化工设备机械第二章

化工设备材料第一节材料的性能一、力学性能二、物理性能三、化学性能四、加工工艺性能一、力学性能1、强度2、硬度3、塑性4、冲击韧性1、强度定义：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。常温下的强度指标：屈服强度和抗拉（压）强度。屈强比：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。蠕变：高温下长期工作产生的缓慢塑性变形—蠕变极限。疲劳破坏：长期承受小于屈服强度的交变应力作用而发生的断裂—疲劳强度。2、硬度定义：材料的硬度是指材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。压入法型硬度：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。３、塑性定义：材料的塑性是指材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显著的变形而不即行断裂的性能。

延伸率截面收缩率4、冲击韧性定义：材料的冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷能力的大小，以每单位横断面积所消耗的功表示。

冲击韧性值的高低决定于材料有无迅速塑性变形的能力。二、物理性能1、密度、熔点、比热容、导热系数2、导电性、磁性3、热膨胀系数4、弹性模量：温度升高，E值降低。5、泊桑比：试件横向应变与纵向应变之比。三、化学性能1、耐腐蚀性：金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液浸蚀的抵抗能力2、抗氧化性四、加工工艺性能1、可铸性2、可锻性：塑性好的材料可锻性高。3、焊接性：低碳钢具有优良的焊接性。4、可切削加工性：灰铸铁、碳钢具有较好的切削性。1、可铸性1）可铸性：液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向—合金凝固时化学成分的不均匀析出。2）常用金属材料中，灰铸铁和锡青铜铸造性能较好。第二节碳钢与铸铁一、铁碳合金的组织结构二、钢的热处理三、碳钢及铸铁钢和铸铁是由95%以上的铁和0.05~4%的碳及1%左右的杂质元素所组成的合金，称“铁碳合金”。含碳量在0.02~2%的铁碳合金称为钢；大于2%的称为铸铁。

含碳量小于0.02%时为纯铁，大于4.3%的铸铁极脆，这两种材料的工程应用价值很小。一、铁碳合金的组织结构1、组织：在金相显微镜下看到的金属晶粒。2、结构：金属原子的各种规则排列。3、体心立方晶格4、面心立方晶格5、碳钢的基本组织3、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各有一个原子，如下图所示。纯铁在910℃以下保持着体心立方晶格，这种铁称为α-Fe。此外，铬(Cr)、钨(W)、锰(Mn)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、韧性较好。4、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γ-Fe。纯铁在1390℃至910℃之间具有面心立方品格。此外铜、铝等金属也具有此种面心立方晶格。。

其机械性能特点是塑性都较好。5、碳钢的基本组织1）铁素体2）奥氏体3）渗碳体4）珠光体1）铁素体1、定义：碳溶解在α-Fe中形成的固溶体，以符号F表示。2、特性：强度和硬度低，但塑性和韧性很好。3、例子：低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。2）奥氏体1、定义：碳溶解在γ-Fe中形成的固溶体，以符号A表示。2、特性：塑性和韧性较好，无磁性。3）渗碳体1、定义：铁与碳的化合物，可以化学式Fe3C表示，以符号C代替，含碳量为6.67%。2、特性：硬度极高、强度极低，非常脆，延伸率和冲击韧性之几乎为零。3、应用：在塑性很好的铁素体基体上散布这种硬度很高的微粒，将大大提高材料的强度。4）珠光体1、定义：铁素体和渗碳体的机械混合物，以符号P表示。2、特性：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。二、钢的热处理1、铁碳合金的分类：钢和生铁—2%。2、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）退火和正火1、退火：把工件放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来的热处理工艺。2、正火：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，冷却速度快些，使得晶粒更细。3、作用：降低硬度，提高韧性，便于切削加工；调整金相组织，细化晶粒，促进组织均匀化，提高力学性能；消除部分内应力，防止工件变形。4、应用：铸、锻件在切削加工前一般要进行退火和正火。2）淬火和回火1、淬火：把工件加热至淬火温度（临界点以上30~50℃），并保温一段时间，然后投入淬火剂中冷却。2、淬火剂：空气、油、水和盐水，冷却能力依次递增。3、淬火的作用：增加硬度、强度和耐磨性。4、回火：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，提高韧性；使金相趋于稳定。3）表面淬火1、表面淬火：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之前，迅速冷却。2、作用：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，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，同时中心部又具有一定的韧性。4）化学热处理1、化学热处理：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。2、种类：渗碳、渗氮、渗铬、渗硅、渗铝、碳氮共渗（氰化）等。3、作用：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；渗硅可提高耐酸性；渗铝可提高耐热、抗氧化性。三、碳钢及铸铁1、常存杂质元素对钢材性能的影响

