概述過程裝備用材料的種類(1)金屬材料

黑色金屬(如鋼材)、有色金屬(如鋁、銅等)。

(2)非金屬材料如橡膠、石棉、塑料等。(3)復合材料

如玻璃纖維增強塑料(FRP)。

第二篇工程材料第六章過程裝備材料5/27/202516.1.1.1金屬材料的主要性能(1)力學性能它是指材料在外力作用下表現出來的性能，一般有以下幾個主要指標:6.1過程裝備用金屬材料6.1.1金屬材料的基本知識5/27/202521)機械強度它是指材料抵抗外力作用避免引起破壞的能力，它是過程裝備設計與選材的主要依據之一，是材料的重要機械性能指標。反映材料強度高低的指標有:

屈服極限(ReL或Rp0.2)、

抗拉強度(Rm)，

高溫時需要考慮蠕變極限(蠕變極限σn：1萬小時變形量1%)。

交變載荷作用時則需要考慮疲勞極限(σ-1：以106-107次不被破壞的應力)。5/27/202532)塑性塑性是指材料在斷裂前發生不可逆永久變形的能力，通常用伸長率δ和斷面收縮率Z表示。3)韌性韌性是指材料在斷裂前吸收變形能量的能力。韌性是材料對缺口或裂紋敏感程度的反映。評定材料韌性的指標通常以標準試樣的沖擊吸收功(AK)表示（使其破壞所消耗的功或吸收的能除以試件的截面面積）。5/27/202544)硬度硬度是指材料抵抗其它物體壓入的能力，它是衡量材料軟硬的判據。工程上常用的硬度指標為布氏硬度(HBS、HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和維氏硬度(HV)等。

硬度的大小說明材料的耐磨性及切削加工的可能性，通常材料硬度愈高，零件耐磨性愈好，但其切削加工性能較差。材料的硬度與強度之間存在近似的對應關系:材料的強度愈高，其硬度也高。5/27/20255(2)耐腐蝕性能它是指材料在使用工藝條件下抵抗腐蝕性介質侵蝕的能力。對于均勻腐蝕，在過程設備設計中通常是采用普通鋼材再留有一定的腐蝕裕量來解決的。對于有局部腐蝕的過程設備，則必須從選擇相應的耐腐蝕材料及防護措施著手解決。5/27/20256

(3)加工工藝性能金屬材料的加工工藝性能是指保證加工質量的前提下，加工的難易程度。金屬材料的主要加工工藝性能有：焊接性能、鑄造性能、壓力加工性能、機加工性能及熱處理性能等。

5/27/20257金屬材料具有許多優良性能是和金屬原子的聚集狀態以及它的組織有關的。

固態物質，根據其內部原子的聚集狀態的不同分為晶體和非晶體兩大類。所謂非晶體是其內部原子雜亂無章地不規則的堆積。晶體則是其內部原子有規則的排列，所有的固態金屬都是晶體。6.1.1.2金屬材料的晶體結構5/27/20258晶體是由許多金屬原子(或離子)在空間按一定幾何形式規則地緊密地排列而成。把每一個原子看成一個小球，把這些小球用線條連接起來，就這樣得到一個空間格架，這種空間格架叫“晶格”，晶格的最小幾何組成單元叫“晶胞”，如下圖所示：(1)金屬晶體結構的概念5/27/20259各種金屬晶格結構是不同的，常見的金屬晶格結構如下圖所示：5/27/202510(2)金屬材料具有不同的性能與其不同的晶體結構有關。例如，純鐵在910°C以下具有體心立方晶格結構，稱為α-Fe；鐵在910°C～1394°C為面心立方晶格結構，稱為γ-Fe。這兩種晶格結構的鐵，其溶碳能力是不同的：碳溶解到α-Fe中形成的固溶體叫鐵素體，其最大溶碳量不超過0.0218%；碳溶解到γ-Fe中形成的固溶體叫奧氏體，其最大溶碳量可達2.11%。這兩種性質完全不同的組織形式在鋼中的存在狀態也直接影響著鋼的性能。5/27/2025116.1.1.3鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖是用圖解的方法表示鐵碳合金在極其緩慢的冷卻速度下，合金的成分、組織和性能之間的關系及其變化規律，又稱鐵碳合金平衡圖。鐵碳合金相圖是人們在長期的生產和科學實驗中總結出來的，對于了解鋼中組織結構變化和制定熱處理工藝具有極為重要的意義。

整個鐵碳合金相圖可以看成是由Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC和FeC-C等各部分相圖組成。然而，鐵碳合金當含碳量超過5%時機械性能和工藝性能都差而沒有實際應用價值，Fe3C的含碳量達到6.69%，故實際上普遍應用的鐵碳合金相圖是指Fe-Fe3C相圖部分。

