化工設(shè)備機械第二章

化工設(shè)備材料第一節(jié)材料的性能一、力學性能二、物理性能三、化學性能四、加工工藝性能一、力學性能1、強度2、硬度3、塑性4、沖擊韌性1、強度定義：材料的強度是指材料抵抗外加載荷而不失效、不被破壞的能力。常溫下的強度指標：屈服強度和抗拉（壓）強度。屈強比：屈服極限與強度極限的比值，要求比值較小，具有更高的安全可靠性。蠕變：高溫下長期工作產(chǎn)生的緩慢塑性變形—蠕變極限。疲勞破壞：長期承受小于屈服強度的交變應力作用而發(fā)生的斷裂—疲勞強度。2、硬度定義：材料的硬度是指材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。壓入法型硬度：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。３、塑性定義：材料的塑性是指材料受力時，當應力超過屈服點后，能產(chǎn)生顯著的變形而不即行斷裂的性能。

延伸率截面收縮率4、沖擊韌性定義：材料的沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷能力的大小，以每單位橫斷面積所消耗的功表示。

沖擊韌性值的高低決定于材料有無迅速塑性變形的能力。二、物理性能1、密度、熔點、比熱容、導熱系數(shù)2、導電性、磁性3、熱膨脹系數(shù)4、彈性模量：溫度升高，E值降低。5、泊桑比：試件橫向應變與縱向應變之比。三、化學性能1、耐腐蝕性：金屬和合金對周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液浸蝕的抵抗能力2、抗氧化性四、加工工藝性能1、可鑄性2、可鍛性：塑性好的材料可鍛性高。3、焊接性：低碳鋼具有優(yōu)良的焊接性。4、可切削加工性：灰鑄鐵、碳鋼具有較好的切削性。1、可鑄性1）可鑄性：液體金屬的流動性和凝固過程中的收縮和偏析傾向—合金凝固時化學成分的不均勻析出。2）常用金屬材料中，灰鑄鐵和錫青銅鑄造性能較好。第二節(jié)碳鋼與鑄鐵一、鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)二、鋼的熱處理三、碳鋼及鑄鐵鋼和鑄鐵是由95%以上的鐵和0.05~4%的碳及1%左右的雜質(zhì)元素所組成的合金，稱“鐵碳合金”。含碳量在0.02~2%的鐵碳合金稱為鋼；大于2%的稱為鑄鐵。

含碳量小于0.02%時為純鐵，大于4.3%的鑄鐵極脆，這兩種材料的工程應用價值很小。一、鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)1、組織：在金相顯微鏡下看到的金屬晶粒。2、結(jié)構(gòu)：金屬原子的各種規(guī)則排列。3、體心立方晶格4、面心立方晶格5、碳鋼的基本組織3、體心立方晶格

體心立方晶格是：在立方體的中心和八個頂點各有一個原子，如下圖所示。純鐵在910℃以下保持著體心立方晶格，這種鐵稱為α-Fe。此外，鉻(Cr)、鎢(W)、錳(Mn)等也具有體心立方品格。

其機械性能特點是強度、硬度低，而塑性、韌性較好。4、面心立方晶格

面心立方晶格是：在立方體的八個頂點和六個面的中心各有一個原子，如下圖所示。具有這種品格類型的鐵叫γ-Fe。純鐵在1390℃至910℃之間具有面心立方品格。此外銅、鋁等金屬也具有此種面心立方晶格。。

