1）按钢的质量分类
S≤0.050% P≤0.045%
弹簧
板簧
弹簧垫圈
21
（3）按冶炼时的脱氧程度不同分类
脱氧程度不完全的钢F 沸腾钢
脱氧程度最 彻底的钢TZ
特殊 镇静钢
碳素钢 半 镇静钢
化工设备材料及其选择材料的性能
对不同材料，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
材料，弹性模数E随温度的升高而
。
。对同一种
2.泊桑比
泊桑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 它近乎为一个常数，即μ＝0.3。
=
其中 b b1 b
b
b
l l1 l
l
l
四、加工工艺性能
例如：※容器爆裂；※管道破裂；※地脚螺栓拉断； ※炉管爆裂；…..
常温拉应力下20号钢的拉抻试验 或
l0=10d0 l0= 5d0
开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服 点” ss
从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力
值，叫做抗拉强度。 sb
1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD 疲劳极限σn
金属在拉伸条件下，从开始加载到发 生断裂所能承受的最大应力值，叫作 抗拉强度。
1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD 疲劳极限σn
金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可 焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化工 设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时 必须考虑的因素。 良好的冷热加工性能 良好的焊接性能
疲劳强度举例
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。
2、塑性： 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。 主要有两个塑性指标： 伸长率δ
断面收缩率Ψ
lK10% 0lKl010% 0
化工设备材料及其选择
化工设备材料及其选择引言在化工领域，选择合适的设备材料至关重要。
化工设备材料的选择决定了设备的性能、耐用性以及安全性。
本文将介绍一些常见的化工设备材料，并说明如何选择适合的材料。
常见化工设备材料不锈钢不锈钢是一种常见的化工设备材料，由于其耐腐蚀性、机械强度和耐高温等特性，被广泛应用于化工工业中。
常见的不锈钢包括304不锈钢和316不锈钢。
选择合适的不锈钢取决于化学介质的性质以及操作条件。
聚合物聚合物材料在化工设备中也有广泛的应用。
聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（PTFE）是常见的聚合物材料。
选择聚合物材料时需要考虑介质的腐蚀性、温度和压力等因素。
玻璃钢玻璃钢由玻璃纤维和树脂构成，具有良好的耐腐蚀性和机械强度。
它在化工领域中用于制造贮罐、管道和反应器等设备。
玻璃钢设备的选择主要考虑介质的腐蚀性和工艺要求。
陶瓷陶瓷材料在化工设备中常用于耐腐蚀和高温场景。
氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷是常见的选择。
陶瓷具有优异的耐腐蚀性和高温稳定性，但也比较脆弱，需要谨慎处理和使用。
化工设备材料的选择原则选择合适的化工设备材料需要考虑多个因素，包括介质的性质、操作条件、预算和可用性等。
介质性质首先要了解介质的腐蚀性、温度和压力等特性。
根据介质的性质选择合适的耐腐蚀材料，以确保设备在长期使用过程中不受到腐蚀的侵害。
操作条件操作条件也是选择化工设备材料的重要因素。
例如，如果设备需要承受高温条件，则需要选择具有良好耐高温性能的材料。
同时，还需考虑操作的压力和振动等因素。
预算和可用性预算和可用性也是选择化工设备材料时需要考虑的因素。
一些高性能材料价格昂贵，因此需要权衡其性能和成本之间的关系。
同时，要确保所选择的材料能够得到供应，以确保设备的维修和更换。
材料选择的案例研究以下是一个化工设备材料选择的案例研究。
某化工企业需要制造一套耐腐蚀的反应器。
介质为酸性溶液，温度在150°C到200°C之间，压力在10MPa到15MPa之间。
化工设备材料及其选择概述
化工设备材料及其选择概述引言化工设备在化工工艺中起着至关重要的作用，而化工设备材料的选择对化工工艺的运行和产品质量都有着重要影响。
本文将介绍化工设备材料的选取原则和一些常用的化工设备材料，以及对不同工艺条件下的推荐使用。
化工设备材料的选取原则在选择化工设备材料时，需考虑以下几个原则：耐腐蚀性化工工艺中常涉及到腐蚀性介质的处理，因此化工设备材料首先要具备较高的耐腐蚀性。
一般来说，金属材料中不锈钢的耐腐蚀性较好，可以耐受多种酸、碱、盐的侵蚀。
此外，还有一些耐腐蚀性较好的合金材料可选择，如镍钛合金、钽等。
