【精品】化工材料讲义

精品精品 化工材料讲义化工材料讲义 化工材料传统意义 通过化工技术生产的材料 主要包括高分子材 料和无机材料 如涂料 塑料 橡胶 陶瓷等 建造化工装置所需的工程材料本课程针对化工专业学生的材料概 论 材料与化工两者互为因果 相辅相成 材料是化工的物质基础化学 工艺 单元操作 化工装置 材料 化工是材料的制备途径众多材 料通过不同化工过程及单元操作生产 教材 材料概论 徐晓虹编高等教育出版社参考书 材料概论 周 达飞编化学工业出版社 材料导论 励杭泉编中国轻工业出版社 材料概论 施惠生编同济大学出版社讲授内容 一 绪论 二 金属材料 三 无机非金属材料 四 高分子材料 五 复合材料 六 新材料第一章绪论 一 材料的发展史及分类 二 材料的成分与组织结构 三 结构材料的失效 四 材料的主要性能指标及涵义 五 常用化工设备材料第一节材料的发展史及分类 一 材料的定义材料是指人类社会可接受 能经济地制造有用器件 或物品的固体物质 二 材料的发展史材料是人类社会进步的里程碑人类使用材料的七 个时代1 石器时代公元前10万年2 青铜器时代公元前3000年3 铁器 时代公元前1500年4 水泥时代公元元年5 钢时代1800年6 硅时代195 0年7 新材料时代1990年1 石器时代公元前10万年旧石器时代工具制 作粗糙 用途尚未分化新石器时代对石料进行加工 得到不同用途 的石器2 青铜器时代公元前3000年出现了添加锡 铅的铜合金熔点 低 铸造性能良好用作武器 生活用具 生产工具等3 铁器时代公 元前1500年高温下用木炭还原铁矿石生产铁强度较高 可加工性能 良好用作武器和器件4 水泥时代粘土制作简单陶器在公元元年左右 高温烧制陶器而形成瓷器瓷器由于局部熔化而变得更加致密坚硬 克服了陶器多孔与透水的缺点 5 钢时代1800年左右钢含碳量0 2 2 11 高温下具有高强度 蒸汽机 农业经济社会进入工业经济社 会 导致了大规模的机械化生产 引起了第一次产业革命 即工业 革命6 硅时代1950年 爱迪生效应 二极管 三极管 电子管时代 硅 锗半导体材料的出现 晶体管取代电子管 进入硅时代 单晶硅生产集成电路 微型化7 新材料时代1990年具有一般传统材料所不可比拟的优异性 能和特定性能特征 由多种材料决定社会和经济发展 以人造为主 为了特定的需要设计和加工而成 三 材料工程与材料科学材料工程把基础知识应用于材料的研制 生产 改性和应用 以完成特定的社会任务 材料科学通过材料本质的发现 分析和了解等方面研究 提供材料 结构的统一描绘或模型 以及解释材料结构与性能之间关系的科学 材料科学与工程有关材料成分 结构 工艺和性能与用途之间有关 知识和应用的科学 材料科学四要素1 成分 结构 Composition Structure 影响其性 质的直接因素2 合成 加工 Synthesis Processing 改变材料的组 织结构而影响其性质3 性质 Properties 性能 力学性质 物料 性质和化学性质4 效能 Performance 使用性能或效果 是指材 料在使用条件下的表现 包括环境影响 受力状态 材料特性曲线 乃至寿命估计等 四 材料的分类1 按化学成分 生产过程 结构及性能特点来分类1 金属材料以金属元素为基础的材料优良的力学性能 特别是高强度 和高韧性 优良的可加工性a 铁及铁基合金b 非铁金属及其合金2 高分子材料一类由一种或几种分子或分子团 结构单元或单体 以 共价键结合成具有多个重复单元的单分子材料 特点种类多 密度小 比强度大 电绝缘性 耐腐蚀性好 加工容 易 可符合多种 特种用途的要求 3 无机非金属材料除金属材料 高分子材料以外的几乎所有材料特 点耐高温 高硬度 抗腐蚀 以及优良的介电 压电 光学 电磁 性能及其功能转换性能等 4 复合材料由高分子 无机非金属或金属等几类不同材料通过复合 工艺组合而成的材料 1 按基体可分为金属基 高分子基 无机非金属基复合材料 2 按用途可分为结构复合材料和功能复合材料2 按使用性能分类1 结构材料以力学性能为主的材料的统称2 功能材料以特殊物理性 能或化学性能为主的材料的统称3 按结构分类晶态材料 非晶态材 料 准晶态材料4 按物理性质分类导电材料 高强度材料 半导体 材料 磁性材料 绝缘材料 超导材料 高温材料 透光材料5 按 物理效应分类光电材料 声光材料 压电材料 智能材料 激光材 料 磁光材料 热电材料 非线性光学材料6 按用途分类电子材料 建筑材料 研磨材料 感光材料 电工材料 耐酸材料 光学材 料 包装材料 