《设备材料及防腐蚀》PPT课件.ppt
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1、第第3 3章章 设备材料及防腐蚀设备材料及防腐蚀1 3.1 3.1 材料的性能材料的性能力学性能(机械性能)力学性能(机械性能)物理性能物理性能化学性能化学性能加工工艺性能加工工艺性能23.1.1 3.1.1 力学性能力学性能力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破坏力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力。的能力。强度强度:有常温有常温 S、b,高温、低温强度,疲劳强度等;,高温、低温强度,疲劳强度等;塑性塑性:有有、等。等。压力容器用材料的压力容器用材料的 514%;硬度硬度:有有HB、HRC等;等;冲击韧性冲击韧性:K,压力容器用材料压力容器用材料 K=4060J/cm2。33.
2、1.2 3.1.2 物理性能物理性能密度密度熔点熔点线膨胀系数线膨胀系数导热性、导电性导热性、导电性弹性模数与泊桑比弹性模数与泊桑比 4 3.1.3 3.1.3 化学性能化学性能指材料是否会与周围介质发生化学或电化学作用而引起的腐指材料是否会与周围介质发生化学或电化学作用而引起的腐蚀。蚀。耐腐蚀性耐腐蚀性: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。(化学腐蚀、电化学腐蚀)抵抗能力。(化学腐蚀、电化学腐蚀)抗氧化性抗氧化性:在高温下,钢铁不仅有自由氧的氧化腐蚀过程,还会与水蒸在高温下,钢铁不仅有自由氧的氧化腐蚀过程,还会与水
3、蒸气,气,CO2、SO2等气体产生高温氧化与脱碳作用,使钢的力等气体产生高温氧化与脱碳作用,使钢的力学性能下降,因此,高温设备必须选用耐热材料。学性能下降,因此,高温设备必须选用耐热材料。53.1.4 加工工艺性能加工工艺性能可铸性可铸性:指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向。灰铸铁和青铜铸造性好;倾向。灰铸铁和青铜铸造性好;可锻性可锻性:指金属承受压力加工(锻造)而变形的能力。低指金属承受压力加工(锻造)而变形的能力。低碳钢的可锻性好,铸铁不能锻压加工;碳钢的可锻性好,铸铁不能锻压加工;可焊性可焊性:指能用焊接方法使两块金属牢固地连接,且不
4、发指能用焊接方法使两块金属牢固地连接,且不发生裂纹,具有与母材相当的强度。低碳钢的可焊性很好;生裂纹,具有与母材相当的强度。低碳钢的可焊性很好;切削加工性切削加工性:指金属是否易于切削。灰铸铁的切削性很好,指金属是否易于切削。灰铸铁的切削性很好,低碳钢也有较好的切削加工性。低碳钢也有较好的切削加工性。6金属金属黑色金属黑色金属铸铁铸铁钢钢碳钢碳钢合金钢合金钢有色金属有色金属非金属非金属材料材料有机非金属有机非金属无机非金属无机非金属制药设备常用材料制药设备常用材料Cu、Al、Ti 及其合金及其合金 黑色金属材料黑色金属材料 7碳钢:含碳碳钢:含碳2.11%铸铁:含碳铸铁:含碳2.11%铁与碳组
5、成的合金铁与碳组成的合金铁碳合金铁碳合金含碳含碳时称工业纯铁,其冶炼困难,价格昂贵,时称工业纯铁,其冶炼困难,价格昂贵,塑性很好,但强度很低,一般不用。塑性很好,但强度很低,一般不用。工业常用铁碳合金。工业常用铁碳合金。钢铁钢铁铁碳合金铁碳合金8常存杂质元素对钢材性能的影响常存杂质元素对钢材性能的影响 杂质:硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等。杂质:硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等。硫:硫:有害元素。有有害元素。有“热脆热脆”。应限制其含量。应限制其含量。磷:磷:有害元素。有有害元素。有“冷脆冷脆”。应限制其含量。应限制其含量。锰:锰:有益元素,能减少有益元素,能减少“热脆热脆”,有脱氧能力。,有脱氧能
6、力。硅:硅:既有有害的一面,又有有益的一面。既有有害的一面,又有有益的一面。氧、氮、氢:氧、氮、氢:有害元素。有害元素。9 碳钢碳钢1.1.碳钢的耐腐蚀性能碳钢的耐腐蚀性能在大气和水中易生锈,耐腐蚀性不好,但在碱性在大气和水中易生锈,耐腐蚀性不好,但在碱性溶液、液态金属、有机液体等中耐腐蚀性良好;溶液、液态金属、有机液体等中耐腐蚀性良好;在强氧化性酸如浓硫酸中,产生钝化膜,耐蚀性在强氧化性酸如浓硫酸中,产生钝化膜,耐蚀性大大提高;大大提高;在碱性溶液中,生成保护膜,腐蚀性很小;在碱性溶液中,生成保护膜,腐蚀性很小;在酸和碱中,腐蚀均匀;在酸和碱中,腐蚀均匀;10 低碳钢低碳钢按含碳量按含碳量
