6.第六章 压力容器与化工设备常用材料
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化工设备机械基础(6章)
6. 实验与分析
6．1 钢材的机械性能实验与分析
化工设备所用材料需要有一定的强度、刚度、塑性、韧 性等；各种材料的这些机械性能可以通过实验获知。例如： 碳钢的拉伸实验 （1）试验步骤 先准备好试件 装夹在试验机上 开机实验 观察现象，记录数据 进行分析
（2）实验过程、观察、记录
在材料实验机上夹住试件两头，进行拉伸。拉力（称为载荷） 逐步增大，试件变形，长度略有伸长，横截面积略有缩小，最后被 拉断。 其中，脆性材料被拉断后的形状，端口齐平，没有肉眼可见的 变形，是突然脆性断裂。 装在材料实验机上的自动记录绘图设备会记下载荷P与试件有效 段的伸长量△L之间的对应关系，并绘出坐标图，以供分析研究。 其中，塑性材料的拉伸曲线图：
于是，物体或零件受拉伸时的强度条件为
低碳钢、高碳钢、铸铁的冲击实验
以很快的速度作用于零件上的载荷称为冲击载荷。许多机械零件在 工作时会遇到冲击载荷。如火车开车、刹车，改变速度时，车辆间的 挂钩、连杆以及曲轴等都将受到冲击。刹车急，起动猛，冲击力就大。 还有一些机械本身就是利用冲击载荷工作的，如锻锤、冲床、冲击电 钻（锤）、凿岩机、铆钉枪等，其中一些零件必然要受到冲击。承受 冲击载荷的零件要具有承受冲击载荷的能力——冲击韧性。
T为截面上受到的扭矩，与力或功率有关；WT的大小反映了截 面抵抗扭转的能力，称为抗扭截面系数或抗扭截面摸量，与截 面积有关。
许多时候，轴不但受到扭转，而且受到弯曲。我们也可以做试验：用 双手的拇指和食指扳断粉笔或扳弯长橡皮，同样可以观察到弯曲变形 和弯曲破坏的情形（见图6-17）。 在这种情况下，杆件横截面上有弯曲应力存在，其强度条件为
一物体在F力作用下处于平衡状态，但物 体被拉伸（拉长），物体中有应力存在。
物体的应力可用“截面法” 求出：假设用 一个平面截开物体，原来物体内部的相互作用 力——内力被显现出来（FN），这是另一半物 体对这一半物体的作用力，是物体内部两部分 之间的相互作用力。 这个内力与外力F相平衡。如果该物体的横 截面积为A，则 FN=σA 或 σ=FN/A=F/A σ= F/A ≤[σ]
6．1 钢材的机械性能实验与分析
化工设备所用材料需要有一定的强度、刚度、塑性、韧 性等；各种材料的这些机械性能可以通过实验获知。例如： 碳钢的拉伸实验 （1）试验步骤 先准备好试件 装夹在试验机上 开机实验 观察现象，记录数据 进行分析
（2）实验过程、观察、记录
在材料实验机上夹住试件两头，进行拉伸。拉力（称为载荷） 逐步增大，试件变形，长度略有伸长，横截面积略有缩小，最后被 拉断。 其中，脆性材料被拉断后的形状，端口齐平，没有肉眼可见的 变形，是突然脆性断裂。 装在材料实验机上的自动记录绘图设备会记下载荷P与试件有效 段的伸长量△L之间的对应关系，并绘出坐标图，以供分析研究。 其中，塑性材料的拉伸曲线图：
于是，物体或零件受拉伸时的强度条件为
低碳钢、高碳钢、铸铁的冲击实验
以很快的速度作用于零件上的载荷称为冲击载荷。许多机械零件在 工作时会遇到冲击载荷。如火车开车、刹车，改变速度时，车辆间的 挂钩、连杆以及曲轴等都将受到冲击。刹车急，起动猛，冲击力就大。 还有一些机械本身就是利用冲击载荷工作的，如锻锤、冲床、冲击电 钻（锤）、凿岩机、铆钉枪等，其中一些零件必然要受到冲击。承受 冲击载荷的零件要具有承受冲击载荷的能力——冲击韧性。
T为截面上受到的扭矩，与力或功率有关；WT的大小反映了截 面抵抗扭转的能力，称为抗扭截面系数或抗扭截面摸量，与截 面积有关。
许多时候，轴不但受到扭转，而且受到弯曲。我们也可以做试验：用 双手的拇指和食指扳断粉笔或扳弯长橡皮，同样可以观察到弯曲变形 和弯曲破坏的情形（见图6-17）。 在这种情况下，杆件横截面上有弯曲应力存在，其强度条件为
一物体在F力作用下处于平衡状态，但物 体被拉伸（拉长），物体中有应力存在。
物体的应力可用“截面法” 求出：假设用 一个平面截开物体，原来物体内部的相互作用 力——内力被显现出来（FN），这是另一半物 体对这一半物体的作用力，是物体内部两部分 之间的相互作用力。 这个内力与外力F相平衡。如果该物体的横 截面积为A，则 FN=σA 或 σ=FN/A=F/A σ= F/A ≤[σ]
化工设备设计基础第6章化工设备设计概述
外压容器 : 设计压力通常为低压
一、容器的结构与分类
• 4. 按壁温分类
• ⑴ 常温容器
– 指壁温高于-20℃至200℃条件下工作的容器；
• ⑵ 高温容器
– 指壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。对碳家钢或低 合金钢容器，温度超过420℃，合金钢（如Cr-Mo钢）超 过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高温容器；