第二节材料的成分与组织结构 一 材料的成分与结构材料的成分指组成材料的元素种类及其含量 通常用质量分数 或粒子数分数 x 来表示材料的结构指材料 中原子 离子或分子等 排列方式材料原子 离子和分子间的结合 键决定材料的性质晶体晶体由许多质点 包括原子 离子或分子 在三维空间作有规律的周期性重复排列而形成的固体 近程有序 远程有序非晶体非晶体质点在三维空间不呈周期性的规 则排列近程有序 远程无序晶体与非晶体的区别 质点是否在三维 空间作有规则的周期性重复排列 晶体具有自范性 晶体熔化时 具有固定的熔点 而非晶体无明显熔点 只存在一个软化温度范围 晶体具有各向异性 非晶体呈各向同性单晶体与多晶体单晶体质 点按同一取向排列 由一个核心 晶核 生长而成的晶体多晶体由 许多不同位向的小晶体 晶粒 所组成的晶体各向同性 假等向性晶体的几个定义1 阵点将构成晶体的实际质点 原子 离 子 分子 抽象成纯粹的几何点称为阵点 2 空间点阵 简称为点阵 阵点在空间呈周期性规则排列 并具有 等同的周围环境的模型 3 晶格作许多平行的直线把阵点连接起来 构成一个三维的几何格 架称为晶格 4 晶胞晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞 通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞 5 晶胞参数晶胞三条棱边 晶轴 的边长a b c及晶轴之间的夹 角 称为晶胞参数晶系与布拉菲点阵根据晶胞的外形 即 晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为七大晶系立方 四方 正交 六方 单斜 三斜 三方 菱方 十四种布拉菲点阵立方简单立方 体 心立方 面心立方四方简单四方 体心四方正交简单正交 底心正 交 体心正交 面心正交六方简单六方单斜简单单斜 底心单斜三 斜简单三斜三方 菱方 简单三方 菱方 三种立方晶体结构晶体 形成的途径 熔融物质凝固 气态物质冷却不经液体直接凝固 凝 华 溶质从溶液中析出晶体的组成多元晶体由两种或更多元素组 成组成方式固溶体和化合物固溶体加盟组元 溶质 原子占据基本 组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙 而仍保 持基本组元 溶剂 的晶体结构 化合物加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结 构 晶体的缺陷晶体结构缺陷的类型1 点缺陷零维缺陷2 线缺陷一维缺 陷 位错3 面缺陷二维缺陷点缺陷指原子应占而未占的空位或间隙 中不该存在而存在的间隙原子而导致的缺陷 缺陷尺寸很小 仅引起几个原子范围的点阵结构的不完整 线缺陷线缺陷晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现 象 面缺陷在二维方向上偏离理想晶体中的周期性 规则性排列而产生 的缺陷 如晶界 相界等 二 材料的组织在光学显微镜或电子显微镜下可观察到 能反映各 组成相形态 尺寸及分布的图像 三 材料成分和组织结构的检测高分辨率透射电子显微镜 HRTEM 扫 描电子显微镜 SEM 扫描探针显微镜 扫描隧道显微镜 SPM STM 原子力显微镜 AFM X射线衍射 XRD 热重 差热分析 差示扫描量 热法 TG DTA DSC 超导量子相干磁力测定仪 SQUID BET气体吸附 表面积测量和孔结构分析 BET法 其它的方法红外光谱 IR 紫外 可见光光谱 UV Vis X射线光电子能谱 XPS 俄歇能谱 AES 核磁共振 NMR 第 三节结构材料的失效失效材料在外加载荷和环境的作用下 会逐渐 损失原有的物理 化学或力学性能 直至不能继续服役 这一现象 称为失效 结构材料常见的失效形式 过量变形 断裂 磨损 腐蚀 一 材料的变形材料在载荷的作用下发生几何尺寸变化称为变形1 弹性变形在外力作用下 材料产生变形 当外力去除后 变形消失 而恢复原状 这样的变形称为弹性变形 可逆2 塑性变形 范性变形 材料在外力作用下产生去除外力后不 能恢复原状的永久性变形称为塑性变形 不可逆弹性变形或塑性变形超过材料所允许的范围 即发生过量弹 性变形失效或过量塑性变形失效措施加大零件截面尺寸 提高材料 弹性模量或屈服强度 二 材料的断裂固体材料在力的作用下分裂为若干部分的现象称为 断裂断裂过程裂纹的萌生 扩展措施提高材料抗拉强度 疲劳强度 韧度及断裂韧度 三 