7、高碳钢高碳钢 镇静钢:镇静钢:Z 按脱氧方式按脱氧方式 半镇静钢:半镇静钢:b 普通碳素钢普通碳素钢按品质按品质 高级优质碳素钢高级优质碳素钢中碳钢中碳钢沸腾钢:沸腾钢:F优质碳素钢优质碳素钢随着含碳量的增加,随着含碳量的增加,钢的强度硬度增加,钢的强度硬度增加,而塑性韧性降低。而塑性韧性降低。镇静钢,脱氧完全,镇静钢,脱氧完全,钢锭组织致密,质量钢锭组织致密,质量好。好。优质钢,优质钢,S S、P P杂质含杂质含量低,质量好。量低,质量好。2.碳钢的分类与编号碳钢的分类与编号11普通碳素钢有普通碳素钢有 Q195、Q215、Q235、Q255及及 Q275五个五个品种十种钢号。品种十种钢号。
8、Q 235A F质量等级为质量等级为A,共分共分A、B、C、D四级四级屈服极限屈服极限s=235MPa脱氧方式:有脱氧方式:有Z、TZ、F、b四种,四种,其中其中Z和和TZ可省略。可省略。屈屈普通碳素结构钢普通碳素结构钢 含硫、磷杂质较多,钢的牌号由四部分组成。含硫、磷杂质较多,钢的牌号由四部分组成。12 碳素结构钢的牌号和化学成分碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988)(GB/T700-1988)牌号牌号等级等级化学成分化学成分脱氧脱氧方法方法w(C)%w(Mn)%w(Si)%w(S)%w(P)%不大于不大于Q1950.06-0.120.25-0.500.300.0500.04
9、5F,b,ZQ215A/B0.09-0.150.25-0.550.300.050/0.0450.045F,b,ZQ235A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC 0.180.35-0.800.300.0400.040ZD 0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A/B0.18-0.280.40-0.700.300.050/0.0450.045ZQ2750.28-0.380.50-0.800.350.0500.045Z13GB/T700-1988 GB/T7
10、00-1988 标准标准 GB700-79 GB700-79 标准标准化学成分和力学性能均须保证化学成分和力学性能均须保证 A A 类钢类钢 保证力学性能,保证力学性能,B B 类钢类钢 保证化学成分,保证化学成分,C C 类钢类钢 保证化学成分及力学性能。保证化学成分及力学性能。Q195 A1;B1Q215 A2;C2Q235 A3;C3Q255 A4;C4Q275 C5碳素结构钢碳素结构钢 新、老标准钢号对照新、老标准钢号对照 其中其中Q235-A,Q235-B有良好的塑性、韧性及加工工艺有良好的塑性、韧性及加工工艺性,为化工容器常用材料。其板材用作低压容器的壳体和零部性,为化工容器常用材
11、料。其板材用作低压容器的壳体和零部件,棒材和型钢用作螺栓、螺母等。件,棒材和型钢用作螺栓、螺母等。14硫、磷含量较普通碳素钢低。硫、磷含量较普通碳素钢低。牌号:牌号:用两位数字表示,表示平均含碳量的万分数用两位数字表示,表示平均含碳量的万分数。如如 45 钢,含碳量为钢,含碳量为 0.45%左右。左右。有有08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。等。优质碳素钢优质碳素钢普通含锰量普通含锰量较高含锰量较高含锰量如如45Mn,较高含锰量优质碳素钢。,较高含锰量优质碳素钢。优质钢优质钢15低碳钢低碳钢(含碳(含碳0.25%),如如08、10、15、20、25;强度低,塑性
12、好,冷冲压和焊接性能好,在石油化工设;强度低,塑性好,冷冲压和焊接性能好,在石油化工设备中广泛应用。常用备中广泛应用。常用20钢,可做壳体、接管。钢,可做壳体、接管。中碳钢中碳钢(含碳量(含碳量0.3%0.60%),如如30、35、40、45、50与与55;综合机械性能良好;综合机械性能良好;常用常用45钢,可做齿轮、钢,可做齿轮、传动轴、搅拌轴、连杆等。传动轴、搅拌轴、连杆等。高碳钢高碳钢(含碳(含碳0.6%),如如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧,钢主要用来制造弹簧,70、80钢用来制造钢丝绳等。钢用来制造钢丝绳等。按含碳量可分为:按含碳量可分为:16优质碳素钢的化学成
13、分和性能优质碳素钢的化学成分和性能钢号钢号化学成分,化学成分,%s ,MPaCMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80 0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0