5/27/202512圖簡化的Fe-Fe3C相圖5/27/202513(1)鐵碳合金相圖中的基本相

鐵素體碳溶于α-Fe中形成的固溶體稱為鐵素體，用F表示。由于鐵素體中碳的溶解度很小，最大溶解度在727°C時為0.0218%，室溫時溶碳量僅為0.0008%，因此，鐵素體的強度和硬度低、塑性好，力學性能與純鐵相似。

奧氏體碳溶解到γ-Fe中形成的固溶體稱為奧氏體，用A表示。由于奧氏體中碳的溶解度較大，在727°C時為0.77%，在1148°C時達到最大溶碳量2.11%，因此，奧氏體的強度和硬度不高，但塑性好，容易壓力加工。

5/27/202514滲碳體鐵和碳形成的化合物Fe3C稱為滲碳體，其含碳量為6.69％。滲碳體的硬度很高，強度極低，脆性非常大，對鐵碳合金的力學性能有很大影響。萊氏體當含碳量為4.30%的液態合金冷卻到1148°C時，同時結晶出奧氏體和滲碳體的共晶混合物，稱為萊氏體，用Ld表示；在727°C以下，萊氏體中的奧氏體將發生共析轉變，轉變為珠光體，此時由珠光體和滲碳體所組成的萊氏體稱為低溫萊氏體，用Ld'表示。萊氏體中由于含有大量的滲碳體，其硬度高，但脆性很大。

珠光體

鐵素體和滲碳體的共析混合物稱為珠光體，用P表示。珠光體的力學性能介于鐵素體和滲碳體之間。

5/27/202515(2)鐵碳合金相圖中的主要特性點和特性線

S點——共析點：當鐵碳合金的含碳量為0.77％，奧氏體在727°C時發生共析轉變，同時析出鐵素體和滲碳體的共析混合物，即為珠光體。

ACD線——液相線：所有合金在此線以上是液相區，用符號L表示。合金冷卻到此線開始結晶。

AECF線——固相線：所有合金在此線以下均是固體狀態。

5/27/202516ES線——Acm線：表示碳在奧氏體中的溶解度曲線，由于在1148°C時奧氏體中溶碳量最大可達2.11％，而在727°C時僅為0.77％。同時，它也是合金在冷卻過程中從奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。

GS線——A3線：表示合金在冷卻過程中從奧氏體中析出鐵素體的開始線，或在加熱時鐵素體溶入奧氏體的終了線。

PSK線——共析線：又稱A1線，在此線上發生共析轉變，其轉變產物為珠光體。含碳量在0.0218％～6.69％的鐵碳合金冷卻到727°C時都有共析轉變發生。

5/27/202517鋼的機械性能不僅因其化學成分的不同而有很大的差異，另一方面，即使化學成分相同的鋼材，當加熱到一定的溫度時，若采用不同的冷卻方式，則鋼材的機械性能也會有很大的差異，這是由鋼材內部組織結構發生變化所引起的。將鋼材通過適當的加熱、保溫和冷卻過程，使鋼材內部組織按照一定的規律變化，以獲得預期的力學性能和加工性能，這種工藝過程就稱為鋼的熱處理。6.1.1.4鋼的熱處理5/27/202518常用的熱處理方法:(1)退火；(2)正火；(3)淬火；(4)回火；(5)化學熱處理。5/27/2025191)退火退火是把鋼件放在爐中加熱至一定溫度，根據零件形狀尺寸在該溫度保溫一定時間后，然后隨爐以緩慢的冷卻速度冷卻下來，以得到接近平衡狀態組織的一種熱處理工藝。鋼經過退火處理后能達到消除內應力、強度和硬度下降而塑性、韌性提高的目的。根據鋼的成分和熱處理目的要求不同，退火可以分為完全退火、再結晶退火、低溫退火三種熱處理工藝。

5/27/202520

2)正火

正火是將鋼件加熱到GS或ES線(圖8-2)以上30°C～50°C，經適當保溫后在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。正火與退火不同之處在于，正火時鋼的冷卻速度比退火時大，因此，所得組織更細，強度和硬度有所提高。

正火處理具有減少鋼件內應力、均勻組織和細化晶粒，為最終熱處理做好組織準備等作用。另外，對于低碳鋼也可以作為最終熱處理，因為正火使其晶粒細化，并使碳化物分布更均勻，以獲得優良的綜合性能。5/27/2025213)淬火與回火所謂淬火，就是把鋼件加熱到臨界溫度GS或PSK線(圖8-2)以上，使鋼的組織成為單一的奧氏體，然后保溫一定的時間后用油或水急速冷卻的熱處理工藝。由于冷卻速度很大且溫度很低，鋼材組織中的碳原子無能力擴散被全部保留在鐵素體中，形成一種硬度高、脆性大、塑性和韌性都很差且極不穩定的過飽和固溶體，稱為馬氏體。