强度和刚性化工设备在工艺中承受着各种力和压力，因此需要具备足够的强度和刚性来确保设备的安全和可靠运行。
常用的金属材料如不锈钢、铝合金都有较高的强度和刚性，可以满足大部分化工设备的要求。
密封性对于需要处理液态或气体的化工设备，密封性是一个非常重要的考虑因素。
一般来说，塑料材料比金属材料具有更好的密封性能，可用于制作管道、阀门等。
但在一些工艺条件较为苛刻的情况下，金属密封件如不锈钢密封件更适合使用。
导电性和绝缘性在一些特殊的化工工艺中，需要考虑电导率和绝缘性。
金属材料具有良好的导电性，适用于需要传导电流的设备。
而对于需要绝缘的设备，塑料材料则更适合使用。
常用的化工设备材料下面是一些常用的化工设备材料及其特点：不锈钢不锈钢是一种耐腐蚀性较好的金属材料，具有较高的强度和刚性。
不同的不锈钢材料具有耐不同介质的特点，如304不锈钢能耐酸碱性介质，316不锈钢能耐盐水等。
不锈钢广泛用于储罐、管道、反应釜等化工设备。
玻璃钢玻璃钢是一种复合材料，由玻璃纤维和树脂组成。
它具有良好的耐腐蚀性、绝缘性和强度。
玻璃钢常用于制作储罐、管道、风扇叶片等设备。
同时，玻璃钢具有较好的耐温性能，在高温环境下依然可以保持稳定性。
塑料塑料材料具有良好的耐腐蚀性、绝缘性和密封性。
常见的塑料材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等。
它们被广泛应用于制作管道、阀门、泵等设备。
化工设备常用材料
47.7℃）、液硫化氢（-61℃ ）等设备
15CrMoR
低合金珠光体热强钢 中温抗氢钢板 用于制造壁温不超过560℃的压力容器
应用介绍
16MnR
屈服点为340MPa级的压力容器专用钢板 是我国压力容器行业使用量最大的钢板 具有良好的综合力学性能、制造工艺性能 主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器
16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR
低温压力容器用钢，工作在-20℃及更低温度的压力容 器专用钢板
采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节 约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、 安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。
压力容器常用低合金钢 钢板：16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR；07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR 钢管：16Mn、09MnD；（D表示低温用钢） 锻件：16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、 2.25Cr-1Mo。
（3）高合金钢
压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐 蚀、耐高温钢；铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢
铬钢：0Cr13 是常用的铁素体不锈钢 有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能 在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性 但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀
铬镍钼钢：00Cr18Ni5Mo3Si2 是奥氏体-铁素体双相不锈钢 耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质 中含氯离子的设备。
二、钢材类型
按化学成分分类：碳素钢、低合金钢、高合金钢
化工设备所用的材料材料
注意：公称直径不代表该零件的某个尺寸，但可以依
靠它来寻找可以连接相配的另一个标准件。
（2）、有缝钢管的尺寸系列
最常使用的低压输送用焊接钢管（GB3092-93）； 按钢管的壁厚分为普通钢管和加厚钢管； 按管端形式分为光管和带螺纹管； 钢管的直径、壁厚的允许偏差及理论质量参考 课本表述。
思考: 1、课本P141/6。
美 国
ASTM
304 316L 444 321 304N
UNS
S30400 S31603 S44400 S32100 S30451
2）耐热钢 是指在高温下具有高的化学 稳定性和热强性的特殊钢。 3）耐磨钢 是指在冲击和磨损条件下使 用的高锰钢。主要用于严重摩擦和强烈撞击 条件下工作的零件，如用作坦克及拖拉机的 履带，挖掘机铲齿，推土机挡板和铁路道岔 等。高锰钢的主要成分为含碳量为0.9%1.5%,含锰量为11%-14%。这种钢由于机械 加工困难，基本上铸造后直接使用。
管子与法兰的配合
管子与平焊法兰的配合尺寸
法兰内孔直径Di＞管子外径dH φ220mm φ219mm
钢管的公称直径DN
约定：凡是能够实现连接的管子和法兰、管子与管件、