14、.370.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035175205245315335355375400420摘自摘自GB/T699-199917硫、磷含量更低。硫、磷含量更低。表示方法:在优质钢号后面加一个表示方法:在优质钢号后面加一个A字,如字,如20A。专用钢材专用钢材压力容器用钢:在钢号后冠以压力容器用钢:在钢号后冠以“R ”,如,如 20R;锅炉用钢:在钢号后冠以锅炉用钢:在钢号后冠以“g”,如,如20g;桥梁用钢:在钢号后冠以桥梁用钢:在钢号后冠以“Q”
15、焊接气瓶专用钢板:焊接气瓶专用钢板:HP245HP365;高级优质钢高级优质钢18 品种:钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢品种:钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢钢板钢板(压力容器用热扎厚钢板)(压力容器用热扎厚钢板)一般碳素钢板材有一般碳素钢板材有 Q235-A、Q235-B、Q235-AF、10、15、20等。等。碳钢的品种及规格碳钢的品种及规格19 无缝钢管:冷轧、热轧无缝钢管:冷轧、热轧 有缝钢管有缝钢管普通无缝钢管常用材料有普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。等。专门用途的无缝钢管:如热交换器用钢管、石油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。裂化用无缝管
16、、锅炉用无缝管等。有缝管、水煤气管,分镀锌有缝管、水煤气管,分镀锌(白铁管白铁管)和不镀锌和不镀锌(黑黑铁管铁管)两种。两种。钢管钢管20有圆钢、方钢、扁钢、角钢(等边与不等边)、有圆钢、方钢、扁钢、角钢(等边与不等边)、工字钢和槽钢。工字钢和槽钢。圆钢与方钢主要用来制造各类轴件;圆钢与方钢主要用来制造各类轴件;扁钢常用作各种桨叶;扁钢常用作各种桨叶;角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、横角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、横梁、塔盘支承及各种加强结构。梁、塔盘支承及各种加强结构。型钢型钢21铸钢用铸钢用 ZG表示,如表示,如 ZG25、ZG35等,用于制造等,用于制造各种承受重载荷的复杂
17、零件,各种承受重载荷的复杂零件,如泵壳、阀门、泵如泵壳、阀门、泵叶轮等。叶轮等。锻钢有锻钢有08、10、15、50等牌号。等牌号。石油化工容石油化工容器用器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。等制作管板、法兰、顶盖等。铸钢和锻钢铸钢和锻钢22在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素,以改善在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素,以改善某些性能得到的钢某些性能得到的钢 合金钢。合金钢。合金钢的分类合金钢的分类3.2.2 合金钢合金钢低合金钢:合金总含量低合金钢:合金总含量10%23常用的合金元素有:铬常用的合金元素有:铬(Cr),锰,锰(Mn),镍,镍(Ni),硅,硅(Si),硼,硼(B),钨,钨(
18、W),钼,钼(Mo),钒,钒(V),钛,钛(Ti),铝铝(Al)等。等。合金元素可以提高钢材的强度,改善其热处理性能,合金元素可以提高钢材的强度,改善其热处理性能,提高其高温强度,增强钢材的耐腐蚀性以及提高材提高其高温强度,增强钢材的耐腐蚀性以及提高材料的塑性和韧性、耐低温性能,降低冷脆性等。料的塑性和韧性、耐低温性能,降低冷脆性等。合金元素对钢材性能的影响合金元素对钢材性能的影响24在优质碳素钢的基础上加入一种或几种合金元素而在优质碳素钢的基础上加入一种或几种合金元素而成。成。在低合金结构钢中常加入:在低合金结构钢中常加入:Mn、Si、Cr、Mo、V、Cu、P等,等,Mn、Si、Cr、Nb、
19、V提高强度,提高强度,Cu、P提高耐蚀性。提高耐蚀性。典型牌号典型牌号:16Mn、16MnR、15MnV、09Mn2V、18MnMoNbR等。等。3.2.2.1.低合金钢(低合金高强钢)低合金钢(低合金高强钢)25 新牌号新牌号 如如Q345B、Q345C Q:屈服强度:屈服强度 345 345:指屈服极限指屈服极限 S S=345=345MPa C:质量等级,:质量等级,A、B、C、D、E 旧钢号旧钢号(仍常用)(仍常用)如如16Mn、16MnR 1616:平均含碳量的万分数,含碳:平均含碳量的万分数,含碳0.16%0.16%左右。左右。Mn:合金锰:合金锰1%1%左右。左右。普通低合金结构
