化工设备材料及热处理.ppt

第2章 化工设备材料及热处理,第2章 化工设备材料及热处理 2.1 化工设备材料选用原则 2.2 化工设备常用材料 2.3 金属材料的力学性能 2.4 金属材料的物理和化学性能 2.5 金属材料的工艺性能 2.6 金属材料的热处理,2.1 化工设备材料选用原则 (1)使用性原则 对零件功能和寿命的满足程度 (2)工艺性原则 零件能方便的制造出来 . (3)经济性原则 降低加工成本,碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65钢，75钢，85钢。 直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。 对于高应力的重要弹簧可采用50CrVA，如高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。 其他弹簧钢材料还有：65Mn，50CrMn，30W4Cr2VA等。,例如：,工程材料分为三大类: 金属材料、非金属材料和复合材料。 金属材料分为钢铁材料和非铁材料两大类。 非金属材料：陶瓷、玻璃、工程塑料、橡胶、石墨等。,2.2 化工设备常用材料,复合材料,2.2.1钢铁材料,钢: 碳的质量分数2%的铁碳合金。 力学性能： 具有高的强度、塑性和韧性； 用锻造、辗轧、冲压、焊接、铸造等方法获得零件的毛坯。,钢按照化学成分的不同分为碳素钢和合金钢。,结构钢：制造一般机械零件。 碳素钢 工具钢：制造各种刀具、量具、模具 。 合金钢：在碳素钢中加入一定量的合金元素(如硅、锰、铬、镍、钼、钛、钒等)。,按钢中碳的质量分数分：低碳钢（碳的质量分数0.6%）； 按钢的质量分：普通钢（w(s)0.05%，w(p)0.045%）、优质钢（w(s)0.035%，w(p)0.035%）和高级优质钢（w(s)0.025%，w(p)0.025%）。 按钢的用途分： 结构钢是制造一般机械零件和工程结构的钢，其碳的质量分数一般都小于0.7%。 工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具，其碳的质量分数一般都大于0.7%。,1. 碳素钢,（1）普通碳素结构钢,化学成分： w(s)0.05%，w(p)0.045。 优点：塑性好。 所以，其焊接性能、冲压性能都好。 缺点：强度低些。 牌号如： Q235AF即表示屈服极限数值为235MPa的A级沸腾钢。,普通碳素结构钢 Q 屈服点，汉语拼音第一个字母 235 材料的屈服点数值235MPa 屈服点 抗拉强度 伸长率,化学成分：w(s)0.035%，w(p)0.035 常用于制造比较重要的机械零件，一般要进行热处理。,（2）优质碳素结构钢,牌号用两位数字表示，数字代表该钢的平均碳的质量分数为万分之几。 （20钢、40钢、60钢 含碳量？）,如45钢表示平均碳的质量分数为0.45,低碳钢：w(c) 0.6%,硬度大，耐磨。,优质碳素结构钢分类（根据碳的质量分数的多少）：,特点：可用于铸造毛坯；适用于尺寸较大、形状复杂、要求较高的零件,（3）铸 钢,牌号：ZG 200-400 ZG + s (屈服点)+b (抗拉强度),（4）工具钢 通常指碳的质量分数0.651.35的高碳钢，经淬火和回火后硬度很高且耐磨性好，专门用来制造切削刀具和工具，如车刀、铣刀、钻头、锉刀和锯等。 按质量分为碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两种：碳素工具钢的牌号以“T“表示，后面的数字表示碳的质量分数的千分数。例如T10表示碳的质量分数为1的普通碳素工具钢。如为高级优质碳素工具钢，后面加注“A”，如T10 A。,2. 合金钢,为改善钢的力学、工艺或者物理性能，在碳素结构钢中加入合金元素所形成。 合金钢按用途可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三类,用数字和合金元素复合表示。 最前面的数字为碳的质量分数(万分之)，合金元素后面数字为其含量(%)，合金元素含量1.5%时，数字省略。 如60Si2Mn c的质量分数？ Si的质量分数？ Mn的质量分数？ 合金钢牌号后面加A，则表示优质,（1）合金结构钢牌号表示,（2）合金工具钢 合金工具钢是在碳素工具钢的基础加入少量合金元素(Si、Mn、Cr、V等)制成的。合金工具钢常用来制造各种量具、模具和刀具等。 合金工具钢的牌号表示方法为：碳的质量分数1时，钢号中不标出；碳的质量分数小于1时，则以千分之几( 一位数字)表示； 如CrMn钢的碳的质量分数为1.31.5，而9Mn2v钢的碳的质量分数为0.850.95。