化工机械基础2-6

概述(ɡàishù)过程装备用材料的种类(1)金属材料黑色金属(如钢材)、有色金属(如铝、铜等)。(2)非金属材料如橡胶、石棉、塑料(sùliào)等。(3)复合材料如玻璃纤维增强塑料(sùliào)(FRP)。第二篇工程材料第六章过程装备材料精品资料2/4/202316.1.1.1金属材料(cáiliào)的主要性能(1)力学性能它是指材料(cáiliào)在外力作用下表现出来的性能，一般有以下几个主要指标:6.1过程(guòchéng)装备用金属材料6.1.1金属材料的基本知识精品资料2/4/202321)机械强度它是指材料抵抗外力作用避免引起破坏的能力(nénglì)，它是过程装备设计与选材的主要依据之一，是材料的重要机械性能指标。反映材料强度高低的指标有:屈服极限(ReL或Rp0.2)、抗拉强度(Rm)，高温时需要考虑蠕变极限(蠕变极限σn：1万小时变形量1%)。交变载荷作用时则需要考虑疲劳极限(σ-1：以106-107次不被破坏的应力)。精品资料2/4/202332)塑性塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力，通常用伸长率δ和断面收缩率Z表示。3)韧性韧性是指材料在断裂前吸收变形能量的能力。韧性是材料对缺口(quēkǒu)或裂纹敏感程度的反映。评定材料韧性的指标通常以标准试样的冲击吸收功(AK)表示（使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积）。精品资料2/4/202344)硬度硬度是指材料抵抗其它物体压入的能力，它是衡量材料软硬的判据。工程上常用的硬度指标为布氏硬度(HBS、HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和维氏硬度(HV)等。硬度的大小说明材料的耐磨性及切削加工(jiāgōng)的可能性，通常材料硬度愈高，零件耐磨性愈好，但其切削加工(jiāgōng)性能较差。材料的硬度与强度之间存在近似的对应关系:材料的强度愈高，其硬度也高。精品资料2/4/20235(2)耐腐蚀(fǔshí)性能它是指材料在使用工艺条件下抵抗腐蚀(fǔshí)性介质侵蚀的能力。对于均匀腐蚀(fǔshí)，在过程设备设计中通常是采用普通钢材再留有一定的腐蚀(fǔshí)裕量来解决的。对于有局部腐蚀(fǔshí)的过程设备，则必须从选择相应的耐腐蚀(fǔshí)材料及防护措施着手解决。精品资料2/4/20236(3)加工工艺性能金属材料的加工工艺性能是指保证加工质量的前提(qiántí)下，加工的难易程度。金属材料的主要加工工艺性能有：焊接性能、铸造性能、压力加工性能、机加工性能及热处理性能等。精品资料2/4/20237金属材料具有许多优良性能是和金属原子的聚集状态以及(yǐjí)它的组织有关的。固态物质，根据其内部原子的聚集状态的不同分为晶体和非晶体两大类。所谓非晶体是其内部原子杂乱无章地不规则的堆积。晶体则是其内部原子有规则的排列，所有的固态金属都是晶体。6.1.1.2金属材料的晶体结构精品资料2/4/20238晶体是由许多金属原子(或离子)在空间按一定几何(jǐhé)形式规则地紧密地排列而成。把每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，就这样得到一个空间格架，这种空间格架叫“晶格”，晶格的最小几何(jǐhé)组成单元叫“晶胞”，如下图所示：(1)金属(jīnshǔ)晶体结构的概念精品资料2/4/20239各种金属晶格结构是不同(bùtónɡ)的，常见的金属晶格结构如下图所示：精品资料2/4/202310(2)金属材料具有不同的性能与其不同的晶体结构有关(yǒuguān)。例如，纯铁在910°C以下具有体心立方晶格结构，称为α-Fe；铁在910°C～1394°C为面心立方晶格结构，称为γ-Fe。这两种晶格结构的铁，其溶碳能力是不同的：碳溶解到α-Fe中形成的固溶体叫铁素体，其最大溶碳量不超过0.0218%；碳溶解到γ-Fe中形成的固溶体叫奥氏体，其最大溶碳量可达2.11%。这两种性质完全不同的组织形式在钢中的存在状态也直接影响着钢的性能。精品资料2/4/2023116.1.1.3铁碳合金(héjīn)相图铁碳合金相图是用图解的方法表示铁碳合金在极其缓慢的冷却速度下，合金的成分(chéngfèn)、组织和性能之间的关系及其变化规律，又称铁碳合金平衡图。铁碳合金相图是人们在长期的生产和科学实验中总结出来的，对于了解钢中组织结构变化和制定热处理工艺具有极为重要的意义。

