压力容器材料选择

（一）铁 铁在910oc以上是具有面心立方结构的γ－Fe(图 a); 铁在910oc以下是具有体心立方结构的α－Fe(图b)。
a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。 在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异 构转变”。 铁的同属异构转变是构成铁碳合金一系列性能的依据。
（1）铁素体
碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（最大溶解 度不超过0.02％），强度和硬度低，但 塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性 能。 室温时，钢的组织中只有铁素体，没有奥 氏体。
（2）奥氏体
碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 g-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比a-Fe 中大得多，如在723℃时可溶解0.8％， 在1147℃时可达最大值2.06％。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变 时产生的。由于奥氏体有较大的溶解 度，故塑性、韧性较好，且无磁性。
• 正火是把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上 的某一温度，保温一段时间，置于空气中冷却。目的： 细化晶粒，提高韧性，有比退火为高的强度与硬度。 • 正火与退火不同之处，在于正火是将加热后的工件从 炉中取出置于空气中冷却。铸、锻件切削加工前一般 进行退火或正火。
2、淬火和回火
淬火是把钢（工件）放在炉中缓慢加热至淬火温度 (临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，后 投入淬火剂中冷却。 淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐 磨性。 淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。
（3）高级优质钢
S＜0.02%～0.03%； P＜0.025%，
均＜0.03%。 它的表示方法是在优质钢号后面加一个 A字，如20A。
3、碳钢的品种及规格
品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢 （1）钢板（压力容器用热扎厚钢板） 4mm～6mm厚度间隔为0.5mm 6mm～30mm厚度间隔为 lmm 30mm～60mm厚度间隔为2mm 一般碳素钢板材有 Q235-A、 Q235-A· F、 08、10、15、20等。
优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、 10、 15、20、25；塑性好，焊接性 能好，壳体、接管。 优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如 30、35、40、45、50与55； 45号钢 搅拌轴 优质高碳钢（含C＞0.6%），如60、65、 70、80。60、65钢主要用来制造弹簧， 70、80钢用来制造钢丝绳等。
（1）普通碳素钢
Q235-A，屈服强度数值（MPa） 质量等级A，B，C，D。 脱氧方法为F，b，Z，TZ。 化工压力容器用钢一般选用镇静钢。 普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。
（2）优质碳素钢
S＜0.03%～0.045% ；P＜0.04% 08、10、15、20、25、30、35、40、 45、50、…80等。平均含碳量的万 分之几。45号钢中含碳量平均为 0.45%(0.42%～0.50%)。 45Mn，锰含量较高的优质非合金钢。
第一节 金属的晶体结构
一、金属原子结构特点与金属键
来自百度文库
• 金属原子结构特点：最外层的电子数很少，一般只 有一二个；而且这些最外层电子与原子核的结合力 较弱，因此很容易脱离原子核的束缚而变成自由电 子。 • 金属键：在金属中，暂时摆脱原子核束缚的电子成 为共有的自由电子，在所有的金属正离子之间穿梭 运动，好像带负电的气体充满其间，把带正电的金 属离子牢固地束缚在一起。这种金属原子之间的结 合方式称为金属键。
• 二、金属的晶体结构
• 金属的结晶过程
• 金属的结晶过程
第二节 铁碳合金
“铁碳合金”由95％以上铁和0.05％～4％ 碳及1％左右杂质元素所组成合金。 • 含碳量0.02％～2％称为钢； • 含碳量大于2％称为铸铁； • 含碳量小于0.02％时称纯铁(工业纯铁)； • 含碳量大于4.3％的铸铁极脆
2、化合物－渗碳体
• 当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中 时，剩余的碳将与铁形成化合物 －碳化铁（Fe3C）， 这种化合物称为渗碳体。 • 渗碳体的熔点约1600℃，硬度高，塑性几乎等于零。 • 铁碳合金含碳量小于2％时，其组织是在铁素体中散 布着渗碳体，是碳素钢。 • 含碳量大于2％时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。 抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震 能力。
• g－Fe变 成a－Fe
铁的同素异构转变
（二）碳 碳在铁碳合金中的存在形式有三种： • 碳溶解到铁的晶格中形成固溶体
• 碳与铁形成化合物 • 混合物：碳以石墨状态单独存在。 1、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的 物体。如碳原子挤到铁的晶格 中间去又不破坏铁所具有的晶 格结构。
（2）钢管
无缝钢管和有缝钢管。 无缝钢管有冷轧和热轧。 普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。 专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、 石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有 缝管如水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀 锌(黑铁管)两种。
• 材料的性能:力学性能、物理性能、化学性能和加工 性能。 • 力学性能:决定许用应力--强度、硬度、弹性、塑性、 韧性等。 • 物理性能：密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀 系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。 • 化学性能：耐腐蚀性--金属和合金对周围介质侵蚀的 抵抗能力；抗氧化性--高温氧化，降低表面硬度和抗 疲劳强度，选耐热材料。 • 加工工艺性能：可铸性－收缩与偏析；可锻性；焊 接性；可切削加工性。
时效热处理：材料经固溶处理或冷塑 变形后，在室温或高于室温条件下， 其组织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消除内应力，稳定零 件尺寸，它与回火作用相类似。
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。
4、化学热处理
有渗碳、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。
（5）莱氏体
珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。 具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金 相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。
（6）马氏体
钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原 子在a-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低， 几乎不能承受冲击载荷。
二、 铁 碳 合 金 状 态 图
• 铁碳合金状态图中主要点、线含义： • 图中AC、CD两曲线称为“液相线”，合金在这两曲线以 上均为液态，从这两曲线以下开始结晶。 • AE、CF线称为“固相线”，合金在该线以下全部结晶为 固态。 • ECF水平线段，温度为1147℃，在这个温度时剩余液态 合金将同时析出奥氏体和渗碳体的机械混合物-莱氏体 。 ECF线又称“共晶线”，其中C点称为“共晶点”。 • ES（Acm）与GS（A3）分别为奥氏体的溶解度曲线，在 ES线以下奥氏体开始析出二次渗碳体，在GS线以下析出 铁素体。 • PSK(A1)线为“共析线”，在723℃的恒温下，奥氏体 将全部转变为铁素体和渗碳体的共析组织-珠光体。
（6）氮
长时间放置或在200～300℃加热氮以 氮化物形式的析出，硬度、强度提 高，塑性下降，发生时效。 钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理， 使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消 除时效倾向。
（7）氢
氢脆、白点等缺陷。 变脆：氢化物变形小 白点：组织缺陷处扩散氢，时间长
2、分类与编号
按用途：建筑及工程用钢、结构钢、弹 簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢 （不锈钢、耐热钢） 按含碳量：低碳钢、中碳钢和高碳钢 按脱氧方式：镇静钢和沸腾钢 按品质：普通钢、优质钢和高级优质钢
• 化学工业是国民经济的基础产业，各种化学生产工艺的要求 各不尽相同，如：压力从真空到高压甚至超高压、温度从低 温到高温 以及腐蚀性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极 其复杂的操作条件下运行。由于不同的生产条件对设备材料 有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计化工设备的主 要环节。 • 例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料 的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定 的工作压力 ，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条 件下组织的稳定性。容器内部盛装的介质大多具有一定的腐 蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。对于频繁开、停车 的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲 劳等；而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的 脆性断裂问题。
（4）硅
脱氧剂。有益的元素。 硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除 去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑 性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%～0.37%，沸腾钢 中只含有0.03%～0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影 响不大。
（5）氧
有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、 铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑 性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧 性等有严重影响。
钢在加热时形成单一的奥氏体组织。
所有生铁组织中都有莱氏体，多数碳以石墨 状存在，用作铸件的生铁称为铸铁。
三、钢的热处理
钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却 方式，改变金相组织以满足所要求的 物理、化学与力学性能，称为热处理。
1、退火和正火
• 退火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上 的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来的一 种热处理工艺。 目的：消除组织缺陷、降低硬度、提高塑性、便于冷 加工、消除内应力、防止工件变形。
3、混合物－碳以石墨状态单独存在 当铁碳合金中的碳含量较高，合金从液态以 缓慢的速度冷却下来时，合金中没有溶入固溶 体的碳将由极大部份以石墨状态存在。
（4）珠光体
铁素体与渗碳体的机械混合物。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即 其强度、硬度比铁素体显著提高；塑 性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要 好得多。
四、碳钢
1、碳钢中的元素除铁外还含有碳、锰、硅、硫、 磷、氧、氮、氢等，碳的含量与存在形式对 碳钢的性能具有重要影响，其他杂质元素对 钢材性能也有重要影响。 （1）硫 有害元素。FeS和 Fe形成低熔点(985℃)化合 物。钢材热加工1150～1200℃，过早熔化而 导致工件开裂，称“热脆”。 高级优质钢：S＜0.02%～0.03%； 优质钢：S＜0.03%～0.045%； 普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。
（2）磷
有害元素。虽能使强度、硬度增高， 但塑性、冲击韧性显著降低。 特别是在低温时，使钢材显著变脆， 称“冷脆”。 使冷加工及焊接性变 坏， 高级优质钢： P＜0.025%； 优质钢： P＜0.04%； 普通钢： P＜0.085%。
（3）锰
脱氧剂。有益元素。 MnS(1600℃) ，部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO 进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降 低脆性，提高强度和硬度。 在0.5%～0.8%以下时，看成是常存杂质。 优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～ 0.8%；高锰结构钢可达0.7%～1.2%。
第二篇 压力容器
第八章 化工设备材料
•了解材料各项性能的意义、碳钢与铸铁、常用有色金 属和非金属材料的分类。
•熟悉化工设备中常用金属材料的机械性能指标和主要
化学成分含量。 •掌握化工设备材料选用的原则，掌握几种常用化工设 备材料（普低钢和低合金钢）的牌号、性能、用途； •掌握常用金属材料热处理的方法和作用。
碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。
回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理 工艺。 回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。 • 在150℃～250℃范围内的回火称“低温回火”。目的 不降低硬度消除内应力。刃具、量具，要进行低温回 火处理。 • 中温回火温度是300℃～450℃。目的消除内应力降低 硬度提高弹性。弹簧、刀杆、轴套等进行中温回火。 • 高温回火温度为500℃～680℃。 • 调质处理：淬火后的高温回火。目的获得较高的综合 机械性能。用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺 栓等。