化工设备机械基础.ppt

1 1化工设备机械基础化工设备机械基础2 2本课程将学些什么本课程将学些什么看看再说看看再说3 3化工设备储罐 换热设备塔设备反应釜4 4所有的设备都有一个外壳，这个外壳所有的设备都有一个外壳，这个外壳我们把它叫做我们把它叫做容器容器。化工中，这些外壳容器都需要承受一化工中，这些外壳容器都需要承受一定的压力，我们把它叫做定的压力，我们把它叫做压力容器压力容器。5 5压力容器一般由压力容器一般由筒体、封头、支座筒体、封头、支座（基本件）（基本件）接管、法兰接管、法兰（对外连接件）（对外连接件）人孔、手孔、液面计人孔、手孔、液面计（附件）（附件）以及以及一些内构件等零部件一些内构件等零部件组成。组成。7 7.这些设备要满足什么样的工艺要求这些设备要满足什么样的工艺要求？结构如何？结构如何？.用什么材料？如何制作？用什么材料？如何制作？.抵抗压力和温度的能力如何？抵抗压力和温度的能力如何？安全性如何？安全性如何？.经济性如何？经济性如何？8 8一一.主要内容：主要内容：1.化工设备常用材料化工设备常用材料 简介化工设备常用材料性能简介化工设备常用材料性能、分类、热处理方法；分类、热处理方法；2.中、低压化工容器设计中、低压化工容器设计 薄膜理论；内、外压容器设计方法、容器零部件设计；薄膜理论；内、外压容器设计方法、容器零部件设计；3.典型化工设备机械设计典型化工设备机械设计 列管式换热器、塔设备以及反应釜的结构及机械设计列管式换热器、塔设备以及反应釜的结构及机械设计方法。方法。9 9二二.主要参考书及参考资料主要参考书及参考资料：1.1.化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础(第五版）第五版）第五版）第五版）刁玉玮刁玉玮刁玉玮刁玉玮 王立业编著；王立业编著；王立业编著；王立业编著；2.2.压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程 1999 1999；3.3.钢制压力容器钢制压力容器钢制压力容器钢制压力容器 GB150-1998GB150-1998；4.4.管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器 GB151-1999 GB151-1999；5.5.钢制塔式容器钢制塔式容器钢制塔式容器钢制塔式容器 JB4710-2002 JB4710-2002；学时：学时学时：学时期末成绩：平时期末成绩：平时1，期中，期，期中，期末。末。10101111第一篇第一篇 化工设备材料化工设备材料第一章第一章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择1.1 概述概述1）.化工设备的化工设备的使用环境使用环境：压力：真空压力：真空低压低压中压中压 高压高压超高超高压压温度：低温温度：低温中温中温高温高温介质：腐蚀性；易燃；易爆；有毒；剧毒。介质：腐蚀性；易燃；易爆；有毒；剧毒。12121.2 金属材料的性能金属材料的性能1.2.1 1.2.1 力学性能力学性能力学性能力学性能在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。能力。补充材料力学基础知识补充材料力学基础知识131314141.强度强度及其主要指标及其主要指标.固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。例如：例如：容器爆裂；容器爆裂；管道破裂管道破裂;地脚螺栓拉断地脚螺栓拉断;炉管爆裂；炉管爆裂；.强度不够！强度不够！1515（1）.屈服点屈服点屈屈服服现现象象：金金属属材材料料承承受受载载荷荷作作用用，当当载载荷荷不不再再增增加加时时，仍仍继续发生明显的塑性变形。继续发生明显的塑性变形。屈服点：屈服点：（s）材料发生屈服时的应力材料发生屈服时的应力。单位：单位：MPa。一一些些合合金金没没有有明明显显的的屈屈服服点点,规规定定发发生生0.2%残残余余变变形形时时的应力，作为的应力，作为“条件屈服点条件屈服点”。记作记作0.2。1616（2）.抗拉强度抗拉强度(sb b)定义：金属材料在受力过程中，定义：金属材料在受力过程中，发生断裂所达到的最大应力值发生断裂所达到的最大应力值，以以b 表示，单位表示，单位MPaMPa。是压力容器设计是压力容器设计常用的性能指标常用的性能指标。屈强比：屈强比：s s/b b 屈屈强比小，表明材料具有比小，表明材料具有较大大的的塑性塑性储备。(希望屈希望屈强比大一些比大一些)1717（3）.蠕变强度（蠕变强度（n n n n）“蠕变蠕变”现象：现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；漏；铅丝在常温下受重力作用而变长变细。