化工设备机械第二章

1、化工设备材料第一节第一节 材料的性能材料的性能一、力学性能一、力学性能二、物理性能二、物理性能三、化学性能三、化学性能四、加工工艺性能四、加工工艺性能一、力学性能一、力学性能1、强度、强度2、硬度、硬度3、塑性、塑性4、冲击韧性、冲击韧性1 1、强度、强度 定义定义：材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不：材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不失效、不被破坏的能力。失效、不被破坏的能力。 常温下的强度指标常温下的强度指标：屈服强度和抗拉（压）强：屈服强度和抗拉（压）强度。度。 屈强比屈强比：屈服极限与强度极限的比值，要求比：屈服极限与强度极限的比值，要求比值较小，具有更高的安全可靠性。值较小，具有更高

2、的安全可靠性。 蠕变蠕变：高温下长期工作产生的缓慢塑性变形：高温下长期工作产生的缓慢塑性变形蠕变极限。蠕变极限。 疲劳破坏疲劳破坏：长期承受小于屈服强度的交变应力：长期承受小于屈服强度的交变应力作用而发生的断裂作用而发生的断裂疲劳强度。疲劳强度。2 2、硬度、硬度 定义定义：材料的硬度是指材料在表面上的：材料的硬度是指材料在表面上的小体积小体积内抵抗变形或破裂的能力。内抵抗变形或破裂的能力。 压入法型硬度压入法型硬度：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。度。、塑性、塑性 定义定义：材料的塑性是指材料受力：材料的塑性是指材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显时，当应力超过

3、屈服点后，能产生显著的变形而不即行断裂的性能。著的变形而不即行断裂的性能。 延伸率延伸率 截面收缩率截面收缩率4 4、冲击韧性、冲击韧性 定义定义：材料的冲击韧性是指材料：材料的冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷能力的大小，以每单位抵抗冲击载荷能力的大小，以每单位横断面积所消耗的功表示。横断面积所消耗的功表示。 冲击韧性值的高低决定于材料冲击韧性值的高低决定于材料有无迅速塑性变形的能力。有无迅速塑性变形的能力。二、物理性能二、物理性能1、密度、密度、熔点熔点、比热容、导热系数、比热容、导热系数2、导电性、磁性、导电性、磁性3、热膨胀系数热膨胀系数4、弹性模量弹性模量：温度升高，：温度升高，E值降低。

4、值降低。5、泊桑比泊桑比：试件横向应变与纵向应变：试件横向应变与纵向应变 之比。之比。三、化学性能三、化学性能1、耐腐蚀性耐腐蚀性：金属和合金对周：金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种围介质，如大气、水汽、各种电解液浸蚀的抵抗能力电解液浸蚀的抵抗能力2、抗氧化性抗氧化性四、加工工艺性能四、加工工艺性能1、可铸性可铸性2、可锻性可锻性：塑性好的材料可锻：塑性好的材料可锻性高。性高。3、焊接性焊接性：低碳钢具有优良的：低碳钢具有优良的焊接性。焊接性。4、可切削加工性可切削加工性：灰铸铁、碳：灰铸铁、碳钢具有较好的切削性。钢具有较好的切削性。1 1、可铸性、可铸性1）可铸性可铸性：液体金属的流动

5、性：液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾和凝固过程中的收缩和偏析倾向向合金凝固时化学成分的不合金凝固时化学成分的不均匀析出。均匀析出。2）常用金属材料中，）常用金属材料中，灰铸铁和灰铸铁和锡青铜锡青铜铸造性能较好。铸造性能较好。第二节第二节 碳钢与铸铁碳钢与铸铁一、铁碳合金的组织结构一、铁碳合金的组织结构二、钢的热处理二、钢的热处理三、碳钢及铸铁三、碳钢及铸铁 钢和铸铁是由钢和铸铁是由95%以上的铁和以上的铁和0.054%的碳及的碳及1%左右的杂质元左右的杂质元素所组成的合金，称素所组成的合金，称“铁碳合铁碳合金金”。 含碳量在含碳量在0.022%的铁碳合的铁碳合金称为钢；金称为钢；大于