整个铁碳合金相图可以看成是由Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC和FeC-C等各部分相图组成。然而，铁碳合金当含碳量超过5%时机械性能和工艺性能都差而没有实际应用价值，Fe3C的含碳量达到6.69%，故实际上普遍应用的铁碳合金相图是指Fe-Fe3C相图部分。

精品资料2/4/202312图简化(jiǎnhuà)的Fe-Fe3C相图精品资料2/4/202313(1)铁碳合金相图(xiānɡtú)中的基本相铁素体碳溶于α-Fe中形成的固溶体称为铁素体，用F表示。由于铁素体中碳的溶解度很小，最大溶解度在727°C时为0.0218%，室温时溶碳量仅为0.0008%，因此，铁素体的强度(qiángdù)和硬度低、塑性好，力学性能与纯铁相似。奥氏体碳溶解到γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，用A表示。由于奥氏体中碳的溶解度较大，在727°C时为0.77%，在1148°C时达到最大溶碳量2.11%，因此，奥氏体的强度和硬度不高，但塑性好，容易压力加工。

精品资料2/4/202314渗碳体铁和碳形成的化合物Fe3C称为(chēnɡwéi)渗碳体，其含碳量为6.69％。渗碳体的硬度很高，强度极低，脆性非常大，对铁碳合金的力学性能有很大影响。莱氏体当含碳量为4.30%的液态合金冷却到1148°C时，同时结晶(jiéjīng)出奥氏体和渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，用Ld表示；在727°C以下，莱氏体中的奥氏体将发生共析转变，转变为珠光体，此时由珠光体和渗碳体所组成的莱氏体称为低温莱氏体，用Ld'表示。莱氏体中由于含有大量的渗碳体，其硬度高，但脆性很大。珠光体

铁素体和渗碳体的共析混合物称为珠光体，用P表示。珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。

精品资料2/4/202315(2)铁碳合金(héjīn)相图中的主要特性点和特性线S点——共析点：当铁碳合金的含碳量为0.77％，奥氏体在727°C时发生共析转变，同时(tóngshí)析出铁素体和渗碳体的共析混合物，即为珠光体。ACD线——液相线：所有合金在此线以上是液相区，用符号L表示。合金冷却到此线开始结晶。

AECF线——固相线：所有合金在此线以下均是固体状态。

精品资料2/4/202316ES线——Acm线：表示碳在奥氏体中的溶解度曲线，由于在1148°C时奥氏体中溶碳量最大可达2.11％，而在727°C时仅为0.77％。同时，它也是合金(héjīn)在冷却过程中从奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。GS线——A3线：表示合金(héjīn)在冷却过程中从奥氏体中析出铁素体的开始线，或在加热时铁素体溶入奥氏体的终了线。PSK线——共析线：又称A1线，在此线上发生共析转变，其转变产物为珠光体。含碳量在0.0218％～6.69％的铁碳合金冷却到727°C时都有共析转变发生。

精品资料2/4/202317钢的机械性能不仅因其化学成分的不同而有很大的差异，另一方面，即使化学成分相同(xiānɡtónɡ)的钢材，当加热到一定的温度时，若采用不同的冷却方式，则钢材的机械性能也会有很大的差异，这是由钢材内部组织结构发生变化所引起的。将钢材通过适当的加热、保温和冷却过程，使钢材内部组织按照一定的规律变化，以获得预期的力学性能和加工性能，这种工艺过程就称为钢的热处理。6.1.1.4钢的热处理精品资料2/4/202318常用的热处理方法:(1)退火；(2)正火；(3)淬火；(4)回火(huíhuǒ)；(5)化学热处理。精品资料2/4/2023191)退火退火是把钢件放在炉中加热至一定温度，根据零件形状尺寸在该温度保温一定时间后，然后随炉以缓慢的冷却速度冷却下来，以得到接近平衡状态组织的一种热处理工艺。钢经过退火处理后能达到消除(xiāochú)内应力、强度和硬度下降而塑性、韧性提高的目的。根据钢的成分和热处理目的要求不同，退火可以分为完全退火、再结晶退火、低温退火三种热处理工艺。精品资料2/4/2023202)正火正火是将钢件加热到GS或ES线(图8-2)以上30°C～50°C，经适当保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。正火与退火不同之处在于，正火时钢的冷却速度比退火时大，因此，所得组织更细，强度和硬度有所提高。正火处理具有减少钢件内应力、均匀组织和细化晶粒，为最终热处理做好组织准备等作用。另外，对于(duìyú)低碳钢也可以作为最终热处理，因为正火使其晶粒细化，并使碳化物分布更均匀，以获得优良的综合性能。