合金工具钢均属高级优质钢，牌号后不加标“A”。,（3）不锈钢和耐热钢 含有较多合金元素，并且有某些特殊物理、化学性能的合金钢，常用的不锈钢、耐热钢等。 不锈钢和耐热钢的牌号是以数字表示碳的质量分数的千分之几，合金元素符号后的数字表示该合金元素质量分数的百分之几。 不锈钢是指在空气中耐腐蚀的钢。钢中的主要合金元素是铬和镍。一般含铬量不低于12.5才具有良好的耐蚀不锈性能，适用于化工设备中的吸收塔、贮槽、化工管道和容器等。,耐热钢是在高温下不发生氧化并具有较高强度的钢。钢中常含有较多Cr和Si ，以保证具有高的抗氧化性和高温下的力学性能。耐热钢用于制造在高温条件下工作的零件。 化工、化肥、炼油中的塔件、炉管、高温高压管、工业锅炉、气轮机、内燃机等，常用的耐热钢有1Cr13Si13、4Cr10Si2Mo、lCr17Al4Si等；,常用钢材的命名及其性能,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢,合金结构钢,铸钢,缺点：脆性大，不宜焊接和锻压 优点：熔点较低，流动性好，可以铸造形状复杂的大小铸件。 常见的有：灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等 牌号：HT150,3. 铸铁：碳的质量分数2%,2非铁金属材料,非铁金属材料是指除钢铁以外的其他金属，统称为有色金属。有色金属及其合金种类很多，具有许多特殊性能，如导电性和导热性好、密度低、摩擦因数小，在空气、海水以及酸碱介质中耐腐蚀性好等。 有色金属材料种类繁多，最常用的有铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金、轴承合金等。,1.铝及铝合金 纯铝 良好的塑性、耐蚀性、导电性、 导热性、焊接性；但强度和硬度很低，加入合金元素:硅铜镁锰锌,可获得质量轻强度高的零件。,2.铜及铜合金 纯铜：力学性能很低 铜合金：有一定的强度和硬度，导电性、导热性、减摩耐磨性和耐蚀性良好。 黄铜:含锌量较高(15%）的铜锌合金。 青铜:锡青铜和无锡青铜。,牌号: 黄铜:黄铜的牌号用“黄铜”或“H”与后面两位数字表示，数字表示铜的质量分数，其余为锌。如H65表示铜的质量分数65，锌的质量分数35。 青铜 ZCuPb20Sn5 数字代表百分含量 。 余量为铜（Pb）20%, （Sn）5%, （Cu）75%。,3.轴承合金 轴承合金是用来制造滑动轴承的特定材料，它软硬适当，使轴和轴承间的摩擦系数小，容易构成润滑油膜，形成良好的润滑状态。应用比较广泛的轴承合金有锡锑轴承合金、铅锑轴承合金和铝基轴承合金等。锡锑轴承合金和铅锑轴承合金，习惯上称为巴氏合金。,4.钛及钛合金 钛及钛合金具备比强度高，耐热性和耐蚀性好等特点，主要用作航空、航天、造船以及化工工业重要的结构材料。钛和铝一样很容易生成致密坚固的氧化膜保护基体，因而具有优越的耐腐蚀性。,3非金属材料,非金属材料具有优良的耐腐蚀性能，原料来源丰富，品种多样。既可以用做单独的结构材料，又能用做金属设备的保护衬里、涂层，还可做设备的密封材料、保温材料和耐火材料。,定义：在工程中用来作结构或传动件的塑料 优点：具有较高的强度、质量轻，具有绝缘性、减摩 耐磨性、耐蚀性、耐热性等。一般说 来其成 型工艺性好，生产率高，故发展很快。 缺点：力学性能与钢铁材料相比尚有较大的差距，因 而应用也尚受到一定的限制。,4工程塑料,2.2.4复合材料,复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织的组分，以宏观或微观方式复合形成的新型材料，一般由基体组元和增强相或功能组元组成。,常用复合材料,1.玻璃钢 基体：树脂；增强体：玻璃纤维。 性能：强度高、密度小（钢的1/4）、耐腐蚀、绝缘性好。 应用：人造卫星、导弹和火箭外壳（瞬时耐高温性能）； 雷达罩（不反射无线电波、微波透过性好）；电机、 电器及仪表的绝缘零部件；各种管道、泵、阀门、 容器等。,2. 碳纤维增强树脂基复合材料 基体：树脂；增强体：碳纤维。 性能：高的比强度和比模量，良好的高温性能，优良的抗 疲劳性能、耐冲击、减摩耐磨、耐腐蚀等。 应用：制造承载、耐磨等零件，如轴承、密封圈、齿轮等。 化学工业、汽车制造业、航空航天和国防工业等。 美国哥伦比亚号航天飞机推进火箭上的关键部件燃 料喷嘴和燃烧器；人造卫星的机架等C纤维复合材料。,3. 颗粒增强铝基复合材料 基体： 铝合金；增强体：SiC、Al2O3、B4C及石墨等。 性能： 重量轻、比强度高、耐疲劳、耐磨损、热膨胀系 数低、尺寸稳定性好、缺口敏感性低。 应用： 超大规模集成电路基板、各种结构型材和耐磨部 件。,4. 纳米颗粒增强陶瓷基复合材料 5. 