其機械性能特點是塑性都較好。5、碳鋼的基本組織1）鐵素體2）奧氏體3）滲碳體4）珠光體1）鐵素體1、定義：碳溶解在α-Fe中形成的固溶體，以符號F表示。2、特性：強度和硬度低，但塑性和韌性很好。3、例子：低碳鋼是含鐵素體的鋼，具有軟而韌的性能。2）奧氏體1、定義：碳溶解在γ-Fe中形成的固溶體，以符號A表示。2、特性：塑性和韌性較好，無磁性。3）滲碳體1、定義：鐵與碳的化合物，可以化學式Fe3C表示，以符號C代替，含碳量為6.67%。2、特性：硬度極高、強度極低，非常脆，延伸率和沖擊韌性之幾乎為零。3、應用：在塑性很好的鐵素體基體上散布這種硬度很高的微粒，將大大提高材料的強度。4）珠光體1、定義：鐵素體和滲碳體的機械混合物，以符號P表示。2、特性：介于鐵素體和滲碳體之間，即其強度、硬度比鐵素體顯著提高，塑性、韌性比鐵素體差，但比滲碳體要好得多。二、鋼的熱處理1、鐵碳合金的分類：鋼和生鐵—2%。2、鋼的熱處理熱處理普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學熱處理1）退火和正火1、退火：把工件放在爐中緩慢加熱到臨界點以上的某一溫度，保溫一段時間，隨爐緩慢冷卻下來的熱處理工藝。2、正火：與退火的不同之處在于將加熱后的工件從爐中取出置于空氣中冷卻，冷卻速度快些，使得晶粒更細。3、作用：降低硬度，提高韌性，便于切削加工；調(diào)整金相組織，細化晶粒，促進組織均勻化，提高力學性能；消除部分內(nèi)應力，防止工件變形。4、應用：鑄、鍛件在切削加工前一般要進行退火和正火。2）淬火和回火1、淬火：把工件加熱至淬火溫度（臨界點以上30~50℃），并保溫一段時間，然后投入淬火劑中冷卻。2、淬火劑：空氣、油、水和鹽水，冷卻能力依次遞增。3、淬火的作用：增加硬度、強度和耐磨性。4、回火：零件淬火后進行較低溫度的加熱與冷卻處理，可降低或消除零件淬火后的內(nèi)應力，提高韌性；使金相趨于穩(wěn)定。3）表面淬火1、表面淬火：將工件的表面通過快速加熱到臨界溫度，在熱量還來不及傳導至心部之前，迅速冷卻。2、作用：鋼的表層組織得到了改善，中心部分沒有發(fā)生相變而保持原有的組織狀態(tài)，因此零件表面層比中心部具有更高的強度、硬度、耐磨性和疲勞強度，同時中心部又具有一定的韌性。4）化學熱處理1、化學熱處理：將工件放在某種化學介質(zhì)中，通過加熱、保溫、冷卻等方法，使介質(zhì)中的某些元素滲入工件表面，改變表面層的化學成分和組織結(jié)構(gòu)，是工件表面具有某些化學性能。2、種類：滲碳、滲氮、滲鉻、滲硅、滲鋁、碳氮共滲（氰化）等。3、作用：滲碳、碳氮共滲可提高硬度和耐磨性；滲氮、滲鉻可提高耐磨性和耐腐蝕性；滲硅可提高耐酸性；滲鋁可提高耐熱、抗氧化性。三、碳鋼及鑄鐵1、常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響

1）有害元素：硫、磷；

2）有益元素：錳、硅。2、分類與編號：

1）普通碳素鋼；

2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼；

3）高級優(yōu)質(zhì)鋼：在鋼號后加A。3、鑄鐵：灰鑄鐵—HT+抗拉強度表示，用作支架、閥體和泵體；球墨鑄鐵—QT+抗拉強度+延伸率（QT400-18），用作曲軸、連桿、主軸和中壓閥門；高硅鑄鐵—用作耐酸泵、冷卻排管和熱交換器等。1）有害元素1、硫：當鋼材在熱加工時，由于FeS化合物的熔點較低，會過早熔化而導致工件開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。2、磷：此元素的存在能使鋼材的強度、硬度增高；但塑性和沖擊韌性顯著降低，尤其是在低溫時，會使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱為“冷脆”。2）有益元素1、錳：不僅是良好的脫氧劑，而且是脫硫劑，能使FeO和FeS還原，本身成為雜質(zhì)除去，多余的錳溶解在鋼中能使鋼的強度提高，并稍降低塑性。2、硅：是良好的脫氧劑，為了除去氧化物，有時特意加入一定數(shù)量的硅，因而鋼中硅含量高，表示脫氧完全，組織致密，此外，硅能使鋼的強度提高，但塑性下降。1）普通碳素鋼1、鋼號表示方法：屈服強度的漢語拼音字首Q+屈服強度數(shù)值+質(zhì)量等級符號+冶煉時的脫氧方法，如Q235-A·F。2、碳鋼的質(zhì)量：A、B、C、D四等級。3、脫氧方法：

