化工机械基础第六章

1、2020/10/7,1,第2篇 工程材料,第6章 过程装备材料,6.1 过程装备用金属材料,强度、弹性、塑性、韧性、硬度等,一、 金属材料的性能,力学性能、物理性能、化学性能和加工性能,1、力学性能,2020/10/7,2,（1）强度 是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力,屈服强度：s（ 0.2 ） 抗拉强度：b 蠕变极限：tn （高温） 疲劳强度：-1（交变载荷）,2020/10/7,3,（2）弹性、塑性,弹性：弹性模量E、剪切弹性模量G,塑性：延伸率 、断面收缩率 ,2020/10/7,4,（3）韧性,低温设备所用钢板的AKV值不得低于18J,材料对缺口和裂纹敏感程度。,夏比缺口冲击试

2、验 冲击吸收功AKV（单位：焦耳，J）,2020/10/7,5,（4）硬度,硬度指标：布氏硬度(HBS) 洛氏硬度(HRC、HRB) 维氏硬度(HV),硬度是指金属材料的软硬程度，也即金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。,2020/10/7,6,2、物理性能,密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。,2020/10/7,7,表 2-l 几种常用金属的物理性能,2020/10/7,8,3、化学性能,（1）耐腐蚀性 抵抗腐蚀介质侵蚀的能力 （2）抗氧化性 高温氧化，选耐热材料,2020/10/7,9,表 2一2常用材料在不同温度和浓度的酸碱盐类介质中的耐蚀性,2

3、020/10/7,10,4、加工工艺性能,（1）可铸性：可铸造性主要是指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向。 （2）可锻性：可锻性是指金属承受压力加工(锻造)而变形的能力。 （3）焊接性：这是指能用焊接方法使两块金属牢固地联接，且不发生裂纹，具有与母体材料相当的强度，这种能熔焊的性能称焊接性。 （4）可切削加工性：切削加工性是指金属是否易于切削。,2020/10/7,11,二、金属材料的晶体结构,在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织。,1、金属的组织与结构,2020/10/7,12,常见金属的晶体结构有体心立方、面心立方和密排六方,体心立方晶格的金属：铬(Cr)、钨(W)、钼(M

4、o)、钒(V)和Fe等,面心立方晶格的金属有铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)和-Fe等。,密排六方晶格的金属有锌(Zn、镁(Mg) 等。,2020/10/7,13,2、纯铁的同素异构转变,体心立方晶格的纯铁称-Fe（910以下），面心晶格的铁称为g-Fe（910 1392 ）。 a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。 在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。 纯铁的同素异构转变是在910恒温下完成的。在固态下重新排列、结晶过程。是钢进行热处理的依据。,2020/10/7,14,3、碳钢的基本组织,碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。

5、,固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体。,2020/10/7,15,（1）铁素体,碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体 a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006），强度和硬度低，但塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。,2020/10/7,16,（2）奥氏体,碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体 g-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比a-Fe中大得多，如在723时可溶解0.8，在1147时可达最大值2.06。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。,2020/10

6、/7,17,（3）渗碳体,碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。 熔点约1600，硬度高，塑性几乎等于零。 铁碳合金含碳量小于2时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。 含碳量大于2时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。,2020/10/7,18,（4）珠光体,铁素体与渗碳体的共晶混合物。 力学性能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、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。,2020/10/7,19,（5）莱氏体,奥氏体和渗碳体构成的共晶混合物。 具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。,2020/10/7,20

7、,（6）马氏体,钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。,2020/10/7,21,铁碳合金状态图,2020/10/7,22,三 钢材的热处理,铁碳合金加热到一定的温度、保温，以不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。,热处理,表面热处理,普通热处理,化学热处理,表面淬火,回 火,退 火,正 火,淬 火,2020/10/7,23,（1）退火：将钢件加热到一定温度并保温一定的时间（压力容器用钢一般低于A1点），然后随炉冷却。 退火的主要目的是： a.降低钢的硬度，提高塑性和韧性；

8、 b.改善或消除坯料在铸造、锻造、焊接时所产生的成分或组织的不均匀性； c.消除内应力，稳定尺寸； d.细化晶粒，改善钢中碳化物的形态和分布。,三 钢材的热处理,2020/10/7,24,三 钢材的热处理,（2）正火：将钢加热到某一温度，保温一定的时间，然后在空气中冷却。 正火的主要目的： a.细化晶粒，提高钢材韧性和稳定钢材的力学性能； b.得到所要求的金相组织。 （3）淬火：将钢加热到某个温度，保温一定时间，使之奥氏体化后，用油冷或水冷急冷直室温。 淬火的主要目的： a.提高钢的强度和硬度； b.改善某些特殊钢的力学和化学性能。,2020/10/7,25,三 钢材的热处理,（4）回火：将淬