铅丝在常温下受重力作用而变长变细。1818“蠕变蠕变”现象：在高温时现象：在高温时,在一定的应在一定的应力下力下,应变随时间而增加的现象应变随时间而增加的现象,或金属或金属在高温和存在内应力情况下逐渐产生在高温和存在内应力情况下逐渐产生塑性变形的现象塑性变形的现象.“蠕变强度蠕变强度”：材料在材料在高温高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力能力，以，以 n n 表示，单位表示，单位MPa MPa。1919（4）.持久强度（持久强度（D D D D）定义：在一定温度下，经过一定时间断定义：在一定温度下，经过一定时间断定义：在一定温度下，经过一定时间断定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以裂时的应力，以裂时的应力，以裂时的应力，以 D D D D 表示，单位表示，单位表示，单位表示，单位MPa MPa MPa MPa。材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。规定规定：化工设备设计寿命一般化工设备设计寿命一般化工设备设计寿命一般化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小为十万小时，所以用试件在十万小为十万小时，所以用试件在十万小为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。时断裂时的应力作为持久强度。时断裂时的应力作为持久强度。时断裂时的应力作为持久强度。2020（5）疲劳强度）疲劳强度构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂力远小于屈服点就断裂力远小于屈服点就断裂力远小于屈服点就断裂 疲劳。疲劳。疲劳。疲劳。“疲劳极限疲劳极限疲劳极限疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致断构件或零件在交变载荷作用下不致断构件或零件在交变载荷作用下不致断构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：裂的最大应力。表示符号：裂的最大应力。表示符号：裂的最大应力。表示符号：-1 -1 (MPa)(MPa)(MPa)(MPa)。例如：例如：例如：例如：频繁开、停车频繁开、停车容器内压力或温度波动；容器内压力或温度波动；活塞式压缩机压缩气体活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动；容器及管道内压力波动；离心泵频繁开停机或震动离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成交变式。泵轴受力成交变式。21212.塑性及其主要指标塑性及其主要指标金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。不破坏的性质。不破坏的性质。不破坏的性质。因塑性不足引起材料破坏的例子：因塑性不足引起材料破坏的例子：因塑性不足引起材料破坏的例子：因塑性不足引起材料破坏的例子：锻件裂纹锻件裂纹;卷板裂纹卷板裂纹;焊缝热影响区裂纹焊缝热影响区裂纹2222主要指标主要指标：(1)延伸率（延伸率（）2323（2）断面收缩率（）断面收缩率（y y）如：如：纯铁的延伸率为纯铁的延伸率为50%50%，20 20R R的的d d5 5不小于不小于2525%；16 16MnRMnR的的d d5 5不小于不小于21%21%；1 1Cr18Ni9TiCr18Ni9Ti的的d d5 5不小于不小于40%40%。2424（3）冷弯性能）冷弯性能-是钢材塑性指标和冶金是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标质量的综合指标。室温下对试板以一定的内半径（室温下对试板以一定的内半径（室温下对试板以一定的内半径（室温下对试板以一定的内半径（R=0.5R=0.53 3板板板板厚厚厚厚）进行弯曲进行弯曲进行弯曲进行弯曲，是否出现裂纹或起层是否出现裂纹或起层是否出现裂纹或起层是否出现裂纹或起层。在试样在试样在试样在试样被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前,金属材料的金属材料的金属材料的金属材料的变形越大变形越大变形越大变形越大,塑性越好塑性越好塑性越好塑性越好2525塑性指标的实际意义：塑性指标的实际意义：便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。