淬火的主要目的是獲得馬氏體。由于馬氏體是一種不穩定的組織，因此，淬火后一定要進行回火。

5/27/202522所謂回火就是將經過淬火后的鋼件重新加熱到PSK線以下某一溫度，以使其轉變為較穩定的組織，提高鋼的綜合力學性能。

在回火過程中，回火溫度是決定回火后鋼件機械能的主要因素。因此，常按回火溫度的不同分為低溫回火、中溫回火、高溫回火三種熱處理工藝。通常在生產上將淬火加高溫回火的熱處理稱為調質處理，它廣泛應用于要求高強度、承受交變載荷或沖擊載荷的工件(如過程機器中重要的軸等)。

5/27/2025234)化學熱處理化學熱處理是將鋼件置入特殊介質中加熱和保溫，使特殊介質中的一種或幾種元素滲入鋼件表面，改變其成分和組織，從而改變鋼件表面性能的熱處理工藝。它可以提高鋼件的耐蝕性、耐磨性、抗氧化性、耐熱性和抗疲勞性。化學熱處理按照滲入的元素不同可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲以及滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硫和多元共滲等多種表面處理方法。

5/27/202524鋼材按其形狀不同可分為若干類品種，過程裝備制造中所用的常見鋼材品種如表8-1所示，每一品種的鋼材又有一系列不同的規格。6.1.2過程裝備常用鋼材6.1.2.1鋼材的品種和規格鋼材冶煉廠所生產的鋼材品種和規格一般應符合國家標準的規定，用戶可根據工程實際情況合理選用鋼材品種和規格。

5/27/2025255/27/202526鋼材的品種很多，鋼材的分類比較復雜，而且各種標準不盡一致。為了便于生產、保管、選材和研究，我國常用的鋼材分類有如下五種：

6.1.2.2鋼材的分類(1)根據鋼材的化學成分，可分為碳素鋼和合金鋼兩大類，其中碳素鋼按含碳量的多少又分為低碳鋼(含碳量≤0.25%)、中碳鋼(含碳量在0.25%～0.60%之間)和高碳鋼(含碳量＞0.60%)，合金鋼按合金元素的總量又分為低合金鋼(合金元素的總量在10%以下)和高合金鋼(合金元素的總量大于10%)。

5/27/202527(2)根據鋼材的品質，可分為普通鋼(鋼中所含有害雜質S≤0.050%、P≤0.045%)、優質鋼(鋼中所含有害雜質S≤0.035%、P≤0.035%)、高級優質鋼(鋼中所含有害雜質S≤0.025%、P≤0.025%)和特級優質鋼(鋼中所含有害雜質S≤0.015%、P≤0.025%)四類。(4)根據鋼材的金相組織，按退火組織分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼；按正火組織分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。(3)根據鋼材的冶煉方法，按爐的種類分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼；按脫氧的程度分為鎮靜鋼、半鎮靜鋼和沸騰鋼。

5/27/202528(5)根據鋼材的用途，可分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼三大類，其中結構鋼又分為建筑用鋼、專門用鋼(如鍋爐和壓力容器專用鋼板等)和機械零件用鋼。此外，還可根據GB/T13304《鋼分類》將鋼材進行分類：第一部分是按化學成分分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三大類；第二部分是按主要質量等級和主要性能或使用特性進行再分類。

5/27/202529(1)碳素鋼碳素鋼是由鐵和碳組成的鐵碳合金，其含碳量為0.02%～2.11％，是各種工業生產中被廣泛應用的一種金屬材料。根據鋼的質量等級，碳素鋼可分為碳素結構鋼和優質碳素結構鋼。碳素結構鋼有一定的強度、良好的塑性、韌性和加工工藝性，特別是焊接性能良好。雖然品質差一些，但仍能滿足一般結構件的要求，且價格低廉，因而得以廣泛應用，常熱軋成鋼板、型鋼、鋼筋等，用作低壓螺栓、螺母、支架及要求不高的軸類零件等。6.1.2.3壓力容器用鋼壓力容器用鋼根據GB150所引用的鋼材標準，主要為碳素鋼、低合金鋼(包括低合金高強度結構鋼、低溫用鋼、中溫抗氫鋼和低合金耐蝕鋼)和高合金鋼(包括不銹鋼和耐熱鋼)三大類:5/27/2025301)碳素結構鋼碳素結構鋼的牌號通常由四部分組成：第一部分是前綴符號+強度值，如通用結構鋼前綴符號為代表屈服強度的拼音字母“Q”，強度值采用厚度≤16mm的最低屈服強度值(MPa)；第二部分(必要時)為鋼的質量等級符號，用英文字母A、B、C、D、┅表示；第三部分(必要時)為脫氧方式表示符號，沸騰鋼標以符號“F”，鎮靜鋼標以符號“Z”或不標注，特殊鎮靜鋼標以符號“TZ”或不標注；