9、硬的钢加热到某一温度，保温一定时间，然后以一定的速度冷却到室温。 回火的主要目的： a.消除淬火或正火后所产生的热应力和组织应力，降低脆性，以防变形和开裂； b.能使淬火或正火后的淬硬组织（马氏体、贝氏体等）转变成较稳定的组织，使其得到良好的综合力学性能； c.在不同温度回火可以获得不同组织和性能。,2020/10/7,26,三 钢材的热处理,低温回火：在150250范围内的回火。 特点：较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。 适用于：滚珠轴承、刃具、量具。 中温回火：温度是300450。 特点：减少内应力，有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。 适用于：轴类、刀杆、轴套等。 高温回火：温度为

10、500680。 特点：强度、韧性、塑性等都较高。,2020/10/7,27,三 钢材的热处理,（5）调质：淬火+高温回火，使其得到较好的综合力学性能。,（6）化学热处理：将工件放入一定介质(金属或非金属元素)中，经加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些元素渗入零件表面，改变表层的化学成分和组织结构，从而使工件表面获得所需要的某些性能的热处理工艺。,2020/10/7,28,四、常用金属材料,一般含碳量0.022.11称为钢； 大于2.11称为铸铁； 当含碳量小于0.02时称纯铁(工业铁)；,（一）碳素钢：由铁碳两种基本元素组成。,2020/10/7,29,碳素钢的分类：,2020/10/7,3

11、0,碳素钢的分类：,2020/10/7,31,1、普通碳素结构钢,牌号：Q+三个数字，屈服强度数值（MPa） 质量等级A，B，C，D。 脱氧方法为F， Z， b，TZ。 化工压力容器用钢一般选用镇静钢,2020/10/7,32,2、优质碳素结构钢,牌号：两位数字，含碳量的万分数 如：08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。平均含碳量的万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%0.50%)。 S0.03%0.045% ；P0.04%,2020/10/7,33,优质低碳钢（含C0.25%），如08、10、 15、20、25；塑性好，焊接性能好，壳体、接管。

12、优质中碳钢（含C量0.3%0.60%）,如30、35、40、45、50与55； 45号钢搅拌轴 优质高碳钢（含C0.6%），如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。,2020/10/7,34,（二）低合金钢,牌号：数字+合金元素（ 35CrMo ） 数字：含碳量的万分数 合金元素后的数字：含合金元素的百分数 如：35CrMo表示含碳量平均为万分之三十五，含 Cr、Mo在1%左右。 当合金元素平均质量分数1.5%、2.5%，3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。,在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，合金含量

13、5%，得到或改善某些性能。,2020/10/7,35,（三）不锈钢,牌号：数字+合金元素 数字：含碳量的千分数 合金元素后的数字：含合金元素的百分数 合金元素前的数字： 1：0.08%0.15% 0：0.03%0.08% 00：0.01%0.03% 000：0.01% 如：00Cr18Ni11表示含碳量为0.01%0.03%，含Cr18%,含Ni11%,不锈钢：耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢,2020/10/7,36,含碳0.15，铬量在1230。有些钢种还含有钼、钛等元素。 不锈纲中的含碳量都较低，含铬都在13以上 对晶间腐蚀比较敏感 铬含量高时，脆性转变温度高，可焊性较差。,1、铬不锈钢

14、,2020/10/7,37,2、铬镍不锈钢,优异的综合性能，包括优良的力学性能，冷、热加工和成型性，可焊性和在许多介质中的良好耐蚀性，耐热性和高温力学性能。 例如 ：0Cr18Ni9、 0Cr18Ni10Ti 、0Cr17Ni12Mo2。,2020/10/7,38,（四）专业用钢,在钢号后面分别加注 g、 R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。 质地均匀、杂质含量低，能满足某些力学性能的特殊检验项目要求。,1、锅炉用钢，压力容器用钢、焊接气瓶用钢,2020/10/7,39,2、低温用钢,低温：温度-20 要求：良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性和可焊性 16MnDR、0

15、7MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR,2020/10/7,40,作业：P90 6-2,自学：6.1.4.5 铸铁 6.1.4.6有色金属及其合金 6.2 非金属,2020/10/7,41,（五）铸铁,含碳量2%4.5%，含有 S、 P、 Si、 Mn等杂质。 脆性材料，抗拉强度较低，但有良好铸 造性、耐磨性、减振性及切削加工性。 在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有 机溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。 铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸 铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。,2020/10/7,42,1、灰铸铁,2.7%4.0%，片状石墨形式，断面暗灰色。

