2.环保设备及应用—常用工程材料2

环保设备及应用 常用工程材料 2 1材料力学性能 力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性 常用的有强度 塑性 刚度 硬度 韧性 疲劳极限和耐磨性等指标 一 强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力 若将断裂看成变形的极限 则可将强度称为变形的抵抗能力 2 1材料力学性能 二 塑性塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 即材料断裂前的塑性变形的能力 常用试样拉断后的伸长率A 和断面收缩率Z 来表示 1 拉断后的伸长率 试样拉断后的总伸长量与原来标距长度比值的百分数称为伸长率 2 断面收缩率 试样受拉伸拉断后 其截面面积的缩减量与原截面面积比值的百分数 2 1材料力学性能 三 刚度刚度是指材料对弹性变形的抵抗能力 如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话 刚度则保证了材料不发生过量弹性变形 五 硬度1 布氏硬度布氏硬度是在布氏硬度试验机进行测定的 其的试验原理 方法与条件在国标GB T231 金属布氏硬度试验方法 中有详细说明 2 1材料力学性能 2 1材料力学性能 布氏硬度测量法适用于铸铁 非铁合金 各种退火及调质的钢材 不宜测定太硬 太小 太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件 范围为8 650HBW2 洛氏硬度洛氏硬度是在洛氏硬度试验机进行测定的 洛氏硬度的测试原理 方法与条件在国标GB T230 金属洛氏硬度试验方法 有详细说明 洛氏硬度也是采用一定规格的压头 在一定载荷作用下压入试样表面 然后测定压痕的深度来确定其硬度值 2 1材料力学性能 具体试验时 又由于压头及载荷的不同而有不同的标尺表示 2 1材料力学性能 2 1材料力学性能 四 冲击韧性 四 冲击韧性材料的韧性则是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力 它是材料强度和塑性的综合表现 材料抵抗冲击载荷作用而不被断裂破坏的能力称为冲击韧性 为了确定材料的冲击韧性值 常用一次摆锤冲击试验冲击韧性用标准试样断裂后单位横截面面积所吸收的功来表示 符号为 K 单位为J cm2 K越大 表示材料的韧性越好 抵抗冲击载荷的能力越强 2 1材料力学性能 五 疲劳强度零件在这种交变载荷下经较长时间工作 在远低于其抗拉强度 甚至小于屈服强度的情况下 无显著外观变形而发生断裂的现象称为疲劳 金属材料在长期经受交变载荷作用下不至于断裂的最大应力称为疲劳强度 符号为R 1 在生产实践中 通过改善零件的结构形状 避免应力集中 改善表面粗糙度 进行表面热处理 表面强化处理等措施 提高材料的疲劳强度 2 1材料力学性能 作业 P351 2 2 2常用金属材料 2 2常用金属材料 一 钢 铁碳两种元素组成 一 钢的分类1 钢按化学成分可分为 非合金钢 低合金钢和合金钢 2 合金钢按碳的质量分数可分为 低碳钢 碳的质量分数 c 0 25 中碳钢 0 25 c 0 60 高碳钢 c 0 60 3 钢按合金元素含量可分为低合金钢 合金元素总质量分数小于5 中合金钢 合金元素总质量分数为5 10 高合金钢 合金元素总质量分数大于10 4 按钢的质量等级分 普通质量钢 s p 0 040 优质钢 s p 0 035 和特殊质量钢 s p 0 025 5 按钢的主要用途分为结构钢 工具钢 特殊性能钢 专业用钢等 2 2常用金属材料 二 结构钢结构钢是品种最多 用途最广 使用量最大的一类钢 