第四部分(必要時)為產品用途、特性和工藝方法表示符號。

5/27/202531Q235AF表示厚度≤16mm的最低屈服強度值為235MPa、質量等級為A級的沸騰碳素結構鋼。

Q235A、Q235B及Q235C分別表示厚度≤16mm的最低屈服強度值為235MPa的低碳鎮靜鋼，鋼板質量等級分別為A、B、C。

5/27/2025322)優質碳素結構鋼與碳素結構鋼相比，優質碳素結構鋼所含有害雜質(S≤0.035%，P≤0.035%)及非金屬夾雜物較少，塑性及韌性較高，并可通過熱處理強化，多用于較為重要的零件，是應用極廣的一種過程裝備用鋼。但成本比碳素結構鋼高。優質碳素結構鋼的牌號通常由五部分組成：第一部分是以兩位阿拉伯數字表示平均含碳量(萬分之幾)；第二部分(必要時)為當含錳量較高的優質碳素結構鋼，加錳元素符號Mn；第三部分(必要時)表示鋼材冶金質量，即高級優質鋼、特級優質鋼分別以A、E表示，優質鋼不用字母表示；第四部分(必要時)為脫氧方式表示符號；第五部分(必要時)為產品用途、特性和工藝方法表示符號。

5/27/202533

20，表示平均含碳量為萬分之二十(即0.20%)的優質碳素結構鋼。

40Mn，表示平均含碳量為萬分之四十(即0.40%)且含錳量為0.70%～1.00%的優質碳素結構鋼。優質碳素結構鋼在壓力容器制造中應用較多的是10、20鋼鋼管和16Mn、20、35鋼鍛件，其中10、20鋼鋼管主要用于壓力容器各種接管、換熱設備換熱管等的制造，16Mn、20、35鋼鍛件則主要用于壓力容器法蘭、換熱設備管板或強度要求較高的螺栓、螺母等的制造。此外，45鋼常用于軸、齒輪等零件的制造。5/27/202534(2)低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼是在低碳的碳素鋼基礎上，通過添加少量合金元素，從而達到提高鋼的強度和改善其綜合性能的目的。

低合金高強度結構鋼采用低碳的目的是為了提高鋼的塑性，以便獲得良好的焊接性能和冷變形性能，其碳的質量分數一般不超過0.20%。低合金高強度結構鋼的優良性能是靠添加少量合金元素來實現的，常用的合金元素有錳(Mn)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、釩(V)和銅(Cu)等，其總質量分數一般不超過3％。

5/27/202535低合金高強度結構鋼的牌號表示方法和碳素結構鋼的牌號表示方法相同，例如，Q345C表示厚度≤16mm的最低屈服強度值為345MPa、質量等級為C級的低合金高強度結構鋼。低合金高強度結構鋼不僅強度明顯高于具有相同含碳量的碳素鋼，而且具有良好的塑性、焊接性能和一定的耐蝕性能，因此，低合金高強度鋼廣泛用于車輛、船舶、高壓容器、輸油輸氣管道、起重運輸機械和大型鋼結構橋梁等重要結構件的制造。

5/27/202536(3)不銹鋼不銹鋼是指具有耐大氣、酸、堿和鹽等介質腐蝕作用的合金結構鋼，這一類合金結構鋼實際上是在低碳的碳素鋼基礎上，通過添加較多的合金元素(總量超過10％以上)而形成的。

由于較多含量合金元素的加入提高了鋼的整體熱力學穩定性，使鋼呈現電化學性能穩定的組織，并使鋼在腐蝕性介質中呈現穩定的鈍態或表面生成致密的保護膜，從而極大地提高了鋼的耐蝕性能，還具備較好的耐熱性能。

5/27/202537不銹鋼牌號的表示方法是由化學元素符號和表示各元素含量的阿拉伯數字表示，其中碳含量以兩位或三位阿拉伯數字表示碳含量最佳控制值(以萬分之幾或十萬分之幾計)，合金元素含量以合金元素符號及阿拉伯數字表示。

例如，碳含量不大于0.08%、鉻含量為18%～20%、鎳含量為8%～11%的不銹鋼，牌號為06Cr19Ni10；碳含量不大于0.03%、鉻含量為16%～19%、鈦含量為0.1%～1%的不銹鋼，牌號為022Cr18Ti。

5/27/202538不銹鋼中的常用合金元素有鉻、鎳、鉬、銅、鈦、硅、錳和氮等，根據所含主要合金元素的不同，不銹鋼常分為三類：1)以鉻為主的鉻不銹鋼(如06Cr13等)；2)以鉻、鎳為主的鉻鎳不銹鋼(如06Cr19Ni10、06Cr19Ni11Ti等)；3)鉻鎳鉬不銹鋼(如022Cr19Mo3Si2N