• ⑶ 中温容器
– 指壁温在常温和高温之间的容器；
• ⑷ 低温容器
– 指壁温低于-20℃条件下工作的容器。其中低于-20℃至 -40℃者为浅冷容器，低于-40℃者为深冷容器。
一、容器的结构与分类
• 5. 按结构材料分类
– 金属容器：目前应用最多的是低碳钢和普通低合 金钢制的容器。在腐蚀严重或产品纯度要求高的 场合，使用不锈钢、不锈复合钢板或铝、银、钴 等制的容器，在深冷操作中，可用铜或铜合金。 而承压不大的塔节或容器，可用铸铁。
•无缝钢管做筒体的公称直径系列
159 219 273 325 377 426
三、压力容器的安全监察
• 1. 安全监察的必要性
– 应用广泛、特殊、事故率高、危害性大，一旦发生破坏会导致爆炸、 介质泄漏等灾难性事故，因此必须纳为特种设备进行管理。
• 2. 压力容器相关的法规和标准
– 法规性规定：具有强制性
• A.三类容器。符合下列情况之一者为三类容器： – (1)高压容器； – (2)中压容器(毒性程度为极度和高度危害介质)； – (3)中压贮存容器(易燃或毒性程度为中度危害介质，且设计压力与容积之积pV ≥ 10MPa·m3)； – (4)中压反应容器(易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV ≥0.5MPa·m3)； – (5)低压容器(毒性程度为极度和高度危害介质，且pV ≥0.2MPa·m3)； – (6)高压、中压管壳式余热锅炉； – (7)中压搪玻璃压力容器； – (8)使用强度级别较高(抗拉强度规定值下限≥540MPa)的材料制造的压力容器； – (9)移动式压力容器，包括铁路罐车（气体、低温液体或永久气体运输车）和罐 式集装箱（介质为液化气体、低温液体等）；
[理学]化工设备机械基础习题解答
![[理学]化工设备机械基础习题解答](https://img.taocdn.com/s3/m/58cfdb32ff00bed5b9f31d39.png)
目录化工设备机械基础课后习题解答 .............................. 错误！未定义书签。
EXERCISE EXPLANATION AND DESIGNING OF THE BASIC OF CHEMICAL EQUIPMENT AND MECHANISM .. 错误！未定义书签。
第一章刚体的受力分析及其平衡规律 .. (2)第一部分例题及其解析 (2)第二部分习题及其解答 (10)第二章金属的力学性能 (18)第一部分例题及其解析 (18)第二部分习题及其解答 (19)第三章受拉（压）构件的强度计算与受剪切构件的实用计算 (22)第一部分例题及其解析 (22)第二部分习题及其解答 (24)第四章直梁的弯曲 (27)第一部分例题及其解析 (27)第二部分习题及其解答 (35)第五章圆轴的扭转 (39)第一部分例题及其解析 (39)第二部分习题及其解答 (43)第六章压力容器与化工设备常用材料 (46)第一部分习题及其解析 (46)第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力、与二次应力 (48)第一部分习题及其解析 (48)第八章内压容器 (52)第一部分例题及其解析 (52)O(c)CAB(a )第二部分 习题及其解答 (55)第九章 外压容器与压杆的稳定计算 (60)第一部分 例题及其解析 .................................................................................................................. 60 第二部分 习题及其解答 .. (67)第一章 刚体的受力分析及其平衡规律第一部分 例题及其解析1.下图(a)是一个三角支架，它由两根杆和三个销钉组成，销钉A 、C 将杆与墙 连接，销钉B 则将两杆连接在一起。
当AB 杆中央 置一重物时，试确定AB 杆两端的约束反力力线方 位（杆的自身质量不计）。
压力容器的选材
1、铝的耐腐蚀性好； 2、铝的导热性能好； 3、铝不产生火花； 4、铝不污染物品和不改变物品颜色； 5、熔焊的铝材在0~-196℃之间韧性不下降；
铜
工业纯铜的牌号： T1 T2 铜 青铜
如：T2、T3、T4可用来做深度的冷冻设备和 换热器
非金属材料 非金属材料可分为：
F----沸腾 b----半镇静钢 Z----镇静钢（一般省略不标） TZ---特殊镇静钢
碳素结构钢
牌号
Q195 Q215 Q235 Q255 Q275
Q235A
屈服极限为235MPa A级质量 镇静钢（Z省略不标） Q235钢由于价格低廉，又具有良好的强度、 塑性、焊接性、切削加工性，在化工设 备制造中广泛应用。
疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在 静载荷下显示脆性或塑性的材料，在疲劳断 裂时，事先都不产生明显的塑性变形，断裂 往往是突然发生的，因此具有很大的危险 性，常常造成严重事故；
反映材料抵抗疲劳能力的指标：
疲劳极限（ σD）
选钢材一般主要强调其钢材的 强度、塑性、韧性
三个性能指标
具体选用时重点考虑钢材的：
生产中常优先采用正火工艺
对一些力学性能要求不高的零件与设备，可 用正火作为最终热处理
什么是淬火？ 是将钢加热到适当温度，保温一 定时间后，快速冷却（水冷或油 冷）的热处理工艺
钢材淬火后的缺点： ① 钢硬而脆. ② 内部组织不稳定 ③ 有内应力
淬火后必须回火
分类--根据温度范围不同
回火
低温回火（150~250℃）
什么是退火？ 是将钢加热到适当温度，保温一定 时间，然后缓慢冷却（炉冷、坑冷） 的热处理工艺
什么是正火？ 是将钢加热到适当温度，保温一定 时间，然后出炉空冷的热处理工艺
铜
工业纯铜的牌号： T1 T2 铜 青铜
如：T2、T3、T4可用来做深度的冷冻设备和 换热器
非金属材料 非金属材料可分为：
F----沸腾 b----半镇静钢 Z----镇静钢（一般省略不标） TZ---特殊镇静钢
碳素结构钢
牌号
Q195 Q215 Q235 Q255 Q275
Q235A
屈服极限为235MPa A级质量 镇静钢（Z省略不标） Q235钢由于价格低廉，又具有良好的强度、 塑性、焊接性、切削加工性，在化工设 备制造中广泛应用。
疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在 静载荷下显示脆性或塑性的材料，在疲劳断 裂时，事先都不产生明显的塑性变形，断裂 往往是突然发生的，因此具有很大的危险 性，常常造成严重事故；
反映材料抵抗疲劳能力的指标：
疲劳极限（ σD）
选钢材一般主要强调其钢材的 强度、塑性、韧性
三个性能指标
具体选用时重点考虑钢材的：
生产中常优先采用正火工艺
对一些力学性能要求不高的零件与设备，可 用正火作为最终热处理
什么是淬火？ 是将钢加热到适当温度，保温一 定时间后，快速冷却（水冷或油 冷）的热处理工艺
钢材淬火后的缺点： ① 钢硬而脆. ② 内部组织不稳定 ③ 有内应力
淬火后必须回火
分类--根据温度范围不同
回火
低温回火（150~250℃）
什么是退火？ 是将钢加热到适当温度，保温一定 时间，然后缓慢冷却（炉冷、坑冷） 的热处理工艺
什么是正火？ 是将钢加热到适当温度，保温一定 时间，然后出炉空冷的热处理工艺
压力容器与化工设备常用材料
酚类：
已从熏烟中鉴定出20多种酚类物质，其主要作用为抗 氧化作用、对产品的呈色呈味作用、抗菌防腐作用。
其中，抗氧化作用对烟熏制品最为重要，抗氧化作用 较强的主要是沸点较高的酚类，如2,5-二甲氧基酚，2， 5-二甲氧基-4-甲基酚等。
熏制品特有的风味主要与存在于气相的酚类有关，高 沸点酚类杀菌效果较强，主要对制品表面的细菌有抑制作 用。
钢的含碳量
旧牌号
新牌号
0.030 0.025 0.010
0.08 0.08 0.04~0.06
含碳量≤0.03%(超低碳不锈钢)
00Cr19Ni10
022Cr19Ni10
00Cr18Mo2
019Cr18Mo2
00Cr27Mo
008Cr27Mo
0.03%<含碳量≤0.1%（低碳级不锈钢）
0Cr18Ni9 （S30408）
N-正火 +N-正火轧制 M-热机械轧制
2. 低合金钢的分类
按含碳量的不同分为低合金结构钢与合金结构钢。 （1）低合金结构钢
含碳量不大于0.25％，有良好的焊接性能，可用于
强度用钢 ，中温钢和低温钢。
a.低合金高强度钢(普低钢)《GB/T 1591-2018》 典型牌号：Q345R 、 Q355、Q420 应用：大型工程结构（如大型桥梁，压力容器及船舶锅炉等）
程应用价值都很小。
钢的通常分类
1.按用途分类 2.按化学成分分类
3.按质量分类
6.3.1 碳素钢
一、碳钢的分类和牌号 1、按钢中碳含量
低碳钢 含碳量小于0.3％。强度较低，塑性较好。 适于制作焊制的化工容器和负荷不大的机械零件。
中碳钢 含碳量在0.3％－0.6％之间。强度和塑性适 中，适于制作轴、齿轮、高压设备顶盖等零件。
化工设备机械基础第四版答案
化工设备机械基础第四版答案【篇一：化工设备机械基础复习及答案】>一、填空题1、强度是指构件＿＿的能力。
2、刚度是指构件＿＿的能力。
3、稳定性是指构件＿保持原有＿平衡状态的能力。
4、如物体相对于地球静止或作匀速运动，则称物体处于＿。
5、物体受外力作用变形时，其内部各部分之间因相对位置改变而引的相互作力称为＿6、脆性材料的安全系数一般取得比塑性材料要＿＿。
7、在轴向拉伸或压缩时，杆件不但有＿＿变形，同时＿＿也发生变形。
8、扭转是＿杆件＿的又种变形方式。