材料的磨损在机件表面互相接触并作相对运动产生的摩擦过程 中 会有微小颗粒从表面不断分离出来形成尺寸和现状不同的磨屑 使材料逐渐损失 导致机件尺寸变化和质量损失 这种表面损伤 现象即为磨损 机件的摩擦磨损大约消耗总能源的1 3 1 2措施提高材料表面硬度 四 材料的腐蚀物质表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的现 象称为腐蚀化学腐蚀金属表面与介质发生化学反应而引起的破坏 介质气体或非导电有机物 电化学腐蚀金属表面与介质发生电化 学反应引起的破坏 伴随有电流的产生 第四节材料的主要性能指标及涵义材料的性 质力学性质材料在不同载荷和环境作用下表现的变形和断裂行为的 描述物理性质指从物理学的观点表征材料的热学 电学 磁学和光 学等性质化学性质指材料发生化学反应时所显示的性质 一 力学性质1 弹性指材料在外力作用下产生变形 当外力取消后 又恢复到原来的形状和大小的一种特性 1 弹性模量E或G MPa或N mm2 材料在弹性范围内 应力与应变的比 值 弹性模量表征材料抵抗弹性变形的能力2 比例极限 P Sigma MPa 或N mm2 材料在弹性范围内 应力与应变保持直线关系 开始偏离 直线时的应力3 弹性极限 e MPa或N mm2 弹性变形阶段 不产生塑 性变形时所能承受的最大应力2 强度指材料在外力作用下 抵抗变 形或断裂的能力1 抗拉强度 拉伸强度 b材料承受拉伸载荷时 断裂前单位面积上所承受的最大应力2 抗弯强度 弯曲强度 bb 材料承受弯曲载荷时 断裂前单位面积上所承受的最大应力3 抗压 强度 bc材料承受压缩载荷时 断裂前单位面积上所承受的最大应 力4 抗剪强度 Tau 材料承受剪切载荷时 断裂前单位面积上所 承受的最大应力5 抗扭强度 扭曲强度 b材料承受扭荷时 断 裂前单位面积上所承受的最大应力6 屈服强度 s材料承受载荷时 产生屈服现象时的临界应力 它表示材料抵抗塑性变形的能力 屈服材料开始产生塑性变形 7 蠕变强度材料在一定的温度下 经过一定时间 蠕变速度不超过规定的数值 此时所能承受的最大 应力 蠕变在恒应力作用下 应变随时间不断增加的现象 8 疲劳 极限 r材料在交变载荷作用下 经过无限次应力循环而不引起断裂 的最大循环应力 疲劳材料在循环 交变 载荷作用下发生损伤乃 至断裂的过程 3 硬度材料抵抗其他物质刻划或压入其表面的能力 硬度试验方法1 压入法2 划痕法3 回跳法回跳法肖氏硬度布氏硬 度HB Brinell hardness 用钢球压入材料表面 单位面积的承载能力 称为布氏硬 度布氏硬度测量方法用一定直径的压头 球体 以相应试验力压 入待测表面 保持规定时间卸载后 测量材料表面压痕直径 以此 计算出硬度值 洛氏硬度HR Rockwell hardness 用金刚石或淬火钢球压入材料表面 压入深度称为洛氏 硬度洛氏硬度测量方法用锥顶角为120 的金刚石圆锥或直径1 588m m的淬火钢球 以相应试验力压入待测表面 保持规定时间卸载后卸 除主试验力 以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值 维氏硬度HV Vikers hardness 用金刚石压头压入材料表面 单位面积的承载能力 称为 维氏硬度与布氏硬度试验原理基本相同 只是压头改用了锥面夹角 为136 的金刚石正四棱锥体维氏硬度测量方法以一定的试验力将压 头压入试样表面 保持规定时间卸载后 在试样表面留下一个四方 锥形的压痕 测量压痕两对角线长度 以此计算出硬度值肖氏硬度 用一定量的钢球或金刚石球 自一定高度落下 撞击材料后 球又 回跳一定高度 此高度为肖氏硬度4 塑性材料在外力作用下 产生 永久变形的能力称为塑性1 伸长率 Delta 材料在外力作用 下被拉断后 在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分率 10 属塑性材料2 断面收 缩率 Psi 材料在外力作用下被拉断后 其横截面面积的缩 小量与原来横截面积相比的百分率5 韧性指材料抵抗塑性变形和破 坏的能力1 冲击韧性 抗冲强度 冲击强度 aK 材料在冲击载 荷作用下抵抗破坏的能力 在一次性冲击试验中 用试样受冲击而破坏时单位面积破断所吸收 的能量来表示 2 断裂韧性 KIc 材料在裂纹存在的情况下抵抗脆性断裂的能力 二 物理性质1 密度 Rho kg m3 材料单位体积的质量2 热 学性能1 熔点 K 材料由固态转变为液态的熔化温度2 比热容 c J kg K 