压力容器及其零件都需要具备压力容器及其零件都需要具备这个性质这个性质。26263.硬度的概念硬度的概念金属材料表面抵金属材料表面抵抗其它硬物抗其它硬物压入入的能力。的能力。硬度高材料硬度高材料强度度也高，耐磨性也高，耐磨性较好好；综合性能指标综合性能指标。布氏硬度试验示意图布氏硬度试验示意图2727 常用硬度指标：常用硬度指标：布氏硬度（布氏硬度（HBS);洛氏硬度洛氏硬度（HRA、HRB、HRC);维氏硬度维氏硬度（HV)等。硬度和强度间有一定关系：硬度和强度间有一定关系：如：低碳钢如：低碳钢 b36HBS;28284.冲击韧性及指标（冲击韧性及指标（A Ak k）材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。塑性变形，抵抗断裂的能力。塑性变形，抵抗断裂的能力。塑性变形，抵抗断裂的能力。2929摆锤冲断试样所失去的位能为摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功冲击功（试件（试件所吸收的功）：所吸收的功）：Ak=G(H1-H2)焦耳焦耳！吸收功的高低取决于！吸收功的高低取决于 材料能否迅速塑性变形的能力。材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的试验确定冲击韧性值的试验确定冲击韧性冲击韧性:K=AK/F(J/cm2)30303131 材料的冲材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲材料塑性高，其冲击韧性不一定高。性不一定高。静静载荷下能荷下能够缓慢塑性慢塑性变形的材料，形的材料，在在动载荷下不一定能迅速塑性荷下不一定能迅速塑性变形。形。32325 缺口敏感性缺口敏感性在带有一定应力集中的在带有一定应力集中的在带有一定应力集中的在带有一定应力集中的缺口缺口缺口缺口条件下，条件下，条件下，条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力材料抵抗裂纹扩展的能力材料抵抗裂纹扩展的能力材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴韧性范畴韧性范畴韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩展静载荷下抵抗裂纹扩展静载荷下抵抗裂纹扩展静载荷下抵抗裂纹扩展的性能的性能的性能的性能。冲冲冲冲击韧击韧性？性？性？性？是是是是动载动载荷作用下抵抗荷作用下抵抗荷作用下抵抗荷作用下抵抗裂裂裂裂纹扩纹扩展的能力。展的能力。展的能力。展的能力。33331.2.2 物理性能物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。磁导率，弹性模量，泊桑比等。磁导率，弹性模量，泊桑比等。磁导率，弹性模量，泊桑比等。化工设备设计与制造主要考虑的物理性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.1.线膨胀系数线膨胀系数线膨胀系数线膨胀系数 异种钢焊接异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏；收缩率不同，引起变形或损坏；复合钢板（如不锈钢与碳钢复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同热变性不同,容器壳体容器壳体将会？将会？设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？热变性不同时？固定管板式换热器的管子与壳体固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，线膨胀量相差过大，将会？将会？碳钢表面电镀一层铜碳钢表面电镀一层铜升温后会？升温后会？34342.弹性模量弹性模量E E与泊桑比泊桑比弹性模量弹性模量E E：金属材料对弹性变形抗力：金属材料对弹性变形抗力的指标，的指标，是衡量材料产生弹性变形难是衡量材料产生弹性变形难易程度的。易程度的。(随着温度升高而降低随着温度升高而降低)泊桑比泊桑比：拉伸试件的单位横向收缩与：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为各种钢材近乎为 =0.3=0.3 。35351.2.3 化学性能化学性能金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。主要考虑的化学性能：主要考虑的化学性能：主要考虑的化学性能：主要考虑的化学性能：1.1.