10、弯曲是工程实际中最常见的一种＿＿变形形式。
11、简支梁是梁的一端为固定铰支座，另一端为＿12、外伸梁是简支梁的一端或＿＿伸出支座之外。
13、悬臂梁是梁的一端固定，另一端＿自由＿。
14、最大拉应力理论又称＿15、最大伸长线应变理论又称＿＿强度理论。
16、最大剪应力理论又称＿17、形状改变比能理论，又称＿＿强度理论。
18、构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为＿交变＿应力。
19、硬度是用来＿20、裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的能力称为断裂＿＿。
21、化工设备的密封性是一个十分＿22、化工设备的耐久性是根据所要求的＿＿年限来决定。
23、发生边缘弯曲的原因是由于＿24、当q/b=＿30、凸形封头包括半球形封头＿椭圆形＿封头、碟形封头、球冠形封头四种。
31、碟形封头由以ri为半径的球面，以r为半径的＿过度弧＿高度为h0的直边三部分组成。
32、锥形封头在同样条件下与凸形封头比较，其＿＿情况较差。
33、球冠形封头在多数情况下用作容器中两独立受压室的＿＿封头。
失稳破坏的问题。
35、加强圈应有＿36、卧式容器的支座有＿37、立式容器有耳式支座、＿＿腿式支座和裙式支座四种。
38、法兰按其整体性程度可分为松式法兰、＿39、国家标准中的手孔的公称直径有＿＿和dn250两种。
40、平带一般由数层帆布＿41、v带的横截面为＿等腰梯形＿，其工作面是与轮槽相接触的两侧面。
课程设计-夹套反应釜设计
15
4 计算筒体和封头的壁厚
4.1参见第八章第二节内压容器筒 体与封头厚度的计算（内压设计） 选取推荐的材料，反应釜内受内 压作用，设计压力为0.33Mpa，设 计温度150℃。 由教材P168表8-7查得16MnR在设 计温度150℃的许用应力170Mpa
16
考虑搅拌反应釜装有安全阀，选 取设计压力为操作压力的1.1倍；
33
反应釜安装四个支座，但计算支座 承载能力时只按两个支座考虑，每个支 座应承载约19KN，查教材P346表13-6， 选择适用容器公称直径700-1400mm承载 能力为30KN带垫板的耳式支座，其标记 为：
JB/T 4725-92 耳座B3
34
10 选择手孔、视镜和工艺接管 10.1 选择手孔的公称直径和材料 参见第十一章第一节人孔和手孔的内容。 选择平盖手孔的材料为：
公称直径DN250，公称压力PN1.0，板式 平焊法兰。
其标记为： 手孔 APN1.0 DN250 JB 589-79
35
10.2 选择视镜的公称直径和材料
参见第十一章第二节视镜的内容， 选择普通不带颈碳钢视镜，公称直径 DN80，公称压力PN1.0。
其标记为： 视镜IPN1.0 DN80 HGJ 501--86-4
39
10.3.6 温度计接管
选择加强套管温度计的公称长度1430mm，
温度计接管为无缝钢管φ76×4，外伸
100mm。配用凸面式平焊管法兰PN0.6 DN65，
GB9119.7-88和凸面管法兰盖 PN0.6 DN65
GB9123.788。
其他接管也配用凸面板式平焊管法兰。
各工艺接管都布置在反应釜顶盖中心φ700
HG 21566-95 机架 A 200-40
4 计算筒体和封头的壁厚
4.1参见第八章第二节内压容器筒 体与封头厚度的计算（内压设计） 选取推荐的材料，反应釜内受内 压作用，设计压力为0.33Mpa，设 计温度150℃。 由教材P168表8-7查得16MnR在设 计温度150℃的许用应力170Mpa
16
考虑搅拌反应釜装有安全阀，选 取设计压力为操作压力的1.1倍；
33
反应釜安装四个支座，但计算支座 承载能力时只按两个支座考虑，每个支 座应承载约19KN，查教材P346表13-6， 选择适用容器公称直径700-1400mm承载 能力为30KN带垫板的耳式支座，其标记 为：
JB/T 4725-92 耳座B3
34
10 选择手孔、视镜和工艺接管 10.1 选择手孔的公称直径和材料 参见第十一章第一节人孔和手孔的内容。 选择平盖手孔的材料为：
公称直径DN250，公称压力PN1.0，板式 平焊法兰。
其标记为： 手孔 APN1.0 DN250 JB 589-79
35
10.2 选择视镜的公称直径和材料
参见第十一章第二节视镜的内容， 选择普通不带颈碳钢视镜，公称直径 DN80，公称压力PN1.0。
其标记为： 视镜IPN1.0 DN80 HGJ 501--86-4
39
10.3.6 温度计接管
选择加强套管温度计的公称长度1430mm，
温度计接管为无缝钢管φ76×4，外伸
100mm。配用凸面式平焊管法兰PN0.6 DN65，
GB9119.7-88和凸面管法兰盖 PN0.6 DN65
GB9123.788。
其他接管也配用凸面板式平焊管法兰。
各工艺接管都布置在反应釜顶盖中心φ700