或管子与阀门,就规定这两个连接件具有相同的公称 直径（DN）。
如上例：
管子外径 法兰内孔直径 公称直径（DN） φ 219mm φ 220mm φ 200mm。
常见的有 16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、 09MnNiDR、07MnNiCrMoVDR等
2、为什么制造化工容器的钢板都是低碳的，而 制造机械零件和紧固件的钢板多用中碳钢？ 3、如何理解钢管的公称直径？
三) 合金钢
பைடு நூலகம்
为了改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金元素 所炼成的钢。 化学成分： C＜0.2%，∑合金元素＜5%，
化工设备材料
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其他领域的发展趋势
环保领域：随着 环保意识的提高， 化工设备材料在 环保领域的应用 将越来越广泛
生物医药领域： 化工设备材料在 生物医药领域的 应用将越来越重 要，如生物反应 器、生物制药等
电子信息领域： 随着电子信息产 业的快速发展， 化工设备材料在 电子信息领域的 应用将越来越广 泛
新能源领域：随着 新能源产业的快速 发展，化工设备材 料在新能源领域的 应用将越来越广泛， 如太阳能电池、燃 料电池等
复合材料的种类：金属复合材料、非金属复合材料、有机复合材料等 复合材料的特点：具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温等优良性能 复合材料的应用：广泛应用于化工、航天、汽车、建筑等领域
化工设备材料的 性能要求
耐腐蚀性
化学腐蚀：抵抗酸、碱、盐等化学 物质的腐蚀
物理腐蚀：抵抗高温、高压、冲击 等物理因素的腐蚀
耐磨性：抵抗磨损的能 力
导热性：传递热量的能 力
机械强度：抵抗外力破 坏的能力
环保性：对环境无污染 的能力
经济性
成本：选择价格低廉、性价比高的 材料
寿命：选择使用寿命长、耐用的材 料
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维护费用：考虑设备的维护和维修 费用
回收利用：考虑材料的回收利用价 值
安全性
化学稳定性：材料应具有良好的化学稳定性，不易被腐蚀或分解 耐高温性：材料应具有良好的耐高温性，能够承受高温工作环境 耐低温性：材料应具有良好的耐低温性，能够承受低温工作环境 抗冲击性：材料应具有良好的抗冲击性，能够承受机械冲击和振动 防火性：材料应具有良好的防火性，能够防止火灾的发生和蔓延 环保性：材料应具有良好的环保性，不会对环境造成污染和危害
化工设备材料及其选择_化工设备常用材料特性讲解
二、碳钢
1.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。
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。
性；
※容器焊后退火—消除内应 力；
……
热处理工艺曲线：
（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。 【注】加热温度为临界点（钢的内部 组织发生转变的温度) 以上30～ 50℃。
～
—
——
400
13～36 14～27
4）高硅铸铁
• 如：STSi15R, STSi11Cu2CrR, STSi17R… 式中 ST---高硅耐蚀铸铁，
Si15---含硅15%左右， Cu2---含铜2%左右 R ---混合稀土元素（≤0.1%）。 特点：※耐腐蚀性好（见书表1-15）；
※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。
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。
四、镇静钢、半镇静钢和沸腾钢
• 镇静钢——质量最好 • 半镇静钢——质量次之 • 沸腾钢——质量最差
五、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；
※建筑用铁线用火烧软；
※泵轴调质—内韧外硬； ※扁铲淬火—提高硬度和韧
化工设备材料及其选择(2018-6)
低合金钢 耐热钢
☞高温环境---原油加热、裂解、催化等。如转化炉炉管， 工作温度为650～800℃。 碳钢使用温度一般在400℃以下
如20钢 500℃时屈服点只有50MPa,变得很软，钢中的Fe3C 分解出石墨碳（石墨化过程）；同时钢表面生成氧化皮， 层层剥落。 ——碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。
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金属材料的分类及牌号
钢铁牌号及表示方法
1.牌号的表示原则
国家标准 GB221-2000 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 容器钢——R或容
锅炉钢——g或锅
铸钢——ZG