耐腐蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力；对介质侵蚀的抵抗能力；对介质侵蚀的抵抗能力；对介质侵蚀的抵抗能力；2.2.抗氧化性抗氧化性抗氧化性抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化的能力。氧化的能力。氧化的能力。氧化性介质氧化性介质氧化性介质氧化性介质如如如如水蒸气、水蒸气、水蒸气、水蒸气、CO2 CO2 CO2 CO2、SO2SO2SO2SO2等。等。等。等。热加工热加工热加工热加工如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。等等。等等。等等。36361.2.4.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能指在保证加工质量的前提下指在保证加工质量的前提下指在保证加工质量的前提下指在保证加工质量的前提下,加工过程的难易程加工过程的难易程加工过程的难易程加工过程的难易程度度度度.可焊性能可焊性能可焊性能可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；固收缩率、热塑性等；铸造性能铸造性能铸造性能铸造性能流动性、凝固收缩率等；流动性、凝固收缩率等；可锻性能可锻性能可锻性能可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；切削加工性能切削加工性能切削加工性能切削加工性能热处理性能热处理性能热处理性能热处理性能3737 1.3 金属材料的分类及牌号金属材料的分类及牌号1.3.1 分类分类1.黑色金属黑色金属 1）生铁）生铁 2）钢）钢钢普通钢优质钢高级优质钢按质量分：按质量分：3838钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢按化学成分：按化学成分：3939钢沸腾钢镇静钢半镇静钢按冶炼方法分：按冶炼方法分：4040按用途分：按用途分：钢建筑钢 结构钢 弹簧钢 轴承钢 工具钢特殊性能钢41412.有色金属有色金属铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金42421.3.2 钢铁牌号及表示方法钢铁牌号及表示方法1.牌号的表示原则牌号的表示原则依据国家标准依据国家标准依据国家标准依据国家标准GB221-2000,GB221-2000,牌号中牌号中牌号中牌号中 化学元素化学元素化学元素化学元素化学符号或汉字表示；化学符号或汉字表示；化学符号或汉字表示；化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法产品用途、冶炼和浇铸方法产品用途、冶炼和浇铸方法产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼汉字或汉语拼汉字或汉语拼汉字或汉语拼音字母表示。音字母表示。音字母表示。音字母表示。例如：沸腾钢例如：沸腾钢例如：沸腾钢例如：沸腾钢F F或沸或沸或沸或沸 灰口铸铁灰口铸铁灰口铸铁灰口铸铁HTHT或灰铁或灰铁或灰铁或灰铁 铸钢铸钢铸钢铸钢ZGZG 锅炉钢锅炉钢锅炉钢锅炉钢g g或锅或锅或锅或锅 容器钢容器钢容器钢容器钢R R或容或容或容或容43432.2.钢号表示法钢号表示法例：例：优质碳素钢优质碳素钢08F 20 R 沸腾钢沸腾钢含碳量为含碳量为0.08%；容器钢容器钢含碳量为含碳量为0.2%普通碳素钢Q235-A,F沸腾钢沸腾钢类别为类别为A钢材屈服点钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母屈服点屈字的拼音首位字母4444 低合金钢低合金钢16MnR 16含碳量含碳量0.16%；Mn合金元素；合金元素；R 容器钢。容器钢。特殊性能钢特殊性能钢1Cr18Ni9 1含碳量含碳量0.1%（千分数）；（千分数）；Cr,Ni主要合金元素；主要合金元素；18含铬量含铬量18%；9 含镍量含镍量9%。45451.41.4 碳钢与铸铁碳钢与铸铁钢铁的组成钢铁的组成钢铁的组成钢铁的组成=95%=95%以上铁以上铁以上铁以上铁+（0.050.054%4%）碳碳碳碳+1%+1%杂质杂质杂质杂质 铁碳合金铁碳合金铁碳合金铁碳合金含碳量含碳量含碳量含碳量0.022%0.022%为钢；为钢；为钢；为钢；含碳量含碳量含碳量含碳量2%2%为铸铁；为铸铁；为铸铁；为铸铁；含碳量含碳量含碳量含碳量0.02%0.02%为工业纯铁；为工业纯铁；为工业纯铁；为工业纯铁；含碳量含碳量含碳量含碳量 4.3%4.3%无实用价值。