等)。5/27/202539過程設備制造中所用的低碳和超低碳不銹鋼，均屬于高合金結構鋼，大多是既耐腐蝕又耐高溫。

除了鉻不銹鋼之外，這些高合金結構鋼均具有良好的高溫或低溫性能。

因此，需要在高溫或低溫工況下使用時可根據不銹鋼相關標準選擇必要的耐高溫或低溫鋼材。

5/27/202540(4)鍋爐和壓力容器專用鋼板為了確保鍋爐和壓力容器的使用安全，鍋爐和壓力容器在制造技術要求上非常嚴格，其承壓元件應采用鍋爐和壓力容器專用鋼板。

這類鋼板要求質地均勻，對硫、磷等有害元素的控制更加嚴格(S≤0.015%，P≤0.025%)，且需要進行某些機械性能方面特殊項目的檢驗。

鍋爐和壓力容器的專用鋼板有Q245R、Q345R、Q370R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR。低溫壓力容器的專用鋼板有16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR。

5/27/202541Q245R是制造鍋爐和壓力容器專用的碳素鋼板。Q345R是制造鍋爐和壓力容器專用的低合金高強度鋼板，具有良好的綜合力學性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊韌性。Q345R是國產鍋爐和壓力容器專用鋼板中使用量最大的一個鋼號，主要用于制造-20°C～400°C的中低壓壓力容器、多層高壓容器及其承壓結構件。

16MnDR是制造-40°C級低溫壓力容器的專用鋼板，可用于液氨儲罐等的制造。

5/27/202542工業上常用的鑄鐵是含碳量為2.11%～4.5%的鐵碳合金，并含有硫、磷、硅、錳等雜質。鑄鐵是一種脆性材料，抗拉強度、塑性、韌性等力學性能均較低，但具有很高的減摩性、耐磨性和優異的消振性以及低的缺口敏感性。鑄鐵的生產成本低廉，鑄造性能好，且具有優良的切削加工性，因此，在工業生產中得到了普遍應用。8.1.3鑄鐵

5/27/202543

常用的鑄鐵有如下幾種：(1)灰鑄鐵碳的全部或大部分以游離狀態的片狀石墨形式存在于鑄鐵中，其斷口呈暗灰色。灰鑄鐵是目前應用最廣泛的一類鑄鐵可用于制造承受壓應力及要求消振、耐磨的零件，如過程裝備中泵、壓縮機的支架、底盤、閥體、泵體、管路附件等。在化工生產中可用于制作純堿或染料介質中工作的壓力容器、泵體、法蘭等。灰鑄鐵的牌號以HT加數字表示，如HT100、HT150、HT200等。后面的數字表示其抗拉強度值(MPa)，數字愈大，強度愈高。5/27/202544(2)球墨鑄鐵球墨鑄鐵是將鐵水經過球化處理和孕育處理后獲得的，即在澆鑄前向鐵水中加入一定量的純鎂、鎳鎂、銅鎂等合金作為球化劑，并加入一定量的硅鐵或硅鈣合金作為孕育劑，以促進碳呈球狀石墨結晶析出。

它是目前最好的鑄鐵，綜合機械性能接近于鋼。過去用碳鋼和合金鋼制造的重要零件(如曲軸、連桿、主軸等)，現不少已改用球墨鑄鐵來制作。球墨鑄鐵的牌號是由“QT”加二組數字組成，如QT400-17、QT420-10等。其中第一組數字是抗拉強度(MPa)，第二組數字是最低伸長率。

5/27/202545(3)可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經退火處理而得，這種鑄鐵中的石墨為團絮狀，故又稱馬鐵。其強度、塑性和韌性均比普通灰鑄鐵高，生產工藝簡便，便于組織大量生產，常用于制造過程裝備中的各種薄壁小型零件。可鍛鑄鐵根據其組織成分和性能可以分為黑心可鍛鑄鐵KTH、珠光體可鍛鑄鐵KTZ和白心可鍛鑄鐵KTB三種，其牌號以可鍛鑄鐵的種類代號加兩組數字表示，例如，KTH300-06表示抗拉強度值為300MPa、最低伸長率為6%的黑心可鍛鑄鐵。5/27/202546(4)耐蝕、耐熱、耐磨鑄鐵在鑄鐵中加入適量的合金元素就形成了具有耐蝕、耐熱、耐磨性能的鑄鐵。在鑄鐵中加入硅、鉻、鋁等合金元素，使表面形成連續而致密的氧化保護膜，從而提高鑄鐵的耐腐蝕性，這種鑄鐵稱為耐蝕鑄鐵，如STSi15R。在鑄鐵中加入硅、鋁、鉻等合金元素，使表面形成致密的氧化膜保護內層不被氧化，或提高鑄鐵的相變點，從而提高鑄鐵的耐熱性，這種鑄鐵稱為耐熱鑄鐵，如RTCr16。在鑄鐵中加入錳、磷等合金元素，從而提高鑄鐵的耐磨性，這種鑄鐵稱為耐磨鑄鐵，如MTP6。