16、灰铸铁的抗压强度较大，抗拉强度很低，冲击韧性 低，不适于制造承受弯曲、拉伸、剪切和冲击载荷的 零件。但它的耐磨性、耐蚀性较好，与其它钢材相 比，有优良的铸造性、减振性能，较小的缺口敏感性 和良好的可加工性，可制造承受压应力及要求消振、 耐磨的零件，如支架、阀体、泵体(机座、管路附件 等)。在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、联碱生 产中的碳化塔及淡盐水泵等。 HT和抗拉强度sb值表示，如 HT100，其中100表示sb 100MPa。 常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。,2020/10/7,43,2、可锻铸铁,碳大部分或全部以团絮

17、状存在，与灰铸铁相 比，具有较好的塑性和韧性，又比钢具有好 的铸造性能，常用于截面较薄而形状复杂的 轮壳、管接头等。 按组织成分和性能分：黑心可锻铸铁KTH、 珠光体可锻铸铁KTZ 、白心可锻铸铁KTB。 例如： KTH300-06表示强度极限为300MPa, 延伸率为6%的黑心可锻铸铁。,2020/10/7,44,3、球墨铸铁,简称球铁。是大体上为球状的石墨颗粒，分布在 以铁为主要成分的金属基体中而构成的铸铁材 料。 在酸性介质中，球墨铸铁耐蚀性较差，但在其它 介质中耐腐蚀性比灰铸铁好。在强度、塑性和韧 性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。用于曲 轴、连杆、主轴、中压阀门. 用QT、抗拉强度

18、值、延伸率表示，如QT400- 18，其中400表示sb400MPa，18表示 d=18%。,2020/10/7,45,4、高硅铸铁,高硅铸铁是特殊性能铸铁中的一种，是往灰铸铁或球 墨铸铁中加入一定量的合金元素硅等熔炼而成的。高 硅铸铁具有很高的耐蚀性能，且随含硅量的增加耐蚀 性能增加。高硅铸铁强度低、脆性大及内应力形成倾 向大，在铸造加工、运输、安装及使用过程中若处之 不当易于脆裂。高硅铸铁热导率小，线膨胀系数大， 故不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。 它常用于制作各种耐酸泵、冷却排管和热交换器等。 常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器 牌号有：STSi11Cu2CrR、STSi1

19、5R、STSi15Mo3R,2020/10/7,46,（六） 有色金属,铜 T 黄铜H 青铜Q 铝L 铅Pb 镍 Ni 钛Ti,2020/10/7,47,1、铜及其合金,半贵重金属 (1) 纯铜（紫铜） 低温时可保持较高的塑性和冲击韧性，用于制作深冷设备和高压设备片。 耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸等介质的腐蚀，对淡水、大气、碱类溶液的耐蚀能力很好。 不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。,2020/10/7,48,2、铜合金,黄铜：铜与锌的合金称黄铜 白铜：镍的质量分数含量低于50%的铜镍合金称为简单（普通）白铜，再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂（特

20、殊）白铜。 青铜：其它合金。铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、铍、锰等组成的合金称无锡青铜。,2020/10/7,49,（1）黄铜,铜与锌的合金称黄铜。 铸造性能好，力学性能比纯铜高，耐蚀 性能与纯铜相似，在大气中耐腐蚀性比 纯铜好，价格便宜，应用较广。 在黄铜中加入锡、铝、硅、锰等元素， 特种黄铜。 锰、铝能提高强度；铝、锰和硅提高抗 蚀性和减磨性；铝能改善切削加工性。,2020/10/7,50,常用的黄铜牌号有H80、H68、H62等 H80大气、淡水及海水中有较高耐腐蚀 性、加工性能优良，可作薄壁管和波纹 管。 H68塑性好，可在常温下冲压 H62在室温下塑性较差，但机械强度较 高

21、，易焊接，价格低廉，可做深冷设备 的筒体、管板、法兰及螺母等。 锡黄铜 HSn70-l含有1%的锡，能提高在 海水中的耐蚀性。称海军黄铜。,2020/10/7,51,（2）白铜,镍含量低于50%的铜镍合金称为简单（普 通）白铜， 再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为 复杂（特殊）白铜。 白铜是工业铜合金中耐腐蚀性能最优者， 抗冲击腐蚀、应力腐蚀性能亦良好，是海 水冷凝管的理想材料。,2020/10/7,52,（3）青铜,铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、 铅、被、锰等组成的合金称无锡青铜。 锡青铜分铸造锡青铜和压力加工锡青铜。 锡青铜典型牌号 ZQSn10-1，有高强度和 硬度，能承受冲击载