按其主要用途一般分为工程结构用钢和机械制造用钢 或机械结构用钢 两大类 1 非合金钢 1 普通质量非合金钢普通质量非合金钢是指对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途非合金钢 牌号 Q 最低屈服强度 质量等级符号 脱氧方法符号Q235BZ符号含义 Q是 屈 字的汉语拼音首位字母 2 2常用金属材料 质量等级分A B C D四个等级 表示钢材质量依次提高 S P含量依次降低 脱氧方法用F b Z TZ表示沸腾钢 半镇静钢 镇静钢 特殊镇静钢 牌号中 Z 可以省略 例如 Q235A表示其屈服强度大于235MPa 质量等级为A级的碳素结构钢 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五个强度等级 应用 普通质量非合金钢大多用作工程结构钢 一般是热轧成钢板或各种型材如圆钢 方钢 工字钢 钢筋等 少部分也用于要求不高的机械结构 2 2常用金属材料 2 优质非合金钢优质非合金钢是指除普通非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢 在生产过程中需要特别控制质量 如控制晶粒度 降低硫 磷含量 改善表面质量或增加工艺控制等 既保证化学成分 又保证力学性能 其中优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示 这两位数字表示该钢中碳的平均质量分数的万分之几 如45表示其平均含碳量为0 45 优质碳素结构钢综合力学性能优于普通碳素钢 为了充分发挥其性能潜力 一般都须经热处理后使用 优质碳素结构钢用途广泛 如制造冲压件 焊接件 螺钉 螺母 高压法兰 齿轮 轴类 连杆等 2 2常用金属材料 2 低合金结构钢低合金结构钢是在普通碳素结构钢的基础上加入少量合金元素而得到的 合金元素总量不超过5 常加入的合金元素有Mn Si Nb Mo Ti Cu等 少量的合金元素的加入提高了钢的强度 同时也保持了较好的塑性 韧性 焊接性和冷 塑性加工性能 其牌号与碳素结构钢相同 质量等级用符号A B C D E表示 共五个级别 Q345 Q390 Q420 Q460 Q500 Q550 Q620和Q690八个强度等级等 如Q420A表示其屈服强度为420MPa 质量等级为A级的低合金结构钢 低合金结构钢主要用于制造桥梁 船舶 车辆 锅炉 高压容器 输油输气管道 大型结构等 2 2常用金属材料 2 低合金结构钢 2 2常用金属材料 3 合金结构钢合金结构钢主要用于制造各种机械零件 其质量等级都属于特殊质量等级 大多需经热处理后才能使用 按其用途及热处理特点可分为渗碳钢 调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 超高强度钢等 1 渗碳钢 渗碳钢通常是指需经渗碳处理后使用的钢材 具有外硬内韧的性能 用于承受冲击的耐磨件 如汽车 拖拉机中的变速齿轮 内燃机上的凸轮轴 活塞销等 2 2常用金属材料 2 调质钢 要用于制造在多种载荷 如扭转 弯曲 冲击等 下工作 受力比较复杂 要求具有良好综合力学性能的重要零件 一般需经调质处理后使用 如汽车 拖拉机 机床等上的齿轮 轴类件 连杆 高强度螺栓等 它是机械结构用钢的主体 3 弹簧钢 指由于在淬火和回火状态下的弹性 而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢 钢的弹性取决于其弹性变形的能力 即在规定的范围之内 弹性变形的能力使其承受一定的载荷 在载荷去除之后不出现永久变形 2 2常用金属材料 合金钢的牌号是按照合金钢中碳的质量分数及所含合金元素的种类 元素符号 和其质量分数来编制 