HG 21566-95 机架 A 200-40
6 化工设备常用材料
27
（5）莱氏体（Ledeburite）
莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用 符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的 奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬度很高，塑 性极差，几乎为零 。是一种较粗而硬的金相组织， 存在于白口铸铁、高碳钢中。
2019/10/28
28
（6）马氏体（白色）
2019/10/28
7
3、塑性
延伸率 δ
P1
0 % 0 L1L1 L
0 % 0
断面收缩率 ψ AA110% 0
A
化工设备材料一般要求δ5=10%-20%
2019/10/28
8
4、冲击韧性
冲击韧度αk，使其破坏所消耗的功或吸收
的能除以试件的截面面积
低温容器所用钢板αk值不得低于30J/cm2
2019/10/28
26
（4）珠光体（Pearite）
铁素体与渗碳体的机械混合物 (F＋Fe3C ) 用符号P表示 。
力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合 了铁素体和渗碳体优点，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。其组织为层片状结构，其综 合力学性能好。
2019/10/28
铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。
（1）退火：是将工件加热至某一温度（临界点以上），
保温一段时间，然后随炉或埋入沙中缓慢冷却下来，以 得到接近平衡状态组织的一种热处理方法。
退火的功能是：退火可消除冷作硬化，恢复材料的良好 塑性；细化铸焊工件的粗大晶粒，改善工件的机械性能； 消除残余应力，防止工件变形；可使高碳钢中的网状渗 碳体球化，降低材料硬度，提高塑性，便于切削加工。
球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗 片状石墨最差。
化工设备机械基础第四版容器零部件
名称
特点说明
突面（RF ）
表面是一个光滑的平面，也可车制密纹水线。密封面结构简单，加工方便，且便于 进行防腐衬里。但是，这种密封面垫片接触面积较大，预紧时垫片容易往两边挤， 不易压紧。
凹凸面（MFM ）
密封面是由一个凸面和一个凹面相配合组成，在凹面上放置垫片，能够防止垫片被 挤出，故可适用于压力较高的场合。
为了不使介质泄漏，在密封面与垫圈之间所必须保留下来的最低比压。
2. 法兰的结构与分类
窄面法兰
按接触面分类：
宽面法兰
? 平焊法兰（图(a)、(b)） 法兰盘焊接在设备筒体或管道上，制造容易，应 用广泛，但刚性较差。法兰受力后，法兰盘的矩形截面发生微小转动，见 下图，与法兰相联的筒壁或管壁随着发生弯曲变形。于是在法兰附近筒壁 的截面上，将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低
? 鞍式支座的鞍座包角q为120°或150°，以保证容器在支座上安放稳定。 鞍座的高度有200、300、400和500mm 四种规格，但可以根据需要改变， 改变后应作强度校核。鞍式支座的宽度b可根据容器的公称直径查出。
? 鞍座分为A 型（轻型）和B 型（重型）两类，其中重型又分为B Ⅰ～B Ⅴ 五种型号；A 型和B 型的区别在于筋板和底板、垫板等尺寸不同或数量 不同。
高法兰抗弯刚度；
(5). 操作条件
? 温度； ? 压力； ? 介质腐蚀性。
4. 法兰标准及其选用
4.1 法兰标准
法兰标准分为两个：压力容器法兰标准与管法兰标准。
衬 衬
名称
压力等级 PN （MPa ）
直径范围 DN （mm ）
温度范围
备注
甲
平 型 0.25，0.6，l.0，1.6
化工设备常用材料PPT课件
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• （6）时效
• 操作方法：将钢件加热到80~200度，保温5~20小 时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。
• 目的：1. 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期 间的变形；2.减轻淬火以及磨削加工后的内应力，稳 定形状和尺寸。
• 应用要点：1. 适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要 求形状不再发生变化的紧密工件，如紧密丝杠、测量 工具、床身机箱等。
