化工材料及化工设备

PAGEPAGE162化工材料及化工设备中国化工（集团）总公司北京代理传统意义：①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。②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：1950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%①高温下具有高强度→蒸汽机②农业经济社会进入工业经济社会③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①爱迪生效应-二极管，三极管-电子管时代②硅、锗半导体材料的出现-晶体管取代电子管-进入硅时代③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：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（ω）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α、β、γ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σP(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σe(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）σb：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）σbb：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σbc：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τ(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）τb：材料承受扭转载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力6）屈服强度σs：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σr：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（Rockwellhardness）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1.588mm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(Vikershardness)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δ（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δ<2~5%属脆性材料δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料2）断面收缩率ψ（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（ρ，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(λ，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(α1，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（ρ，Ω.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（γ，Gamma，S/m）：电阻率的倒数4.磁学性能1）磁导率（μ，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（σb）与屈服极限（σs），高温时还应考虑蠕变极限（σn）与持久极限（σD）。(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（δ）和断面收缩率（ψ）。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αK表示。αK低的材料称为脆性材料，破坏时无明显变形，而αK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（σC）来评定。构件的σ值超过σC，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、来源、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，成本低及来源丰富。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)，同时来源广泛，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。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。金属材料的特点优异的力学性能。具有高强度，及优良的塑性和韧性稳定的高温和低温性能良好的导电性、导热性出色的工艺性能（可加工型、延展性）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10099746127177.9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铁及铁及合金(FerrousMetals)非铁金属及其合金(Non-ferrousMetals)第二节铁及铁基合金钢铁—现代工业化的基础·占世界金属总产量的95%。2009年中国粗钢产量5.678亿吨（占全球粗钢产量的46.6%），生铁产量5.44亿吨（占全球生铁产量的60.5%）·具有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用·价格低廉铁及铁基合金的分类纯铁（熟铁）：含碳量＜0.2%钢：含碳量0.2%～2.11%铸铁（生铁）：含碳量＞2.11%纯铁熔点1538℃，常温下密度为，具有铁磁性，弹性模量约为2000MPa工业纯铁强度低、硬度好、塑性好，主要作为磁性材料常温下α铁，体心立方910-1390℃为γ铁，面心立方1390℃以上为δ铁，体心立方钢钢中的碳主要以渗碳体()形式存在渗碳体的坚硬+基体铁的柔韧价格低廉、性能优良的一种金属材料，广泛地应用于建筑、运输、机械制造等领域钢的分类按化学成分：碳素钢，合金钢。按用途：结构钢，工具钢，特殊性能钢按显微组织：珠光体，贝氏体，马氏体，奥氏体。按冶金质量：普通质量钢，优质钢，高级优质钢。碳素钢碳素钢：以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素刚低碳钢：w（C）≤0.25%中碳钢：0.25%＜w（C）≤0.6%高碳钢：w（C）≥0.6%]包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、铸钢、碳素工具钢等合金钢合金钢：在碳素钢的基础上，在冶炼时有目的地加入一种或几种合金元素而成的钢低合金钢：w（Me）＜5%中合金钢：5%≤w（Me）≤10%高合金钢：w（Me）＞10%合金钢的分类合金结构钢低合金结构钢渗碳钢调制钢16Mn、20Cr弹簧钢轴承钢合金工具钢刃具钢模具钢9Cr2、CrWn量具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢2Cr13、1Cr18Ni9耐磨钢其他按用途分类结构钢、工具钢、特殊性能钢结构钢：用于制作工程结构及制造各种机器零件工具钢：用于制造各种工具。分为刃具钢、模具钢与量具钢特殊性能钢：具有特殊物理或化学性能的钢。分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢及磁钢等按显微组织分类按正火后获得的组织分为珠光体、贝氏体、马氏体及奥氏体类型钢。铁素体是碳和其他元素溶解于α-Fe中的固溶体。铁素体具有体心立方晶格，含碳量极少，其性能与纯铁极为相似，也叫纯铁体渗碳体是铁和碳的化合物，也称碳化三铁，含碳量6.69%，具有复杂的晶格结构。其性能硬而脆，几乎没有塑性珠光体是铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并具有良好的塑性和韧性奥氏体是碳和其他元素溶解在γ-Fe中的固溶体。奥氏体具有面心立方晶体，塑性好，一般在高温下存在贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。在较高温度形成“上贝氏体”，呈羽毛状；在较低温度形成“下贝氏体”，呈针状或竹叶状。下贝氏体与上贝氏体相比，其硬度和强度更高，并保持一定的韧性和塑性马氏体：通常是指碳在α-Fe中的过饱和固溶液。高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。马氏体在奥氏体转变产物中硬度最高按冶金质量分类按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类，分为：普通质量钢：w（P）≤0.045%，w（S）0.05%优质钢：w（P）≤0.035%，w（S）≤0.035%高级优质钢：w（P）≤0.025%，w（S）≤0.025%钢的热处理热处理普通热处理：退火、正火、淬火、回火；表面热处理：表面淬火，化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）；其它热处理：变形、真空、激光。