5/27/202547在工業生產中，通常把以鐵為基的金屬材料稱為黑色金屬，而把非鐵金屬及其合金稱為有色金屬。與鋼鐵等黑色金屬材料相比，有色金屬及其合金具有許多優良的特殊性能，如比強度高、導電性和導熱性好、塑性和韌性高、耐腐蝕性和耐磨性強等性能，因而在航空、航天、航海、石油、化工、能源、機電、儀表等多個行業中起到重要的作用。主要有銅、鋁、鉛、鎳、鈦及其合金。8.1.4有色金屬及其合金5/27/202548(1)銅及其合金銅及其合金具有優異的導電、導熱性能，有足夠的強度、彈性和耐磨性，有良好的塑性，易于加工成型，在某些介質中有較好的耐蝕性，因此，在過程工業生產中有一定的應用。主要有純銅、銅合金(黃銅、青銅)兩種類型。5/27/2025491)純銅純銅又稱紫銅，具有高的導電、導熱性及良好的塑性，在低溫下能保持較高的塑性及沖擊韌性。銅在大氣、淡水、海水或中性鹽類水溶液、無氧的堿中是耐蝕的，且在稀的、中等濃度的非氧化性酸(如鹽酸)、有機酸(如醋酸、脂肪酸等)和非氧化性有機化合物介質中均有足夠的耐蝕性，但在氧化性酸(如硝酸、鉻酸、濃硫酸等)、硫化物、氨和銨鹽溶液中是不耐蝕的。由于純銅強度低等原因，在過程裝備制造上應用較多的是它的合金——黃銅和青銅，尤其青銅是經常選用的耐蝕結構材料。工業純銅的編號用其漢語拼音首位字母T結合順序號表示，純度隨順序號增加而降低，如T2，表示雜質含量≤0.1%的工業純銅。5/27/2025502)銅合金①黃銅以銅和鋅為主的二元和多元合金稱為黃銅，二元銅鋅合金稱為普通黃銅，在各類工業中應用廣泛。黃銅有優良的力學性能和工藝性能，價格也比純銅便宜。黃銅色澤美麗，能耐大氣、淡水腐蝕，但在海水、含氧中性鹽的水溶液中常產生選擇性脫鋅腐蝕。為了進一步改善和提高黃銅的性能，又添加錫、鋁、硅、鎳、錳、鉛等合金元素，所形成的合金稱為特種黃銅。5/27/202551普通黃銅的牌號以“黃”字的漢語拼音字頭的“H”加數字表示，數字代表銅的質量分數，如H80；特殊黃銅的牌號以“H”+主加元素符號+銅的質量分數+主加元素的質量分數來表示，如HSn70-1，表示平均含銅量為70%、含錫量1%的錫黃銅；對于鑄造生產的黃銅，其牌號前需加“鑄”字的漢語拼音字頭“Z”。5/27/202552②青銅青銅是人類歷史上最早使用的一種合金。銅合金中除紫銅、黃銅、白銅外，其余的均稱為青銅。一般按銅中第一主添加元素(如錫、鋁、鈹等)分別命名為錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。青銅的強度、硬度、鑄造性、耐蝕性都較高，常用來鑄造耐蝕和耐磨零件，如泵殼、閥門、齒輪、軸瓦、蝸輪等零件。青銅的牌號以“青”字漢語拼音的字頭“Q”加主要合金元素的名稱及含量表示，如QSn4-3，表示平均錫含量為4%、鋅3%的青銅。鑄造青銅在牌號前加“Z”。5/27/202553(2)鋁及其合金鋁屬于輕金屬，相對密度小(2.72)，約為鐵的三分之一；導電性、導熱性、塑性、冷韌性都好，有極好的耐蝕性；強度中等，隨合金化程度而增大、冷加工而硬化，能承受各種壓力加工，并可進行焊接和切削。鋁在氧化性介質中極易生成Ａl2O3保護膜，因此鋁在干燥或潮濕的大氣中，甚至在有硫化物存在的大氣或溶液中，在氧化劑的鹽溶液中，在濃硝酸以及干氯化氫、氨氣中都是穩定的。但含有鹵素離子的鹽類、氫氟酸以及堿溶液都會破壞鋁表面的保護膜。所以鋁不宜在上述介質中使用。