无实用价值。无实用价值。无实用价值。46461.4.1 铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构1.金属的组织与结构金属的组织与结构在在1500倍显微镜下观察倍显微镜下观察到的显微组织，即金属到的显微组织，即金属的金相组织。的金相组织。金相组织结构直接影响金相组织结构直接影响金属材料的性质金属材料的性质。如，铸铁中的石墨形式不同，其性质也不同。细片状石墨：次之粗片状石墨：差球状石墨：强度最好用用X光和电子显微镜可以观察到金属原子的光和电子显微镜可以观察到金属原子的各种规则排列各种规则排列,称为金属的晶体结构称为金属的晶体结构,简称结简称结构构.47474848纯铁在不同温度下的晶体结构：纯铁在不同温度下的晶体结构：494950502.纯铁的同素异构转变：纯铁的同素异构转变：-Fe -Fe 910（面心立方晶格）（体心立方晶格）固态下铁原子重新排列固态下铁原子重新排列51513.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁碳关系：铁碳关系：固溶态，化合态，混合态固溶态，化合态，混合态固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。格原来形式。（1）铁素体（）铁素体（F）体心立方晶格（体心立方晶格（-Fe）+C铁素体铁素体 （固溶体）（固溶体）塑性好，强度低。5252（2）奥氏体（）奥氏体（A）面心立方晶格面心立方晶格+C奥氏体奥氏体 （固溶（固溶体）体）塑性低，强度高。5353铁碳关系之二：铁碳关系之二：化合态化合态 C+Fe Fe3C Fe3C 称为称为渗碳体渗碳体。性能特点性能特点:.硬，脆硬，脆,塑性几乎为塑性几乎为0；.在一定条件下可以分解在一定条件下可以分解（3）渗碳体（）渗碳体（C）碳碳+铁。铁。渗碳体的作用渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量量2%）成为碳素成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。5454 铁碳合金中含碳量铁碳合金中含碳量铁碳合金中含碳量铁碳合金中含碳量2%2%时，部分碳时，部分碳时，部分碳时，部分碳以石墨形式存在于其中，即所谓以石墨形式存在于其中，即所谓以石墨形式存在于其中，即所谓以石墨形式存在于其中，即所谓铸铁铸铁铸铁铸铁。组织结构特点组织结构特点组织结构特点组织结构特点性能特点：性能特点：性能特点：性能特点：石墨性软、强度极低，相当石墨性软、强度极低，相当石墨性软、强度极低，相当石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。于铸铁中存在许多孔洞。于铸铁中存在许多孔洞。于铸铁中存在许多孔洞。铁碳关系之三铁碳关系之三游离态游离态 5555（4）珠光体（）珠光体（P）铁素体和渗碳体两者的机械混合物铁素体和渗碳体两者的机械混合物性能特点性能特点:介于两者之间介于两者之间,强度和硬度比强度和硬度比F高高,塑性和韧性比塑性和韧性比F差差,但比但比C好；好；5656性能特点性能特点:具有较高的硬度具有较高的硬度（5）莱氏体（）莱氏体（L）珠光体和初次渗碳体的共晶混合物珠光体和初次渗碳体的共晶混合物5757(6)马氏体马氏体(M)从高温奥氏体急冷下来从高温奥氏体急冷下来,得到碳原子在得到碳原子在-Fe中过饱和的固溶体中过饱和的固溶体.性能特点性能特点:硬度高硬度高,很脆很脆,不能承受冲击载荷不能承受冲击载荷.58581.4.2 铁碳合金状态图图图1-121.1.碳钢在常温下的组织碳钢在常温下的组织2.2.临界点及其意义临界点及其意义(1)A1(1)A1线线 (2)A3(2)A3线线 (3)Acm(3)Acm线线(4)(4)ACDACD线线 (5)AECF(5)AECF线线常温下碳钢的性能分析常温下碳钢的性能分析(如图如图1-13):塑性、韧性逐渐减小；塑性、韧性逐渐减小；硬度逐渐增大；硬度逐渐增大；强度先增后减强度先增后减60606161 1.4.3 碳钢碳钢1.1.碳钢中杂质对其性能的影响碳钢中杂质对其性能的影响碳钢中杂质对其性能的影响碳钢中杂质对其性能的影响1 1）.锰锰锰锰(Mn)Mn)来源来源来源来源在冶炼过程中加入锰铁。在冶炼过程中加入锰铁。在冶炼过程中加入锰铁。在冶炼过程中加入锰铁。作用作用作用作用钢材中锰含量高于钢材中锰含量高于钢材中锰含量高于钢材中锰含量高于0.8%0.8%时，即为合金元素存在，时，即为合金元素存在，时，即为合金元素存在，时，即为合金元素存在，可溶于可溶于可溶于可溶于F F中中中中提高强度。是提高强度。是提高强度。是提高强度。是有益元素有益元素。