精品资料2/4/2023213)淬火与回火所谓淬火，就是把钢件加热到临界温度(wēndù)GS或PSK线(图8-2)以上，使钢的组织成为单一的奥氏体，然后保温一定的时间后用油或水急速冷却的热处理工艺。由于冷却速度很大且温度(wēndù)很低，钢材组织中的碳原子无能力扩散被全部保留在铁素体中，形成一种硬度高、脆性大、塑性和韧性都很差且极不稳定的过饱和固溶体，称为马氏体。淬火的主要目的是获得马氏体。由于马氏体是一种不稳定的组织，因此，淬火后一定要进行回火。精品资料2/4/202322所谓回火就是将经过淬火后的钢件重新加热到PSK线以下某一温度，以使其转变为较稳定的组织，提高钢的综合力学性能。在回火过程中，回火温度是决定回火后钢件机械能的主要因素。因此，常按回火温度的不同分为低温(dīwēn)回火、中温回火、高温回火三种热处理工艺。通常在生产上将淬火加高温回火的热处理称为调质处理，它广泛应用于要求高强度、承受交变载荷或冲击载荷的工件(如过程机器中重要的轴等)。精品资料2/4/2023234)化学热处理化学热处理是将钢件置入特殊介质中加热和保温，使特殊介质中的一种或几种元素(yuánsù)渗入钢件表面，改变其成分和组织，从而改变钢件表面性能的热处理工艺。它可以提高钢件的耐蚀性、耐磨性、抗氧化性、耐热性和抗疲劳性。化学热处理按照渗入的元素(yuánsù)不同可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗铝、渗铬、渗硼、渗硫和多元共渗等多种表面处理方法。精品资料2/4/202324钢材按其形状不同可分为若干类品种(pǐnzhǒng)，过程装备制造中所用的常见钢材品种(pǐnzhǒng)如表8-1所示，每一品种(pǐnzhǒng)的钢材又有一系列不同的规格。6.1.2过程(guòchéng)装备常用钢材6.1.2.1钢材的品种和规格钢材冶炼厂所生产的钢材品种和规格一般应符合国家标准的规定，用户可根据工程实际情况合理选用钢材品种和规格。

精品资料2/4/202325精品资料2/4/202326钢材的品种(pǐnzhǒng)很多，钢材的分类比较复杂，而且各种标准不尽一致。为了便于生产、保管、选材和研究，我国常用的钢材分类有如下五种：6.1.2.2钢材(gāngcái)的分类(1)根据钢材的化学成分，可分为碳素钢和合金钢两大类，其中碳素钢按含碳量的多少又分为低碳钢(含碳量≤0.25%)、中碳钢(含碳量在0.25%～0.60%之间)和高碳钢(含碳量＞0.60%)，合金钢按合金元素的总量又分为低合金钢(合金元素的总量在10%以下)和高合金钢(合金元素的总量大于10%)。

精品资料2/4/202327(2)根据钢材(gāngcái)的品质，可分为普通钢(钢中所含有害杂质S≤0.050%、P≤0.045%)、优质钢(钢中所含有害杂质S≤0.035%、P≤0.035%)、高级优质钢(钢中所含有害杂质S≤0.025%、P≤0.025%)和特级优质钢(钢中所含有害杂质S≤0.015%、P≤0.025%)四类。(4)根据钢材的金相组织，按退火(tuìhuǒ)组织分为亚共析钢、共析钢和过共析钢；按正火组织分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。(3)根据钢材的冶炼方法，按炉的种类分为平炉钢、转炉钢和电炉钢；按脱氧的程度分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。

精品资料2/4/202328(5)根据钢材的用途(yòngtú)，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类，其中结构钢又分为建筑用钢、专门用钢(如锅炉和压力容器专用钢板等)和机械零件用钢。此外，还可根据(gēnjù)GB/T13304《钢分类》将钢材进行分类：第一部分是按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类；第二部分是按主要质量等级和主要性能或使用特性进行再分类。精品资料2/4/202329(1)碳素钢碳素钢是由铁和碳组成的铁碳合金，其含碳量为0.02%～2.11％，是各种工业生产中被广泛应用的一种(yīzhǒnɡ)金属材料。根据钢的质量等级，碳素钢可分为碳素结构钢和优质碳素结构钢。碳素结构钢有一定的强度、良好的塑性、韧性和加工工艺性，特别是焊接性能良好。虽然品质差一些，但仍能满足一般结构件的要求，且价格低廉，因而得以广泛应用，常热轧成钢板、型钢、钢筋等，用作低压螺栓、螺母、支架及要求不高的轴类零件等。