《工程材料》-闫康平-化学工业出版社

1、F占.0218C%（渗碳体丘3C绪论1.1高科技术的四人支柱：能源、材料、生命和信息。1.2通常将工程材料分为：金属材料（黑色/有色）、非金属材料（无机非金属/高分子材料）、复介材料（金属基/陶瓷基/树脂基）三人类。1.3对丁常温、高压条件卜的装备，特别是焊接结构的容器，容易发生脆性断裂、疲劳和应力腐蚀破裂。1.4了解材料的科学的基本理论，掌握材料的基本性能及其影响因素，为过程装备设计提供合理选材的基本原则和方法。金属学基础2.1晶体：固体物质具仃规则的外形和一定的熔点等特征：反Z则为非晶体。/晶体在不同方向上性能不相同（各向异性），而非晶体在各个方向上的性能完全相同（各向同性），这也是区别晶

2、体与非晶体的重要特征2。2.2金属一般为晶体，但近來的发展，在工业生产和科学研究已经可制备固态的非晶态金属,如Ni-P合金。2.3一般所说的金属是指没有特意加入其他的元素，如纯铝99.98%,纯金99.99%。2.4晶胞一晶格一单晶体（晶粒）一多晶体厂晶胞一一具有晶体全部几何特征的最小单元（体心立方Cr/a-Fe、面心立方AI/y-Fe.密排六方Zn/Mg）o口_罗丿原了半径：品胞中相距最近的两个原了距离的一半（体心V3a/4、面心V2a/4.密排a/2）。I配位数：晶格中与任一原子处于等距离且相距最近的原子数目。険）致密度：金属晶胞中的全部原犷的体积占晶胞总体积的百分数（体心68%、面心/密

3、排74%）o口出用线条把晶体原了联结起来的空间格架，也称为点阵。（品胞丘品格）格I金属品体中的原了排列周期性就是晶胞在三维空间中排列和堆积的结果。V点缺陷：特点是三维空间、几何都小。（空位、间隙原了（自间隙/杂间隙）詈J线缺陷：二维尺寸很小、三维尺寸较大。（刃型位错、螺旋位错）riiiS体面缺陷：空间二维尺寸很大、三维尺寸较小。（品界、亚晶界）空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理极其重要。I晶界上的原子比晶粒内部的原子更高能量，在常温下，强度和硬度较高；在高温下则较低。品9绝大多数使用的都是多品体，是由许多小的单品体组成的，多晶体中的单晶体称为晶粒。体2.5结晶：

4、晶体中物质由液态转变成固态的过程。（物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程）/金属结晶就是晶核不断形成（形核速度N）和不断长大（长人速度G）的过程。2.6金属熔点称为理论结晶温度T。一过冷度AT（AT=TO-TC）-实际结晶温度人（在冷却曲线中出线一平台，是金属开始结晶，释放出结晶潜热的结果）。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越人，过冷度也越人。2.7均质形核（又称为自发晶核，ATuZOOC）/异质形核（又称为非自发晶核，AT=20C）o在实际生产中，两者同时存在，但异质形核更为重要,往往起到优先和主导的作用。叫以通过控制过冷度T來调整晶粒的人小，显然形成的晶粒越多，生成的晶粒就越细。2

5、.8铸锭内部宏观组织:细晶区（外）、柱状晶区（中入等轴晶区（内）。2.9晶粒越细小，金属的力学性能，如强度，韧性，塑性都越好。增加金属过冷度（Nt）,可以细化晶粒。J变质处理一在液态金属中添加变质剂來细化晶粒。I机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可以便晶粒细化。2.10单晶体的塑性变形主要方式是：滑移变形，其次是挛晶变形。变性变形后由于金属各部分受力和变形的不均匀，产生残余内应力（宏观内应力（第一类内应力）、微观内应力（第二类）、晶格缺陷造成的内应力（第三类）。2.11塑性变形金属的加热回复与再结晶：r回复:主要作用是消除冷加工金属零部件的残余内应力，防止变形和开裂，工程称回复退火或去应力退