2 2）.硫硫硫硫(S)S)来源来源来源来源矿石和焦炭。矿石和焦炭。矿石和焦炭。矿石和焦炭。存在形式：存在形式：存在形式：存在形式：FeSFeS。作用作用作用作用FeS FeS 的熔点低于钢材热加工开始温度，的熔点低于钢材热加工开始温度，的熔点低于钢材热加工开始温度，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，称为它过早熔化，导致工件开裂，称为它过早熔化，导致工件开裂，称为它过早熔化，导致工件开裂，称为热脆性热脆性。有害元素有害元素！3 3）.硅硅(Si)来源来源冶炼。冶炼。作用作用以脱氧化物以脱氧化物SiO2的形式存在的形式存在 可溶于可溶于F中，提高强度、硬度，是中，提高强度、硬度，是有益元素有益元素。62626363 4).磷磷(P)来源来源来源来源矿石矿石矿石矿石。作用作用作用作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓塑性、韧性下降，即所谓塑性、韧性下降，即所谓塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性冷脆性”。有害元素！有害元素！5）.氢氢(H)来源来源来源来源钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶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，并解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生产生高压力，在钢材内产生产生高压力，在钢材内产生产生高压力，在钢材内产生“白点白点”。“白点白点”裂纹源裂纹源 有害元素！有害元素！（6 6）氮（）氮（）氮（）氮（N N）钢中有过量的氮，加热到一定的温度时会析出，钢中有过量的氮，加热到一定的温度时会析出，钢中有过量的氮，加热到一定的温度时会析出，钢中有过量的氮，加热到一定的温度时会析出，称为称为称为称为“时效时效时效时效”作用作用作用作用硬度、强度提高，塑性下降。硬度、强度提高，塑性下降。硬度、强度提高，塑性下降。硬度、强度提高，塑性下降。处理处理处理处理加入加入加入加入AlAl，TiTi进行固氮处理，形成进行固氮处理，形成进行固氮处理，形成进行固氮处理，形成 AlNAlN和和和和TiNTiN6464（7）氧（）氧（O）以夹杂物、颗粒状形式存在。以夹杂物、颗粒状形式存在。作用作用破坏连续性，降低冲击性能，疲破坏连续性，降低冲击性能，疲劳强度等。劳强度等。656566662.碳钢的分类、牌号碳钢的分类、牌号 （1 1）.普通碳钢普通碳钢含含含含P P、S S等等等等有害杂质较多有害杂质较多有害杂质较多有害杂质较多（S0.055%P0.045%)S0.055%P0.045%)常用有：常用有：常用有：常用有：Q215-A,Q235-A,Q235-A.FQ215-A,Q235-A,Q235-A.F#Q235-B,#Q235-C#Q235-B,#Q235-C,Q275 (,Q275 (参见表参见表参见表参见表1-61-6）式中式中式中式中 QQ普通碳钢，普通碳钢，普通碳钢，普通碳钢，“屈服屈服屈服屈服”的拼音首位字母。的拼音首位字母。的拼音首位字母。的拼音首位字母。235 235材料屈服点（材料屈服点（材料屈服点（材料屈服点（MPa)MPa)A,B,C,DA,B,C,D钢材质量等级，越后越高。钢材质量等级，越后越高。钢材质量等级，越后越高。钢材质量等级，越后越高。F F沸腾钢沸腾钢沸腾钢沸腾钢#GB150-98GB150-98规定使用材料规定使用材料规定使用材料规定使用材料6767（2）.优质碳素钢优质碳素钢 特点：特点：特点：特点：含硫含硫含硫含硫、磷等杂质较少磷等杂质较少磷等杂质较少磷等杂质较少，均，均，均，均0.04%0.04%0.04%0.04%，杂质少，组织杂质少，组织杂质少，组织杂质少，组织均匀，表面质量好。均匀，表面质量好。均匀，表面质量好。均匀，表面质量好。常用有：常用有：常用有：常用有：08,08,08,08,10101010,15,15,15,15,20202020,20,20,20,20g,g,g,g,20202020R R R R,30Mn,40Mn,30Mn,40Mn,30Mn,40Mn,30Mn,40Mn等。等。等。等。式中式中式中式中 数字数字数字数字-含含含含c c c c量的万分数量的万分数量的万分数量的万分数;g-g-g-g-锅炉钢；锅炉钢；锅炉钢；锅炉钢；R -R -R -R -容器钢；容器钢；容器钢；容器钢；Mn-Mn-Mn-Mn-含锰元素约含锰元素约含锰元素约含锰元素约1%1%1%1%。（3 3 3 3）.