一般牌号的首位数字表示碳的平均质量分数 对于结构钢 以万分数计 对于工具钢 以千分数计 当钢中某种合金元素的平均质量分数小于1 5 时 牌号中只标出元素符号 不标明含量 当元素含量为1 5 2 5 2 5 3 5 时 在该元素后用整数2 3 标出其近似含量 如合金弹簧钢60Si2Mn 滚动轴承钢的牌号前面以 G 滚字汉语拼音字首 为标志 其后为铬元素符号Cr 其含量的质量分数以千分之几表示 其余与合金结构钢的牌号规定相同 如GCr15SiMn钢 2 2常用金属材料 二 工具钢1 碳素工具钢碳素工具钢是高碳钢 其牌号用碳字汉语拼音的第一个字母T及平均含碳量的千分数表示 例如T8 表示碳素工具钢 平均含碳量为0 8 2 2常用金属材料 2 合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入适量的合金元素发展起来的 其中又可分为刃具钢 模具钢和量具钢 合金工具钢的牌号由 一位数 或不标数字 元素符号 数字 三部分组成 当钢中 c 1 0 时 合金工具钢的牌号前的数字 一位数 表示碳的平均质量分数为千分之几 当钢中 c 1 0 时 为了避免与合金结构钢相混淆 牌号前不标数字 后面的元素符号及数字表示合金元素的平均质量分数 2 2常用金属材料 1 刃具 量具用的合金工具钢主要用于制造金属切削刀具的合金钢 刃具钢要具有高的硬度 高的耐磨性 高的热硬性及足够的韧性与塑性 低合金工具钢最高工作温度一般不超过300 主要用于低速切削刀具 常用的牌号有9Mn2V 9SiCr Cr06 CrWMn等主要用于冲模 冷压模 丝锥 板牙 绞刀 拉刀 钻头 冷轧辊 量规及量具等 CrWMn Cr2及4Cr13 9Cr18等 主要用于制造高精度量规 高精度块规 形状复杂的样板及耐腐蚀的量具等 2 2常用金属材料 2 模具用的合金工具钢用来制造使金属塑性变形所用的模具的钢材 根据使用条件的不同 分为冷作模具钢和热作模具钢 冷作模具钢工作温度最高在200 300 之间 该钢种要有高的硬度和耐磨性 以保证模具的形状和尺寸不变 要有高的强度和足够的韧性 以保证工作时承受压力 弯曲力 冲击力等 不易断裂 常用的牌号有T10A 9Mn2V CrWMn Cr12 Cr12MoV等 热作模具钢工作温度最高在300 以上 该钢种要有一定的硬度和耐磨性 在高温下有高的强度和足够的韧性 有良好的导热性 抗氧化性及耐热疲劳性 常用的牌号有5CrMnMo 5CrNiMo 3Cr2W8V等 2 2常用金属材料 3 高速工具钢是一种高碳高合金工具钢 由于它具有较高的热硬性 切削温度高达500 600 时其硬度仍不降低 能以比低合金工具钢更高的切削速度进行切削 故而称为高速钢 常用的牌号有W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 W6Mo5Cr4V2Al W10Mo4Cr4V3Al等 主要用于制造较高速度切削的刃具 如车刀 刨刀 钻头 铣刀 插齿刀 绞刀 滚刀 拉刀等 2 2常用金属材料 三 不锈钢不锈钢属于特殊性能钢 通常是不锈钢 耐大气 蒸汽和水等弱腐蚀介质腐蚀的钢 和耐酸钢 耐酸 碱 盐等强度腐蚀介质腐蚀的钢 统称 全称不锈耐酸钢 广泛用于化工 石油 卫生 食品 建筑 航空 原子能等行业 其性能要求是要有优良的耐蚀性不锈钢的牌号与合金工具钢基本相同 当碳的质量分数小于0 08 及小于0 03 时 在牌号前分别冠以 0 及 00 表示 2 2常用金属材料 四 铸造碳钢铸造碳钢的牌号是用 铸钢 两字的汉语拼音字首ZG与两组数字组成 第一组数字代表屈服强度最低值 第二组数字代表抗拉强度最低值 如ZG230 450表示屈服强度大于230MPa 抗拉强度大于450MPa的铸造碳钢 2 2常用金属材料 