6.1.2.3压力容器用钢压力容器用钢根据GB150所引用的钢材标准，主要为碳素钢、低合金钢(包括(bāokuò)低合金高强度结构钢、低温用钢、中温抗氢钢和低合金耐蚀钢)和高合金钢(包括(bāokuò)不锈钢和耐热钢)三大类:精品资料2/4/2023301)碳素结构钢碳素结构钢的牌号通常由四部分组成：第一部分是前缀符号+强度值，如通用结构钢前缀符号为代表屈服强度的拼音字母“Q”，强度值采用厚度(hòudù)≤16mm的最低屈服强度值(MPa)；第二部分(必要时)为钢的质量等级符号，用英文字母A、B、C、D、┅表示；第三部分(必要时)为脱氧方式表示符号，沸腾钢标以符号“F”，镇静钢标以符号“Z”或不标注，特殊镇静钢标以符号“TZ”或不标注；第四部分(必要时)为产品用途、特性和工艺方法表示符号。精品资料2/4/202331Q235AF表示厚度≤16mm的最低屈服强度值为235MPa、质量等级(děngjí)为A级的沸腾碳素结构钢。Q235A、Q235B及Q235C分别表示厚度≤16mm的最低屈服强度值为235MPa的低碳镇静钢，钢板质量等级(děngjí)分别为A、B、C。

精品资料2/4/2023322)优质碳素结构钢与碳素结构钢相比，优质碳素结构钢所含有害杂质(zázhì)(S≤0.035%，P≤0.035%)及非金属夹杂物较少，塑性及韧性较高，并可通过热处理强化，多用于较为重要的零件，是应用极广的一种过程装备用钢。但成本比碳素结构钢高。优质碳素结构钢的牌号通常由五部分组成：第一部分是以两位阿拉伯数字表示平均含碳量(万分之几)；第二部分(必要时)为当含锰量较高的优质碳素结构钢，加锰元素符号Mn；第三部分(必要时)表示钢材冶金质量，即高级优质钢、特级优质钢分别以A、E表示，优质钢不用字母表示；第四部分(必要时)为脱氧方式表示符号；第五部分(必要时)为产品用途、特性和工艺方法表示符号。精品资料2/4/20233320，表示平均(píngjūn)含碳量为万分之二十(即0.20%)的优质碳素结构钢。40Mn，表示平均(píngjūn)含碳量为万分之四十(即0.40%)且含锰量为0.70%～1.00%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢在压力容器制造中应用较多的是10、20钢钢管和16Mn、20、35钢锻件，其中10、20钢钢管主要用于压力容器各种接管、换热设备换热管等的制造，16Mn、20、35钢锻件则主要用于压力容器法兰、换热设备管板或强度要求较高的螺栓、螺母(luómǔ)等的制造。此外，45钢常用于轴、齿轮等零件的制造。精品资料2/4/202334(2)低合金(héjīn)高强度结构钢低合金(héjīn)高强度结构钢是在低碳的碳素钢基础上，通过添加少量合金(héjīn)元素，从而达到提高钢的强度和改善其综合性能的目的。低合金(héjīn)高强度结构钢采用低碳的目的是为了提高钢的塑性，以便获得良好的焊接性能和冷变形性能，其碳的质量分数一般不超过0.20%。低合金(héjīn)高强度结构钢的优良性能是靠添加少量合金(héjīn)元素来实现的，常用的合金(héjīn)元素有锰(Mn)、铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)和铜(Cu)等，其总质量分数一般不超过3％。精品资料2/4/202335低合金高强度结构钢的牌号表示方法和碳素结构钢的牌号表示方法相同，例如，Q345C表示厚度≤16mm的最低屈服(qūfú)强度值为345MPa、质量等级为C级的低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢不仅强度明显高于具有相同含碳量的碳素钢，而且具有良好的塑性、焊接性能和一定的耐蚀性能，因此，低合金高强度钢广泛用于车辆、船舶、高压容器、输油输气管道、起重运输机械和大型钢结构桥梁等重要结构件的制造。精品资料2/4/202336(3)不锈钢不锈钢是指具有耐大气(dàqì)、酸、碱和盐等介质腐蚀作用的合金结构钢，这一类合金结构钢实际上是在低碳的碳素钢基础上，通过添加较多的合金元素(总量超过10％以上)而形成的。由于较多含量合金元素的加入提高了钢的整体热力学稳定性，使钢呈现电化学性能稳定的组织，并使钢在腐蚀性介质中呈现稳定的钝态或表面生成致密的保护膜，从而极大地提高了钢的耐蚀性能，还具备较好的耐热性能。精品资料2/4/202337不锈钢牌号的表示方法是由化学元素符号和表示各元素含量(hánliàng)的阿拉伯数字表示，其中碳含量(hánliàng)以两位或三位阿拉伯数字表示碳含量(hánliàng)最佳控制值(以万分之几或十万分之几计)，合金元素含量(hánliàng)以合金元素符号及阿拉伯数字表示。