高级优质钢高级优质钢高级优质钢高级优质钢 磷硫杂质极少磷硫杂质极少磷硫杂质极少磷硫杂质极少 P,s P,s P,s P,s含量含量含量含量0.03%0.03%0.03%0.03%。表示法：如表示法：如表示法：如表示法：如20202020A A A A 6868 1.4.4.钢的热处理钢的热处理热处理工艺实例：热处理工艺实例：热处理工艺实例：热处理工艺实例：缝纫用钢针在火上烧，再缝纫用钢针在火上烧，再缝纫用钢针在火上烧，再缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软；慢慢冷下来后变软；慢慢冷下来后变软；慢慢冷下来后变软；建筑用铁线用火烧软；建筑用铁线用火烧软；建筑用铁线用火烧软；建筑用铁线用火烧软；泵轴调质泵轴调质泵轴调质泵轴调质内韧外硬；内韧外硬；内韧外硬；内韧外硬；扁铲淬火扁铲淬火扁铲淬火扁铲淬火提高硬度和韧提高硬度和韧提高硬度和韧提高硬度和韧性性性性 ；容器焊后退火容器焊后退火容器焊后退火容器焊后退火消除内应消除内应消除内应消除内应力；力；力；力；热处理工艺曲线：热处理工艺曲线：6969（1 1）常用热处理工艺）常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后缓慢加热，保温一定时间后缓慢加热，保温一定时间后缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线随炉冷却（曲线随炉冷却（曲线随炉冷却（曲线1 1 1 1）-退火；退火；退火；退火；空气中冷却（曲线空气中冷却（曲线空气中冷却（曲线空气中冷却（曲线2 2 2 2）-正火正火正火正火 ；作用：作用：降低硬度，增加塑性，改降低硬度，增加塑性，改善机械性能；善机械性能；使组织均匀化，消除内应力。使组织均匀化，消除内应力。【注】加热温度为临界点（钢的内部【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度组织发生转变的温度)以上以上30305050。7070 缓慢加热，保温一定时间缓慢加热，保温一定时间 淬淬火剂火剂中冷却（曲线中冷却（曲线3 3）；）；淬火剂淬火剂:水，盐水水，盐水-用于用于 碳钢；碳钢；油油-用于合金钢。用于合金钢。作用：提高硬度、强度和耐磨作用：提高硬度、强度和耐磨性。性。淬火淬火7171 淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。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，满足技作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。术要求。回火又分为：回火又分为：低温回火（低温回火（150150250 250 ）；）；中温回火（中温回火（300300450 450 ）；）；高温回火（高温回火（500500680680）。）。淬火淬火+高温回火高温回火 称为称为调质处理。调质处理。效果：强度、塑性、韧性均提高效果：强度、塑性、韧性均提高 。回火回火7272（2 2）化学热处理）化学热处理-将零件放在化学介质中进行将零件放在化学介质中进行 加热加热-保温保温-冷却冷却的过程。的过程。使零件表面改性。使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。7373 1.4.5.铸铁铸铁 铁铁铁铁+(2.5+(2.54.0%)4.0%)碳碳碳碳+SiSi、MnMn、P P、S S 等杂质等杂质等杂质等杂质 铸铁铸铁1 1）灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁 如如如如 HT150-330,HT200-400HT150-330,HT200-400 HT-HT-灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁 第一个数字第一个数字第一个数字第一个数字-抗拉强度（抗拉强度（抗拉强度（抗拉强度（MPa)MPa)第二个数字第二个数字第二个数字第二个数字-抗弯强度（抗弯强度（抗弯强度（抗弯强度（MPa)MPa)特点：断口呈灰色，石墨呈片状；特点：断口呈灰色，石墨呈片状；特点：断口呈灰色，石墨呈片状；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；质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；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。吸音减振，某些介质中耐腐蚀性好。