6、大于2%的称为铸铁。的称为铸铁。 含碳量小于含碳量小于0.02%时为纯铁，时为纯铁，大于大于4.3%的铸铁极脆，这两种材的铸铁极脆，这两种材料的工程应用价值很小。料的工程应用价值很小。一、铁碳合金的组织结构一、铁碳合金的组织结构1、组织组织：在金相显微镜下看到的金：在金相显微镜下看到的金 属晶粒。属晶粒。2、结构结构：金属原子的各种规则排列。：金属原子的各种规则排列。3、体心立方晶格体心立方晶格4、面心立方晶格面心立方晶格5、碳钢的基本组织碳钢的基本组织3 3、体心立方晶格、体心立方晶格 体心立方晶格是：在立方体的中心和八个顶点体心立方晶格是：在立方体的中心和八个顶点各有一个原子，如下图所示。

7、纯铁在各有一个原子，如下图所示。纯铁在910以下保以下保持着体心立方晶格，这种铁称为持着体心立方晶格，这种铁称为-Fe。此外，铬。此外，铬(Cr)、钨、钨(W)、锰、锰(Mn)等也具有体心立方品格。等也具有体心立方品格。 其机械性能特点是强度、硬度低，而塑性、韧其机械性能特点是强度、硬度低，而塑性、韧性较好。性较好。4 4、面心立方晶格、面心立方晶格 面心立方晶格是：在立方体的八个顶点和六个面心立方晶格是：在立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个原子，如下图所示。具有这种品面的中心各有一个原子，如下图所示。具有这种品格类型的铁叫格类型的铁叫-Fe。纯铁在。纯铁在1390至至910 之间具之间具

8、有面心立方品格。此外铜、铝等金属也具有此种面有面心立方品格。此外铜、铝等金属也具有此种面心立方晶格。心立方晶格。 其机械性能特点是塑性都较好。其机械性能特点是塑性都较好。5 5、碳钢的基本组织、碳钢的基本组织1）铁素体）铁素体2）奥氏体）奥氏体3）渗碳体）渗碳体4）珠光体）珠光体1 1）铁素体）铁素体1、定义定义：碳溶解在：碳溶解在-Fe 中形成的固溶体，以符中形成的固溶体，以符号号F表示。表示。2、特性特性：强度和硬度低，但塑性和韧性很好。：强度和硬度低，但塑性和韧性很好。3、例子例子：低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧：低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。的性能。2 2）奥氏体）奥氏体1

9、、定义定义：碳溶解在：碳溶解在-Fe 中形成的固溶体，中形成的固溶体，以符号以符号A表示。表示。2、特性特性：塑性和韧性较好，无磁性。：塑性和韧性较好，无磁性。3 3）渗碳体）渗碳体1、定义定义：铁与碳的化合物，可以化学式：铁与碳的化合物，可以化学式Fe3C表示，以符号表示，以符号C代替，含碳量为代替，含碳量为6.67%。2、特性特性：硬度极高、强度极低，非常脆，：硬度极高、强度极低，非常脆，延伸率和冲击韧性之几乎为零。延伸率和冲击韧性之几乎为零。3、应用应用：在塑性很好的铁素体基体上散：在塑性很好的铁素体基体上散布这种硬度很高的微粒，将大大提高材布这种硬度很高的微粒，将大大提高材料的强度。料

10、的强度。4 4）珠光体）珠光体1、定义定义：铁素体和渗碳体的机械混合物，：铁素体和渗碳体的机械混合物，以符号以符号P表示。表示。2、特性特性：介于铁素体和渗碳体之间，即：介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高，塑性、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。韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。二、钢的热处理二、钢的热处理1、铁碳合金的分类铁碳合金的分类：钢和生铁：钢和生铁2%。2、钢的热处理钢的热处理热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理1 1）退火和正火）退火和正火1、退火退火：把工件放在炉中缓慢加热到临界点以上：把工件放在

11、炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却缓慢冷却下来下来的热处理工艺。的热处理工艺。2、正火正火：与退火的不同之处在于将加热后的工件：与退火的不同之处在于将加热后的工件从炉中取出置于空气中冷却，从炉中取出置于空气中冷却，冷却速度快些冷却速度快些，使，使得晶粒更细。得晶粒更细。3、作用作用：降低硬度，提高韧性，：降低硬度，提高韧性，便于切削加工便于切削加工；调整金相组织，细化晶粒，促进组织均匀化，调整金相组织，细化晶粒，促进组织均匀化，提提高力学性能高力学性能；消除部分内应力，；消除部分内应力，防止工件变形防止工件变形。4、应用应用：铸、锻件在