例如，碳含量(hánliàng)不大于0.08%、铬含量(hánliàng)为18%～20%、镍含量(hánliàng)为8%～11%的不锈钢，牌号为06Cr19Ni10；碳含量(hánliàng)不大于0.03%、铬含量(hánliàng)为16%～19%、钛含量(hánliàng)为0.1%～1%的不锈钢，牌号为022Cr18Ti。精品资料2/4/202338不锈钢中的常用合金元素(yuánsù)有铬、镍、钼、铜、钛、硅、锰和氮等，根据所含主要合金元素(yuánsù)的不同，不锈钢常分为三类：1)以铬为主的铬不锈钢(如06Cr13等)；2)以铬、镍为主的铬镍不锈钢(如06Cr19Ni10、06Cr19Ni11Ti等)；3)铬镍钼不锈钢(如022Cr19Mo3Si2N等)。精品资料2/4/202339过程设备制造中所用的低碳和超低碳不锈钢，均属于高合金结构钢，大多是既耐腐蚀又耐高温。除了铬不锈钢之外，这些高合金结构钢均具有良好的高温或低温性能。因此，需要在高温或低温工况下使用时可根据不锈钢相关标准(biāozhǔn)选择必要的耐高温或低温钢材。精品资料2/4/202340(4)锅炉和压力容器专用钢板为了确保锅炉和压力容器的使用安全，锅炉和压力容器在制造技术要求上非常严格，其承压元件应采用锅炉和压力容器专用钢板。这类钢板要求质地均匀，对硫、磷等有害元素的控制更加严格(S≤0.015%，P≤0.025%)，且需要进行某些机械性能方面特殊项目的检验(jiǎnyàn)。锅炉和压力容器的专用钢板有Q245R、Q345R、Q370R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR。低温压力容器的专用钢板有16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR。精品资料2/4/202341Q245R是制造锅炉和压力容器专用的碳素钢板(gāngbǎn)。Q345R是制造锅炉和压力容器专用的低合金高强度钢板(gāngbǎn)，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。Q345R是国产锅炉和压力容器专用钢板(gāngbǎn)中使用量最大的一个钢号，主要用于制造-20°C～400°C的中低压压力容器、多层高压容器及其承压结构件。16MnDR是制造-40°C级低温压力容器的专用钢板(gāngbǎn)，可用于液氨储罐等的制造。精品资料2/4/202342工业上常用的铸铁是含碳量为2.11%～4.5%的铁碳合金，并含有硫、磷、硅、锰等杂质。铸铁是一种脆性材料，抗拉强度(kànɡlāqiánɡdù)、塑性、韧性等力学性能均较低，但具有很高的减摩性、耐磨性和优异的消振性以及低的缺口敏感性。铸铁的生产成本低廉，铸造性能好，且具有优良的切削加工性，因此，在工业生产中得到了普遍应用。8.1.3铸铁(zhùtiě)精品资料2/4/202343常用的铸铁有如下几种：(1)灰铸铁碳的全部或大部分以游离状态的片状石墨形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色。灰铸铁是目前应用最广泛的一类铸铁可用于制造承受压应力及要求消振、耐磨的零件，如过程装备中泵、压缩机的支架、底盘、阀体、泵体、管路附件等。在化工生产中可用于制作纯碱或染料(rǎnliào)介质中工作的压力容器、泵体、法兰等。灰铸铁的牌号以HT加数字表示，如HT100、HT150、HT200等。后面的数字表示其抗拉强度值(MPa)，数字愈大，强度愈高。精品资料2/4/202344(2)球墨铸铁球墨铸铁是将铁水经过球化处理和孕育处理后获得的，即在浇铸前向铁水中加入一定量的纯镁、镍镁、铜镁等合金作为球化剂，并加入一定量的硅铁或硅钙合金作为孕育剂，以促进碳呈球状石墨结晶析出。它是目前最好的铸铁，综合(zōnghé)机械性能接近于钢。过去用碳钢和合金钢制造的重要零件(如曲轴、连杆、主轴等)，现不少已改用球墨铸铁来制作。球墨铸铁的牌号是由“QT”加二组数字组成，如QT400-17、QT420-10等。其中第一组数字是抗拉强度(MPa)，第二组数字是最低伸长率。精品资料2/4/202345(3)可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁经退火处理而得，这种铸铁中的石墨(shímò)为团絮状，故又称马铁。其强度、塑性和韧性均比普通灰铸铁高，生产工艺简便，便于组织大量生产，常用于制造过程装备中的各种薄壁小型零件。可锻铸铁根据其组织成分和性能可以分为黑心可锻铸铁KTH、珠光体可锻铸铁KTZ和白心可锻铸铁KTB三种，其牌号以可锻铸铁的种类代号加两组数字表示，例如，KTH300-06表示抗拉强度值为300MPa、最低伸长率为6%的黑心可锻铸铁。