《水工艺设备基础》 第一章

2011.9付英[e-mail]一．课程的诞生二．课程设置背景三．课程的性质与任务四．课程涉及的知识点五．课程教学基本要求六．教材建设七．课程的教学安排八.参考资料内容:第一篇基础知识水工艺设备基础第1章水工艺设备常用材料主要内容：1.1金属材料1.2无机非金属材料1.3高分子材料1.4复合材料重点与难点水工艺设备常用材料的种类、基本性能与特点；如何根据材料的性能、特点和水工艺设备要求，确定不同材料的适用条件和范围。水工艺设备基础§1.1金属材料钢碳钢:合金钢(不锈钢)：1.1.1金属材料的分类碳钢、铸铁、合金钢、不锈钢、有色金属。水工艺设备基础§1.1金属材料1、钢的分类（化学成分、质量、用途）（1）按化学成分分类水工艺设备基础§1.1金属材料（2）按质量分类按钢中硫（S）和磷（P）的含量可分为：普通钢优质钢高级优质钢水工艺设备基础§1.1金属材料（3）按用途分类结构钢工具钢特殊性能钢水工艺设备基础§1.1金属材料2、钢的编号编号要求：1、用简明符号将钢中所含元素的百分数表示出来。2、通过编号说明钢的性能特征。编号分类：1、字母和数字（中国、德国、日本等）2、数字（美国）水工艺设备基础§1.1金属材料1.1.2金属材料的基本性能物理性能机械性能化学性能工艺性能化学成分水工艺设备基础§1.1金属材料水工艺与工程中容器和设备主要零部件的制造工艺过程主要包括：焊接锻造切削冲压弯曲热处理（1）可焊性（2）可锻性（3）切削加工性（4）成型工艺性（5）热处理性能水工艺设备基础§1.2无机非金属材料1.2.1陶瓷材料1.2.1.1分类(1)传统陶瓷：以粘土为主要原料：工业、日用。(2)玻璃：工业玻璃，建筑玻璃，日用玻璃(3)玻璃陶瓷：光学玻璃陶瓷，耐热耐蚀微晶玻璃(4)特种陶瓷：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷。有特殊物理、化学、机械性能。（耐蚀陶瓷、高温陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、电光陶瓷）。(5)金属陶瓷：粉末冶金法生长的金属材料（制粉、成形、烧结）硅酸盐材料水工艺设备基础§1.2无机非金属材料1.2.1.2陶瓷基本性能：（1）机械性能（2）物化性能刚度硬度强度塑性韧性或脆性热膨胀导热性热稳定性化学稳定性导电性水工艺设备基础§1.2无机非金属材料（1）机械性能刚度硬度强度塑性韧性或脆性水工艺设备基础§1.2无机非金属材料刚度：由弹性模量(反映结合键的强度)衡量。陶瓷刚度在各类材料中最高，比金属材料高若干倍，比高聚物高2~4个数量级。硬度：由化学键强度决定。陶瓷在各类材料中硬度最高-----最大特点。其硬度随温度升高而降低，但在高温下仍能保持较高数值。强度：实际强度比理论值低很多，其破坏作用比在金属中更大。1/100-1/20弹性模量=应力/应变。弹性模量是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。水工艺设备基础§1.2无机非金属材料塑性：在室温下几乎无塑性。陶瓷晶体开始塑性变形的温度很高，因此有很高的高温强度。韧性或脆性：陶瓷受载时不发生塑性变形，在较低的应力下就会断裂，因此韧性极低或脆性极高。脆性是陶瓷的最大缺点，是阻碍其作为结构材料广泛应用的首要问题，是当前的重要研究课题。水工艺设备基础§1.2无机非金属材料（2）物化性能热膨胀导热性热稳定性化学稳定性导电性水工艺设备基础§1.2无机非金属材料热膨胀：温度升高时物质原子振动振幅提高、原子间距增大所导致的体积长大现象。陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，也比金属低很多。导热性：陶瓷的导热性比金属小，是较好的绝热材料。热稳定性：即抗热振性，指在不同温度范围波动时的寿命，常用在水中急冷且不破裂所能承受的最高温度来表征。陶瓷热稳定性很低，比金属低很多。这是陶瓷的另一个主要缺点。水工艺设备基础§1.2无机非金属材料化学稳定性：陶瓷结构稳定。具有很好的耐火性能或不可燃烧性，对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力。导电性：导电性变化范围很宽。多数陶瓷是良好的绝缘体。但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性，是重要的半导体材料(ZnO\NiO\Fe3O4)。水工艺设备基础§1.3高分子材料一、高分子化合物概念高分子化合物：指分子量很大的化合物。分子量大多在5×103~106之间。工业用高分子化合物：工程上认为，只有具备较好的强度、弹性和塑性等机械性能的高分子化合物才是工业用高分子化合物。有机高分子天然人造水工艺设备基础§1.3高分子材料高分子化合物的每个分子是由一种或几种简单的低分子化合物(单体)连接起来组成的，其性能主要决定于构成高分子的单体、链节结构、聚合度等。