12、切削加工前一般要进行退火：铸、锻件在切削加工前一般要进行退火和正火。和正火。2 2）淬火和回火）淬火和回火1、淬火淬火：把工件加热至淬火温度（临界点以上：把工件加热至淬火温度（临界点以上3050），并保温一段时间，然后投入），并保温一段时间，然后投入淬火剂淬火剂中冷却。中冷却。2、淬火剂淬火剂：空气、油、水和盐水，冷却能力依次：空气、油、水和盐水，冷却能力依次递增。递增。3、淬火的作用淬火的作用：增加硬度、强度和耐磨性。：增加硬度、强度和耐磨性。4、回火回火：零件淬火后进行较低温度的加热与冷却：零件淬火后进行较低温度的加热与冷却处理，可降低或消除零件淬火后的内应力，提高处理，可降低或消除零件淬

13、火后的内应力，提高韧性；使金相趋于稳定。韧性；使金相趋于稳定。3 3）表面淬火）表面淬火1、表面淬火表面淬火：将工件的表面通过快速加热：将工件的表面通过快速加热到临界温度，在热量还来不及传导至心部到临界温度，在热量还来不及传导至心部之前，迅速冷却。之前，迅速冷却。2、作用作用：钢的表层组织得到了改善，中心：钢的表层组织得到了改善，中心部分没有发生相变而保持原有的组织状态，部分没有发生相变而保持原有的组织状态，因此零件表面层比中心部具有更高的强度、因此零件表面层比中心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，同时中心部又硬度、耐磨性和疲劳强度，同时中心部又具有一定的韧性。具有一定的韧性。4 4）

14、化学热处理）化学热处理1、化学热处理化学热处理：将工件放在某种化学介质中，通：将工件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些元过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些元素渗入工件表面，改变表面层的化学成分和组织素渗入工件表面，改变表面层的化学成分和组织结构，是工件表面具有某些化学性能。结构，是工件表面具有某些化学性能。2、种类种类：渗碳、渗氮、渗铬、渗硅、渗铝、碳氮：渗碳、渗氮、渗铬、渗硅、渗铝、碳氮共渗（氰化）等。共渗（氰化）等。3、作用作用：渗碳、碳氮共渗可提高硬度和耐磨性；：渗碳、碳氮共渗可提高硬度和耐磨性；渗氮、渗铬可提高耐磨性和耐腐蚀性；渗硅可提渗氮、渗铬可提高

15、耐磨性和耐腐蚀性；渗硅可提高耐酸性；渗铝可提高耐热、抗氧化性。高耐酸性；渗铝可提高耐热、抗氧化性。三、碳钢及铸铁三、碳钢及铸铁1、常存杂质元素对钢材性能的影响常存杂质元素对钢材性能的影响 1）有害元素有害元素：硫、磷；：硫、磷； 2）有益元素有益元素：锰、硅。：锰、硅。2、分类与编号分类与编号： 1）普通碳素钢普通碳素钢； 2）优质碳素钢优质碳素钢； 3）高级优质钢：高级优质钢：在钢号后加在钢号后加A。3、铸铁铸铁：灰铸铁灰铸铁HT+抗拉强度表示，用作支架、抗拉强度表示，用作支架、阀体和泵体；阀体和泵体；球墨铸铁球墨铸铁QT+抗拉强度抗拉强度+延伸率延伸率（QT400-18），用作曲轴、连杆、

16、主轴和中压），用作曲轴、连杆、主轴和中压阀门；阀门；高硅铸铁高硅铸铁用作耐酸泵、冷却排管和热交用作耐酸泵、冷却排管和热交换器等。换器等。1 1）有害元素）有害元素1、硫硫：当钢材在热加工时，由于：当钢材在热加工时，由于FeS化合物化合物的熔点较低，会过早熔化而导致工件开裂，的熔点较低，会过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为这种现象称为“热脆热脆”。2、磷磷：此元素的存在能使钢材的强度、硬：此元素的存在能使钢材的强度、硬度增高；但塑性和冲击韧性显著降低，尤度增高；但塑性和冲击韧性显著降低，尤其是在低温时，会使钢材显著变脆，这种其是在低温时，会使钢材显著变脆，这种现象称为现象称为“冷脆冷脆”。2

17、2）有益元素）有益元素1、锰锰：不仅是良好的：不仅是良好的脱氧剂脱氧剂，而且是，而且是脱脱硫剂硫剂，能使，能使FeO和和FeS还原，本身成为杂还原，本身成为杂质除去，多余的锰溶解在钢中能使钢的质除去，多余的锰溶解在钢中能使钢的强度提高，并稍降低塑性。强度提高，并稍降低塑性。2、硅硅：是良好的：是良好的脱氧剂脱氧剂，为了除去氧化，为了除去氧化物，有时特意加入一定数量的硅，因而物，有时特意加入一定数量的硅，因而钢中硅含量高，表示脱氧完全，组织致钢中硅含量高，表示脱氧完全，组织致密，此外，硅能使钢的强度提高，但塑密，此外，硅能使钢的强度提高，但塑性下降。性下降。1 1）普通碳素钢）普通碳素钢1、钢号