精品资料2/4/202346(4)耐蚀、耐热、耐磨铸铁在铸铁中加入适量的合金元素就形成了具有耐蚀、耐热、耐磨性能的铸铁。在铸铁中加入硅、铬、铝等合金元素，使表面(biǎomiàn)形成连续而致密的氧化保护膜，从而提高铸铁的耐腐蚀性，这种铸铁称为耐蚀铸铁，如STSi15R。在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使表面(biǎomiàn)形成致密的氧化膜保护内层不被氧化，或提高铸铁的相变点，从而提高铸铁的耐热性，这种铸铁称为耐热铸铁，如RTCr16。在铸铁中加入锰、磷等合金元素，从而提高铸铁的耐磨性，这种铸铁称为耐磨铸铁，如MTP6。精品资料2/4/202347在工业生产中，通常(tōngcháng)把以铁为基的金属材料称为黑色金属，而把非铁金属及其合金称为有色金属。与钢铁等黑色金属材料相比，有色金属及其合金具有许多优良的特殊性能，如比强度高、导电性和导热性好、塑性和韧性高、耐腐蚀性和耐磨性强等性能，因而在航空、航天、航海、石油、化工、能源、机电、仪表等多个行业中起到重要的作用。主要有铜、铝、铅、镍、钛及其合金。8.1.4有色金属(yǒusèjīnshǔ)及其合金精品资料2/4/202348(1)铜及其合金铜及其合金具有优异的导电、导热性能，有足够的强度、弹性和耐磨性，有良好的塑性，易于加工成型，在某些介质中有较好的耐蚀性，因此，在过程工业生产中有一定的应用(yìngyòng)。主要有纯铜、铜合金(黄铜、青铜)两种类型。精品资料2/4/2023491)纯铜纯铜又称紫铜，具有高的导电、导热性及良好的塑性，在低温下能保持较高的塑性及冲击韧性。铜在大气、淡水、海水或中性盐类水溶液、无氧的碱中是耐蚀的，且在稀的、中等浓度的非氧化性酸(如盐酸)、有机酸(如醋酸、脂肪酸等)和非氧化性有机化合物介质中均有足够的耐蚀性，但在氧化性酸(如硝酸、铬酸、浓硫酸等)、硫化物、氨和铵盐溶液中是不耐蚀的。由于纯铜强度低等原因，在过程装备制造上应用较多的是它的合金——黄铜和青铜，尤其青铜是经常选用的耐蚀结构材料。工业纯铜的编号(biānhào)用其汉语拼音首位字母T结合顺序号表示，纯度随顺序号增加而降低，如T2，表示杂质含量≤0.1%的工业纯铜。精品资料2/4/2023502)铜合金①黄铜以铜和锌为主的二元和多元(duōyuán)合金称为黄铜，二元铜锌合金称为普通黄铜，在各类工业中应用广泛。黄铜有优良的力学性能和工艺性能，价格也比纯铜便宜。黄铜色泽美丽，能耐大气、淡水腐蚀，但在海水、含氧中性盐的水溶液中常产生选择性脱锌腐蚀。为了进一步改善和提高黄铜的性能，又添加锡、铝、硅、镍、锰、铅等合金元素，所形成的合金称为特种黄铜。精品资料2/4/202351普通黄铜(huánɡtónɡ)的牌号以“黄”字的汉语拼音字头的“H”加数字表示，数字代表铜的质量分数，如H80；特殊黄铜(huánɡtónɡ)的牌号以“H”+主加元素符号+铜的质量分数+主加元素的质量分数来表示，如HSn70-1，表示平均含铜量为70%、含锡量1%的锡黄铜(huánɡtónɡ)；对于铸造生产的黄铜(huánɡtónɡ)，其牌号前需加“铸”字的汉语拼音字头“Z”。精品资料2/4/202352②青铜青铜是人类历史上最早使用的一种合金。铜合金中除紫铜、黄铜、白铜外，其余的均称为青铜。一般按铜中第一主添加元素(如锡、铝、铍等)分别命名为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。青铜的强度、硬度(yìngdù)、铸造性、耐蚀性都较高，常用来铸造耐蚀和耐磨零件，如泵壳、阀门、齿轮、轴瓦、蜗轮等零件。青铜的牌号以“青”字汉语拼音的字头“Q”加主要合金元素的名称及含量表示，如QSn4-3，表示平均锡含量为4%、锌3%的青铜。铸造青铜在牌号前加“Z”。精品资料2/4/202353(2)铝及其合金铝属于轻金属，相对密度(mìdù)小(2.72)，约为铁的三分之一；导电性、导热性、塑性、冷韧性都好，有极好的耐蚀性；强度中等，随合金化程度而增大、冷加工而硬化，能承受各种压力加工，并可进行焊接和切削。铝在氧化性介质中极易生成Ａl2O3保护膜，因此铝在干燥或潮湿的大气中，甚至在有硫化物存在的大气或溶液中，在氧化剂的盐溶液中，在浓硝酸以及干氯化氢、氨气中都是稳定的。但含有卤素离子的盐类、氢氟酸以及碱溶液都会破坏铝表面的保护膜。所以铝不宜在上述介质中使用。精品资料2/4/202354过程装备制造上常用的铝及其合金：1)纯铝GB/T16474和GB/T3190将铝含量不低于99.0%的都统称为纯铝，牌号用1××××系列表示，其中最后两位数字表示纯度为99.××%，如1060表示铝含量99.60%。纯铝具有一系列优良的工艺性能，易于铸造，易于切削，也易于通过压力加工制成各种规格的半成品，并且在大气(dàqì)、淡水和一些介质中具有良好的耐蚀性等。