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金属材料的分类及牌号 2.钢号表示法
容器
常温容器：-20 ℃—200 ℃ 中温容器：温度介于高温与常温之间的容器 低温容器 浅冷容器： - 40 ℃ ≤t ≤ - 20 ℃ 深冷容器： t < - 40 ℃
化工设备概述
2. 设备选材的基本要求
有足够的力学性能 具有良好的加工性能
具有良好的耐腐蚀性能
经济合算
其它各种性能符合设计要求
28
低合金钢
低温用钢
☞低温环境——天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、
轻烃回收等。
☞普通碳钢在低温下（-20℃以下）变脆，冲击韧性显著 下降。
☞低温用钢的组织成分特点：
❶.一般低温（-40~-20 ℃)钢——含碳量很低的铁素体组 织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。 如 16MnDR、09MnNiDR ❷.深冷（-40℃以下)用钢——含碳量低的奥氏体组织。 如 15Mn26Al4
常用的精细化工设备材料、性能和防护
2.1 常用的金属材料
• 马氏体不锈钢：马氏体的三维组织形态通常有片状或 者板条状，但是在金相观察中（二维）通常表现为针 状。马氏体的晶体结构为体心四方结构。高的强度和 硬度是钢中马氏体的主要特征之一。
• 将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却 （淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织 即为马氏体。
常用的另一类材料是非金属材料,非金属材料的耐腐蚀 性能在许多环境下优于金属材料,在精细化工企业大量使 用上述金属和非金属材料制造反应设备、输送设备、泵、 阀门及管道等器件。
2 精细化工设备材料与防护 \ 2.1 常用的金属材料
2.1 常用的金属材料
（1）碳钢 碳钢是含碳量小于2. 11%的铁碳合金，碳钢在大气和水中 易生锈，在很多介质中的耐腐蚀性也不好：在碱性溶液 和强氧化性酸（如浓硫酸）中生成了保护膜，腐蚀性很 小；在中性、含氧量高的溶液中，和还原性酸中，腐蚀 很快。如磺化和硝化反应可以用碳钢做反应器。
以上为具有面心立方晶格结构的 -铁。 • 碳溶解到α-铁中形成的固溶体称铁素体，它的溶碳能力极低，最大溶解度不超过0.02%。而
碳溶解到 -铁中形成的固溶体则称奥氏体，它的溶碳能力较高，最高可达2%。 • 奥氏体是铁碳合金的高温相。钢在高温时所形成的奥氏体，如以极大的冷却速度过冷到
230℃以下，奥氏体中的碳原子已无扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α 固溶体，称为马氏体。由于含碳量过饱和，引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低，脆性 增大。 • 不锈钢的耐蚀性主要来源于铬。只有含铬量超过12%时钢的耐蚀性能才会大大提高，因此， 不锈钢中的含铬量一般均不低于12%。由于含铬量的提高，对钢的组织也有很大影响，当 铬含量高而碳含量很少时，铬会使铁碳平衡图上的-相区缩小，甚至消失，这种不锈钢为 铁素体不锈钢。当含铬量较低（但高于12%），碳含量较高，合金在从高温冷却时，极易 形成马氏体，故称这类钢为马氏体型不锈钢。镍可以扩展-相区，使钢材具有奥氏体组织。 如果镍含量足够多，使钢在室温下也具有奥氏体组织结构，则称这种钢为奥氏体型不锈钢。
化工设备材料的性能及分类
化工设备材料的性能及分类引言化工设备材料是指在化学工业生产过程中所使用的材料，其性能直接影响到化工设备的使用寿命、安全性和工艺效率。
本文将介绍化工设备材料的性能及其分类。
一、化工设备材料的性能化工设备材料的性能主要包括以下几个方面：1. 物理性能物理性能是指材料在力学、热学和电学等方面的性能。
在化工设备中，物理性能的好坏决定了材料的耐磨性、耐腐蚀性、导热性等。
•耐磨性：化工设备通常需要长时间运行，因此耐磨性是一个重要的物理性能指标。
材料的硬度和抗磨损性能是评价耐磨性的主要指标。
•耐腐蚀性：化工设备经常接触酸、碱等对金属材料有腐蚀性的物质，因此耐腐蚀性是化工设备材料的重要性能之一。
材料的耐蚀性主要取决于其抗腐蚀化学物质的能力和表面涂层的质量。
•导热性：在化工过程中，需要对物质进行加热或冷却，因此材料的导热性是一个关键性能指标。
2. 化学性能化学性能是指材料在化学环境下的性能。
化工设备常常面临高温、高压和各种腐蚀性气体和液体的侵蚀，因此化学性能是化工设备材料的重要性能指标。
•抗氧化性：在高温条件下，材料容易发生氧化反应，降低其性能。
因此，化工设备材料需要具有良好的抗氧化能力。
•抗腐蚀性：化工设备常受到腐蚀性介质的腐蚀，材料的抗腐蚀性能是其重要的化学性能指标。
二、化工设备材料的分类根据不同的材料性能和应用需求，化工设备材料可以分为不同的分类。
以下是几种常见的分类方法：1. 金属材料金属材料是化工设备中最常用的材料之一。
根据其机械性能、耐蚀性和导热性等指标的不同，可以将金属材料进一步分为以下几类：•不锈钢：不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐高温性能，因此在许多化工设备中得到广泛应用。