吸音减振，某些介质中耐腐蚀性好。吸音减振，某些介质中耐腐蚀性好。74742）球墨铸铁球墨铸铁 如 QT450-10.QT-球墨铸铁球墨铸铁 450-抗拉强度（抗拉强度（MPa)10-延伸率（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。7575 性能指标性能指标材料材料 b(MPa)s(MPa)d d (%)(%)a ak(N.m/cm2)HBS(MPa)45(正火）正火）61036016 5024.1 球墨铸铁球墨铸铁40090025060021815301336 灰铸铁灰铸铁150400 1427 4545号钢、球墨铸铁、灰铸铁的机械性能比较号钢、球墨铸铁、灰铸铁的机械性能比较76763）高硅铸铁）高硅铸铁如：如：如：如：STSi15R,STSi11Cu2CrR,STSi17RSTSi15R,STSi11Cu2CrR,STSi17R式中式中式中式中 ST-ST-高硅耐蚀铸铁，高硅耐蚀铸铁，高硅耐蚀铸铁，高硅耐蚀铸铁，Si15-Si15-含硅含硅含硅含硅15%15%左右，左右，左右，左右，Cu2-Cu2-含铜含铜含铜含铜2%2%左右左右左右左右 R-R-混合稀土元素（混合稀土元素（混合稀土元素（混合稀土元素（0.1%0.1%）。）。）。）。特点：特点：特点：特点：耐腐蚀性好（见书表耐腐蚀性好（见书表耐腐蚀性好（见书表耐腐蚀性好（见书表1-151-151-151-15）；）；）；）；质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造；质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造；质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造；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。导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。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、辅助用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助阳极、管道配件等。阳极、管道配件等。阳极、管道配件等。阳极、管道配件等。77771.5 低合金钢及特殊性能钢低合金钢及特殊性能钢1.5.1 1.5.1 合金元素对钢的影响合金元素对钢的影响合金元素对钢的影响合金元素对钢的影响为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例如：如：如：如：铬：铬：铬：铬：耐腐蚀抗氧化；耐腐蚀抗氧化；耐腐蚀抗氧化；耐腐蚀抗氧化；提高了强度硬度和耐磨性；提高了强度硬度和耐磨性；提高了强度硬度和耐磨性；提高了强度硬度和耐磨性；使钢材的韧性和塑性降低。使钢材的韧性和塑性降低。使钢材的韧性和塑性降低。使钢材的韧性和塑性降低。锰：锰：锰：锰：提高强度和低温冲击韧性。提高强度和低温冲击韧性。提高强度和低温冲击韧性。提高强度和低温冲击韧性。镍：镍：镍：镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高热强性能提高热强性能提高热强性能提高热强性能。硅：硅：硅：硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H H H H2 2 2 2S S S S腐蚀；腐蚀；腐蚀；腐蚀；降低了塑性和冲击韧性。降低了塑性和冲击韧性。降低了塑性和冲击韧性。降低了塑性和冲击韧性。7878 1.成分特点：成分特点：由碳素钢由碳素钢+Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb等元素组成；等元素组成；含碳量均较低，含碳量均较低，0.2%；合金元素总含量合金元素总含量5%。2.相对于碳素钢，其相对于碳素钢，其性能特点性能特点：强度提高；强度提高；耐腐蚀性能提高；耐腐蚀性能提高；低温性能提高。低温性能提高。1.5.2 低合金钢低合金钢7979 碳素钢与低合金钢比较碳素钢与低合金钢比较 类别 品种 sb (MPa)ss(MPa)S/b使用温度（）碳素钢Q235-A 20 400 400 240 250 0.6 0.630350-19475低合金钢 16Mn 15MnV 520 540 360 400 0.69 0.74-40475-4545080803.常用材料：板，管，圆钢等型材。常用材料：板，管，圆钢等型材。4.用途：用途：广泛用于造船，压力容器，桥梁，高广泛用于造船，压力容器，桥梁，