钢的普通热处理工艺将固态金属或合金在一定介质中加热、保温盒冷却，一改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺钢的普通热处理包括：退火、正火、淬火和回火等退火将钢加热到适当温度保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得达到或接近于平衡状态的热处理工艺降低硬度，便于机加工细化晶粒，提高塑性和韧性消除应力应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理2正火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后在空气中均匀冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺用途：作为最终热处理，是组织均匀化，提高钢的强度、硬度和韧度作为预先热处理改善切削加工性能3、淬火将钢加热至奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的加热工艺4、回火钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到650℃以下的木易温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金，并含有硅、锰、硫、磷等元素，铸铁中碳主要以石墨的形式存在铸铁的性能特点优良的铸造性（含碳量高，熔点比钢低很多。结晶温度范围小，优良的流动性和较小的凝固收缩性）良好的切削加工性（在切削加工过程中易断屑，石墨本身的润滑作用也减轻了刀具的磨损）优良的耐磨性（石墨的存在有利于润滑和存储润滑油，并改善基体组织）优良的减震性（石墨能迅速吸收机械能并将其以热能形式释放）成本低廉、生产工艺与熔炼设备简单铸铁的用途铸铁件在机械行业的比重：农业机械:40%-60%汽车、拖拉机：50%-70%机床和重型机械：60%-90%不同铸铁的用量百分比：灰口铸铁：70%以上可锻铸铁：3%-6%球墨铸铁：10%-20%1、碳在铸铁中的存在形式和形态铸铁=金属基体+石墨金属基体：铁素体、珠光体、铁素体+珠光体铸铁的性能在很大程度上是由石墨的形状、大小、分布和数量等所决定的石墨的晶体结构六方晶系：基面中的原子间距为0.142nm，共价键两基面之间的间距为0.34nm，分子间作用力硬度、强度、塑性、韧性都很低，伸长率接近于零铸铁中石墨的作用·破坏了金属基体的连续性，减少了实际承载面积·其边缘尖角处具有较大的应力集中，在外力作用下易成为裂纹源3、铸铁的分类碳在铸铁中的存在形式：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁铸铁中的石墨形态：灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁特殊性能：耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁根据碳在铸铁中的存在形式分类白口铸铁：碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合态的渗碳体的形式存在于铸铁中，其断口呈银白色硬而脆，难以切削加工，很少直接用来制造各种零件灰口铸铁：碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色麻口铸铁：石墨+渗碳体（白口和灰口相间的组织，具有较大的硬脆性，工业上很少应用）根据铸铁中石墨形态分类灰口铸铁（简称灰铸铁）：铸铁中的碳全部或大部分以片状石墨形式存在力学性能不高，但生产工艺简单，价格低廉，并可通过孕育处理提高其力学性能，故应用十分广泛可锻铸铁（又称韧性铸铁、展性铸铁，马铁或玛钢）：铸铁中的碳全部或大部分呈团絮状石墨形式存在由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而获得，强度与灰铸铁相近，但韧性和塑性较灰铸铁高球墨铸铁（简称球铁）：铸铁中碳全部或大部分呈球状石墨存在由灰口铸铁成分的铁水，经球化和孕育处理而得力学性能高于灰铸铁，而且能通过热处理来强化金属基体组织，进一步提高力学性能，可替代部分碳钢、合金钢和可锻铸铁蠕墨铸铁：蠕墨铸铁中的碳全部或大部分以蠕虫状石墨形式存在70年代迅速发展起来的一种新兴铸铁材料由于球铁成分相似的铁水，经蠕化和孕育处理而得到兼有灰铸铁和球铁的某些优点特殊性能铸铁普通铸铁中加入某些合金元素，形成具有特殊性能的合金铸铁与合金钢相比，熔炼简单、成本低廉、有良好的使用性能，但其力学性能比合金钢低、脆性较大耐磨铸铁减摩铸铁：在有润滑、受粘着磨损条件下工作。用机床导轨、发动机机缸套、活塞环、轴承等·减摩铸铁多用灰铸铁，常在普通灰铸铁基础上加入适量的Cu，Mo，P，Cr，V，Sb，Re等合金元素，可强化基体，增加基体中珠光体数量，同时也细化了珠光体和石墨，使铸铁的强度和硬度升高，组织改善，具有良好的润滑性和抗咬合、抗檫伤能力抗磨铸铁：在干摩擦及磨料磨损条件下工作如轧辊、犁铧、磨球等。这类铸铁既受到严重磨损又承受高的负荷（2）耐热铸铁铸铁的耐热性主要指它在高温下抗氧化和热生长的能力氧化：铸铁在高温下与周围气氛接触式表层发生化学腐蚀现象生长：铸铁在反复加热冷却时产生的不可逆体积长大现象可代替耐热钢制造加热炉炉底板、坩埚、热交换器、钢锭模及压铸模等。