•高温合金：高温合金具有优异的高温强度和耐腐蚀性，常用于高温条件下的化工设备。
•铝合金：铝合金具有良好的导热性和轻质化特点，常用于制造换热器和蒸发器等设备。
2. 聚合物材料聚合物材料是一类具有良好的绝缘性和耐蚀性的材料。
根据其分子结构和性质，聚合物材料可以分为以下几类：•聚乙烯：聚乙烯具有良好的电绝缘性和耐腐蚀性能，常用于制造储运罐和管道等设备。
化工设备常用材料
结晶过程：液体中能量比较低的原子成为晶核，其它原子 通过碰撞造成晶体成长。最后结晶完成形成固体，以晶界 划定晶粒大小，晶界上有时会聚集叫多杂质，而影响金属 性能。 金属性能与晶格类型、晶粒大小等有关。 • • 结晶时，冷却速度越快，结核越多，结晶结束时的 晶粒越小。
结晶分类：通常称的结晶和重结晶。 9 同素异构转变：固体状态下的金属由于加热或冷却而引 起的晶格结构的转变。如 α－Fe 体心立方
钢的分类： • 按含碳量分：
低碳钢：C％≤0.3％ 中碳钢：0.3％～0.6％ 高碳钢：≥0.6％
碳钢特点：价格便宜，强度、韧性适中，加工性能好，可通 过热处理进一步改进性能，但抗腐蚀性能差，编号采用前苏 联的编制方式，限制了钢材的品种和质量。 铸铁特点 • • 含碳量比钢高，杂质比较多，塑性差，一般用于复杂零 件的铸造成型，如汽车发动机箱壳，泵体等。 分类： 9 灰口铸铁，碳以片状石墨存在，断口呈灰色，抗压强 度大，但拉伸强度和冲击韧性差，可用于铸造承受压 力，要求消振、耐磨的零件，如支架、本体、机座。 9 可锻铸铁，碳主要以团状存在，有一定的强度和较高 的塑性和韧性，可用于锻造零件。 9 球墨铸铁，碳以球状石墨存在，对基体削弱小，强度、 塑性和韧性比前两者都高，如汽车发动机曲轴。
§5.2 碳钢和铸铁 碳钢和铸铁是工程最广泛应用的金属材料，它们主要由碳和 ％铁这两种元素组成。含碳量0.02％~2％的称为钢，含碳量 大于2％的称为铸铁。 合金钢除了碳和铁以外，含有镍、铬等金属元素。 碳钢主要成分：Fe、C、Si、Mn、P、S ，与炼钢原料与过 程有关。 铁矿石、焦炭、造渣剂、氧气等。炼铁→炼钢→特种钢、 型材 Si、Mn、P、S是杂质。S：热脆，热加工时形成低沸点 的硫化物，造成构件开裂 ；P：冷脆，在低温时，使构 件塑性下降。 钢材性能与含碳量的关系
化工设备材料及其选择—化工设备用其他材料
单元四 化工设备用其他 材料
1
第四节 有色金属材料
一. 铝及其合金 1.特性：1）密度小，体轻；
2）导电、导热性好。不产生火花； 3）塑性高，强度低； 4）易冷加工，可焊，可铸； 5）耐低温； 6）一定的耐腐蚀性； 7）不污染食物。
2
2.常用铝材：
1）纯铝：高纯铝——L01，L02（浓硝酸设备）； 工业纯铝—L1，L2，L4（换热器，塔，储罐， 深冷设备等）。
用场：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密 封环，爆破片等。
15
4). 玻璃钢
——用合成树脂做黏结剂，玻璃纤维为骨 架制成。
特点：1）强度高 2）加工性能好 3）耐腐蚀性好
用场：容器，储槽，塔，鼓风机，搅拌器， 泵，管道，阀门等。
16
用途：设备防腐 常用涂料： • 防锈漆； • 底漆； • 大漆； • 环氧树脂漆； • 酚醛树脂漆。等。
14
3). 不透性石墨
——各种树脂侵汲石墨，消除孔隙而成。 特点：1）较高的化学稳定性和良好的导热性，
热膨胀系数小，耐温度急变性好； 2）不污染介质； 3）加工性能好，相对密度小； 4）力学性能较低，性脆。
6
三. 铅及其合金
特点： 1）强度低、硬度低、不耐磨、非常软； 2）耐硫酸腐蚀性能强，但不耐甲酸、乙酸、
硝酸及碱溶液； 3）耐辐射性强。 用场：加料管、鼓泡器、耐酸泵等，特别
是在一些有辐射的场合用来进行屏蔽。
7
四. 钛及其合金 特点：1）密度不大而强度高；
2）耐腐蚀性能近乎或超过不锈钢； 3）耐热。 用场：航空工业，化学工业。
用场：搪瓷设备，如反应釜、储罐、 换热器、塔、阀门等。
10
化工设备材料及其选择
T
ss
二、物理性能
相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、 弹性模数与泊桑比等。
1、线膨胀系数α 2、弹性模量E 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ＝Eε，这个 比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段 的应力和应变关系。 对不同材料，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 。对同一种材料，弹性模数E随温 度的升高而 。
1）普通碳素结构钢（GBT700-2006）
代表钢材屈服点的字母 ＋ 屈服点的数值
＋ 材料质量等级符号 ＋ 脱氧方法符号，
常用Q235B，Q235C，Q235A· F
2）优质碳素结构钢（GBT699-1999） 较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。 常用10、Q245R（20g、20R）和20等。