• 16MnDR：可用于-40℃的钢种；液氨储罐等设备 • 15MnNiDR：提高了低温韧性；-40℃级低温球形容器 • 09MnNiDR：-70℃级低温压力容器用钢；用于制造液丙烯（-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
钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/10~1/3。 • 复合板应用特点： • 用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从
而降低压力容器的制造成本。 • 复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，
因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。
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• （4）回火
• 操作方法：将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后， 于空气或油、热水、水中冷却。
• 目的：1.降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开裂；2.调整 硬度，提高塑性和韧性，获得工作所要求的力学性能；3.稳定工件尺寸。
• 应用要点：1.保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在保持 一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；以保持高的 冲击韧度和塑性为主，又有足够的强度时用高温回火；2.一般钢尽量避 免在230~280度、不锈钢在400~450度之间回火，因为这时会产生一 次回火脆性。
• （6）时效
• 操作方法：将钢件加热到80~200度，保温5~20小 时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。
• 目的：1. 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期 间的变形；2.减轻淬火以及磨削加工后的内应力，稳 定形状和尺寸。
• 应用要点：1. 适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要 求形状不再发生变化的紧密工件，如紧密丝杠、测量 工具、床身机箱等。
• 16MnDR：可用于-40℃的钢种；液氨储罐等设备 • 15MnNiDR：提高了低温韧性；-40℃级低温球形容器 • 09MnNiDR：-70℃级低温压力容器用钢；用于制造液丙烯（-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
钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/10~1/3。 • 复合板应用特点： • 用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从
而降低压力容器的制造成本。 • 复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，
因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。
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• （4）回火
• 操作方法：将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后， 于空气或油、热水、水中冷却。
• 目的：1.降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开裂；2.调整 硬度，提高塑性和韧性，获得工作所要求的力学性能；3.稳定工件尺寸。
• 应用要点：1.保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在保持 一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；以保持高的 冲击韧度和塑性为主，又有足够的强度时用高温回火；2.一般钢尽量避 免在230~280度、不锈钢在400~450度之间回火，因为这时会产生一 次回火脆性。
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⑵含碳＜ 0.77 ％的钢 — 亚共析钢
常温组织为：F＋P
⑶含碳＞ 0.77 ％的钢 — 过共析钢