2 2常用金属材料 二 铸铁铸铁是应用广泛的一种铁碳合金材料 基本上以铸件形式使用 1 灰铸铁我国灰铸铁的牌号用 HT 和其后的一组数字表示 HT 表示 灰铁 二字的汉语拼音字首 后面的数字为最低抗拉强度 单位为MPa 灰铸铁有六种 HT100 HT150 HT200 HT250 HT300 HT350 如HT200用于制造汽缸体 缸盖 机座等 2 2常用金属材料 2 球墨铸铁我国球墨铸铁牌号由 QT 加上两组数字组成 QT 表示 球铁 二字的汉语拼音字首 其后两组数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸长率 主要用于制造汽车 拖拉机轮毂 gu 中低压阀门等 2 2常用金属材料 三 有色金属及其合金 一 铝及铝合金铝含量 质量分数 不低于99 00 时 为工业纯铝 其牌号为 1 系列 1表示工业纯铝 第二位字符表示原始纯铝的改型 后两位数字与铝质量分数有关 1 变形铝合金变形铝合金根据其性能特点和用途可分为防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金 锻铝合金等 变形铝合金的牌号用四位字符体系表示 合金组别按主要合金元素划分由第一位数字表示 其中2 为以铜为主要合金元素 3 为以锰为主要合金元素 4 为以硅为主要合金元素 5 为以镁为主要合金元素 6 为以镁硅为主要合金元素 7 为以锌为主要合金元素 8 为以其他合金元素为主要合金元素的铝合金 第二位字母表示原始合金的改型情况 A表示为原始合金 其他字母则表示为原始合金的改型 最后两位数字用以标识同一组别中的不同铝合金 2 2常用金属材料 1 防锈铝合金包括Al Mn系和Al Mg系合金 其主要性能特点是具有很高的塑性 较低或中等的强度 优良的耐蚀性能和良好的焊接性能 典型牌号有5A05 3A21 管道 容器 铆钉 油箱等 2 硬铝合金包括Al Cu Mg系和Al Cu Mn系两类 其强度高 典型牌号有2A01 2A11 飞机构件 蒙皮 螺旋桨 叶片等 3 超硬铝合是强度最高的变形合金 典型牌号有7A04 7A09 飞机蒙皮 桨叶 壁板 大梁 起落架部件等 4 锻铝合金热塑性好 可用锻压方法来制造形状较复杂的零件 典型牌号有2A50 2A70 内燃机活塞 叶轮 叶片等 2 2常用金属材料 2 铸造铝合金铸造铝合金的特点是密度小 比强度高 具有良好的抗腐蚀性和铸造性 根据主加元素不同 铸造铝合金主要有Al Si系 Al Cu系 Al Mg系 Al Zn系四种 铸造铝合金牌号用化学元素及数字表示 数字表示该元素的平均含量 在牌号的最前面用 ZAl 表示铸造铝合金 例如ZAlSi7Mg 表示铸造铝合金 平均含硅量为7 平均含镁量小于1 另外还有用合金代号表示法 合金代号由字母 ZL 分别是 铸 铝 的汉语拼音第一个字母 及其后的三位数字组成 ZL后面第一个数字表示合金系列 其中1 2 3 4分别表示铝硅 铝铜 铝镁 铝锌系列合金 最后两个数字表示顺字号 优质合金的数字后面附加字母 A 2 2常用金属材料 2 铸造铝合金Al Si系 有良好铸造性能和耐磨性能 热胀系数小 壳体 缸体 箱体 框架 活塞 等Al Cu系 外壳 电器配件 相机 活塞 徽章 早期钱币等Al Mg系 密度最小 2 55g cm3 强度最高 355MPa左右 在大气和海水中的抗腐蚀性能好 螺旋桨 起落架等 Al Zn系 尺寸稳定 常用于制作模型 型板及设备支架等 2 2常用金属材料 二 铜及铜合金1 黄铜黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金 良好的力学性能 耐腐蚀和加工性能 2 青铜青铜原指铜与锡的合金 现除了黄铜和白铜外 