高硅铸铁 ≥40 ≤沸 50~100 ＜120 (＜35) 30 STSi15R ＜40 ＜70 碳钢 × 70~80 20 × (80~100) (70) 沸 (80~100) ＜40 (沸 ) (＜10) (＜40) 40 (30) × × 60 × × 沸 × ×
耐 潮湿 100 耐 × 80 200 × 100 100 × ×
指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件 下，抵抗裂纹扩展的能力。
55 10
10
R1 2
8
(a) U型缺口
55 10
10
R0.25
8
45°
(a) V型缺口
图1-3 冲击试验的标准试样
4、硬度： 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。
金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。
第四节
化工设备常用材料
中碳钢，含碳量ωc >0.25％～0.60％，钢 的强度与塑性适中，焊接性能较差，不适 于制造设备壳体，多用于制造各种机械零 件如轴、齿轮、连杆等。 常用牌号有30、35、40、45、50、55、60 等，其中以45钢应用最广。
高碳钢，含碳量ωc >0.60％，钢的强度和 硬度均较高，塑性差，常用来制造弹簧、 刀具等 由于高碳钢焊接性能差,不适于制造石油化 工设备。 常用的高碳钢牌号有65、70钢。
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称 为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
五万吨水压机
1、弹性和刚度
弹性：即材料承受最大弹 性变形时的应力。指标为 弹性极限e。
刚度：材料受力时抵抗弹
性变形的能力。指标为弹
性模量E： E tg （MPa ）
1、切削加工性能
HB180---200切削性好 2、铸造性能 流动性、收缩性、偏析
3、 金属的可焊性
是指被焊金属材料在一定条件下获得优质焊接接头的 难易程度。
金属的可焊性主要与下列因素有关:
1、材料本身的成分组织； 2、焊接方法； 3、焊接工艺条件；
碳当量CE =C+Mn/6+(Cr+Mo+ V) /5+ (Ni+Cu)/15
2.低合金钢
① 在低合金钢中熔入的合金元素主要是：硅-
Si、 锰-Mn、铬-Cr、硼-B 、 钨-W 、 钒-V、镍-Ni、 钛-Ti 、 铌-Nb、 铝-Al等，Mn、Si、Cr、Nb、V 可提高钢的强度。 ② 典型牌号：16Mn、 16MnR 、 15MnTi 、15MnV ③ 应用：建筑结构、锅炉、容器、车辆、船舶、压 力容器、 输油管等。 ④ 特点：含C量低，焊接性能好。
6化工设备常用材料
在150℃～250℃范围内的回火称“低 温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐 磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量 具，要进行低温回火处理。
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中温回火温度是300℃～450℃。 有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。 轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。
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3、碳钢的基本组织
C在铁中的存在形式有固溶体、化合物和 混合物三种。 固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互 相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式。
三种不同的存在形式，形成了不同的碳 钢组织。
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组元：纯铁、 Fe3C
固相 相
固溶 体
金属 化合 物
铁素体 奥氏体 渗碳体
r= σmin/ σmax ,应力循环系数或应力比，如σ-1,以 106-107次不被破坏的应力
（r—循环特性）
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4
补充:静应力与变应力 稳定变应力——周期、应力幅和平均应力都
不随时间变化的变应力
2、硬度
局部抵抗能力 弹性、强度与塑性的综合性能指标 硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB) 和维氏硬度(HV) 低碳钢 σb=0.36 HB 高碳钢 σb=0.34 HB 灰铸铁 σb=0.1 HB
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3、表面淬火