常温组织为：P＋ Fe3C
15
含碳量对碳钢机械性能的影响
一般的：随含碳量增加，钢的强度、硬度增加，而 塑性、韧性降低。
为什么？
16
（二）铸铁
⑴含碳4.3 ％的铸铁 — 共晶白口铁。
室温组织: （低温）莱氏体 Le′ （P + 共晶 Fe3C）
⑵淬火目的
为了获取马氏体组织，以提高工件的硬度和耐磨 性。它是强化钢材最主要的热处理方法。
⑶淬火剂
有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。
碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。
24
2.回火
淬火后工件有很大内应力，易变形、开裂，须进一步回火。
回火目的：消除淬火内应力，降低硬度、脆性。
①低温回火：150～250℃，得到的组织：回火马氏体。内应 力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。
获得表层硬而耐磨的M组织，心部仍保持原来的组织。 应用：中碳钢和中碳低合金钢
26
（四）钢的化学热处理
钢的化学热处理：将工件置于特定的介质中加热、保温，
使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成
分、组织和性能。 如渗碳，氮化，碳、氮共渗，渗铝等。 渗碳是把钢放在渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温 一定时间，使碳原子渗入钢表层的过程。
（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%～0.07%以下
29
（2）磷
有害元素。虽能使钢的强度、硬度增高，但同时 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”。
（一）铁
铁 α-铁 t＜912℃ — 体心立方晶格，称α-铁 t＞912℃ — 面心立方晶格，称γ-铁
△910℃ ▽910℃
γ-铁
同素异构转变
纯铁性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。 价格昂贵。
7
(二)碳在铁碳合金中的存在形式
1.碳溶解在铁的晶格中形成固溶体
在铁的晶格中挤入一些碳原子以后得到的， 以原有晶格结构为基础并溶有碳原子的物质称固溶体。
制造条件的限制
设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使它成型， 例如下料、卷板、焊接、热处理等，要求材料的加工性 能要好。
3
材料的一般性能
⑴力学性能：强度（常温σs、σb、高温、低温强度，疲劳
强度）；硬度（HB、HRC）；塑性（δ、Ψ）以及冲击 韧性αk
⑵物理性能：密度、熔点、线膨胀系数、导热性、导电性、
细化晶粒，提高力学性能；提高塑性，降低硬度， 消除残余应力。 铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。
22
（二）淬火和回火
1.淬火
将工件加热至相
变温度以上30℃
～50℃，并保温 一段时间后，投
入淬火剂中急速
冷却。
淬火加热温度的选择示意图
23
（二）淬火和回火
⑴淬火温度 亚共析钢在A3以上数十度，过共析钢在A1 以上 数十度；
共析：在恒定温度下由一个有特定成分的固相 分解成另外两个与母相成分不同的相的转变称 为共析转变 。 含碳0.77%的 奥氏体冷S点〔（F：88 %）
+（Fe3C：12 %）〕—珠光体
13
相图中重要的点和线
⑷共晶线 ECF，共晶点C （含碳4.3%）
共晶：在一定温度下，由一定成分的液相同时结
晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。
31
（5）氧
有害元素。使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲
劳强度、冲击韧性等有严重影响。
（6）氮
有害元素。使钢的强度、硬度提高，而塑性降低。
（7）氢
有害元素。产生氢脆、白点等缺陷。
32
2、碳钢的分类与编号
低碳钢 随着含碳量的增加， 钢的强度硬度增加， 而塑性韧性降低。 镇静钢，脱氧完全， 钢锭组织致密，质量 好。 优质钢，S、P杂质含 量低，质量好。
用低碳钢加工齿轮时的热处理步骤：先渗碳，再淬火，最
后高温回火。 用中碳钢加工齿轮时的热处理步骤：淬火后高温回火。
27
热处理
温 度 ℃ 850 炉冷 空冷 油冷
600 组织 时 间 (h, α ， min)
热处理工艺曲线示意图
28
§6-3 碳素钢
一、碳钢
1、常存杂质元素对钢材性能的影响
杂质：硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等