18、表示方法钢号表示方法：屈服强度的汉语拼音字首屈服强度的汉语拼音字首Q+屈服强屈服强度数值度数值+质量等级符号质量等级符号+冶炼时的脱氧方法，如冶炼时的脱氧方法，如Q235-AF。2、碳钢的质量碳钢的质量：A、B、C、D四等级。四等级。3、脱氧方法脱氧方法： 沸腾钢沸腾钢：脱氧不完全（钢液往钢锭中浇注时，：脱氧不完全（钢液往钢锭中浇注时， 会放出大量会放出大量CO气体，出现气体，出现“沸腾沸腾”现现 象），用代号象），用代号F表示；表示； 镇静钢镇静钢：完全脱氧，用：完全脱氧，用Z表示，也可不标出；表示，也可不标出； 半镇静钢半镇静钢：用：用b表示；表示； 特殊镇静钢特殊镇静钢：用：用TZ表示。

19、表示。4、Q235-A：具有良好的塑性、韧性及加工工艺性，：具有良好的塑性、韧性及加工工艺性，价格便宜，应用广泛。价格便宜，应用广泛。2 2）优质碳素钢）优质碳素钢1、编号编号：08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80等。等。2、钢号数字钢号数字：表示钢中平均含碳量的万分之几。：表示钢中平均含碳量的万分之几。3、质量质量：含有害杂质元素较少，冶炼工艺严格，：含有害杂质元素较少，冶炼工艺严格，钢材组织均匀，表面质量高，但成本较高。钢材组织均匀，表面质量高，但成本较高。4、应用应用：08、10钢常用作列管、设备接管、法兰钢常用作列管、设备接管、

20、法兰的垫片包皮；的垫片包皮；45钢用作传动轴、搅拌轴；钢用作传动轴、搅拌轴；60、65钢制造弹簧；钢制造弹簧；70、80钢制造钢丝绳。钢制造钢丝绳。 第三节第三节 合金钢合金钢一、分类与编号一、分类与编号二、合金元素对钢的影响二、合金元素对钢的影响在碳钢中添加适量的一种或多种合金在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，得到或改善某些性能。元素，得到或改善某些性能。 一、分类与编号一、分类与编号按合金元素总含量分：按合金元素总含量分： 合金含量合金含量10%，高合金钢，高合金钢按用途分：按用途分： 合金结构钢合金结构钢 调质结构钢、表面硬化钢调质结构钢、表面硬化钢 低碳马氏体钢、非调质结构钢低碳马

21、氏体钢、非调质结构钢 合金工具钢合金工具钢 特殊性能钢特殊性能钢 不锈钢和耐热钢等不锈钢和耐热钢等 编号：编号：1、汉字牌号，如、汉字牌号，如35铬钼；铬钼；2、用国际化学符号，如、用国际化学符号，如35CrMo，表示，表示含碳量平均为万分之三十五含碳量平均为万分之三十五(或或0.35%)，含含 Cr、Mo在在1%左右；左右；3、当平均质量分数、当平均质量分数1.5%、2.5%，3.5%时，在元素符号后面应标明含时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为量，可相应表示为2、3、4。如。如36Mn2Si。第五节第五节 化工设备材料选择化工设备材料选择一、材料的物理、力学性能一、材料的物理、力学性

22、能二、材料的耐腐蚀性二、材料的耐腐蚀性三、经济性三、经济性四、设计标准四、设计标准 从设备结构、制造工艺、从设备结构、制造工艺、使用条件和寿命等方面考虑，使用条件和寿命等方面考虑，而且还要从设备工作条件下而且还要从设备工作条件下材料的物理性能、力学性能、材料的物理性能、力学性能、耐腐蚀性能及材料价格与来耐腐蚀性能及材料价格与来源、供应等方面综合考虑。源、供应等方面综合考虑。 一、材料的物理、力学性能方面 一般中、低压设备采用屈服极限为一般中、低压设备采用屈服极限为235到到345MPa。 直径较大、压力较高的情况，最好直径较大、压力较高的情况，最好采用普通低合金钢，强度级别宜用采用普通低合金钢，强度级别宜用400MPa级以上。级以上。 操作温度超过操作温度超过400时，还需考虑时，还需