单位质量的物质 在温度升高或降低1K时所吸收或放 出的热量3 热导率 Lambada W m K 在单位时间内 沿热流 方向单位长度上温度降低1K时 单位面积允许导过的热量4 线膨胀 系数 1 K 1 材料温度每升高1K所增加的长度与原长度的比值3 电学性能1 电 阻率 mm2 m 反映材料绝缘性能的参数 与材料的截面积成 正比 与长度成反比2 电导率 Gamma S m 电阻率的倒数4 磁学性能1 磁导率 H m 衡量磁性材料磁化难易程度的性能 指标 是磁感应强度与磁场强度的比值2 磁感应强度 B T 表示磁 场强度与方向特性的物理量3 磁场强度 H A m 是表示磁场中各 点磁力大小和方向的物理量4 矫顽力 Hc A m 消除剩磁感应强 度所需外加反向磁场的磁场强度的绝对值5 摩擦性能摩擦系数 f 摩擦力与产生摩擦力的正应力的比值第五节常用化工设备材料化学 工业是以石油 煤 合成原料及其他原料等为原料 经过化学处理 和物理处理 为其他产业生产各种原材料或生活资料的工业 是一 个国家的国民经济的基础工业 传统上 建造化工装置所需的工程材料简称为化工材料 而随着化学工业的发展 化工材料的范围也包括催化材料 化学工业的发展 除与原材料的开拓 生产技术开发相关外 生产 技术装备的研究与开发是一个关键的因素 它是实现化工生产技术的手段和保证 化工生产技术装备主要包括各种容器 反应器 塔器 交换器 干 燥器及贮槽等 各种管道 管材 管件 阀门 泵等 而影响各种化工设备使用效果和寿命主要因素就是所用材料的性能 近年来我国化学工业得到了迅速发展 不仅产品的品种日趋繁多 而且化工生产的工艺条件越来越苛刻 由此对制造设备的材料提出 了许多新的要求 化工生产工艺过程经常在高压 高温或超低温下进行的 例如 中压法的合成氨工艺 工作压力为32MPa 高压聚乙烯工艺的压力达到150MPa以上 石油化工中的高温管式裂 解炉和以天然气为原料制造合成氨的甲烷转化炉都要在800 以上工 作 石油气的低温分离必须在 200 进行 这种多样性的化工操作特点 给化工设备材料的选用增加了复杂性 另外 众所周知 有些化工产品生产腐蚀性很大 如氨的合成既要 在高压又要在500 高温下进行 还要防止高温高压下氮 氢气体对 设备的腐蚀 而有些是在强酸或强碱介质中进行的 因此 腐蚀与防腐的问题研究已成为各部门重要课题 国内外不少学者认为所有金属和非金属受环境作用产生的劣化变质 都是腐蚀 以往对腐蚀问题的研究及工程领域所使用的材料 就其数量 腐蚀 损失和科研经费来说以金属材料居多 随科学技术发展 非金属材料 包括无机非金属材料 高分子材料 在化工生产中已越来越占据重要的地位 其品种之多 数量增长 之快 牵扯范围之广 都可以和金属材料相匹敌 一 化工设备对材料的一般要求化工设备广泛使用着各种金属材料 无机非金属材料及高分子材料 由于生产工艺条件的复杂性 不 同性质的化工设备对所需材料要求不同 根据设备使用场合不同 介质 温度 压力等不同 对材料的要求是不同的 化工设备材料选用的一般原则如下 1 耐介质的腐蚀性能材料抵抗周围介质对其腐蚀破坏的能力称为材 料的耐腐蚀性 耐腐蚀性不是材料的一个固定不变的特性 而且随材料的工作条件 而改变 化工生产中所处理的物料常常对结构材料具有腐蚀性 有时甚至物 料本身就是酸碱 另外 有些物料本身不具腐蚀性 但在微生物生 长繁殖时会产生带腐蚀性的代谢物 在设计设备时 材料的耐腐蚀性对选择结构材料常起决定性作用 2 机械性能材料的机械性能好主要表现在耐压力 有足够的强度 特别是在高压条件下 材料机械性能具体表现在五个方面 1 机械强度 这是材料抵抗外力作用 避免引起破坏的能力 是设计中决定许用 应力数值的依据 常用的有强度极限 b 与屈服极限 s 高温时还应考虑蠕变极限 n 与持久极限 D 2 塑性 指材料破坏前塑性变形的能力 反映材料塑性的指标有延伸率 和断面收缩率 承压设备应选用塑性较好材料制造 以便于加工 并使工作安全 3 硬度 反映弹性 强度与塑性的综合性能指标 一般硬度较高的材料 其耐磨性亦较好 强度亦较高 而塑性与切 削性能较差 4 冲击韧性 材料抵抗冲击载荷而不致破坏的能力 用 K表示 K低的材料称为脆性材料 破坏时无明显变形 而 K高的韧性材 料破坏前有明显的变形 制造化工设备的材料 需要有一定的冲击韧性 5 断裂韧性 这是材料对裂纹扩展的抵抗能力 对于中低强度的压力设备用钢和 低温用钢 目前较普遍采用临界裂纹张开位移 COD 值 C 来 评定 构件的 值超过 C 则认为裂纹将会扩展 必须指出 