普通灰铸铁加入Cr，Al，Si等元素可提高铸铁的耐热性耐蚀铸铁具有一定的力学能力和抗腐蚀能力的铸铁提高耐腐蚀性的原理和途径：使铸铁表面形成牢固稳定、致密完整的保护膜，防止腐蚀继续进行；提高铸件基体的电极电位；铸铁基体为单相组织，尽量减少石墨数量；铸铁中的碳一碳化物形式存在在铸铁中计入Cr，Si，Al，Ni，Cu，P等合金元素应用最广泛的是高硅耐蚀铸铁，含硅量为15%-17%，具有优良的耐酸性第三节非铁金属及其合金非铁金属的分类重金属：指密度大于4.5的非铁金属。包括铜、镍、锢、铅、锌、锑、汞、镉和铋。轻金属：指密度小于4.5的非铁金属。包括铝、镁、钙、钾、锶和钡。贵金属：指在地壳中含量少，开采和提取都比较困难，对氧和其它试剂稳定，价格比一般金属贵的非铁金属。包括金、银和铂族元素。一般比重都较大，熔点较高（916-3000度），有很好的化学稳定性、优良的抗氧化性及腐蚀性。半金属：一般指硅、硒、碲、砷和硼五种元素。其物理化学性质介于金属和非金属之间。如砷是非金属，但它能传热和导电。稀有金属：稀有金属并不是说稀少，只是指在地壳中的分布不广，开采冶炼较难，在工业应用较晚，故称为稀有金属。稀有金属又包括为稀有轻金属，稀有高熔点金属，稀土金属，稀有放射性金属。几种常见的非铁金属及其合金铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、钛及钛合金、高温合金一、铝及铝合金1）密度低、比强度高（纯铝的密度只有2700，铝合金的密度也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金钢相近的强度，因此比强度一般比高强度钢的高）2）具有良好的导电导热性（导电性仅次于银和铜，约为铜的64%，如果按照单位质量计，铝的电导率则超过了铜）3）耐腐蚀性好（铝可与大气中的氧迅速作用，在表面生成一层薄膜，保护内部的材料不受环境侵害）4）加工性能良好（塑性很好，可以冷拔成丝。切削性能也很好。高强铝合金加工后金热处理，可以达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好）1.纯铝1）高纯铝：纯度为99.93%-99.99%，（主要用于科学研究及制作电容器）2）工业高纯铝：纯度98.85%-99.9%，（用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金原料）3）工业纯铝：纯度为98.0%-99.9%，牌号为L1，L2，L3，L4，L5，编号越大，纯度越低。（工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金）2.铝合金1）变形铝合金合金元素含量较低，可以通过压力加工制成各种型材及成型零件的一类铝合金防锈铝合金：Al-Mg或Al-Mn硬铝合金：Al-Cu-Mg超硬铝合金：Al-Cu-Mg-Zn锻铝合金：Al-Cu-Mg-Si2）铸造铝合金合金含量较高、适于用铸造方法成形的一类合金铝硅系合金（常称为硅铝明，具有优良的铸造性能及机械性能）铝铜系合金（强度较大，且在高温下能保持较高的强度，为耐热铝合金；其缺点是铸造性能和耐腐蚀性较差）铝镁系合金（强度和塑性高，耐腐蚀性优良；但铸造性能差，浇注时易产生氧化，铸件易形成显微疏松）铝锌系合金（具有较高的强度，但腐蚀性差，是价格最低的一种铸造铝合金世界铝的年产量仅次于铁，居第二位。铝有较好的延展性可制成0.01mm的铝箔，用于包装香烟、糖果；铝的密度小和具有抗腐蚀等优良性能，铝及其合金在电线电缆工业、飞机、汽车等制造业有广泛的用途一架超音速飞机约70%是由铝及其合金构成的，每枚导弹的用铝量约为其总质量的10%～15%，一艘15000吨的大型客轮的用铝量高达2000吨二、铜及铜合金1）优异的导电和导热性2）对大气和水的抗蚀能力很高3）良好的加工性能（铜及其某些合金塑性很好，容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能）4）某些特殊力学性能（优良的减摩性和耐磨性，高的弹性极限和疲劳极限）5）色泽美观1.纯铜（紫铜）纯铜呈紫红色，故又称紫铜。铜元素在地球上的储量较少。纯铜的密度为8900，熔点为1083度，呈面心立方晶格结构，具有良好的导电、导热性能（仅次于银）以及较高的塑性和耐蚀性；但强度、硬度较低，不能通过热处理强化。工业上常通过添加元素来改善其性能铜合金黄铜、白铜、青铜。黄铜以锌为主要合金元素的铜合金普通黄铜：为铜锌二元合金。（锌能大量溶于铜中形成α固溶体，当锌含量大于39%时，普通黄铜中出现硬脆的第二相。含锌量低的普通黄铜具有良好的塑性，可通过挤压、冲压、弯曲等方法成形。锌含量高时，具有良好的铸造性能）特殊黄铜：在普通黄铜中加入Sn，Si，Pb，Fe等合金元素所组成的合金。（合金元素的作用是改善和提高黄铜的强度、铸造性能、切削性能和乃是性能等）2）白铜以镍为主要合金元素的铜合金铜镍之间彼此可无限固溶，从而形成连续固溶体，即不论彼此的比例多少，而恒为α-单相合金。纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性具有良好的机械性能和物理性能，延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀3）青铜除了以锌或镍为主要合金元素的铜合金外，其余铜合金外观多为棕绿色，统称为青铜普通青铜：普通青铜以锡为主加元素，又称为锡青铜。（工业用锡青铜的含锡量为3%—4%。锡青铜具有良好的减磨性、抗磁性及低温韧性。在大气、淡水、海水及高压过热蒸汽中的耐腐蚀性能比黄铜更高，但抗酸腐蚀能力差。）特殊青铜：特殊青铜是不含锡的青铜合金。（根据主加元素的不同，主要有铝青铜、硅青铜，铍青铜和铅青铜等。由于特殊青铜中添加的合金元素不同，其性能也各具特色。如铝青铜具有耐磨、耐腐蚀性好、价格低廉的特点；铍青铜具有较高的弹性极限和疲劳极限。）三、镁及镁合金1.纯镁纯镁呈银白色，熔点651℃，密度1740，为密排六方晶格结构，无同素异构转变，塑性较低，电极电位低，氧化膜脆且不致密，故抗蚀性很差；纯镁的力学性能较差，铸态时抗拉强度为115MPa，伸长率为8%，加工硬化后抗拉强度可达200MPa。纯镁在冶金工业中作为脱氧剂、脱硫剂和配制镁合金，还用作制造照明弹、信号弹和火焰弹的原料纯美的力学性能很低，不能用作结构材料，但通过加入合金元素经合金化及热处理后，其强度可达300—350MPa，成为工程中较为重要的结构材料2.镁合金1）密度小，比强度高，比刚度高（可以用来减轻发动机和其他机器零件的质量）2）具有较强的承受冲击载荷的能力（制造受猛烈碰撞的零件。例如，飞机轮毂常用镁合金铸造而成）3）具有优良的可切削加工性和可抛光性，易于铸造和热加工根据制造方法的不同，镁合金可分为变形镁合金（MB）和铸造镁合金(ZM)两大类。四、钛及钛合金1.纯钛纯钛呈银白色，熔点1677℃，密度4507。钛有同素异构转变，在882.5℃以下具有密排六方晶格结构（称为α—Ti），882.5℃以上是体心立方结构称（β—Ti）。2.钛合金1）比强度高（几乎是铝合金的五倍。热处理后，它的强度与高强度钢相当，但密度仅为钢的57%）2）热强度高（钛合金可在550℃以下的温度工作，并可望进一步将其工作温度提高到800℃）3）低温下具有较好的韧性（其低温断裂韧性优于铝合金和一些结构钢）4）抗腐蚀性好（肽在常温下极易形成稳定致密的氧化物和氮化物膜，从而使钛及其合金具有优良的抗蚀性。钛不仅在大气、潮气和其他含氧酸的介质中具有优良的抗蚀性，而且在海水和湿氯气中也具有优良的抗蚀性）钛和钛合金被认为是21世纪的重要材料，它具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、机械性能好等。尤其是抗腐蚀性能非常好，即使把它们放在海水中数年，取出后仍光亮如新，其抗腐蚀性能远优于不锈钢，因此被广泛用于火箭、导弹、航天飞机、船舶化工和通讯设备等五、高温合金以熔点金属Ni（熔点1455℃）、Co（1480℃）、Nb（2415℃）、Mo（2620℃）等为基体，加入一定含量的合金元素所构成的在高温下使用的金属材料高温合金的特点具有较高的热稳定性（在高温条件下，高温合金具有较高的抗氧化、抗腐蚀、抗冲刷的能力，其工作温度可达650℃—1100℃。）具有较高的热强性比强度和弹性模量高，热膨胀系数小，导热系数大具有良好的加工工艺性能第四节金属的冶炼金属元素在自然界中的存在形式游离态少数化学性质不活波的金属，在自然界中能以游离态在，如：Au、Pt及少量Ag、Cu化合态化学性质比较活泼的金属，在自然界中总是以化合态存在，如：Na、Mg、Al等金属的冶炼方法·热分解法·热还原法·电解法热分解法有些不活泼金属仅用热分解法就能制得在金属活动性顺序表中，位于氢后面的某些金属的氧化物受热就能分解热还原法多数金属的冶炼过程属于热还原法常用的还原剂有焦炭、CO、和活泼金属等电解法在金属活动性顺序表中，钾、钠、钙、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，常用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼不同金属冶炼方法的选择电解法：KCaNaMgAl热还原法：ZnFeSnPb（H）Cu热分解法：HgAg第五节金属材料的成型与加工金属的成形方法：液态成形、半固态成形、快速凝固成形液态成形（铸造成形）将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸大小的型腔中，经冷却凝固后便形成所需要的构件的方法。