精品资料2/4/2023552)铝合金防锈铝是在大气、淡水和油等介质中具有良好耐腐蚀性能的变形铝合金，主要有Al-Mn和AL-Mg两个合金系列，常用牌号有5A05、3A21等。这类合金不能热处理强化，只能用冷塑性变形进行强化，具有良好的塑性和焊接性能，强度比纯铝高得多，耐蚀性好，在过程工业(gōngyè)中常用来制造各式容器、换热设备等。过程工业(gōngyè)生产中常用的铸造铝合金有Al-Si、Al-Mg、Al-Cu三种合金，其中Al-Si铸造合金应用最广，其典型牌号为ZAlSi7Mg。铸造铝合金具有优良的铸造性能，可以焊接，有良好的耐蚀性和一定的力学性能，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。精品资料2/4/202356(3)铅及其合金铅属于重金属，相对密度大(11.35)，硬度低、强度小、熔点低、导热性差，不宜单独作为设备材料，只适合做设备衬里。铅与锑的合金称为硬铅，它的硬度、强度都比纯铅高，在硫酸中的稳定性也比纯铅好，硬铅的主要牌号(páihào)有PbSb4、PbSb6、PbSb8和PbSb10。铅和硬铅在硫酸、化纤、农药、电器设备中作为耐酸、耐蚀和防护材料。在工业上还可用作x射线和γ射线的防护材料、配制低熔点合金、轴承合金等。不过，由于铅有毒，铅及其合金不允许用于食品工业和制药工业。精品资料2/4/202357(4)镍及其合金镍属于稀有贵重金属，相对密度为8.902，具有高强度、高塑性和冷韧的特性，它在许多介质中有很好的耐蚀性。镍合金主要有镍铜合金、镍铬合金、镍钼合金、镍铬钼合金、铁镍基合金五类。在过程装备制造(zhìzào)中应用较多的是镍铜合金，其中牌号为NCu28-2.5-1.5的合金是用量最大、用途最广、综合机械性能最佳的耐蚀镍铜合金，也称蒙乃尔合金，它主要用于化学和石油工业、制盐工业和海洋开发工程中，制造(zhìzào)各种换热设备、锅炉给水换热器、石油和化工用管线、容器、塔、槽、发应釜、弹性部件以及泵、阀、轴等。精品资料2/4/202358(5)钛及其合金钛的相对密度小(4.5)，不但具有比强度高、耐热性好和优异的耐腐蚀性能，而且还具有良好的机械性能和较好的加工工艺性能，由于钛在许多介质中其表面能形成钝化膜，因而具有极好的耐蚀性。工业纯钛按其杂质含量不同可分为三个等级，牌号分别(fēnbié)用TA1、TA2、TA3表示，其纯度随序号增大依次降低。耐蚀钛合金主要有钛钯合金、钛镍钼合金、钛钼合金三类，典型牌号有Ti-0.2Pd、Ti-0.8Ni-0.3Mo、Ti-32Mo等。主要用于各种强腐蚀环境的换热设备、反应釜、分离设备、泵、阀、管道、管件、电解槽等。精品资料2/4/2023596.2过程(guòchéng)装备用非金属材料非金属材料具有耐腐蚀性好、资源丰富、品种繁多、价格便宜等优点，它既可以单独用作过程(guòchéng)装备的结构材料，又可用作金属设备的保护衬里、涂层，还可用作过程(guòchéng)装备的密封材料和保温材料，是一类有着广阔发展前景的过程(guòchéng)装备材料。精品资料2/4/202360常见的非金属材料(cáiliào)种类有:(1)高分子材料(cáiliào)(2)陶瓷材料(cáiliào)(3)石墨(4)搪瓷材料(cáiliào)精品资料2/4/202361高分子材料是以聚合物为基本组分(zǔfèn)的材料，所以又称聚合物材料或高聚物材料。高分子材料具有高强度、高绝缘性、高弹性、耐水、耐油、耐磨、耐腐蚀和质轻等一系列优异性能，因此，它已广泛应用于各种工业生产中，并成为各种工业生产不可或缺的重要材料。其种类繁多，在过程工业生产中常用的主要有塑料、橡胶、涂料等三类。6.2.1高分子材料(cáiliào)精品资料2/4/202362(1)塑料塑料是以合成或天然树脂作为主要成分，添加各种辅助材料(如填料、增塑剂、稳定剂、防老剂等)而加工成型的。塑料的品种很多，根据其应用领域不同可以分为如下三类:通用塑料主要包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)等品种，其特点是产量大、用途广、成型性好、价格低。工程塑料主要包括聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)等品种，其特点是能承受一定外力作用(wàilìzuòyònɡ)、有良好机械性能和尺寸稳定性、在中低温下可保持其优良性能，适于工程结构材料。特种塑料主要包括聚砜(PSU)等的耐高温塑料、聚四氟乙烯(PTFE)等的氟塑料合金等品种，其特点是具有特殊功能，可应用于特殊要求的场合，如耐高温、润滑、不粘等。