铜与其他元素组成的合金均称青铜 按其化学成分的不同 青铜分为锡青铜和无锡青铜两大类 锡青铜有良好的耐腐蚀 减摩擦 抗磁和低温韧性 主要用于制造弹性元件 耐摩擦零件及耐腐蚀零件 2 2常用金属材料 二 铜及铜合金3 白铜白铜是以镍为主加合金元素的铜合金 白铜具有较高的强度和塑性 耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能 优良的冷 热加工性能 主要用于制造精密仪器 仪表零件 机械零件 医疗器械 2 2常用金属材料 三 钛及钛合金纯钛强度低 塑性及低温性能好 耐腐蚀性高 具良好的压力加工工艺性能 钛合金 添加铝 钼 铬 锡 锰 钒 型室温强度低 但高温强度高 有良好的抗氧化性 焊接性和耐腐蚀性 型较高的轻度 优良的冲压性能 耐热性和抗氧化性低 布置作业 P353 4 5 2 3金属材料的腐蚀与防护 腐蚀是指金属由于环境介质作用而导致的变质和破坏 金属腐蚀的现象在我们身边无处不在 每年给我国带来的损失数以亿计 造成灾难 2 3金属材料的腐蚀与防护 一 化学腐蚀金属的化学腐蚀是指金属与周围介质直接发生化学反应而引起的变质和损坏的现象 它是一种氧化 还原反应过程 也就是腐蚀介质中的氧化剂直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物 主要发生在四种介质 1 金属在干燥大气体中的腐蚀 2 金属在高温气体中的腐蚀 H2O SO2 CO23 其他氧化剂引起的化学腐蚀 含硫 卤素原子4 金属在非电解质溶液中的腐蚀 Al在CCl4 2 3金属材料的腐蚀与防护 二 电化学腐蚀金属电化学腐蚀指金属与介质发生电化学反应而引起的变质和损坏 其特点是在腐蚀过程中有电流产生 金属在各中酸 碱 盐溶液 潮湿大气 工业用水中的腐蚀 都属于电化学腐蚀 电化学腐蚀是一种比化学腐蚀更为普遍 危害更加严重的腐蚀类型 1 电极电位 形成双电层的金属及电解质溶液 2 腐蚀电池 电极电位不同的两种金属 用导线连接后 放入电解质溶液 2 3金属材料的腐蚀与防护 三 金属腐蚀的防护措施了解发生腐蚀的原因是为了提出防腐的有效措施 达到防腐 减腐 缓腐的目的 以控制腐蚀造成的破坏 延长金属材料或金属设备的使用寿命 一 涂敷保护层在金属表面涂敷耐腐蚀的保护层 使金属与腐蚀环境或介质分开 从而达到防止金属腐蚀的目的 1 金属保护层金属保护层常成为镀层 通常以涂敷工艺来命名 2 非金属保护层非金属保护层分为无机涂层和有机涂层 无机涂层指搪瓷 玻璃涂层 硅酸盐涂层和化学涂层 2 3金属材料的腐蚀与防护 二 电化学保护根据电化学腐蚀原理 如果把要保护的金属电极电位提高 或是把金属的电极电位降低到一定程度 则可降低腐蚀速度 甚至使腐蚀完全停止 这种通过改变电极电位的来控制金属腐蚀的方法成为电化学保护 电化学保护有阴极保护和阳极保护 1 阴极保护 阴极保护又分为外加电流法和牺牲阳极法 2 阳极保护 阳极保护是把被保护设备与外加直流电源的正极相连 在一定电解质溶液中 把金属阳极的电位降低到一定程度 使金属表面生成一种阻止腐蚀的钝化膜 从而降低金属的腐蚀作用 使设备受到保护 2 3金属材料的腐蚀与防护 三 腐蚀介质的缓蚀在腐蚀介质中加入缓蚀剂 改变介质的性质 可降低或消除对金属的腐蚀作用 所谓缓蚀剂就是能够阻止或减缓金属在环境介质中的腐蚀物质 它的用量很小 0 1 1 但效果显著 缓蚀剂的缓蚀作用 有三种说法 一是吸附学说 缓蚀剂加到腐蚀介质中 吸附在金属表面 使金属隔离了金属表面 二是成膜学说 缓蚀剂与金属或介质中的离子发生反应 在金属表面生成不溶或难溶的具有保护作用的各种膜 阻碍了腐蚀过程 三是电极抑制学说 缓蚀剂抑制了金属在腐蚀介质中的电化学过程 减缓了腐蚀速度 腐蚀介质不同 所使用的缓蚀剂不同 一种缓蚀剂对不