6、火I再结晶：主要是消除加工硬化，把金属的力学和物化性能某本恢复到变形前的水平，工程称为再结晶退火。2.12合金:指由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成的貝有金属特性的物质。组成合金的最基本的、独立的单元（元素或稳定化合物）称为组元（多元组元）。合金的性能一般都优于纯金属。2.13合金的相结构：固溶体：在固态卜合金的组元相互溶解而形成的均匀的固相，A（B）,（间隙/转换固溶体）金属间化合物：产生晶格类型和特性完全不同丁任一组元的新固相。1.正常价化合物（脆性人，硬度高）；I2.电子化合物（金属特性，熔点、破度高，塑性差）；3隙化合物（很高的熔点和硕度）（如FesC等）厂匀晶反应：两组元

7、在液态和固态都能无限互溶，结晶时从液相中结品出单一固相。2.14杠杆定理：Q（液相质最）/Q。（固相质最）二bc（点在固相线上）/ab（点在液相线上）。（适用于匀晶反应合金）2.15二元相图：（.Cu-Ni,Ag-Au,Cr-Mo）共晶反应：液态能无限互溶，固态仅有限互溶，结晶时从均匀相，在恒温度同时结品出两个成分不同的固相。（Pb-SnAg-Cu）包晶反应：两组元在液态能无限互溶，固态仅有限互溶，由一种液相与一种固相在下相互作用而转变成另一种固相。（Pt-Ag,Ag-Sn）J共析反应：在恒温下，由一种固相转变成两种完全不同的相应关联的固相。（SxTSa+Sb）3.1Fe-FesC合金相图工山

8、(6.6.9%)3.2在15381394C为6-Fe（体心立方）一6固溶体，又称为高温铁素体；在1394912C为X-Fe（而心立方）一奥氏体A,强度和硬度不高，塑性好，容易压力加工，没有磁性：低于912C为a-Fe（体心立方）一强度和硕度低，塑性好，力学性能与纯铁相似，770C有磁性；渗碳体FesC含碳量为6.69%,它是一种复杂的诜碳间隙化合物。3共析钢杠杆定律计算铁素体F与渗碳体FesC的相対质量：F%=（6.69-0.77）/6.69*100%二88%,Fe3C%=1-88%=12%。3.4碳是决定碳钢力学性能的主要元素，不同含碳最的合金具有不同的组织，必然具有不同的性能。铁素体貝有良

9、好的塑性，塑性变形都是由铁素体提供，Fe3C既硬又脆，随着含碳量的増加，硬度人的Fe3C增多，硕度小的铁素体减小，因此铁碳合金的破度呈直线上升，塑性连续下降。3.5应当注意，Fe-FesC合金相图具有一定的局限性，它未能反映钢恢材料中添加的其他元素在相图上的变化。钢的热处理和表面改性(0.02182,11%)1热处理就是将固态金属以一定的升温速度加热到既定的温度，保温一定时间，再以一定的降温速度冷却的工艺方法。目的是通过改变钢的组织结构而改善金属零件的使用性能和工艺性能。4.2热处理中，实际加热温度都偏高，冷却温度都偏低，加热和冷却速度越人，这种差别越人。（亚共析钢GS线，即矩；共析钢PSK线

10、，即人，727C；过共析钢ES线，即心。4.3加热是热处理的首道工序，目的是使金属全部或部分获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体，即进行奥氏体化。珠光体（727C）转变为奥氏体（727C）的过程主耍有三个阶段：奥氏体的形核与长人；剩余渗碳体的溶解；奥氏体成分的均匀化。一般希望通过热处理获得细小的奥氏体晶粒，使钢具有较好的强度、塑性和韧性。4.4热处理的最后工序是冷却，冷却时的组织转变是指过冷奥氏体的转变（等温冷却，连续冷却）。在A温度以卜还未发生转变的奥氏体称为过冷奧氏体。共析钢的等温转变动力曲线（C曲线）1）珠光体转变区（高温转变区）一727C550CC珠光体（727C650C）2索氏体（650C