20、钢牌号普通低合金结构钢牌号26少量合金可提高钢的强度少量合金可提高钢的强度16Mn与与Q235-A、20两种钢材相比,含碳量接近,但强度两种钢材相比,含碳量接近,但强度要高要高1/3,大型化工容器用,大型化工容器用16MnR制,质量比碳钢轻制,质量比碳钢轻 l/3(南京长江大桥);而用(南京长江大桥);而用15MnVR制造球形贮罐可节省钢制造球形贮罐可节省钢材约材约45%。少量合金可提高钢的耐低温能力少量合金可提高钢的耐低温能力如如09Mn2V(-70)、06MnNb(-90)少量合金可提高钢的耐腐蚀能力少量合金可提高钢的耐腐蚀能力16MnCu钢耐海洋大气及海水腐蚀,钢耐海洋大气及海水腐蚀,1
21、2MnAlV钢制造炼油厂耐高温硫化氢设备。钢制造炼油厂耐高温硫化氢设备。低合金高强度钢性能低合金高强度钢性能27Q345钢钢(如如16Mn、16MnR)综合性能好,用于桥综合性能好,用于桥梁、压力容器等。梁、压力容器等。Q390钢钢(如如15MnV、15MnVR)含含V、Ti、Nb,强,强度高,用于压力容器。度高,用于压力容器。Q460钢钢(如如18MnMoNbR)含含Mo、B,强度高,强度高,用于石化中温高压容器用于石化中温高压容器后两者焊接性差,已不推荐使用。后两者焊接性差,已不推荐使用。典型低合金高强钢应用典型低合金高强钢应用28钢号钢号旧钢号旧钢号主主 要要 化化 学学 成成 分分,%
22、机械性能机械性能CMnSi,s,MPa b,MPa 5,%Q29509MnNb12Mn 0.160.801.500.5529557023Q34516Mn16MnR0.180.201.001.600.553456302122Q39016MnNb15MnTi 0.201.001.600.553906501920Q42014MnVTiRE15MnVN 0.201.001.700.554206801819Q46014MnMoV18MnMoNb 0.201.001.700.5546072017 常用低合金结构钢的牌号、成分、性能常用低合金结构钢的牌号、成分、性能(摘自摘自GB/T1591-1994)29
23、一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不锈钢,称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质的钢为锈钢,称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质的钢为耐酸钢。习惯上这两种钢统称为不锈钢。耐酸钢。习惯上这两种钢统称为不锈钢。不锈钢按钢的金相组织可分为不锈钢按钢的金相组织可分为铁素体不锈钢铁素体不锈钢、奥奥氏体不锈钢氏体不锈钢、奥氏体奥氏体铁素体双相不锈钢铁素体双相不锈钢和和马马氏体不锈钢氏体不锈钢等。等。3.2.2.2.不锈钢与不锈耐酸钢不锈钢与不锈耐酸钢30 铬铬 Cr是是主要的耐蚀元素主要的耐蚀元素。耐蚀机理:耐蚀机理:当当Cr 12.5%时,生成致生成致密氧化膜,且密氧化
24、膜,且Cr含量越高耐含量越高耐蚀性越好。性越好。镍镍 Ni能提高不锈钢的耐蚀范围,能提高不锈钢的耐蚀范围,耐电化学腐蚀耐电化学腐蚀。钼钼 Mo能能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力;提高钢的耐热强度。提高钢的耐热强度。锰锰 Mn可可提高强度提高强度、硬度、硬度。目前正发展用目前正发展用锰来代替镍。锰来代替镍。不锈钢中的合金元素不锈钢中的合金元素31防止焊接用不锈钢产生晶间腐蚀防止焊接用不锈钢产生晶间腐蚀。晶间腐蚀晶间腐蚀:在在400400800800的温度范围内,碳从奥氏体中的温度范围内,碳从奥氏体中以碳化铬(以碳化铬(CrCr2323C C6 6)形式沿晶界析出,使晶界
25、附近含铬量降)形式沿晶界析出,使晶界附近含铬量降低到耐腐蚀所需的最低含量(低到耐腐蚀所需的最低含量(12.5%12.5%)以下,腐蚀就在此)以下,腐蚀就在此贫铬区产生。这种沿晶界的腐蚀称为贫铬区产生。这种沿晶界的腐蚀称为晶间腐蚀。晶间腐蚀。Ti比比Cr更容易与更容易与C化化合。合。钛钛 Ti和铌和铌Nb32元素符号元素符号元素符号元素符号合金元素符号合金元素符号合金元素百分含量合金元素百分含量含碳量千分数含碳量千分数如:如:0Cr13,00Cr19Ni10,1Cr18Ni9Ti等等注意:含碳量:注意:含碳量:1:指含碳:指含碳%0:指含碳:指含碳0.08%00:指含碳:指含碳0.03%不锈钢都
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