不要水工艺设备基础§1.3高分子材料二、高分子化合物的合成是将单体通过聚合反应聚合起来形成化合物的过程。故高分子化合物也称为聚合物或高聚物。加聚反应缩聚反应最常见的聚合反应水工艺设备基础§1.3高分子材料加聚反应：指一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应，无副产物；均聚反应：只有一种单体共聚反应：两种或两种以上单体如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和合成橡胶等。缩聚反应：指一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）其它低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。均缩聚：只有一种单体共缩聚：两种或两种以上单体如涤纶、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、有机硅树脂等。80%水工艺设备基础§1.3高分子材料三、高分子材料的分类和命名1、分类按来源：天然高分子、合成高分子；按大分子链的几何形状：线型、支链型、体型；按大分子链的排列特点：无定型和晶态两种；按极性：极性和非极性两种；按照实际用途：塑料、橡胶、纤维和胶粘剂等。水工艺设备基础大分子主链全部由饱和碳链或双键不饱和碳链组成（如聚烯烃、聚二烯烃）-C-C-C-C-C-或-C-C=C-C-大分子主链中除碳原子外，还含有氧、氮、硫、磷等其它原子：-C-C-O-C-，-C-C-N-C-，或-C-C-S-C-§1.3高分子材料按照化学组成（最本质和最重要）：①碳链有机聚合物：②杂链有机聚合物：弹性不透气性耐火、耐热性③元素有机聚合物:④无机聚合物：主链主要由硅、钛、铝、硼、氧等构成，如：-O-Si-O-Si-O-，其侧基一般为有机基团（碳链）。主链和侧基均由无机元素或基团构成。硅酸盐玻璃、陶瓷、云母、石棉等都属于无机聚合物。水工艺设备基础§1.3高分子材料2、命名①由化学结构命名②由原料单体命名③采用商品名称和代表符号水工艺设备基础§1.3高分子材料四、高分子材料的性能（1）重量轻（2）高弹性（3）滞弹性（4）塑性与受迫弹性（5）强度与断裂（6）韧性（7）减摩、耐磨性（8）绝缘性（9）耐热性水工艺设备基础§1.3高分子材料五、常用塑料高分子材料主要包括合成材脂、合成橡胶和合成纤维三大类。1、塑料组成塑料是指以有机合成树脂为主要组成材料，与其他配料混合，通过加热、加压塑造成一定形状的产品。组成塑料的物质主要包括：①合成树脂②填料③固化剂④增塑剂⑤稳定剂⑥润滑剂⑦着色剂⑧阻燃剂68%水工艺设备基础§1.3高分子材料2、常用塑料的分类及特性（1）按照热性能分：①热塑性塑料：加热时软化，可塑造成形，冷却后则变硬。线型聚合物。该过程可反复。典型品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚矾等。优点：加工成形简便，具有较高的机械性能；缺点：耐热性和刚性比较差。②热固性塑料：初加热时软化，可塑造成形，但固化之后再加热，将不再软化，也不溶于溶剂。体型聚合物。典型品种有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、以及由聚邻苯二甲酸二丙烯树脂制成的塑料等。优点：耐热性高，受压不易变形等；缺点：机械性能不好，但可加入填料，制成层压塑料或模压塑料，以提高强度。水工艺设备基础§1.3高分子材料六、橡胶天然橡胶：合成橡胶：弹性和抗切割性好耐蚀性好水工艺设备基础§1.4复合材料一、概述1、概念复合材料是由两种或更多种的物理和化学本质不同的物质，人工制成的一种多相固体材料。①可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点。②可按照零部件、构件的结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计。③造成单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里发挥不同功能的作用。水工艺设备基础§1.4复合材料2、分类复合材料为多相或多组成体系，全部相可分为两类，一类为基体相，主要起粘结剂作用；另一类为增强相，起提高强度或韧性的作用。复合材料可由金属、高聚物和陶瓷中任意两者人工合成，也可由多种金属、高聚物或陶瓷来制备水工艺设备基础§1.4复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料硼纤维复合材料金属纤维复合材料水工艺设备基础§1.4复合材料3、复合材料的性能特点（1）比强度和比刚度高（2）抗疲劳性能好（3）减振能力强（4）高温性能好（5）断裂安全性高材料的刚度除以密度1、根据使用性能要求选材2、根据工艺性能要求选材3、考虑经济性选材§1.5给水排水工程设备材料的选择原则