沸騰鋼：脫氧不完全（鋼液往鋼錠中澆注時，會放出大量CO氣體，出現(xiàn)“沸騰”現(xiàn)象），用代號F表示；

鎮(zhèn)靜鋼：完全脫氧，用Z表示，也可不標出；

半鎮(zhèn)靜鋼：用b表示；

特殊鎮(zhèn)靜鋼：用TZ表示。4、Q235-A：具有良好的塑性、韌性及加工工藝性，價格便宜，應用廣泛。2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼1、編號：08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80等。2、鋼號數(shù)字：表示鋼中平均含碳量的萬分之幾。3、質(zhì)量：含有害雜質(zhì)元素較少，冶煉工藝嚴格，鋼材組織均勻，表面質(zhì)量高，但成本較高。4、應用：08、10鋼常用作列管、設(shè)備接管、法蘭的墊片包皮；45鋼用作傳動軸、攪拌軸；60、65鋼制造彈簧；70、80鋼制造鋼絲繩。

第三節(jié)合金鋼一、分類與編號二、合金元素對鋼的影響在碳鋼中添加適量的一種或多種合金元素，得到或改善某些性能。

一、分類與編號按合金元素總含量分：

合金含量<5%，低合金鋼合金含量5%-10%，中合金鋼合金含量>10%，高合金鋼按用途分：合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、表面硬化鋼低碳馬氏體鋼、非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼不銹鋼和耐熱鋼等

編號：1、漢字牌號，如35鉻鉬；2、用國際化學符號，如35CrMo，表示含碳量平均為萬分之三十五(或0.35%)，含Cr、Mo在1%左右；3、當平均質(zhì)量分數(shù)≥1.5%、≥2.5%，≥3.5%時，在元素符號后面應標明含量，可相應表示為2、3、4。如36Mn2Si。第五節(jié)化工設(shè)備材料選擇一、材料的物理、力學性能二、材料的耐腐蝕性三、經(jīng)濟性四、設(shè)計標準從設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造工藝、使用條件和壽命等方面考慮，而且還要從設(shè)備工作條件下材料的物理性能、力學性能、耐腐蝕性能及材料價格與來源、供應等方面綜合考慮。

一、材料的物理、力學性能方面

一般中、低壓設(shè)備采用屈服極限為235到345MPa。直徑較大、壓力較高的情況，最好采用普通低合金鋼，強度級別宜用400MPa級以上。操作溫度超過400℃時，還需考慮材料的蠕變強度和持久強度。二、材料的耐腐蝕性某磷肥廠需設(shè)計一個40m3稀硫酸貯罐：

可選灰鑄鐵、高硅鑄鐵、碳鋼、鉻鎳不銹鋼和碳鋼用瓷磚襯里等?；诣T鐵、高硅鑄鐵抗拉強度低、質(zhì)脆，不能鑄造大型設(shè)備，故不宜采用。碳鋼的機械強度高、質(zhì)韌，焊接性能好，但稀硫酸腐蝕嚴重，故也不能采用。不銹鋼價格比較貴，焊接加工要求較高，故盡量不采用。根據(jù)比較，選用碳鋼做罐殼，其內(nèi)襯非金屬較合適。三、材料的經(jīng)濟性