11、600C）I屈氏体（600C550C）2）贝氏体转变区（中温转变区）一550C230CJ上贝氏体（550C350C）下贝氏体（35OC23OC）3）马氏体转变区（低温转变区）-23OC-5OC碳原了和铁都不进行扩散，仅仅发生品格改变,奥氏体转变成碳在a-Fe中的过饱和间隙固溶体。影响C曲线的因素：奥氏体含碳最影响；合金元素影响；加热温度与保温时间影响。4.5钢的常规热处理工艺：退火、正火、淬火和回火。退火一就是将钢加热到临界点也以上（Ac3050C）或者在临界点以卜某一既定温度保温一定时河，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的一种热处理工艺。目的是：降低钢的破度，提高塑性；消除钢中的残余应力：改善组

12、织，细化晶粒。正火将钢加热到也以上3050C（亚共析钢）或者也.以上3050C（过共析钢），保温一定时间后在空气中冷却（空冷），得到索氏体组织。淬火一将钢加热到也以上3050C（亚共析钢）或者也以上30、50C（共析钢、过共析钢），保温一定时间，然后快速冷却（油冷或水冷），使奧氏体转变为马氏体的热处理工艺。目的是：获得马氏体组织以提高钢的强度和锁度。回火一一是将淬火钢加热到丄1以卜的某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温，改善组织并消除内应力的热处理工艺。目的是：消除或减少淬火应力；稳定工件尺寸，防止工件变形与开裂；获得工件所需的组织和性能。（注意：钢在250350C回火时出现的回火脆性不能消

13、除，故称为不可逆回火脆性，应避免该温度。）,淬火加高温回火的热处理又称为调质处理，4.6钢的表面处理强化厂表面热处理是仅仅加热，冷却钢的表面，使心部和表面具有不同的组织和相应的性能，而不改变钢的成分的热处理工艺。（表面淬火一火焰加热、感应加热；高能束表面改性）化学热处理是将钢件置入特殊介质中加热保温，使特殊介质中的一种或儿种元素渗入钢件表面，改变基成分和组织，从而改变钢件表面性能的热处理工艺。（渗碳，渗氮，碳氮共渗以及渗铝/倂/硼/硫和多兀共渗）j表面处理改性金属镀层（电镀/化学镀/复合镀/电刷镀），金属涂层，非金属涂层。钢的合金化对组织和性能的影响5.1碳钢是基本工业用钢，约占钢铁总产鼠的8

14、0臥但是碳钢的性能有许多不足，特别是淬透性，强度的屈强比低，回火稳定性差：在抗高压，耐腐蚀，耐高、低温和耐磨方面也较差。在碳钢中特意添加合金元素，制备合金负，强化铁素体，细化晶粒，提高淬透性、回火抗力和耐蚀性，防止高温回火脆性和改善加工性能。5.2合金元素添加后主要与恢和碳发生反应。R非碳化物元素（固溶于铁素体中，如：Si,Ni,Cu,Al,C。等）；耐碳化物元素（部分固溶于铁素体中，部分与碳化合成碳化物，如：Ti,Zr,Mo,Mn等）5.3合金元素都可以在不同程度上提高固溶体的强度和硕度，并降低冲击韧性，其中Si和Mn对铁素体固溶强化效果最为显著，Ni还可以减少钢铁冷脆性并增加塑性和韧性。一

15、固溶强化，位错强化，细晶强化，弥散强化？加工强化？5.4合金元素对Fe-Fe3C相图的影响：改变Y相区扩人Y相区：奥氏体稳定化元素（Ni,Mn等）；缩小Y相区：铁素体稳定化元素（Cr,Ti,Si等）。S和E点移动相图中的S和E点移向含碳最较小的方向，因此合金钢花析体的含碳最小丁0.77%。5.5奥氏体的形成过程都与碳的扩散有关，Mn,P以及B有促进奥氏体晶粒长人的倾向。5.6合金元素对回火转变的影响：提高回火稳定性/高温回火脆性（450650C，脆性是可逆的，加入W或M。）。5.7钢中杂质对性能的影响：血杂质一随炼钢脱氧剂带入,与S生成MnS影响钢的性能：Si杂质-随炼钢脱氧剂带入，与0生成S