第二篇 压力容器
第 六 章
压力容器与化工设备常用材料
§6-1 金属的晶体结构 §6-2 铁碳合金
§6-3 碳素钢
§6-4 合金钢 §6-5 铸铁 §6-6 有色金属 §6-7 非金属材料
§6-8 设备材料的腐蚀与防护
2
化工设备用材的特殊性
压力 从真空到高压
操作条件的限制
ห้องสมุดไป่ตู้
温度 介质
-250℃~2000℃ 酸碱（腐蚀）、易燃易爆、 有毒甚至剧毒
牌号
等级
w(C) % 0.06-0.12 0.09-0.15 0.14-0.22 0.12-0.20 0.18 0.17 0.18-0.28
Q195 Q215
－ A/ B A
Q235
B C D A/ B
Q255
Q275
－
0.28-0.38
0.50-0.80
0.35
0.050
18
800
A A1 A A S P
温度 /°C
400 300 Ms 200 A A B下
100 0 -100 Mf
M
M转变范围
B转变范围
共 析 钢 C 曲 线
600
A
T
500 A B上
P 转变范围
700
时间/s
19
四、钢的热处理
把钢材在固态下加热到一定温度，保温一段时间，然后以 不同速度冷却，以改变其组织和性能的一种工艺操作称之 为 热处理。
体心立方晶格
如：Fe(＜910℃,α-Fe)、 Cr、Mo、W、V等。
面心立方晶格
如：Fe(>910℃,γ-Fe)、 Al、Cu、Ni、Pb等。
密排六方晶格
如Be、Mg、 Zn、Cd等。
6
§6-2
铁碳合金
一、什么是铁碳合金（黑色金属）？
铁与碳组成的合金—铁碳合金 碳钢：含碳≤ 2.11％ 铸铁：含碳＞2.11％
莱氏体 Le′的性能：硬而脆。
⑵含碳＜ 4.3 ％的铸铁 — 亚共晶白口铁。 室温组织: Le′＋P＋Fe3C ⑶含碳＞ 4.3 ％的铸铁 — 过共晶白口铁。 室温组织: Le′＋Fe3C
17
三、过冷奥氏体的恒温转变
钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727℃以下时变成不稳
定的过冷奥氏体。这种过冷奥氏体随过冷度的不同可以转
P+Fe 3 CⅡ F+P
' P+Fe 3 C Ⅱ+Le
Fe 3 C +Le ' Ⅰ
室温 0 亚共析钢 0.77 过共析钢 2.11 亚共晶白口铸铁 4.3 6.67 C%
工业纯铁
共析钢
共晶白口铸铁
Le'
过共晶白口铸铁
P
12
相图中重要的点和线
⑴液相线ACD ⑵固相线AECF
⑶共析线 PSK，共析点S（含碳0.77%）
塑性、韧性几乎为零。
3.碳以石墨状态单独存在
铁碳合金含碳量小于2.11％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2.11％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。
9
4.珠光体P
铁素体与渗碳体的机械混合物 (F88 %+Fe3C12 %) 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，其强度、
34
碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988)
化学成分 w( Si) w( Mn) % % 0.25-0.50 0.25-0.55 0.30-0.65 0.30-0.70 0.35-0.80 0.35-0.80 0.40-0.70 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 w(S ) % 不大于 0.050 0.050 / 0.045 0.050 0.045 0.040 0.035 0.050 / 0.045 w( P) % 0.045 0.045 0.045 0.045 0.040 0.035 0.045 脱氧 方法 F,b,Z F,b,Z F,b,Z F,b,Z Z TZ Z
20
（一）退火和正火
1.退火
将工件缓慢加热 到相变温度以上某一 温度，保温一定时间， 随炉缓慢冷却。以得 到状态图上的组织。
A3 Acm A1
2.正火
细，韧性可显著提高。
退火、正火加热温度
正火的加热方法同退火，只是置于空气中冷却。晶粒变
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（一）退火和正火
3.退火、正火温度：
亚共析钢在A3以上数十度，过共析钢在Acm以上 数十度； 4.退火、正火目的：
反映铁碳合金的组织、成份和温度之间的关系。 其横坐标—含碳量，纵坐标—温度。
11
。 温度 / C
铁 碳 合 金 状 态 图
1538
A
D 1600
L L+A
E
L+ Fe 3 C Ⅰ 1147
C F
A
912 G
A+Fe 3 CⅡ+Le A+F