5/27/202554過程裝備制造上常用的鋁及其合金：1)純鋁GB/T16474和GB/T3190將鋁含量不低于99.0%的都統稱為純鋁，牌號用1××××系列表示，其中最后兩位數字表示純度為99.××%，如1060表示鋁含量99.60%。純鋁具有一系列優良的工藝性能，易于鑄造，易于切削，也易于通過壓力加工制成各種規格的半成品，并且在大氣、淡水和一些介質中具有良好的耐蝕性等。5/27/2025552)鋁合金防銹鋁是在大氣、淡水和油等介質中具有良好耐腐蝕性能的變形鋁合金，主要有Al-Mn和AL-Mg兩個合金系列，常用牌號有5A05、3A21等。這類合金不能熱處理強化，只能用冷塑性變形進行強化，具有良好的塑性和焊接性能，強度比純鋁高得多，耐蝕性好，在過程工業中常用來制造各式容器、換熱設備等。過程工業生產中常用的鑄造鋁合金有Al-Si、Al-Mg、Al-Cu三種合金，其中Al-Si鑄造合金應用最廣，其典型牌號為ZAlSi7Mg。鑄造鋁合金具有優良的鑄造性能，可以焊接，有良好的耐蝕性和一定的力學性能，廣泛用來鑄造形狀復雜的耐蝕零件，如管件、泵、閥門、汽缸、活塞等。5/27/202556(3)鉛及其合金鉛屬于重金屬，相對密度大(11.35)，硬度低、強度小、熔點低、導熱性差，不宜單獨作為設備材料，只適合做設備襯里。鉛與銻的合金稱為硬鉛，它的硬度、強度都比純鉛高，在硫酸中的穩定性也比純鉛好，硬鉛的主要牌號有PbSb4、PbSb6、PbSb8和PbSb10。鉛和硬鉛在硫酸、化纖、農藥、電器設備中作為耐酸、耐蝕和防護材料。在工業上還可用作x射線和γ射線的防護材料、配制低熔點合金、軸承合金等。不過，由于鉛有毒，鉛及其合金不允許用于食品工業和制藥工業。5/27/202557(4)鎳及其合金鎳屬于稀有貴重金屬，相對密度為8.902，具有高強度、高塑性和冷韌的特性，它在許多介質中有很好的耐蝕性。鎳合金主要有鎳銅合金、鎳鉻合金、鎳鉬合金、鎳鉻鉬合金、鐵鎳基合金五類。在過程裝備制造中應用較多的是鎳銅合金，其中牌號為NCu28-2.5-1.5的合金是用量最大、用途最廣、綜合機械性能最佳的耐蝕鎳銅合金，也稱蒙乃爾合金，它主要用于化學和石油工業、制鹽工業和海洋開發工程中，制造各種換熱設備、鍋爐給水換熱器、石油和化工用管線、容器、塔、槽、發應釜、彈性部件以及泵、閥、軸等。5/27/202558(5)鈦及其合金鈦的相對密度小(4.5)，不但具有比強度高、耐熱性好和優異的耐腐蝕性能，而且還具有良好的機械性能和較好的加工工藝性能，由于鈦在許多介質中其表面能形成鈍化膜，因而具有極好的耐蝕性。工業純鈦按其雜質含量不同可分為三個等級，牌號分別用TA1、TA2、TA3表示，其純度隨序號增大依次降低。耐蝕鈦合金主要有鈦鈀合金、鈦鎳鉬合金、鈦鉬合金三類，典型牌號有Ti-0.2Pd、Ti-0.8Ni-0.3Mo、Ti-32Mo等。主要用于各種強腐蝕環境的換熱設備、反應釜、分離設備、泵、閥、管道、管件、電解槽等。5/27/2025596.2過程裝備用非金屬材料非金屬材料具有耐腐蝕性好、資源豐富、品種繁多、價格便宜等優點，它既可以單獨用作過程裝備的結構材料，又可用作金屬設備的保護襯里、涂層，還可用作過程裝備的密封材料和保溫材料，是一類有著廣闊發展前景的過程裝備材料。5/27/202560常見的非金屬材料種類有:(1)高分子材料(2)陶瓷材料(3)石墨(4)搪瓷材料5/27/202561高分子材料是以聚合物為基本組分的材料，所以又稱聚合物材料或高聚物材料。高分子材料具有高強度、高絕緣性、高彈性、耐水、耐油、耐磨、耐腐蝕和質輕等一系列優異性能，因此，它已廣泛應用于各種工業生產中，并成為各種工業生產不可或缺的重要材料。其種類繁多，在過程工業生產中常用的主要有塑料、橡膠、涂料等三類。6.2.1高分子材料5/27/202562(1)塑料塑料是以合成或天然樹脂作為主要成分，添加各種輔助材料(如填料、增塑劑、穩定劑、防老劑等)而加工成型的。塑料的品種很多，根據其應用領域不同可以分為如下三類:通用塑料主要包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)等品種，其特點是產量大、用途廣、成型性好、價格低。工程塑料主要包括聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)等品種，其特點是能承受一定外力作用、有良好機械性能和尺寸穩定性、在中低溫下可保持其優良性能，適于工程結構材料。特種塑料主要包括聚砜(PSU)等的耐高溫塑料、聚四氟乙烯(PTFE)等的氟塑料合金等品種，其特點是具有特殊功能，可應用于特殊要求的場合，如耐高溫、潤滑、不粘等。5/27/202563(2)橡膠橡膠是一種有機高分子材料，具有優良的伸縮性、較好的抗撕裂和耐疲勞性以及不透水、不透氣、耐酸堿和絕緣等特性，在過程裝備制造中廣泛用作密封、防腐蝕、防滲漏、減震、耐磨、絕緣以及安全防護等的材料。按照橡膠的使用性能和環境可分為通用橡膠和特種橡膠兩大類，目前橡膠的品種多達170多種，過程裝備制造中常用的品種有：1)天然橡膠(NR)、丁苯橡膠(SBR)等通用橡膠；2)乙丙橡膠(EPM、EPDM)、丙烯酸酯橡膠(ACM)、聚氨酯橡膠(UR)、氟橡膠(FPM)、硅橡膠(SR)等特種橡膠。5/27/202564(3)涂料涂料是一種有機高分子膠體的混合溶液，涂在物體表面上能形成附著堅牢的涂層。涂料主要有三大基本功能：一是保護功能，起著防止產品免受大氣、水分及酸、堿、鹽等介質的腐蝕，以及避免外力碰傷、摩擦；二是裝飾功能，起著使制品表面光亮、美觀的作用；三是特殊功能，可作為標志使用，如管道、氣瓶等。采用防腐涂層的特點是品種多、選擇范圍廣、適應性強、使用方便、價格低廉、適于現場施工等。過程裝備中常用涂料有防銹漆、底漆、大漆、酚醛樹脂漆、環氧樹脂漆以及聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等，大多數情況下用于涂刷設備、管道外表面，也常用于設備內壁的防腐涂層。5/27/202565陶瓷屬無機非金屬材料，其傳統含義是指陶器和瓷器，隨著無機非金屬材料的發展，陶瓷材料不僅包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等全部硅酸鹽材料，而且還包括經過成形、燒結等工序制得的金屬的氧化物、非氧化物等無機非金屬材料。陶瓷材料與金屬材料、高分子材料一起構成了工程材料的三大支柱。