液态成形的特点：适应性强，工艺灵活性大成形件尺寸精确度高成本低廉零件常存在缺陷生产率低半固态成形将合金熔化后，待冷却到液相线温度以下时，利用其一定的流动性实现浇注或压注成形的方法半固态成形的特点：应用范围广铸件质量高节约能源，延长模具寿命生产率高生产成本低快速凝固成形铸造成形过程中，冷却速度大于100℃/s的成形方法快速凝固成形的特点：能形成组织特殊的晶态合金形成非晶态结构形成准晶态结构金属的塑性加工方法：金属在外力的作用下产生塑性变形，获得具有所需形状、尺寸和性能制品的加工方法轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压轧制：金属坯料通过转动轧锟间的缝隙，承受压缩变形，而在长度方向上产生延伸的方法挤压：对放在容器内的金属坯料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的方法拉拔：再外加压力的作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状，尺寸相同的制品的方法锻造：借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件的方法冲压：通过模具和冲压设备，使板材产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件的方法总结金属的冶炼与加工金属的冶炼方法：·热分解法：Hg、Ag·热还原法：Zn、Fe、Sn、Pb、Cu·电解法：K、Ca、Na、Mg、Al金属的加工方法：轧制（压延）：金属坯料通过转动轧锟间的缝隙，承受压缩变形，而在长度方向上产生延伸的方法挤压：对放在容器内的金属坯料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的方法拉拔：再外加压力的作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状，尺寸相同的制品的方法锻造：借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件的方法冲压：通过模具和冲压设备，使板材产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件的方法问题1优异的力学性能。具有高强度，及优良的塑性和韧性稳定的高温和低温性能良好的导电性、导热性出色的工艺性能（可加工性、延展性）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良好的反射能力，不透明性及金属光泽问题2什么叫合金？有一种金属与另一种或及重金属（或非金属跟非金属）一起熔炼或烧制而成的具有金属特性的物质。合金的特点？·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）·更好的抗腐蚀性能问题3铁及铁基合金的分类？纯铁（熟铁）：含碳量＜0.2%钢：含碳量0.2%～2.11%铸铁（生铁）：含碳量＞2.11%问题4钢的普通热处理方法包括哪些？退火将钢加热到适当温度保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得达到或接近于平衡状态的热处理工艺正火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后在空气中均匀冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺回火钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到650℃以下的木易温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺淬火将钢加热至奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的加热工艺问题5铸铁的性能特点是什么？1、优良的铸造性（含碳量高，熔点比钢低很多。结晶温度范围小，优良的流动性和较小的凝固收缩性）2、良好的切削加工性（在切削加工过程中易断屑，石墨本身的润滑作用也减轻了刀具的磨损）3、优良的耐磨性（石墨的存在有利于润滑和存储润滑油，并改善基体组织）4、优良的减震性（石墨能迅速吸收机械能并将其以热能形式释放）5、成本低廉、生产工艺与熔炼设备简单问题6金属的冶炼方法有哪些？·热分解法：Hg、Ag·热还原法：Zn、Fe、Sn、Pb、Cu·电解法：K、Ca、Na、Mg、Al问题7金属的成形方法有哪些？1.液态成形（铸造成形）：将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸大小的型腔中，经冷却凝固后便形成所需要的构件的方法。2.半固态成形：将合金熔化后，待冷却到液相线温度以下时，利用其一定的流动性实现浇注或压注成形的方法3.快速凝固成形：铸造成形过程中，冷却速度大于100℃/s的成形方法问题8金属的塑性加工方法有哪些？轧制（压延）：金属坯料通过转动轧锟间的缝隙，承受压缩变形，而在长度方向上产生延伸的方法挤压：对放在容器内的金属坯料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的方法拉拔：再外加压力的作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状，尺寸相同的制品的方法锻造：借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件的方法冲压：通过模具和冲压设备，使板材产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件的方法问题9·有些不法分子常常以黄铜冒充黄金进行诈骗活动，因为黄铜（铜、锌合金）单纯从颜色、外形上看，与黄金极为相似，所以很难区分，你能想办法用简易的方法鉴别吗？