以上的机械性能是相互联系的 选材时应综合考虑 3 耐温性 高温或低温 化工生产经常在高温或低温条件下进行 而生产设备在温度升高或降低时 其材料的性能要发生变化 这种 性能变化有时是非常明显的 因此 在选材时除考虑温度对腐蚀的影响外 更要考虑机械性能的 变化 反映高温下材料机械性能的重要指标是材料蠕变和蠕变极限 低温下则主要考虑脆裂 4 制造加工性能材料总是要经过各种加工以后才能制成设备或机械 的零件 材料在加工方面的物理 化学和机械性能的综合表现构成 了材料的加工性能 或工艺性能 设备的制造工艺性能十分重要 不然 所设计的设备很难或根本无 法加工制造 化工设备应考虑的主要制造工艺性能有金属材料的可焊接性 可锻 造性 可铸造性 可切削性 可热处理性 可冲压性能等 无机非 金属材料的可注浆性 可挤压性 可浇铸性 可压制性等 高分子 材料的可压制性 可压延性 可焊接性 可切削性等 5 物理性能根据不同的使用要求 设备设计时对材料要求不同的物 理性能 如换热设备的热交换面材料要求有较高的导热系数 材料的主要物理性能指标为密度 热导率 比热容 熔点 线膨胀 系数等 6 其他要求材料在制造设备时除满足上述性能要求外 还应考虑价 格 设备或零件装 拆 清理 修理方便等方面的因素 二 金属材料的使用金属材料作为结构材料在化工设备上应用最早 用量最多 主要材料有1 碳钢碳钢即碳素结构钢 可分为普通碳 素钢与优质碳素钢两种 GB700 79规定普通碳素钢按供货时保证的指标不同 可分为甲类 乙类和 特类三种 甲类钢在供货时保证机械性能 乙类钢保证化学充分 特类钢保证 机械性能与化学成分 GB700 88规定碳素结构钢分五种牌号 有的牌号还分等级 一般化工设备用钢 首先要求保证足够的机械强度 因此高等级碳 素结构钢 优质碳素结构钢及低合金钢应用较多 此外 压力设备用钢和锅炉用钢还要求有良好的塑性 且要求钢的 质地均匀 无时效倾向 因此一般都选用杂质和有害气体含量较低 的低碳镇静钢 碳钢虽然应用很广 但存在着不少缺点 首先碳钢综合机械性能不是很高 如强度高的碳钢 往往韧性较低 韧性好的碳钢 则强度较差 其次碳钢在热处理淬火的过程中容易变形 开裂 此外 碳钢耐腐蚀 耐磨 耐热性较差 2 合金钢常用合金钢主要有普通低合金钢 合金结构钢和特殊性能 钢 2 1普通合金钢普通低合金钢是在普通低碳钢中加入总含量不超过3 的合金元素制造的钢种 由于含有少量合金元素 所以它与碳钢相比 机械强度大大提高 且耐热性 耐蚀性及低温性能也有所改善 因此 在化工设备中得到广泛使用 普通低合金钢按特性可分为强度钢 耐蚀钢 高温用钢和低温用钢 几种 由于普通低合金钢中添加合金元素不多 因而价格提高不大 而性 能有很大改善 所以得到广泛应用 尤其在高压设备的制造中 但是 普通低合金钢在强度提高的同时 其塑性和焊接性能有所下 降 对缺口更为敏感 因此对焊缝的要求更为严格 为此 除焊接工艺选择恰当外 结构设计也十分重要 2 2合金结构钢合金结构钢的淬透性好 淬火 回火以后可在较大截 面上得到较好的性能 强度高 热处理变形小 因此 应用于机械制造中的重要零件 合金结构钢有合金渗碳钢 合金调质钢等 2 3特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊的物理性能 化学性能的钢 属于这种类型的钢主要有不锈钢 耐热钢等 对大气或腐蚀介质具有抗蚀能力的钢称为不锈钢 不锈钢按其化学成分可分为铬不锈钢及铬镍不锈钢两大类 其中 Cr13型 如1Cr13 为最常用的铬不锈钢 18 8型 如1Cr18Ni8 为最常用的铬镍不锈钢 化工设备中 特别是食品化工 广泛使用不锈钢 除了它具有良好 的机械性能外 主要是利用其耐腐蚀性能 3 铸铁含碳量 2 06 的铁碳合金称为铸铁 常用的铸铁为普通灰口铸铁 普通灰口铸铁中石墨 碳 可以传递压力 并且能吸收振动起避震 作用 石墨还要一定的润滑作用 使普通灰口铸铁具有较好的耐压 耐震 和耐磨性 且有较好铸造性能 价格比钢便宜 因此铸铁的应用也 很广泛 4 有色金属化工设备中应用的有色金属主要有铜 铝 铅 钛以及 它们的合金 铜与铜合金的最大特点是导热系数高 常用于制造换热表面 低温 下强度有所提高 且保持较好的塑性 冲击韧性也有所增加 常用 于制造深冷设备 如空分装置 有一定耐蚀性 如对有机酸和苛性 碱 铝和铝合金的特点是密度小 质轻 塑性好 导热 导电性好 铝的另一个特点是耐氧化性很强的酸的腐蚀 但不耐碱和盐水 纯铝机械强度差 铝与铝合金常用于制造化工设备的热交换设备 