16、iO=；S杂质-使焊缝热脆,产生气孔和裂纹；隽质一显著降低钢的塑性和韧性，缠。5.8钢的牌号和命名：Y普通碳素结构钢：“q+数字”一一（反映力学性能，即屈服极限）如Q235AF,表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。A、B、C、D表示含硫量和含磷量:，A为最多，D最少，A到D表示钢材质量逐步提高；F沸腾钢，b半沸腾钢，没标注即为镇静钢。合金结构钢：“数字+合金元素+数字”一一（含C最为万分之一）如60Si2Mn,表示平均含碳量为0.60%,含硅量1.52.5%,含镒量小于1.5%。合金元素小于1.5%,则牌号中只标明合金元素,如果21.5%、2.5%、3.5%等,牌号中相应表示为2、3、4等。

17、合金工具钢：“数字+合金元素+数字”一一（含C最为千分之一）如合金工具钢5CrMnMo,表示平均含碳量为0.5%,含有Cr、Mn、Mo三种合金元素小于1.5%。又如高速钢W18Cr4V,表示含碳最小于1%,W、Cr的平均含量分别为18%和4%,V小于1.5%。金属材料的主要性能1金属材料的主要性能包括：力学性能、加工工艺性能、物理性能和耐腐蚀性能。6.2金属材料的力学性能是指材料在外力（或外加能最）的作用卜抵抗外力所表现的行为，包括变形和抗力。强度一一抵抗变形与破坏的能力;塑性一一材料在外力作用时发生形变，当撤去外力时，材料恢复原来形状的能力；韧性一一材料在断裂时吸收变形能量的能力；硬度一一材

18、料抵抗局部变形的能力，是衡量材料软硬的判据；（布氏、洛氏、维氏、肖氏碾度）内应力一物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的力。6.3金属材料的加工工艺性能一是指保证加工质帚的前提加工过程的难易程度。焊接性能（碳当最、冷裂纹敏感系数）/铸造性能压力加工性能机加工性能热处理性能6.4金属材料的物理性能与耐腐蚀性能物理性能：弹性模量E、密度P、熔点匚、比热容c、导热系数入、线膨胀系数a等。-耐腐蚀性能：材料遭受腐蚀后，其质最、厚度、力学性能、组织结构及电极过程等式都可能发生变化，其.变化程度可用以衡量材料的耐腐蚀性能。质量指标腐蚀速率K=（Wo-Wx）/（A*t）弹位：g/mh）6.5

19、低碳钢的拉伸曲线:弹性变形均匀塑变伸长组皿应变弾性模S应力金属材料受外力后表现出来的行为规律是：弹性变形T弹塑性变形T裂纹形成与扩展9断裂;It中断裂过程经历的三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的亚稳扩展及失稳扩展，最后是断裂。过程装备失效与材料的关系7.1装备在使用过程中，由丁应力、时间、温度和环境介质等因素的作用，失去其原有功能的现象称为去效7.2过程装备的整体失效很少，往往是某个构件先失效而导致设备失效。金属构件的失效按材料失效的性质分类,常见的失效形式分为三人类：变形失效（过量变形）、断裂失效及表面损伤。C1）变形失效：金属构件在外力作用下奖惩形状和尺寸的变化称为变形。根据外力去除后变形能否

20、恢复，分为弹性变形和塑性变形;在未产生断裂前的变形阶段，如果材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度，而致影响构件的规定功能，则认为变形失效;金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形一一蠕变，低温下蠕变也会发生，但只有当温度高于03Tm时才较显著。当蠕变变形超过规定的要求时，则称为蠕变变形失效。（IO：小时（合11.4年）变形量:为1%,即蠕变107mm/（h-mm）2）断裂失效：断裂是金属材料在应力的作用下分为互不相边的两个或两个以上部分的现象（裂纹萌生T裂纹的亚稳扩展及失稳扩展T断裂）;包括：韧性断裂.脆性断裂.疲劳断裂.蠕变断裂.腐蚀断裂等。韧性断裂一一