参考答案：·把黄金样品浸入溶液中，若表面有银白色物质出现，则该样品是假黄金。因为铜、锌的活性比银强，而金的活性比银弱。·把黄金样品浸入稀盐酸中，如果有气体产生，则该样品为假黄金。若没有气泡产生，怎该样品为黄金。·去黄金样品，用天平称量，用量筒测其体积，计算出样品的密度，与黄金密度值对照，若密度差值较大，则为黄铜。·其他方法：试硬度（黄铜较硬，黄金较软）。真金不怕火炼，加热后黄铜变黑，黄金不变色用来铸造硬币的金属材料需要具有什么性质？资源丰富、无毒轻便、耐磨耐腐蚀、美观、易加工第三套人民币硬币一元硬币铜镍合金五角硬币铜锌合金二角硬币铜锌合金一角硬币铜锌合金第四套人民币硬币一元硬币钢芯镀镍五角硬币铜锌合金一角硬币铝镁合金第五套人民币硬币一元硬币钢芯镀镍五角硬币钢芯镀铜合金一角硬币铝合金作业金属材料的进展如何推动了化学工业的发展？对本课程的建议第三章无机非金属材料内容陶瓷概论传统陶瓷材料结构陶瓷材料功能陶瓷材料其他无机非金属材料无机非金属材料（Inorganicnonmetallicmaterial）:除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称无机非金属材料以氧化物，碳化物，氮化物，卤素化合物，硼化物以及硅酸盐，铝酸盐，磷酸盐，硼酸盐等物质组成的材料20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来陶瓷>硅酸盐>无机非金属材料上海硅酸盐研究所：shanghaiInstituteofCeramics美国陶瓷学会：AmericanCeramicsSociety无机非金属材料无机非金属材料的特点元素结合力主要为离子键，共价键或者离子—共价混合健高熔点，高硬度，耐腐蚀，耐磨损，高强度和良好的抗氧化性等基本特性宽广的导电性，隔热性，透光性及良好的铁电性，铁磁性和压电性无机非金属材料玻璃凝胶材料耐火材料陶瓷（狭义）1）.传统材料：（用陶瓷和通工业陶瓷）2）现代陶瓷：结构陶瓷（氧化陶瓷和费氧化陶瓷）功能陶瓷（导电陶瓷介电陶瓷压电陶瓷热电陶瓷电光陶瓷磁性陶瓷）陶瓷（广义）传统陶瓷（玻璃凝胶材料耐火材料日用材料）现代陶瓷1.结构陶瓷氧化物陶瓷（）非氧化物陶瓷（）功能陶瓷（导电半导体绝缘陶瓷压电陶瓷介电陶瓷热电陶瓷电光陶瓷磁性陶瓷）陶瓷材料的分类按性能分：陶瓷（狭义）：1.传统陶瓷（日用陶瓷普通工业陶瓷）2.现代陶瓷（结构陶瓷功能陶瓷）按成分分类陶瓷：氧化物陶瓷非氧化物陶瓷传统陶瓷（普通陶瓷）传统陶瓷主要指粘土制品以天然的硅酸盐矿物为原料经粉碎成形烧结之称的产品原料的成分混杂和产品的性能波动大，仅用于餐具日用容器工艺品以及普通建筑材料（如地砖水泥等）而不适用于工业用途现代陶瓷（特种陶瓷）采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。具有各种特殊力学物理或化学性能也称为先进陶瓷新型陶瓷精细陶瓷高技术陶瓷高性能陶瓷等现代陶瓷：1.结构（工程）陶瓷:具有优异的力学性质和耐高温性质的陶瓷2.功能陶瓷：具有电光磁化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷材料现代陶瓷和传统陶瓷的主要区别原料上，突破了传统陶瓷以粘土为原料的界限，代之以”高度精选的原料“；成分上，传统陶瓷以粘土为主要原料，不同产地的陶瓷有不同的之地；现代陶瓷的原料一般为纯化物，其成分由人工配比决定；制备工艺上，现在陶瓷突破了传统陶瓷以炉窖为主要成产手段的界限，广泛采用如真空烧结，保护气氛烧结，热压，热等静压等先进手段；性能上，现代陶瓷具有不同的特殊性能和功能，如高强度，高硬度，耐腐蚀，导电，绝缘，以及磁。电，光，声，生物工程等各方面的特殊性能。陶瓷按化学成分分类氧化物陶瓷：如含Al2O3MgOCaOBeOThO2VO2等的陶瓷非氧化物陶瓷：如含碳化物，氮化物，硼化物硅化物等的陶瓷二,陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的结合键离子键（如MgOAl2O3等）共价键（如金刚石Si3N4BN等）离子键和共价键的混合键>陶瓷材料多以混合键结合,既有离子键结合,又有共价键结合>假定材料为AB两类原子构成,如果价电子在AB原子周围的电荷密度相等,就以共价键结合.如果B原子周围的价电子密度大于超过A原子周围的电荷密度,就形成离子键.>通常认为以离子键结合的MgO,其离子性结合键比例为84%,另有16%的共价键结合.而通常认为是共价键结合的SiC,另有18%的离子结合键.2.陶瓷材料的相组成及其结构晶体相玻璃相和气相(气孔)晶体相>晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，为某些固溶体或化合物，其结构形态数量及分部决定了陶瓷的特性和应用>陶瓷常为多相，可