深冷设备的液空吸 附过滤器 分馏塔 耐硝酸贮槽 管道 泵 阀门及各种内衬等 铅及其合金在许多介质中 如磷酸 亚硫酸 氢氟酸 60 等介 质中耐腐蚀 特别在硫酸 80 及硫酸盐溶液中耐腐蚀性好 不 耐乙酸 硝酸等 铅质软 不耐磨 密度大 故不适宜单独做化工设备 主要制造设 备内衬等 钛及其合金具有较高的耐热性 耐许多介质及优良的机械性能 但 价格较贵 常用于制造高温下耐腐蚀设备 三 无机非金属材料的使用无机非金属材料在化工设备上的应用 在很大程度上弥补了金属材料的不足 无机非金属材料具有优良的 耐腐蚀性能 用其制造的化工设备 特别是化工反应器 可在酸 碱介质存在的场合使用 且耐高温 缺点是强度不够 只能在常压或低压场合使用 无机非金属材料既可以用作单独的结构材料 又能用作金属的保护 衬里 涂层 还可以作设备的保温材料和耐火材料 应用无机非金属材料制造化工设备 除要求有良好的耐腐蚀性外 还应有足够的强度 孔隙及吸水性要小 不能渗透 热稳定性好 加工制造容易 成本低及丰富 无机非金属材料的缺点是导热性小 石墨除外 与金属相比机械 强度较低 常用的无机非金属材料有陶瓷 搪瓷 岩石 玻璃等 1 化工陶瓷化工陶瓷具有良好的耐腐蚀性能 足够的不透性 耐热 性和一定的机械强度 表面光滑 断面细密 但陶瓷性脆易裂 导热性差 目前化工生产中 化工陶瓷设备与管道应用较多 化工陶瓷产品有塔 贮槽 容器 泵 阀门 旋塞 反应器 搅拌 器和管道 管件等 化工陶瓷是由耐火石 长石和石英石经成型干燥后焙烧而成 主要 成分为SiO2 其特性如下 1 具有良好的耐腐蚀性能 除氢氟酸 热磷酸外 在各种有机酸 无机酸 氯化物及溴化物等强氧化性介质中均耐蚀 2 性脆 冲击韧性差 抗弯 抗拉强度小于抗压强度 硬度大 弹性模数小 3 热稳定性差 在骤冷骤热情况下容易破裂 化工陶瓷用在介质温度急变不大 常压 或低压 无冲击振动的 中小型设备及管道 泵 阀等零部件上 产品多已定型化 2 化工搪瓷化工搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过900 左右的高温 煅烧 使瓷釉密着于金属胎表面而制成的 化工搪瓷具有优良的耐蚀性 能耐大多数无机及有机酸 有机溶剂 等介质的腐蚀 尤其是在盐酸 硝酸 王水等介质中有优良的耐蚀 性 但是不能用于氢氟酸 温度高于180 的磷酸 150 以上的盐酸以 及温度高于100 的碱液等介质中 具有较好的耐磨性和电绝缘性 搪瓷表面十分光滑并能隔离金属离子 因此 搪瓷设备广泛地应用于耐腐蚀 不挂料以及产品纯度要求较 高的场合之中 目前我国生产的搪瓷设备有反应罐 贮罐 管道 管件 换热器 蒸发器 塔和阀门等 由于搪瓷的导热系数小 体膨胀系数较大 因此应避免骤冷或骤冷 搪瓷设备表面损坏时 可以用水玻璃胶泥或环氧胶泥等进行修补 化工搪瓷能耐大多数无机酸 包括强氧化性酸 有机酸 有机溶 剂等的腐蚀 但不耐强碱 氢氟酸 热磷酸的腐蚀 化工搪瓷的热导率虽然不高 但是由于搪瓷层很薄 约0 8 1 5mm 与金属结合紧密 且搪瓷层光滑 不易结垢 所以传热效率尚好 故常用搪瓷制成带有夹套传热的反应器 浓缩锅等 用于轻化工 业及制药工业 化工搪瓷质脆 不耐机械碰撞 压紧面较易损坏 热稳定性不高 损坏后修补困难 3 化工玻璃玻璃具有良好的耐腐蚀性能 除氢氟酸 热磷酸及强碱 外 对大多数酸类 稀碱液及有机溶剂等均耐腐蚀 玻璃表面光滑 流体阻力小 不易结垢或粘附 可以保证物料的清 洁 玻璃不耐冲击振动 热稳定性差 为克服这些缺点 常采用金属管内衬玻璃管道或用玻璃钢加强玻璃 管道 目前化工设备防腐蚀中应用的玻璃主要有硼硅玻璃和无硼低碱玻璃 主要用作管道 管件 泵 反应器 热交换器 隔膜阀等 4 砖板内衬在化工生产中 砖板内衬设备是一种应用广泛 行之有 效的非金属防腐蚀方法 作内衬的砖 板 管材有辉绿岩板 耐酸陶瓷砖 板 管材 不透 性石墨板 玻璃管 辉绿岩板 管材是由辉绿岩石熔融铸成的 主要成分是二氧化硅 除氢氟酸 300 以上的磷酸和熔融的碱外 对所有的有机酸 无机 酸和碱类均耐腐蚀 而且耐磨性也好 耐酸陶瓷砖 板 管材是由耐火粘土 长石及石英以干成型法焙烧 而成的 主要成分也是二氧化硅 耐蚀性基本上与辉绿岩相同 不透性石墨板及玻璃管的耐腐蚀性能也很好 四 高分子材料的使用高分子材料作为一种新型的化工结构材料 在化工设备上得到了广泛的应用 具有极高的使用价值 1t化工防腐蚀用的通用塑料 可代替5 7t钢材 1t玻纤增强塑料 玻 璃钢 可代替3 5t不锈钢 1t工程塑料 可节省4 