21、在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂；原因：材料受较大载荷或过载；脆性断裂一一指变形量很小，且在材料中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂，又称为低应力脆断;由于没有可见塑性变形，没有变形先兆，危害性很大;疲劳断裂一一金属材料在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂，N104次。3）表面损伤：腐蚀一一材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使材料发生损坏或变质的现象。按腐蚀机理分类，有三种类型：化学/电化/物理腐蚀；按腐蚀形态：全面腐蚀/局部腐蚀；磨损一一粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等。3过程及其构件失效的原因：设计不合理：选材不当及材料缺陷；制造工艺不合理；损伤

22、和维修不当:损伤不当是金属设备失效的重要原因。黑色金属及其选用8.1压力容一貝旳容纳工作物料与操作内件的工作空河，并承受一定压力的受载外壳；从压力容器失效统计表明，压力容器失效常见情况有：材料因裂纹萌生与扩展引起失效、脆性破坏失效、容器强度削弱引起失效。8.2压力容器对材料性能的要求：厂较高的强度常温、高温；不仅可保证压力容器安全运行，具有较崗的抗破坏能力，且可避免承压壳体厚度过厚而造成加工和运行监测的困难；良好的力学性能即强度、塑性和韧性要合理配合；足够的塑性和韧性的承压売体保证止常工作条件下不致发生脆性破坏，即使存在宏观裂纹，良好的韧塑性也可保证裂纹不扩展或扩展速率很低，不致产生灾难性的事

23、故；较低的缺口敏感性一一在压力壳体上和焊接，造成区域的应力集中，这就要求材料有佼低的缺口敏感性，以防止由此产生裂纹；良好的材料组织和组织穩定性压力容器服役条件严酷，要求材料组织均匀、晶粒细化、尽可能少的组织缺陷，在长期使用时组织稳定，是保证使用寿命的前提；（屈服强度在SOOMPa以下的低合金高强度钢，其组织一般为铁素体加珠光体）;良好的加工工艺性能和焊接性能一一保证容易加工成形，加工过程（卷圆、冲压或滚压.焊接J等）防止产生裂纹和各种缺陷，不彩响材料的使用性能。8.316MnR是屈服强度350lpa级的普通低合金高强度钢，具仃的综合力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。是中国压力容器专用

24、钢板中使用量最人的一个钢号，主要用于制造-20400C的中低压压力容器壳体及承压、液化石油气瓶及中小型球罐。8.4高温用钢的主要特点：高温卜一钢会产生蠕变现象（金属材料内部原子活动的能力提高,在外力作用卜抵抗变形的能力减小）；高温卜一钢的力学性能随温度及载荷持续时河而变化（材料随时间的增长而缓慢地产生塑性变形，材料的组织结构也会发生变化，使材料承载能力卜-降而至断裂）；高温卜一钢的组织结构常会发生转变（）。5高温用钢的性能要求：高温用钢的热强性及对强韧性的考虎；高温用钢的化学稳定性。8.6低合金高强度钢，这些钢主要加入的合金元素有Si、Mn、钳（Mo）.饥（V）、Ti、饥和稀土等。8.7低温的

25、脆断的特点：（低温脆断的名义应力都较低，一般低于材料的屈服强度，往往还低于设计应力；低温脆断之前没有明显的塑性变形，或只有局部的少量塑性变形，断裂总是从缺陷处（尤其是I焊缝缺陷）或几何形状突变的应力或应变集中处开始；|脆性破坏一旦开始，便以极高的速度发展，一般是声速的3倍左右，如钢为12001800m/s；低温下脆性断开的材料，其原有韧性均较低，尤其有缺口试样，低温缺口敏感性更大，韧性更I差。8.8常用的耐蚀低合金钢：耐丿、气腐蚀的低合金钢；耐海水腐蚀的低合金钢；耐H：S腐蚀开裂用低合金钢:抗H、N、氨腐蚀用低合金钢。8.9压力管道对材料性能的要求：足够的强度，良好的塑性和韧性；良好的冷热加工