碳/碳复合材料 基体：碳 ；增强体：碳纤维。 性能：强度和冲击韧性特别高，比强度高，高温 强度好（2500），良好的抗腐蚀性能和 抗热震性。 应用：主要用于航空航天、军事和生物医学，如 洲际导弹头部的隔热罩、固体火箭喷管、 飞机刹车片、赛车刹车系统等。,2.3 金属材料的力学性能,力学性能是指材料在受力过程中强度和变形方面所表现出的性能。 材料的力学性能都是通过试验得出的。,2.3.1 金属材料的强度与塑性,（1）强度 指金属材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。衡量材料强度的指标有屈服点 和抗拉强度 。 材料到达屈服点后将出现不能消失的塑性变形； 抗拉强度是材料能够承受的最大的强度极限值。,强度问题,强度问题,（2）塑性：指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。,一般用伸长率（）或断面收缩率（）来反映材料塑性的好坏。 伸长率（）计算： 收缩率（）计算：,2.3.2 金属材料的硬度,硬度是金属材料表面抵抗硬物压入而引起塑性变形的能力 。 硬度的测试方法广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。,1.布氏硬度,1990年瑞典工程师布利涅尔（Brinell）提出。 将一定直径的淬火钢球HBS或硬质合金球HBW ，以金属表面压痕单位面积上所承受载荷的大小来确定被测金属材料的硬度。 单位面积载荷单位为MPa。,2.4 金属材料的物理和化学性能,2.4.1 物理性能 包括密度、熔点、热膨胀系数、热导率和导电率等。 由于机械零件的用途不同，其物理性能的要求也不同。,2.4.2 化学性能 化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性。,2.5 金属材料的工艺性能,要将金属材料变成毛坯或零件，就要对其进行加工，来改变形状和尺寸。 主要的加工方法有四种：铸造、锻压、焊接和切削加工。,2.5.1 铸造 将熔化的金属浇注到铸型的型腔中，待其冷却后得到毛坯或直接得到零件的加工方法称为铸造。铸件重量占整体重量的50%-80%。,2.5.2 锻压 锻压是指锻造和板料冲压。 锻造是指金属加热后，用锤或压力机使其产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。锻造广泛用于机床、汽车、拖拉机、化工机器中，如齿轮、连杆、曲轴、刀具、模具等都采用锻造加工。 板料冲压是指板料在机床压力作用下，利用装在机床上的冲模使其变形或分离，从而获得毛坯或零件的加工方法。,锻造,冲压,2.5.3 焊接,焊接是一种永久连接金属材料的工艺方法。通过局部加热、加压或同时加热加压的方法，使分离金属借助原子间结合与扩散作用而连接起来的工艺方法，其应用广泛。,鸟巢焊接,2.5.4 切削加工,金属切削加工是利用金属切割工具，从金属坯件上切去多余金属，从而获得成品或半成品金属零件的加工方法。 常用的机械加工有：车削、钻削、镗削、刨削、铣削及磨削加工。,2.5.4 切削加工,2.6 金属材料的热处理,概念：顾名思义，钢的热处理就是对固态的钢材加热的一种处理方法。 目的：通过不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法，使钢的内部结构发生变化，从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能（硬度、强度、韧性、可加工性等等）的目的，从而可以提高零件的质量，尽量降低成本。 热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。,经热处理的零件,热处理如何形成？,早在公元前770年，人们在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。,热处理如何形成？,随着淬火技术的发展，人们逐渐发现冷却对淬火质量的影响。 三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和水的冷却能力。 中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部碳的质量分数为0.150.4%，而表面碳的质量分数却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。,热处理如何形成？,1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。,热处理方法,降低材料的