22、荷，耐磨性很好，具 有优良的铸造性，比纯铜耐腐蚀。 锡青铜用来铸造耐腐蚀和耐磨零件，如泵 壳、阀门、轴承、蜗轮、齿轮、旋塞等。 无锡青铜力学性能好,2020/10/7,53,2、铝及其合金,浓硝酸以及干氯化氢、氨气中都是稳定 的。 铝不会产生火花，常用于制作含易挥发 性介质的容器； 铝不会使食物中毒，不沾污物品，不改 变物品颜色，在食品工业中代替不锈 钢。 铝的导热性能好，适合于作换热设备。,2020/10/7,54,（1）工业纯铝 工业高纯铝可用于抗硫腐蚀，浓硝酸设 备，高压釜、槽车、贮槽、阀门、泵。 可用于耐硫腐蚀、防污染而不要求强度 的设备，例如：反应器、热交换器、深 冷设备、塔器等。,

23、2020/10/7,55,(2) 硬铝,基本上是Al-Cu-Mg的合金 按含合金元素与热处理强化效果的不同，可 分为： 低合金硬铝； 标准硬铝； 高合金硬铝。,2020/10/7,56,（3）防锈铝,由铝锰系或铝镁组成的铝合金，强度比 纯铝高，在海水中能形成不溶性的保护 膜。 可用于制造油箱、管道、低压容器、铆 钉等。,2020/10/7,57,(4) 铸造铝合金,是铝、硅合金。 Al-Si系，俗称“硅铝明”，铝的铸造性、流动 性好，铸造时收缩率和生成裂纹的倾向性都 很小。耐蚀性好，且密度小，广泛用来铸造 形状复杂的耐蚀零件，如管件、泵、阀门、 汽缸、活塞等。,2020/10/7,58,3、铅

24、及其合金,在许多介质中，具有很高的耐蚀性。特别是 在硫酸(80%的热硫酸及92%的冷硫酸)中铅具 有很高的耐蚀性。但其强度和硬度低、不耐 磨、质软、比重大等，不适宜单独制化工设 备，只能做设备衬里。铅与锑合金称为硬 铅，硬度、强度都比纯铅高，在硫酸中的稳 定性也比纯铅好。,2020/10/7,59,铅和硬铅在硫酸、化肥、化纤、农药、电器设 备中可用来做加料管、鼓泡器、耐酸泵和阀门 等零件。 由于铅具有耐辐射的特点，在工业上用作 X射 线和g射线的防护材料。 铅合金的自润性、磨合性和减振性好，噪音 小，是良好的轴承合金。 铅合金还用于铅蓄电池极板、铸铁管口、电缆 封头的铅封等。,2020/10/

25、7,60,4、钛及其合金,钛的密度小（4.507g/cm3）、强度 高、耐腐蚀性好、熔点高。 工业纯钛牌号有 TA0、TA2、TA3(编 号愈大、杂质含量愈多)。 纯钛加工性能良好；有良好的耐蚀 性。钛也是很好的耐热材料。 在钛中添加锰、铝或铬钼等元素，可 获得性能优良的钛合金。,2020/10/7,61,5、镍及其合金,高强度和塑性，好的延伸性和可锻 性。好的耐腐蚀性，用于制造处理碱 介质的化工设备。 牌号为 NCu28-2.5-1.5的蒙乃尔耐蚀 合金应用最广。蒙乃尔合金能在 500时保持高的力学性能，能在 750以下抗氧化，在非氧化性酸、 盐和有机溶液中比纯镍、纯铜更具耐 蚀性。,202

26、0/10/7,62,6.2 非金属材料,既可用作结构材料，又能作设备的保 护衬里、涂层，还可做设备的密封材 料、保温材料和耐火材料。 非金属材料分为无机非金属材料（陶 瓷、搪瓷、岩石、玻璃等）及有机非 金属材料（塑料、涂料、橡胶等）及 近2030年来发展的复合材料（玻璃 钢、不透性石墨等）。,2020/10/7,63,一、无机非金属材料,1、化工陶瓷 好的耐腐蚀性、耐热性和一定机械 强度。 导热性差，热膨胀系数较大，受碰 击或温差急变而易破裂。,2020/10/7,64,2、化工搪瓷 由含硅量高的瓷釉通过900左右的 高温煅烧，使瓷釉密着在金属表 面。 具有优良的耐腐蚀性能、力学性能 和电绝缘性能，但易碎裂。 热导率不到钢的1/4，热膨胀系数 大。不能直接用火焰加热，以免损 坏搪瓷表面，可以用蒸汽或油浴缓 慢加热。使用温度为-30270。,2020/10/7,65,3、玻璃 化工用的玻璃不是一般的钠钙玻璃，而 是硼玻璃（耐热玻璃）或高铝玻璃，它 们有好的热稳定性和耐腐蚀性。 有耐腐蚀性、清洁、透明、阻力小、价 格低等特点，但质脆、耐温度急变性 差，不耐冲击和振动。 目前已成功采用在金属管内衬玻璃或用 玻璃钢加强玻璃管道，来弥补其不足。,2020/10/7,66,二、有机非金属材料,1、工程塑料 是用高分子合成树脂为主要原料，加入添