5t有色金属 特别是在化工设备防腐蚀方面 高分子材料更起着其他材料无法替 代的独特作用 使其在化工生产中占有重要的地位 由于大多数高分子材料具有良好的化学稳定性 特别是由于对那些 酸碱盐等腐蚀介质也具有稳定性 使它们在耐腐蚀上比金属 陶瓷 等材料优越得多 采用塑料制造化工设备 是因为它们具有优良的耐腐蚀性 还因为 具有良好的成型加工性 而且其与不锈钓 铅等贵重的耐腐蚀金属 相比 成本低许多倍 经济效益显著 但高分子材料强度 耐高温性差 易燃烧等缺点也影响了在化工设 备上的使用 应用于化工设备中的高分子材料主要有各种涂料 塑料 复合材料 玻璃钢 及橡胶等 1 涂料涂料可分油基漆 成膜物质为干性油类 和树脂基漆 成膜物质 为合成树脂 两大类 它是通过一定的涂覆方法涂在设备表面 经过固化形成薄涂层 从 而保护设备免受工业大气及酸 碱等介质的腐蚀作用 涂料的种类极多 用于化工设备的有以下几种 A 生漆及改性生漆生漆具有耐蚀 耐溶剂 常温 抗水 耐油 耐 磨等性能 附着力很强 缺点是不耐强碱及强氧化剂 漆膜干燥时间较长 毒性较大 生漆的使用温度约为150 在化肥工业中应用普遍 如用生漆保护半水煤气柜 煤气管道 水洗塔 脱硫塔等效果很好 生漆也是地下管道的良好涂料 改性生漆主要指漆酚树脂漆 改善了生漆的毒性大 干燥慢 施工 不便等缺点 仍保持生漆的其他优点 能耐工业大气的腐蚀 也可作为地下防腐防潮涂料 B 酚醛树脂漆将酚醛树脂溶于有机溶剂中并加入适量的填料和增韧 剂配制而成 可耐盐酸 浓度低于60 的硫酸 磷酸 乙酸 各种 盐类及大多数有机溶剂不耐碱和强氧化剂 C 环氧树脂漆由环氧树脂 有机溶剂 增韧剂和填料配制而成 使 用时要加入一定量的固化剂 环氧树脂漆具有良好的耐蚀性特别是耐碱性 并有较好的耐磨性 与金属和非金属有极好的附着力 聚氯乙烯 聚乙烯除外 漆膜有良好的弹性 使用温度为90 100 左右 已广泛用于各种化工设备上 如碳化塔 离心机转鼓 真空结晶器 水洗塔 贮槽等 D 呋喃树脂漆呋喃树脂是以糠醛为主要原料制成的聚合物 具有优 良的耐酸性 耐碱性和耐热性 约为180 左右 同时广泛 价格较 低 映喃树脂必须在酸性固化剂的作用和加热下才能固化 为防止固化 剂对金属设备的腐蚀 应采用其他涂料作为底漆 如环氧树脂底漆 生漆 酚醛清漆等 映喃树脂由于较脆 对金属附着力差 干后会收缩等缺点 作为涂 料使用时 通常加入一定比例的环氧树脂配成环氧改性映喃树脂漆 它可耐酸 碱及有机溶剂 但不耐强氧化性酸 E 沥青漆沥青漆是天然沥青或石油沥青溶于各种有机溶剂中所得到 的液体溶液 它的耐蚀性很好 有抗水性 但耐热性差 易龟裂 沥青漆由于施工简便 费用低廉 故应用普遍 化工厂中常用作建 筑物 设备和管道 特别是地下建筑物的表面涂层 2 塑料塑料具有良好的化学稳定性和机械性能 相对密度低 绝缘 性能好 有的塑料有一定的透明性 也可加入各种色彩 表面有光 泽 加工方便 可以压力加工 注塑 切削加工 热空气焊接 高 频焊接等 应用于化工设备的塑料有热固性塑料 热塑性塑料 常用于化工设备的热固性塑料有酚醛塑料 热塑性塑料有聚氯乙烯 PVC 聚四氟乙烯 PTFE 聚酰胺 PA 聚 乙烯 PE 聚丙烯 PP 聚苯乙烯 PS 聚碳酸酪 PC 等 A 耐酸酚醛塑料以热固性酚醛树脂为粘结剂 以石棉 石墨 玻璃 纤维等耐酸材料为填料的一种热固性塑料 具有良好的耐腐蚀性能 和热稳定性 对大部分非氧化性酸类及有机溶剂 特别是盐酸 氯化氢 硫化氢 二氧化硫 三氧化硫 低浓度及中等浓度的硫酸均稳定 但不耐 强氧化性酸 如硝酸 铬酸 及碱 碘等介质的腐蚀 其使用温度为 30 130 耐酸酚醛塑料可以制成所需的形状 如管件 阀门 泵 旋塞及搅 拌器等 也可制作设备的衬里 酚醛塑料缺点为脆性材料 冲击韧性低 B 聚氯乙烯塑料聚氯乙烯塑料是一种具有良好的耐蚀性能和一定的 机械强度的材料 这种塑料加工成型方便 焊接性能很好 聚氯乙烯塑料有软硬两种 后者应用很广 可以制成各种化工设备 和器械 塔器 电除尘器 尾气烟囱 离心泵 通风机 过滤机 各 种管件 阀件等 用以代替不锈钢 铅等重要材料 软聚氯乙烯则可用作设备衬里 温度对硬聚氯乙烯塑料的机械性能有很大影响 温度升高 材料的 拉伸强度下降 材料的冲击韧性则随温度的降低而下降 所以硬聚 氯乙烯塑料制造的设备其使用温度为 10 50 管道的使用温度为 15 60 在塑料制的设备和管道外面用玻璃钢增强以后 可以提高使用温度 和使用压力的范围 硬聚氯乙烯塑料耐腐蚀性能好 能耐大部分酸 碱 盐 碳氢化合 