26、成形性能；与坏境条件协调，有适当的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。有色金属及其选用9.1有色金属是指铁基合金以外的其他合金，它们的种类较多，并且具有钢铁材料所没有的特殊性能。9.2饮及饮合金由丁具有密度小、比强度高（比强度=%/g），耐腐蚀等优点，所以在石汕、化工、农药、染料、造纸、轻工、航空、宇宙开发、海洋工程等方面都得到了广泛应用。钛及钛合金的价格较高。9.3铝及铝合金一在过程装备中主要应用的是纯铝、防锈铝合金、铸造铝合金，一般用硝酸、醋酸、碳酸氢钱、尿素、甲醇和乙醛生产的部分设备，以及深冷设备。9.4铜及铜合金（加工黄铜、青铜、白铜的级别、牌号、代号及化学成分参见GB/T5232-85.GB

27、/T5234-85）9.5線及線介金在过程装备中，纯银化工设备主要用丁制碱工业的高温及与烧碱溶液接触的设备如碱液蒸发器。电解線主要用丁制作电镀線槽中的阳极、钦基耐蚀合金主要用丁条件苛刻的腐蚀坏境9.6轴承合金的性能要求：厂具有足够的抗压强度，以保证能承受轴颈所施加的较大压应力;具有较高的抗疲劳强度，能承受较大的周期性的变动载荷的作用；与轴摩擦滑动时，有较小的摩擦系数、良好的相容性，即具有良好的减摩特性；J有优良的导热性以及较小的膨胀系数，以免摩擦而把温度升高发生咬合而损坏轴颈和轴承；具有足够的塑性和韧性，以使轴承能承受轴施加的冲击和振动载荷；有良好的耐蚀性，能抗润滑油的腐蚀；V制造容易、价格适

28、当。选材原则10.1选用的一般原则：（I）材料的使用性能原则分析构件的工件条件，确定构件应具有的使用性能；通过失效分析，确定构件的主要使用性能；从构件使用性能要求提出对材料性能的要求；（2）材料的加工r艺性能原则指保证构件质帚的前提卜，对材料加工的难易程度；（3）材料的经济性原则为满足构件使用性能、加工工艺性能要求的前提卜的经济性，同时考虑材料来源难易及是否符合国家的资源政策。10.2过程装备选材的特点分析：（1）生产工艺特点分析介质特性：工艺特性；（2）过程装备特点分析单机过程装备有很多类型，如塔设备、换热设备。反应设备、贮罐、压缩机、离心机、风机、泵、阀等，这些装备具有不同的功能与结构，对

29、材料的要求各有不同。10.3（过程装备强度计算软件包SW6-1998“标准材料数据库”一国家化工所GB150-19SS钢制压力容器）高分子材料基础U.1高分子材料是由相对分子质最10以上的化合物构成的材料，它是以聚合物为基本组分的材料，所以又称聚合物材料或高聚物材料：按高分子材料的来源分一一天然高分子材料、合成高分子材料;按高分了材料性能和产品用途分一一塑料、橡胶、纤维、聚合物共混物、高分了合金、聚合物某复合材料、粘合剂和涂料；按高分子材料的热行为及成型工艺特点为分一一热塑性高分子材料、热固性高分子材料；J按高分子几何构型分一一线型高聚物、体型高聚物和支链型高聚物；工程常用塑料和橡胶及其选用12.1热塑性塑料以热塑性树脂为主体成分（聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯PTEF,F4、聚酰胺PA、ABS、聚丙烯PP、聚甲基酸甲脂PMMA、氯化聚瞇PENTON、聚碳酸脂PC、聚甲醛POM、聚砚PSF等），加工塑化成型后一般都貝有饶状的线型分子结构，受热后又软化，可反复塑制，亦可对型材做二次热加工。12.2热固性塑料以热固性树脂为主体成分（环氧树脂EP、酚醛树脂PF、咲喃塑料、不饱和聚酯UP）,加工固化成型后一般具有风头的体型结构，受热不再软化，强热卜发生热分解破坏，