陶瓷材料的性能特點是：具有高的耐熱性、良好的耐腐蝕性、不老化性、高的硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉、抗彎性能差。6.2.2陶瓷材料5/27/202566陶瓷材料的種類很多，根據其用途可分為普通陶瓷、特種陶瓷和其他硅酸鹽陶瓷三類。普通陶瓷又分為日用陶瓷、建筑用陶瓷、絕緣用陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷等種類，特種陶瓷可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、復合陶瓷等種類，其他硅酸鹽陶瓷則主要是指玻璃、鑄石、水泥、耐火材料四種硅酸鹽陶瓷。陶瓷材料在過程工業中應用很多，常用的三種陶瓷材料為：

5/27/202567(1)化工陶瓷化工陶瓷是指用于石油、化工設備的防腐或作為獨立化工設備的陶瓷材料。化工陶瓷除了要求耐腐蝕之外，還要求有不滲透性、能耐一定的溫度急變、承受一定壓力等優良性能。由于化工陶瓷的耐酸性能較好而耐堿性能差，所以又稱為耐酸陶瓷。由于化工陶瓷的主要化學成分為SiO2和Al2O3，所以化工陶瓷具有優良的耐蝕性，因此，在石油、化工生產中化工陶瓷主要用于制造接觸強腐蝕性介質的塔設備、貯槽、容器、泵、風機等，耐酸陶瓷制作的磚、板是石油、化工生產設備最基本的防腐蝕襯里材料，化工陶瓷管及配件則主要用于化工或其他工業部門輸送酸性廢水及腐蝕性介質。5/27/202568(2)特種陶瓷特種陶瓷是指一些具有特殊力學、物理或化學性能的陶瓷，其原料都是經過人工制備的高純度化合物(如氧化物、氮化物、碳化物等)，不像普通陶瓷直接取材于天然原料，因此材料的成分與配比可以控制，制品質量穩定。過程工業生產中所用的特種陶瓷主要有氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷三種，其中氧化鋁陶瓷主要用于制作泵用零件(如軸套、軸承、機械密封環、葉輪)、活塞、閥、熱電偶套管等，氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷主要用于制作泵同時要求耐磨、耐蝕、耐高溫的泵用密封環、高溫軸承、高溫熱電偶套管、球閥、燃汽輪機零件等，碳化硅陶瓷現用于制作耐磨損、耐腐蝕或同時要求耐磨、耐蝕以及耐高溫氧化的零部件。

5/27/202569(3)玻璃由熔融物冷卻硬化而得的非晶態固體，不論其化學組成和硬化溫度如何都稱為玻璃。工業上大量生產的是以SiO2為主要成分的硅酸鹽玻璃，過程工業中所用玻璃即屬于硅酸鹽玻璃，主要用作過程工業生產中的蒸餾塔、吸收塔、換熱設備、泵、管道、閥門及設備的襯里等