使零件表面层比心部具有更高的强度、 硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有 一定的韧性。
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4、化学热处理
渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰 化(碳与氮共渗)等。
渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性； 渗铝可提高耐热、抗氧化性； 氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提 高耐磨和耐腐蚀性； 渗硅可提高耐酸性等。
化工设备材料及其选择知识
化工设备材料及其选择知识1. 引言化工设备的材料选择对于化工生产过程的安全性和可靠性具有重要影响。
正确选择化工设备材料，可以提高设备的抗腐蚀性能、延长使用寿命，同时确保生产质量和环境保护。
本文将介绍化工设备材料的选择知识，包括常用的材料种类、选择因素和常见的材料选择错误。
2. 常用的化工设备材料2.1 金属材料金属材料是化工设备中最常用的材料之一。
常见的金属材料有不锈钢、碳钢、铜和铝等。
不锈钢是最常用的材料，它具有耐腐蚀性、耐高温性和机械强度高的特点，适用于各种化工设备。
碳钢主要用于低温和一般温度下的设备，铜和铝则广泛应用于热交换设备和冷却塔等。
2.2 聚合物材料聚合物材料是近年来在化工设备中应用越来越广泛的材料。
聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等聚合物材料具有良好的耐腐蚀性、电绝缘性和机械性能，适用于储罐、管道等设备。
此外，聚合物材料还具有较低的成本和易加工的特点。
2.3 陶瓷材料陶瓷材料是一种非金属的无机非金属材料，具有良好的耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性。
常见的陶瓷材料有氧化铝、氧化锆和碳化硅等。
陶瓷材料适用于特殊环境下的化工设备，如高温、高压和强酸碱等。
3. 化工设备材料选择因素在选择化工设备材料时，需要考虑以下因素：3.1 腐蚀性化工过程中常常涉及腐蚀性介质，因此材料的耐腐蚀性是选择的重要依据。
不同材料对不同介质的耐腐蚀性不同，需要根据具体情况选择合适的材料。
3.2 温度和压力化工设备在使用过程中会受到不同的温度和压力的影响，材料的选择需要能够适应这些变化。
高温和高压下材料的热膨胀和强度变化需要考虑。
3.3 机械性能机械性能包括材料的强度、硬度和韧性等，对于设备的可靠性和寿命具有重要影响。
根据设备的具体工作条件选择合适的材料，以确保设备在运行过程中不会出现破裂或变形等问题。
3.4 经济性材料的成本也是选择的一个重要因素。
在满足设备要求的前提下，选择成本较低但性能合适的材料可以降低设备制造和维护成本。
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纯铜（紫铜） 铜锌合金（黄铜） 铜锡合金（锡青铜） 无锡合金（铝青铜等）
有色金属
轻金属及其合金 其它有色及其合金
铝及铝合金 钛及钛合金 镁及镁合金
铅、锡及其合金
锌及其合金
镍、钴及其合金
2、钢的分类
二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000） 1、碳素结构钢： 1）普通碳素结构钢（GB700-88） 代表钢材屈服点的字母 ＋ 屈服点的数值 ＋ 材料质量等级符号 ＋ 脱氧方法符号， 常用Q235B，Q235C，Q235A·F 2）优质碳素结构钢（GB711-88） 较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。 常用10、15 、20g、20R和20等。
承受静载荷抗裂纹扩展的能力—— 缺口敏感性
承受动载荷时抗裂纹的能力—— 冲击韧性
4、硬度： 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。
布氏硬度HB（一般在HB450以上就不能使 用) 、 洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材 料) 、 维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测 定极薄试样的硬度) ，显微硬度。
2.类型（腐蚀过程有无电流产生） 1）化学腐蚀（如氢腐蚀） 2）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀）
二、常见腐蚀类型
1. 氢腐蚀 氢气在较低温度和压力(＜200℃，＜5.0MPa)
下 对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是 在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料 的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现 象常称为“氢腐蚀”。