1）有害元素：硫、磷；

2）有益元素：锰、硅。2、分类与编号：

1）普通碳素钢；

2）优质碳素钢；

3）高级优质钢：在钢号后加A。3、铸铁：灰铸铁—HT+抗拉强度表示，用作支架、阀体和泵体；球墨铸铁—QT+抗拉强度+延伸率（QT400-18），用作曲轴、连杆、主轴和中压阀门；高硅铸铁—用作耐酸泵、冷却排管和热交换器等。1）有害元素1、硫：当钢材在热加工时，由于FeS化合物的熔点较低，会过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。2、磷：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，尤其是在低温时，会使钢材显著变脆，这种现象称为“冷脆”。2）有益元素1、锰：不仅是良好的脱氧剂，而且是脱硫剂，能使FeO和FeS还原，本身成为杂质除去，多余的锰溶解在钢中能使钢的强度提高，并稍降低塑性。2、硅：是良好的脱氧剂，为了除去氧化物，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，组织致密，此外，硅能使钢的强度提高，但塑性下降。1）普通碳素钢1、钢号表示方法：屈服强度的汉语拼音字首Q+屈服强度数值+质量等级符号+冶炼时的脱氧方法，如Q235-A·F。2、碳钢的质量：A、B、C、D四等级。3、脱氧方法：

沸腾钢：脱氧不完全（钢液往钢锭中浇注时，会放出大量CO气体，出现“沸腾”现象），用代号F表示；

镇静钢：完全脱氧，用Z表示，也可不标出；

半镇静钢：用b表示；

特殊镇静钢：用TZ表示。4、Q235-A：具有良好的塑性、韧性及加工工艺性，价格便宜，应用广泛。2）优质碳素钢1、编号：08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80等。2、钢号数字：表示钢中平均含碳量的万分之几。3、质量：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。4、应用：08、10钢常用作列管、设备接管、法兰的垫片包皮；45钢用作传动轴、搅拌轴；60、65钢制造弹簧；70、80钢制造钢丝绳。

第三节合金钢一、分类与编号二、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元素，得到或改善某些性能。

一、分类与编号按合金元素总含量分：

合金含量<5%，低合金钢合金含量5%-10%，中合金钢合金含量>10%，高合金钢按用途分：合金结构钢调质结构钢、表面硬化钢低碳马氏体钢、非调质结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢和耐热钢等

编号：1、汉字牌号，如35铬钼；2、用国际化学符号，如35CrMo，表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含Cr、Mo在1%左右；3、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量，可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。第五节化工设备材料选择一、材料的物理、力学性能二、材料的耐腐蚀性三、经济性四、设计标准从设备结构、制造工艺、使用条件和寿命等方面考虑，而且还要从设备工作条件下材料的物理性能、力学性能、耐腐蚀性能及材料价格与来源、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235到345MPa。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400MPa级以上。操作温度超过400℃时，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。二、材料的耐腐蚀性某磷肥厂需设计一个40m3稀硫酸贮罐：

可选灰铸铁、高硅铸铁、碳钢、铬镍不锈钢和碳钢用瓷砖衬里等。灰铸铁、高硅铸铁抗拉强度低、质脆，不能铸造大型设备，故不宜采用。碳钢的机械强度高、质韧，焊接性能好，但稀硫酸腐蚀严重，故也不能采用。不锈钢价格比较贵，焊接加工要求较高，故尽量不采用。根据比较，选用碳钢做罐壳，其内衬非金属较合适。三、材料的经济性