物 有机溶剂等介质的腐蚀 C 聚四氟乙烯塑料聚四氟乙烯塑料 简称氟塑料 是有极好的耐腐 蚀性能 具有优异的化学稳定性和很高的耐热 耐寒性的塑料 俗 称塑料王 对强腐蚀性介质如浓硝酸 浓硫酸 王水 过氧化氢 盐酸和苛性 碱等均耐腐蚀 多数有机溶剂都不能使它溶解 只有熔融的苛性碱 对它有腐蚀作用 聚四氟乙烯塑料是一种比较耐高温的塑料 其使用温度为 195 250 但温度过高将分解 产生有毒气体 它的吸水性小 电绝缘性好 摩擦系数低 自润滑性好 其缺点是强度及刚度较差 热膨胀系数大 聚四氟乙烯塑料用在高温 或低温 防腐蚀要求高的场合 多用以制作垫片 填料 密封圈 隔膜 无油润滑活塞环 机械密 封环以及小型容器 热交换器的内衬和管道等 3 玻璃钢 玻璃纤维增强塑料 是以合成树脂为粘结材料 以玻璃 纤维及其制品 如玻璃布 玻璃带 玻璃毡等 为增强材料 用模压 缠绕或手糊等方法成型后在一定温度及压力下使树脂固化而制成 玻璃钢强度较高 耐腐蚀性能好 具有良好的耐热性及加工工艺性 能 应用广泛 主要有环氧玻璃钢 酚醛玻璃钢 吱喃玻璃钢 不饱和聚酯玻璃钢 等 在化工防腐中 玻璃钢可用作设备的内衬材料及非金属管道的增强 材料 可制作整体设备 管件 喷头 搅拌器等 也可用作增强材料使聚氯乙烯塑料 玻璃管 陶瓷等非金属材料制 品强度增加 使用寿命延长 4 橡胶橡胶的一个重要用途是作为化工设备的内衬 这种内衬是生 胶经硫化处理而成 具有一定的耐热 耐腐蚀性能和一定机械性能 除硝酸 浓硫酸 铬酸及过氧化氢等强氧化剂及某些溶剂如苯 二 硫化碳 四氯化碳等外 对大多数无机酸 有机酸 碱 各种盐类 及醇类介质均耐腐蚀 适于制作泵 搅拌器等设备的内衬 硅橡胶由于具有极高的耐热 耐寒性 在相当宽的温度范围内 可 保持其优良的物理特性和介电性能 被广泛用作密封材料 尤其是 垫圈构件 第二章金属材料内容 一 金属材料概述 二 铁及铁基合金 三 非铁金属及其合金 四 金属的冶炼 五 金属材料的成形与加工第一节金属材料概述金属材料金属元素 或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料大部分金属的结合键 完全为金属键 过渡金属的结合键为金属键和共价键的混合键 但 以金属键为主金属材料的发展史 公元前3000年 人们已开始使用 青铜器 公元前1500年 开始使用铁器 1800年 开始使用钢金属 材料是现代制造机械的最主要材料 在各种机床 矿山机械 冶金设备 动力设备 农业机械 石油化 工和交通运输机械中 金属制品占80 90 金属材料的特点有光泽 能够导电 有延展性 能拉成丝 能展成薄片 能够导热 能够 弯曲 金属材料的特点 1 优异的力学性能 具有高强度 及优良的塑性和韧性 2 稳定的高温和低温性能 3 良好的导电性 导热性 4 出色的工艺性能 可加工型 延展性 5 正的电阻温度系数 即随温度升高电阻增大 绝大多数金属具有超导性 6 良好的反射能力 不透明性及金属光泽物理性质物理性质比较导 电性 以银的导电性为100做标准 银铜金铝锌铁铅优100997461271 77 9良密度 金铅银铜铁锌铝大19 311 310 58 927 867 142 70 小熔点钨铁铜金银铝锡高3410153510831064962660232低硬度 以金 刚石的硬度为10做标准 铬铁银铜金铝铅大94 52 5 42 5 32 5 32 2 91 5小思考题 1 为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制 如果用锡制的话 可能 会出现什么情况 钨的熔点高 锡的熔点低 锡丝易烧断 2 为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬 如果镀金怎么样 铬硬度 大 耐磨 美观 又防锈 如果镀金则会增加成本且不耐用 日久 金脱落则铁又会生锈而缩短水龙头的使用寿命三种常见的金属的 晶格类型常见晶格类型a 体心立方晶格b 面心立方晶格c 密排六方 晶格合金与纯金属合金是由一种金属与另一种或几种金属 或金属跟 非物质 一起熔炼或烧制而成的具有金属特性的物质 更大的硬度 较低的熔点 更高的强度 韧性好 可压延 拉伸 弯曲 更好的抗腐蚀性能更好力学性能和工艺性能 且价格低 廉 纯金属只有90余种 合金已达几千种金属材料的分类 1 铁及铁及合金 Ferrous Metals 2 非铁金属及其合金 Non ferrous Metals 第二节铁及铁基合金钢铁 现代工业化的基础 占