=
其中 b b1 b
b
b
l l1 l
l
l
三、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 侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。 2、抗氧化性 在现代工业生产中的许多高温化工设备，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，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此 锅炉给水中的含氧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。
疲劳极限σn
常温拉应力下20号钢的拉抻试验
l0=10d0 l0= 5d0 或
1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD 疲劳极限σn
金属在拉伸条件下， 从开始加载到发生 断裂所能承受的最 大应力值，叫作抗 拉强度。
表1-2 压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表
二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000）
2、合金（高强度）钢 在碳素钢的基础上加入少量合金元素。 特别：锅炉钢和容器钢 主要用于壳体或锅炉承压元件。 如16MnR，15MnVR，18MnMoNb等。 性能指标等见附录。
二、钢铁牌号及表示方法：
三、金属设备的防腐措施
1. 衬覆保护层
金属保护层、非金属保护层 2. 电化学保护
阴极保护(牺牲阳极保护)、阳极保护 3. 添加缓蚀剂
缓蚀剂要求严格，必须根据设备所处的具体操 作条件通过试验来确定
第五节 化工设备材料的选择
一、选材的一般原则 1. 遵循标准 2. 根据钢材的选用范围 3. 经济性
综合考虑：压力、温度和介质
一、力学性能 材料在外力(或外加能量)作用下抵抗外力所表现的行 为，包括变形和抗力，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。
强
塑
韧
硬
度
性
性
度
1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD
金属材料承受载荷作用， 当载荷不再增加或缓慢 增加时，仍继续发生明 显的塑性变形，这种现 象就称为屈服。
3、特殊性能钢 主要指不锈耐酸钢 铬不锈钢，如1Cr13 铬镍不锈钢，如0Cr18Ni9 节镍不锈钢
三、有色金属
铝——良好的导电、导热性，耐浓硝酸 换热器，塔，深冷设备
铜——良好的导电性，低温韧性好 蒸发器、蛇管、垫片等
铅——能防辐射，耐稀硫酸等 制作衬里
第四节 化工设备的腐蚀及防腐 一、金属的腐蚀 1.定义： 金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的 破坏现象。
1.2 材料的性能
5.蠕变：在高温和长期静载作用下，即使构件上的应力不变， 塑性变形却随时间而缓慢增加，直至破坏。
加静载
经过较长 时间后
P
注意：应力没增加，杆自己在变长！
P
二、物理性能
相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、 弹性模数与泊桑比等。
2.泊桑比
泊桑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。对于各种钢材它近乎为一个常数， 即μ＝0.3。
四、加工工艺性能 金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可 焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化工 设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时 必须考虑的因素。 良好的冷热加工性能 良好的焊接性能
第三节 金属材料的分类及牌号
一、分类
1、金属的分类
生铁
炼钢生铁 铸造生铁
金属
黑色金属
钢 铜及其合金
2、塑性： 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的 能力。
主要有两个塑性指标：
延伸率δ
lK10% 0lKl010% 0
l0
l0
断面收缩率Ψ
FK10 % 0FKF010 %0
F0
F0
3、韧性： 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量 的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。
绪论
一、问题的提出
（一）设备是工艺的基础 （二）材料是设备的基础
二、课程内容
（一）基础篇——材料
材料的性能
常用三类钢
碳钢
合金钢
特殊性能钢
第一节 概述
一、化工设备选材的重要性和复杂性 1.操作条件的限制 2.制造条件的限制 3.材料自身性能的限制 二、选材要遵循
适用、安全和经济的原则。
第二节 材料的性能