精品资料2/4/202363(2)橡胶橡胶是一种有机高分子材料，具有优良的伸缩性、较好的抗撕裂和耐疲劳性以及不透水、不透气、耐酸碱和绝缘(juéyuán)等特性，在过程装备制造中广泛用作密封、防腐蚀、防渗漏、减震、耐磨、绝缘(juéyuán)以及安全防护等的材料。按照橡胶的使用性能和环境可分为通用橡胶和特种橡胶两大类，目前橡胶的品种多达170多种，过程装备制造中常用的品种有：1)天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)等通用橡胶；2)乙丙橡胶(EPM、EPDM)、丙烯酸酯橡胶(ACM)、聚氨酯橡胶(UR)、氟橡胶(FPM)、硅橡胶(SR)等特种橡胶。精品资料2/4/202364(3)涂料涂料是一种有机高分子胶体的混合溶液，涂在物体表面上能形成附着坚牢的涂层。涂料主要有三大基本功能：一是保护功能，起着防止产品免受大气、水分及酸、碱、盐等介质的腐蚀，以及避免外力碰伤、摩擦；二是装饰功能，起着使制品表面光亮、美观的作用；三是特殊功能，可作为标志使用，如管道、气瓶等。采用防腐涂层的特点是品种多、选择范围广、适应性强、使用方便、价格低廉、适于现场(xiànchǎng)施工等。过程装备中常用涂料有防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等，大多数情况下用于涂刷设备、管道外表面，也常用于设备内壁的防腐涂层。精品资料2/4/202365陶瓷属无机非金属材料，其传统含义是指陶器和瓷器，随着无机非金属材料的发展，陶瓷材料不仅包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等全部硅酸盐材料，而且(érqiě)还包括经过成形、烧结等工序制得的金属的氧化物、非氧化物等无机非金属材料。陶瓷材料与金属材料、高分子材料一起构成了工程材料的三大支柱。陶瓷材料的性能特点是：具有高的耐热性、良好的耐腐蚀性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。6.2.2陶瓷材料精品资料2/4/202366陶瓷材料的种类很多，根据其用途可分为普通陶瓷、特种陶瓷和其他硅酸盐陶瓷三类。普通陶瓷又分为日用陶瓷、建筑用陶瓷、绝缘用陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷等种类，特种陶瓷可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合陶瓷等种类，其他硅酸盐陶瓷则主要是指玻璃、铸石、水泥、耐火材料(nàihuǒcáiliào)四种硅酸盐陶瓷。陶瓷材料在过程工业中应用很多，常用的三种陶瓷材料为：精品资料2/4/202367(1)化工陶瓷化工陶瓷是指用于石油、化工设备的防腐或作为独立化工设备的陶瓷材料。化工陶瓷除了要求耐腐蚀之外，还要求有不渗透性、能耐一定的温度急变、承受一定压力等优良性能。由于化工陶瓷的耐酸性能较好而耐碱性能差，所以又称为耐酸陶瓷。由于化工陶瓷的主要化学成分为SiO2和Al2O3，所以化工陶瓷具有优良的耐蚀性，因此，在石油、化工生产中化工陶瓷主要用于制造接触强腐蚀性介质的塔设备、贮槽、容器、泵、风机等，耐酸陶瓷制作的砖、板是石油、化工生产设备最基本的防腐蚀衬里材料，化工陶瓷管及配件则主要用于化工或其他(qítā)工业部门输送酸性废水及腐蚀性介质。精品资料2/4/202368(2)特种陶瓷特种陶瓷是指一些具有特殊力学、物理或化学性能的陶瓷，其原料都是经过(jīngguò)人工制备的高纯度化合物(如氧化物、氮化物、碳化物等)，不像普通陶瓷直接取材于天然原料，因此材料的成分与配比可以控制，制品质量稳定。过程工业生产中所用的特种陶瓷主要有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷三种，其中氧化铝陶瓷主要用于制作泵用零件(如轴套、轴承、机械密封环、叶轮)、活塞、阀、热电偶套管等，氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷主要用于制作泵同时要求耐磨、耐蚀、耐高温的泵用密封环、高温轴承、高温热电偶套管、球阀、燃汽轮机零件等，碳化硅陶瓷现用于制作耐磨损、耐腐蚀或同时要求耐磨、耐蚀以及耐高温氧化的零部件。精品资料2/4/202369(3)玻璃由熔融物冷却硬化而得的非晶态固体，不论其化学组成和硬化温度如何(rúhé)都称为玻璃。工业上大量生产的是以SiO2为主要成分的硅酸盐玻璃，过程工业中所用玻璃即属于硅酸盐玻璃，主要用作过程工业生产中的蒸馏塔、吸收塔、换热设备、泵、管道、阀门及设备的衬里等。精品资料2/4/202370石墨